动态混合曝气微电解预处理维生素B1生产废

第２卷　第９期环境工程学报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．９２００８年９月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｅｐ２００８动态混合曝气微电解预处理维生素Ｂ１生产废水谢　琴　孙力平　于静洁　陈修辉　安　莹（天津城市建设学院环境与市政工程系，天津３００３８４）摘　要　维生素Ｂ１生产废水具有有机污染物浓度高、色度大、水量冲击大和可生化性差等特点。为了减轻后续生化处理的压力，提出了动态混合曝气微电解工艺进行预处理，通过单因素对比试验考察了各因素对出水效果的影响，得出最佳控制参数为：进水ｐＨ值为５，曝气时间为２ｈ，铁碳体积比为０．５，气水比为２００，充水比为０．５，混凝体积比为５。ＴＯＣ（原水５２１２０ｍｇ／Ｌ）和色度（原水为１０００倍）去除率分别达到３４．９％和４４％，为后续生化处理奠定了坚实的基础。关键词　维生素Ｂ１制药废水　动态混合曝气微电解　预处理中图分类号　Ｘ７０３１　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２００８）０９１１８５０４ＰｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒｆｒｏｍｖｉｔａｍｉｎＢ１ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｂｙｄｙｎａｍｉｃｍｉｘｉｎｇａｅｒａｔｉｏｎｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓＸｉｅＱｉｎ　ＳｕｎＬｉｐｉｎｇ　ＹｕＪｉｎｇｊｉｅ　ＣｈｅｎＸｉｕｈｕｉ　ＡｎＹｉｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８４）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＷａｓｔｅｗａｔｅｒｆｒｏｍｖｉｔａｍｉｎＢ１ｆａｃｔｏｒｙｈａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｂａｄｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｄｅｇｒａｄａｂｉｌｉｔｙ，ｍａｎｙｃｈｒｏｍｉｎａｎｃｅｓｕｂｓｔａｎｃｅａｎｄｈａｒｄｌｙｂｅｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｒｅａｔｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｌａｔｔｅｒｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅｍｏｖａｌ’ｓｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｄｙｎａｍｉｃｍｉｘｉｎｇａｅｒａｔｉｏｎｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｋｉｎｄｓｏｆｅｆｆｅｃｔｓａｒｅｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔＴｈｅｂｅｓｔｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｇａｉｎｅｄｂｙｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｆａｃｔｏｒｓｏｎｅｂｙｏｎｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｉｎｓｅｐａｒａｔｅｌｙａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｉｎｌｅｔｐＨｉｓ５，ａｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅｉｓｔｗｏｈｏｕｒｓ，ｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｏｆＦｅａｎｄＣ，ｒａｔｉｏｏｆｇａｓａｎｄｗａｔｅｒ，ｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｒａｔｉｏａｎｄｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｏｆｃｏａｇｕｌａｔｉｎｇａｒｅ０．５，２００，０．