低温等离子体与絮凝剂处理印染废水的协同效应陈明功

中国环境科学2010,30(9)：1207~1212ChinaEnvironmentalScience低温等离子体与絮凝剂处理印染废水的协同效应陈明功1*,齐永涛1,张鑫敏1,刘涛1,颜凌燕1,高岛和则2,水野彰2(1.安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001；2.DepartmentofEcologicalEngineeringToyohashiUniversityofTechnology,Tempaku-cho,Toyohashi,Aichi4418580,Japan)摘要：采用低温等离子体和絮凝剂协同处理印染废水.结果表明,染料废水脱色率和COD去除率随输入电压增大和放电时间延长而增加;电极间距、废水初始浓度、通入空气流量等因素对印染废水处理效果也有很大影响;气相中放电效果优于液相中放电,阳极电极在液面以上8mm左右时放电效果最好,在其他条件不变情况下随废水初始浓度和通入空气流量增大废水脱色和COD脱除率先增大再减小,有一最佳峰值.印染废水先经过等离子体处理后再加入絮凝剂处理效果优于先加絮凝剂后放电、仅有等离子体放电的过程.在本实验中初始浓度200mg/L(CODCr初始值572)印染废水在外加电压40kV、放电时间20min、电极间距8mm、通入空气流量16L/h条件下,与絮凝剂PAC相互协同作用可达到96%脱色率、63%COD去除率.关键词：低温等离子体；染料废水；絮凝剂；脱色；脱除COD中图分类号：X511文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)09-1207-06Cooperationeffectbetweennon-thermalplasmaandflocculantsfortreatmentdyeingwastewater.CHENMing-gong1＊,QIYong-tao1,ZHANGXin-min1,LIUTao1,YANLing-yan1,T.Takashima2,A.Mizuno2(1.SchoolofChemicalEngineeringofAnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China；2.DepartmentofEcologicalEngineeringofToyohashiUniversityoftechnology,Tempaku-cho,Toyohashi,Aichi4418580,Japan).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(9)：1207~1212Abstract：Thecooperationeffectsofnon-thermalplasmaassistedwithflocculantstocleandyeingwastewaterhavebeeninvestigatedinthispaper.Thenewwaycanshortenthedealingtimeandimprovetherateofde-colorizationandde-COD.Theresultsshowedthede-colorizationandde-CODratiosincreasedwiththeincreasingofinputvoltageanddischargetime.Thedistancebetweendischargeelectrodes,initialconcentrationofdyeingwastewaterandairflowtoinputwastewaterhaveasignificantimpactonpurificationefficiency.Theeffectofdischargeingasphaseisbettertheninliquidphase.Whentheanodepoleisupthewaterlevelabout8mmthetreatmentcangetgoodresult.Whentheotheroperationconditionsareunchanged,theratioofde-colorizationandde-CODincreasedandthendecreasedwiththeincreasingoftheinitialconcentrationandairflow.Theinitialconcentrationandairflowhasapeakvalue,respectively.Theeffectofdyeingwastewatertreatmentbyaddingflocculantsintowastewaterafterdischargedisbetterthanbyputtingflocculantsbeforedischargedandonlybyplasmadischarged.InthisexperimentwhenthewastewaterinitialvalueofCODcris572,inputvoltage40kV,dischargetime20min,theanodepoleuplevel8mm,airflow16L/handassociateswithflocculantstheratioofde-colorizationandde-CODreach96%and63%,respectively.Keywords：non-thermalplasma；dyeingwastewater；flocculants；de-coloration；de-COD印染废水含有染料、浆料、助剂、酸碱等复杂成分、浓度高、色度深,治理较难[1].