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使用电凝和吸附组合方法去除造纸废水中化学需氧量和浊度的研究
Sohbi Bellebia,a Smail Kacha,b Amel Z. Bouyakoub,b and Zoubir derrichec
摘 要
实验先使用铝和铁电极处理造纸污水，然后再将处理过的废水通过颗粒活性炭（GAC）进行吸附顺序，研究了从纸板造纸厂废水中除去化学需氧量（COD）和浊度的方法。同时还研究了电解时间，电流密度，初始pH，吸附时间，搅拌和颗粒活性炭（GAC）量等条件对反应的影响。对于电解反应，COD和浊度达到最大去除率的最佳操作条件是：对于Al电极pH 为5.29、对于Fe电极pH为7.21；电流密度4.41mA/cm 2；在10分钟的操作时间中，对铝电机而言，二者的去除率分别为75.37％和99.93％，对于Fe电极而言，去除率为78.76％和99.92％。对于在操作条件下的电凝（EC）和吸附过程，在搅拌速度为300rpm，pH 为3.21的条件下，当Al电极的接触时间为120分钟，Fe电极的接触时间为180分钟，COD的最大去除效率分别为98.97％和93.37％。所得结果显示，由于铁溶解后颜色的干扰，在Al-EC之后可获得良好的吸附效率和较短的接触时间。本研究证实了电凝/吸附过程对去除造纸厂废水中存在的高浓度有机污染物具有有效性。
关键字：Al/Fe电极；废水；电化学方法；GAC
简 介
造纸工业是一种大量消耗水资源并产生大量废水的工业。在阿尔及利亚，农业再利用那些经处理的废水和工业废水正在成为一个强烈的需求。为了合理的开发水资源，强制性地减少严重污染物的通量是必不可少的。而纸板和纸废水含有几种污染物质，如对环境有害的木屑和可溶性木材。此外，还包括在不同的制备木材的过程中，由于使用氯来增白浆料而产生有毒物质。由于不同工艺产生的纸浆和造纸工业废水的特性取决于其工艺的类型、木材的类型、所应用的工艺技术和所使用的水的量。因此这些废水通常含有不同浓度的SS，COD和BOD，分别为2023mg/L，675mgO2/L和103mg-O2/L。可以采用各种物理化学，生物和综合处理方法处理这些废水。
大多数高治理成本的方法已经实施，如今，正寻找着更具成本效益的治疗方法。基于生物过程的传统废水处理，因为产生的物质对需氧和厌氧细菌是有毒的，因此该方法不总能够高效地去除废水中的污染物。
物理化学处理法如凝结，吸附和膜过滤通常是有效的，但是该方法需要高浓度的化学添加物质以及高成本的能量消耗。因此，为了减少潜在的污染，工业废水的最佳解决方案应涉及两种或更多种有效技术的组合。
在这种情况下，提出EC和吸附的组合，目标是成为原有废水工艺的替代处理法。电凝（EC）技术被认为是潜在的能高效去除的工业废水污染物的方法。该方法包括使用铝或铁电极将电流通入反应池。产生的阳极金属阳离子凝结污染物，可以使用液固分离方法（沉降，浮选或过滤）除去污染物。EC系统可有效去除矿物质或有机污染物，如悬浮固体，金属有毒阳离子，单宁和染料等。在阴极处产生的气泡（通常为氢气）将凝结的污染物携带到溶液的顶部，在此更容易的实现污染物的浓缩，收集和去除。除了易于自动化，EC工艺与凝结剂量相比还具有一定的优点。在短反应时间（几分钟）内，该技术可以显著地增加低溶解盐度、大量氧化或还原污染物、凝结和絮凝胶体以及产生体积较小的污泥或紧凑的絮凝体，该技术能形成成功去除废水中的有机和无机化合物的有效替代物。其中，活性炭是最有效的吸附剂。然而,作为一个个体治理废水的过程,吸附反应需要过量的吸附剂。此外,活性炭的再生过程也非常复杂和昂贵。因此，这项工作的目的是通过结合EC和吸附技术，调查PAPCAS（阿尔及利亚）纸板和造纸废水厂的最大COD和浊度去除率。该方法是先使用铝或铁电极的EC，随后在中等活性炭量下吸附残留的COD，从而得出实验结论。
电凝的简要说明
在水系统中的电化学过程的机制是相当复杂的。根据参考文献，电化学过程的氧化分别发生在Fe和Al电极的阳极和阴极。
阳极阴极
|
4OH-=2H2O O2（g） 4e- |