５，ａｎｄ５ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＲｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＴＯＣ（ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ’ｓＴＯＣｉｓ５２１２０ｍｇ／Ｌ）ａｎｄｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ（ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ’ｓｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｉｓ１０００ｔｉｍｅｓ）ａｒｅ３４９％ａｎｄ４４％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｔｌａｙｓａｓｔａｂｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｌａｔｔｅｒｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｆｒｏｍｖｉｔａｍｉｎＢ１ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌｆａｃｔｏｒｙ；ｄｙｎａｍｉｃｍｉｘｉｎｇａｅｒａｔｉｏｎｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ收稿日期：２００８－０３－１６；修订日期：２００８－０４－２０作者简介：谢琴（１９８１～），女，硕士研究生，主要从事污水资源化的研究工作。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　维生素Ｂ１制药废水具有有机污染物（ＣＯＤ）和ＴＯＣ浓度高、色度大、可生化性差和水量冲击负荷大等特点，任意排放使得水体发黑、变臭，对环境造成极大的污染。由于其可生化性差，常规的水处理工艺很难使其出水达到国家排放标准，所以本试验采用动态混合曝气微电解对维生素Ｂ１嘧啶废水进行预处理，为后续生化处理奠定了坚实的基础。微电解（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）法又称内电解法，被广泛研究与应用。它是利用铁屑中的铁和碳组分构成原电池，以各类废水为电解质溶液，通过电化学反应，集合多种去污作用，实现大分子有机污染物的断链、发色与助色基团脱色的一种水处理方法，用此法对生物难降解废水进行预处理可提高废水的生化性，同时具有良好的絮凝吸附作用，从而利于后续生化反应的进行，达到“以废治废”的目的［１，２］。１　试验部分１．１　试验水质本试验所用废水取自我国北方某城市的维生素Ｂ１厂的嘧啶工序实际废水，稀释１倍后加入试验装置。稀释后的废水ＣＯＤ为７３６００ｍｇ／Ｌ，ＴＯＣ为２６０６０ｍｇ／Ｌ。原水水质为：ＣＯＤ１４７２００ｍｇ／Ｌ，ＴＯＣ５２１２０ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４Ｎ７３９３ｍｇ／Ｌ，色度１０００倍，ｐＨ为１０２。环境工程学报第２卷１．２　试验装置及流程曝气微电解装置采用自制柱状反应器，有效容积为２Ｌ，采用间歇进水排水的方式反应，铁碳床由颗粒活性炭和刨铁花混合而成，在铁碳床下方放置曝气头，曝气量可调节。微电解出水加入石灰乳调节ｐＨ值到１０，并在烧杯中进行混凝沉淀试验。１．３　试验方法废水首先进入曝气微电解反应器，经曝气微电解最佳处理条件下的出水直接与原废水混合，进行混凝沉淀，此工艺叫动态混合曝气微电解工艺，并将曝气微电解反应的出水与原废水混合的体积成为混凝体积比。曝气微电解工艺的出水与原废水混合时，将出水ｐＨ值用石灰乳调到１０，ｐＨ值在此范围内的沉淀效果较好，并且在微生物出现的适宜的ｐＨ值范围内。该工艺得到了很好的处理效果，在提高可生化性的同时提高了处理效率，并且减小了嘧啶废水对调节池有较大的冲击。１．４　动态混合曝气微电解基本原理动态混合曝气微电解工艺建立在微电解的基础上。微电解反应基本原理为：（１）氧化还原反应；（２）原电池反应；（３）电化学附集作用；（４）物理吸附作用；（５）铁的混凝作用；（６）铁离子的沉淀作用［１～４］。曝气的作用是增加废水中的溶解氧，用以增加电子受体的数量，强化微电解的作用，加速铁的溶出，促进铁碳表面物质的去除。动态混合曝气微电解工艺一方面充分利用了微电解反应产生的新生态［ＯＨ］、Ｈ、Ｆｅ２＋和Ｆｅ３＋，将其与原废水混合沉淀达到降低色度，去除污染物的目的。这样既充分利用了曝气微电解的产物资源，又减轻了调节池的冲击负荷，同时提高了处理效率。２　结果与讨论２．１　铁碳体积比对处理效果的影响在进行曝气微电解试验前先用浓度为１％的稀盐酸浸泡铁屑，以去除铁屑表面的氧化物，再用清水洗净。试验中考察铁碳体积比分别为０．２５、０．５、１、１．５和２．５时的出水效果。其他条件分别为：进水ｐＨ值５，充水比（进水体积和反应器中填料体积比）０．５，曝气时间２ｈ，气水比２００（曝气量为０．１ｍ３／Ｌ），试验结果如图１所示。由图１可知，铁碳体积比对ＴＯＣ和色度去除率有较大影响。随着铁碳体积比的提高，废水中铁的图１　铁碳体积比对ＴＯＣ和色度去除率的影响Ｆｉｇ．１　ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＦｅａｎｄＣｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｏｎｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＴＯＣａｎｄｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ含量增多，废水的ＴＯＣ和色度的去除率呈上升趋势，但是当铁碳体积比超过０．