近年来国内外许多学者深入开展了低温等离子体技术处理该类废水的研究[2-5].Radu等[6]采用针板式电极降解水中蒽醌染料;Anto等[7]采用环筒式反应器处理芝加哥天蓝和甲基橙混合废水发现两环放电电极反应器具有更大的等离子体流注通道;李胜利等[8]实验发现高压毫微秒脉冲产生的低收稿日期：2010-01-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(20576001);安徽省国际科技合作资助项目(08080703021)*责任作者,教授,[e-mail]1208中国环境科学30卷温等离子体可有效破坏染料发色基团,同时COD明显下降,肯定了放电对染料分子的破坏和溶液可生物降解性的提高.王慧娟等[9]研究多针-板电极形式的高压脉冲放电等离子体对酸性橙Ⅱ染料废水脱色,发现脉冲电压、系统脉冲频率、电极间距以及溶液初始pH值和初始浓度等因素对溶液的脱色效果影响显著.张若兵等[10]研究了双向窄脉冲DBD放电水处理反应器的结构以及放电特点,并对靛蓝水溶液脱色进行了实验;胡祺昊等[11]使用棒-棒电极和多针-板电极系统,研究了高压脉冲放电对多种典型染料废水的处理效果,实验发现高压脉冲放电所产生的臭氧、超声以及紫外辐射等可以有效破坏废水中染料分子发色基团和染料分子中苯环以及奈环,有利于提高染料溶液可再生性能.朱承驻等[12]研究了等离子在内电极通氧条件下降解水相中茜素红机理.通常单纯采用低温等离子体处理印染废水主要是依靠等离子体产生的大量自由粒子、活性基团、原子氧、以及射线等强氧化性和高自由能量特点,使液相中难降解有机物分子氧化断链,变成小分子物质,再进一步氧化为最终产物;因此要达到废水排放标准要求需要较长放电时间,电能消耗较大,能量利用效率不高.因此对单纯采用等离子体放电处理印染废水方法需要进一步完善和发展.为减少电能消耗,并达到染料废水深度脱色和高效降低COD目的,采用低温等离子体协同絮凝剂方法,使印染废水先经等离子体放电预处理,使大分子有机物初步断键变成小分子物质,然后在絮凝剂的絮凝和吸附作用下,捕集并分离,既可减少输入电能消耗,又可提高絮凝剂脱色和吸附效果.本文研究了在低温等离子体和絮凝剂协同作用下,放电电压、放电时间、电极间距、废水初始浓度、通入空气流量、絮凝剂添加顺序等因素对脱色率和COD脱除率的影响规律.1材料与方法1.1实验材料活性红B-4BD染料(上海亿得化工有限公司);碱式聚合铝絮凝剂(PAC,福州市华光净水剂厂);重铬酸钾(合肥工业大学化学试剂厂);硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)(天津市标准科技有限公司);硫酸亚铁铵(天津市大茂化学试剂厂);蒸馏水;压缩空气钢瓶.1.2仪器设备主要实验仪器:接触调压器(TDGC2,上海全力电器有限公司);功率测试仪;高压电源(LECIP220V/60Hz,45kV/60Hz);高压探头(TektronixP6015A1000×3.0Pf,100MΩ);数字式示波器(TektronixTDS2014,100MHz1Gs/s);79-3磁力恒温搅拌器(上海市无线电元件厂);722光栅分光光度计(上海精密科学仪器有限公司);pHS-25A型pH计(上海大中分析仪器厂);COD常规分析仪器等.采用TU-1901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)分析在相同实验条件下(先放电、后加入PAC)不同放电时间后废水的液相紫外-可见吸收光谱,如图13.等离子体水处理反应器:网板-网板式,自制,该反应器外壳为圆筒型有机玻璃,内径45mm、壁厚6mm、高度60mm,容器底部外侧贴厚度1.2mm铝板网为阴极,容器内部设置直径42mm圆型铝板网(厚度1.2mm)为阳极,结构如图1所示.等离子体电源进气口电极间距废水样品铝板网图1等离子体水处理反应器Fig.1Thereactoroftreatmentwastewaterwithplasma1.3实验方法实验流程如图2所示.9期陈明功等：低温等离子体与絮凝剂处理印染废水的协同效应1209图2实验流程Fig.2Sketchofexperimentalsetup1.电源;2.接触调压器;3.功率测量计;4.高压电源;5.网板-网板式反应器;6.气体流量计;7.空气钢瓶;8.高压探头;9.数字式示波器;10.电容;11.有机塑料板;12.磁力搅拌器实验装置主要由高压电源和低温等离子体水处理反应器组成.反应器放置在磁力恒温搅拌器上,其间用厚度10mm有机玻璃平板隔开,防止系统漏电.反应器上部开口用硅橡胶塞密封,并预留3个开孔,分别设置进气管、出气孔和阳极连接线.一定流量的稳定压缩空气由进气管进入反应器,出口气体分布器设置在液面下.出气孔上端连接双层玻璃冷凝管,冷凝在等离子体放电过程中产生的水蒸气,并回流到反应器,以免影响水质分析结果.为保证实验用废水原样统一性,采用活性红染料直接配制.将50mL染料废水加入反应器中,通入压缩空气并磁力搅拌.在室温条件下接通电源(频率60Hz),分别调节放电电压、放电时间、电极间距等试验参数,以及染料废水初始浓度.分别采用重铬酸钾法(GB11914-89)[13]和722光栅分光光度计测定废水处理前后COD和吸光度,COD去除率=(COD0-COD)/COD0×100%;其中:COD0为未处理前原水COD值,COD为处理后水的COD值.脱色率=(A0-A)/A0×100%;其中:A0为未处理前原水吸光度,A为处理后水的吸光度.2结果与讨论2.1絮凝剂及加入顺序影响取初始浓度200mg(固体染料粉末)/L(水)(CODCr初始值572,下同)溶液50mL、放电间距8mm、空气流量16L/h,输入电压40kV,放电时间15~30min,分别在放电前、后样品中加入絮凝剂PAC(先配制成浓度20%PAC溶液,该溶液加入量为废水体积5%,下同),快速搅拌后再缓慢搅拌,静止1h分层,取上清液测试并计算不同实验条件下(废水不加絮凝剂仅放电、废水放电前加絮凝剂、废水放电后加絮凝剂)放电时间和溶液脱色率以及COD去除率关系见图3.60708090100101520253035放电时间(min)脱色率(%)放电后加PAC只放电放电前加PACa020406080100101520253035放电时间(min)COD去除率(%)放电后加PAC只放电放电前加