（1） |
|
|
2H3O 2e-= H2（g） 2H2O（在酸溶液中） |
（2） |
|
|
2H2O 2e-=H2（g） 2OH-（在碱性或中性pH） |
（3） |
铝—阳极
|
Al(s) 3e-=Al3 (aq) |
（4） |
||
|
Al（s） 4OH-=[Al(OH)4]- 3e-（在非常高的pH下） |
（5） |
||
|
Al3（aq） 3H2O=Al（OH）3 3H |
（6） |
||
Fe—阳极
|
Fe（s） 2e-= Fe2 （aq） |
（7） |
|
|
Fe2 e- =Fe3 |
（8） |
|
|
Al3（aq） 3H2O=Al（OH）3 3H |
（9） |
|
|
Fe3 3H2O = Fe（OH）3 3H |
(10) |
|
|
Fe（OH）3 OH-=[Fe（OH）4]- |
(11) |
|
|
[Fe（OH）4]- 2OH-=[Fe（OH）6]3-（在非常高的pH下） |
(12) |
公式3在阳极也是可能存在的，尽管参考文献中并没有提到。
材料和方法
电凝
使用的EC系统如图1所示:
（1）DC电源；（2）电压表；（3）电流表；（4）Aler 铁—阴极；（5）Aler 铁—阳极;
（6）电凝细胞；（7）废水；（8）磁力搅拌棒（9）磁力搅拌控制器
图1 以并联单极模式连接的Al电极或Fe电极的电凝系统。
为了读取电流和电压值，将万用表和电压表以单极模式与直流电源并联连接，具有许多电极和互连的这种单个布置单元在电学上类似于具有串联单元的单极电极。实验在尺寸为（100times;73times;70）mm、以单极模式连接的四个铝或铁电极（分别为99.40％，99.50％）的Plexiglas电池中进行。两个阴极和两个阳极的尺寸为（65times;45times;2）mm，其总有效面积85cm2。每个电极之间的净间距为10mm，浸入废水中的深度为44mm。先将具有表1所列特性的250mL体积的废水引入EC的电池中，然后使用30mm的磁棒以200rpm的速度加以搅拌。在每次反应开始时，电流密度固定在所需值。所有实验都在25℃的恒温下进行。在每个电化学反应结束时，将溶液倾析12小时，然后过滤。开始每个电凝反应之前，用丙酮洗涤电极，然后在含有HCl（5％）的溶液中浸泡到5分钟，接着用蒸馏水漂洗，干燥并储存。通过NaCl和H 2 SO 4或NaOH溶液调节溶液的电导率和pH。
然后根据以下等式计算处理效率E1：COD去除效率（％）和E2：浊度去除效率（％）：
（13）
（14）
其中（COD）o和（COD）R分别是液相初始和平衡COD（mg-O2/L）。（FTU）O和（FTU）R分别是液相初始和平衡浊度（FTU）。
表1 PAPCAS工厂废水的特征。
|
颜色 |
褐红色 |
|
温度（℃） |
15~25 |
|
pH |
6.6~7.1 |
|
电导率（mu;S/cm） |
2130~2370 |
|
浊度（FTU） |
227~237 |
|
SS（mg/L） |
400~520 |
|
COD（mg-O2/L） |
586~816 |
|
BOD5（mg/L） |
268~370 |
|
化合物（mg/L） |
|
|
PO43- |
0.254 |
|
NO2- |
0.200 |
|
NO3- |
2.33 |
|
Cl- |
35 |
|
SO42- |
30 |
|
Na |
28 |
|
Ca2 |
55 |
|
Mg2 |
101 |
|
NH4 |
9.05 |
分批吸附实验
分批技术用于吸附研究，使用购自Prolabo S.A.和（Fontenay Sous Bois，法国）（CE-EHB 45053）的活性炭。其物理性质见表2：
表2.颗粒活性炭（GAC）的物理化学特性。
|
起源 |
木炭植物活化 |
|
平均粒径（mm） |
3 |
|
表面积（m2/g） |
1100 |
|
堆积密度（cm3/g） |
0.425 |
|
碘值 |
1050 |
|
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