５时，ＴＯＣ和色度的去除率又呈下降趋势。只有当投加的铁碳体积比合适时取得好的处理效果。其原因主要是体系中铁屑含量越多，形成的原电池数量越多，可提高对有机物等的去除率，铁屑过多时，反而抑制了原电池的电极反应，更多的表现为碳的吸附，而碳对有机物等的去除率影响不大，并且碳的成本较高。因此，从处理效果和经济因素考虑，最佳铁碳体积比为０．５，此时ＴＯＣ的去除率为４５．７％，色度的去除率为６４％。２．２　进水ｐＨ值对处理效果的影响试验过程中将进水ｐＨ值分别调至２、３、４、５、７和１０，考察不同ｐＨ值条件下出水的效果，其他试验条件分别控制为：铁碳体积比０．５，充水比０．５，曝气时间２ｈ，气水比２００。试验结果如图２所示。图２　进水ｐＨ值对ＴＯＣ和色度去除率的影响Ｆｉｇ．２　ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐＨｏｎｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＴＯＣａｎｄｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ由图２可知，进水ｐＨ值对ＴＯＣ和色度去除率的影响较大。当ｐＨ值低于５时ＴＯＣ的去除率随着进水ｐＨ值的升高而提高，ｐＨ值为５时去除率最大为４６．８％。当进水ｐＨ值大于５时随着进水ｐＨ值的升高反而引起ＴＯＣ去除率的降低，而色度的去除率在进水ｐＨ值逐渐升高时有上下波动的趋势，但当ｐＨ值为５时色度的去除率最大为４５．８％，其主６８１１第９期谢　琴等：动态混合曝气微电解预处理维生素Ｂ１生产废水要原因是进水ｐＨ值越低，体系中有大量的Ｈ＋，原电池的电极反应进行得越快，越有利于微电解各种作用的实现。但当ｐＨ值越低，耗铁量将加大，低的ｐＨ值会改变产物的存在形式，如破坏反应后生成的絮体，并且水中溶解铁含量增高，出现出水色度升高的现象，并且试验表明，在偏酸性条件下的ｐＨ值范围内，废水的微电解处理效果较显著［５］。２．３　曝气时间对处理效果的影响试验过程中，将曝气时间分别控制在３０、６０、９０、１２０、１５０和１８０ｍｉｎ考察其对处理效果的影响。其他条件分别为：铁碳比０．５，进水ｐＨ值５，充水比０．５，气水比为２００。试验结果如图３所示。图３　曝气时间对去除率的影响Ｆｉｇ．３　ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅｏｎｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＴＯＣａｎｄｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ由图３可知，ＴＯＣ和色度的去除率随着曝气时间的增加而提高，曝气１２０ｍｉｎ时，ＴＯＣ和色度的去除率都达到峰值，分别为４６．５％和６３％。曝气２ｈ后随着曝气时间的增加，ＴＯＣ和色度的去除率都有下降趋势。其主要原因：在铁屑微电解床中，产生了大量的Ｆｅ２＋，而Ｆｅ２＋的絮凝沉淀效果没有Ｆｅ３＋好，曝气正是起到氧化亚铁离子的作用，然后通过沉淀达到去除废水中污染物的目的。在酸性环境中随着曝气时间的增加，原电池的电位差增大，电解反应就更充分。曝气１２０ｍｉｎ时，ＴＯＣ和色度的去除率都达到最大值，之后再延长曝气时间对ＴＯＣ和色度的去除效果作用不大，其原因可能是原电池的电位差增加有极限值，达到这个极限值之后再曝气原电池的电位差也不再增加，此时Ｆｅ２＋的生成量减少，导致铁离子的生成量也减少。２．４　充水比对去除效果的影响试验过程中将充水比（进水体积和反应器中填料体积比）分别控制为０．５、１、１．５和２，其他条件分别控制为：铁碳比０．５、进水ｐＨ值５，充水比０．５，曝气时间为２ｈ，气水比为２００。试验结果如图４所示。图４　充水比对去除率的影响Ｆｉｇ．４　ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｒａｔｉｏｏｎｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＴＯＣａｎｄｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ从图４中很明显能看出ＴＯＣ和色度去除率都随着充水比的增加而降低，并且在充水比为０．５时ＴＯＣ和色度的去除效率分别降至１９．７％和２２％。其主要原因是因为通过曝气提供了充足的氧，促进了原电池阳极反应的进行，同时也起到了搅拌、振荡的作用，减弱浓差极化，加速电极反应的进行。另一方面随着进水的增加，反应器中的原电池数量不够，导致一部分废水还没和原电池接触充分便被排出反应器。此阶段进入反应器的废水不能太多，避免对后续的生物处理造成不利影响。综合考虑采用的充水比为０．５。２．５　气水比对去除效果的影响试验过程中将气水比（曝气量与水的体积比）分别调为１００、２００、４００、６００、８００和１０００以考察其对出水效果的影响。其他条件控制为：铁碳比０．５，进水ｐＨ值５，充水比０．５，曝气时间１２０ｍｉｎ。去除效果如图５所示。图５　气水比对去除率的影响Ｆｉｇ．５　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇａｓｗａｔｅｒｒａｔｉ