电絮凝法深度处理石化工业废水的研究

第1期（总第125期）机械管理开发2012年2月No.1（SUMNo.125）MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTFeb.2012石化工业污水:含有大量毒性化合物（如油，酚类，胺类，醚类、氰化物和含硫化合物等）；含难降解污染物（如甲苯、二甲苯烯烃、烷烃，多环芳烃、单环芳烃及其衍生物等）；可生化性差，用传统生化工艺处理该废水普遍存在氨氮和油去除效果差，抗冲击负荷能力弱等缺点；存在一定程度的冲击负荷，对生化处理系统稳定运行十分不利。电絮凝除与常规化学水处理投加铁盐和铝盐凝聚剂的基本原理一样外[1]，靠电流的传递而使底物发生氧化还原反应，从而达到降解的方法。该工艺具有占地小的特点，可解决很多企业改造时空地不足的问题。作为一种传统的污水处理方法，其广泛用于不同种类的污水处理[2]。将对采用电絮凝工艺深度处理某石化生化二级出水进行试验研究。电絮凝，即在阴极和阳极之间通以直流电，用电化学方法在电絮凝装置内直接产生铁和铝的氢氧化物以及氢气等，达到废水中有机物絮凝的目的。以铁阳极为例，通过直流电时，电极反应如下：阳极氧化：Fe→Fe2++2e.（1）Fe→Fe3++3e.（2）阴极还原：2H2O+2e→H2+2OH-.（3）总的电极反应：Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2.（4）4Fe+10H2O+O2→4Fe(OH)3+4H2.（5）铁阳极失去电子后，溶解在水中成为铁离子，再经过水解反应而形成氢氧化铁和氢氧化亚铁微絮体，就可起絮聚作用以吸附去除水中的污染物。国内外研究者对电絮凝法的机理进行了大量的研究，Brewster等人概括了以铁作为消耗电极的电絮凝作用对污染物质去除的五种作用：氢氧化亚铁和氢氧化铁絮体表面的络合作用、静电吸附作用、化学调整作用、沉淀和气浮作用[3]。试验用水取自某石化企业污水处理段生化池出水，分析结果如下：试验水质见表1。pH7.10CODcr152.4BOD31.2NH3-N24SS65.0石油类6.4试验采用的电絮凝反应装置为自主设计的试制装置，所用极板尺寸均为280mm×65mm×3mm，极板连接方式为复极式；液路连接方式为并联式；水泵流量为2m3/h；工艺流程，见图1。1-原水箱；2-污水提升泵；3-电絮凝反应器；4-沉淀池采用静态试验方法研究反应条件对处理效果的影响，确定电絮凝装置处理石化废水的最佳运行工况；在确定的最佳条件下考察电絮凝工艺对石化废水的处理效果。3.1.1不同电极材料对处理效果的影响分别采用“铁-碳”、“铝-碳”电极作为电极材料，在相同的电流密度以及相同的电解时间下，分别处理试验用水，不同电极材料对处理效果的影响不同。选择“铁-碳”电极处理石化废水时，CODcr、悬浮物、浊度等的处理效果远高于“铝-碳”电极的处理效果,且“铁-碳”电极沉淀效果好，絮体比较密实；而“铝-碳”电极絮体较松散；其中“铁-碳”电极的CODcr、悬浮物、浊度去除效率分别为42%，75%；“铝-碳”电极的CODcr、悬浮物、浊度去除效率分别为31%，54%；在2011-09-231975-E-mail:[e-mail].电絮凝法深度处理石化工业废水的研究董欣杨（核工业北京化工冶金研究院，北京101149）COD-44mA/cm26mm/sCODcr50%XSZA1003-773X（2012）01-0007-03··7第1期（总第125期）机械管理开发2012年2月浊度及石油类处理上，“铁-碳”电极的处理能力明显优于“铝-碳”电极的处理能力。电絮凝出水水质与反应过程中释放出来的金属离子（Al3+、Fe2+）的数量有关，而电流密度决定了金属电极上金属离子的溶出量。在相同电流密度下，铁极板的金属离子溶出量远远大于铝极板[4]。此外，以铁作为极板时，反应生成的·OH等可直接氧化废水中的有机物，而反应生成的Fe2+和Fe3+不但具有压缩胶体、乳化油胶粒的扩散双电层及脱稳凝聚的作用，而且与OH-生成的Fe(0H)+、Fe(OH)2+等络合离子，具有较强的絮凝、吸附作用，不仅能去除废水中的有机物和悬浮物[5-6]，同时还可去除部分油类污染物，为后续MBR处理工艺提供了有利的条件。3.1.2电流密度对处理效果的影响使用“铁-碳”电极，以试验用水为原水，在固定的水流速度条件下，改变电流强度，从而改变电流密度，研究不同的电流密度对CODcr的去除效果，结果见图2。从图2中可以看出，开始时出水CODcr随电流密度的增大降低缓慢，这主要是因为开始时电流密度很小，只有很少的絮体产生。随着电流密度的继续增大，出水CODcr迅速下降，水中产生絮体明显增多。当电流密度大于44mA/cm2时，出水CODcr降低缓慢，之后略有升高，此时，电解产生絮体较多，混凝沉淀作用减弱。实验确定最佳电流密度为44mA/cm2，此时的电流强度为8A。电絮凝过程中的电流密度决定了金属电极上金属离子的溶出量。高的电流密度对电解槽的工作最为有利，因为这时电解槽的容积和电极的工作表面得到了充分的利用。然而随着电流密度的提高，电极的极化现象和钝化也增长，这就导致了所需电压的增加和次要过程电能的损耗，电流效率急剧下降。电流密度过大，产生的络合离子过多，形成的微絮体难以沉淀下来，过量的Fe(OH)2+等络合离子使胶体表面电荷发生逆转，使胶体颗粒重新浮起，影响了CODcr的去除效果。3.1.3极板间的水流速度对处理效果的影响使用“铁-碳”电极，以试验用水为原水，在电流强度为8A即电流密度为44mA/cm2时，通过改变流量来改变污水在极板间的水流速度，研究不同的水流速度对CODcr的去除效果，结果如图3所示。由图3可以看出，出水CODcr随水流速度的增大而降低，当水流速度为6mm/s时，出水CODcr降至最低，此时对应的水泵流量即该装置的处理能力为1.5m3/h，随着水流速度的增大，出水CODcr缓慢增加直至基本保持不变。由于低流速不利于电解时金属离子的迅速扩散和絮体良好形成与充分吸附，因此电絮凝反应不宜在低流速条件下运行。此外，较高的流速可将电解的铝离子迁移出电极表面的滞流层，防止极板的钝化、过电位升高、电耗过高，还会导致已经形成的絮体破碎，也会影响处理效果。本实验确定的最佳水流速度为6mm/s，对应装置的处理能力为1.5m3/h。3.1.4最佳运行条件下的实验结果在上述实验确定的电流密度为44mA/cm2、水流速度为6mm/s的最佳运行条件下，采用“铁-碳”电极对试验用水进行处理，结果见表2。项目原水出水去除效率/%pH7.207.80/CODcr/mg·L-1152.472.552.4BOD/mg·L-131.224.621.2氨氮/mg·L-12414.141.3悬浮物/mg·L-16512.181.4浊度/NTU15.45.365.6石油类/mg·L-16.43.151.6从表2可以看出，在最佳运行条件下，电絮凝对石化废水有较好的去除效果，出水CODcr接近70mg/L，去除效率大于50%，出水氨氮低于15mg/L，石油类为3.1mg/L，此时装置运行电流为8A，流量为1.5m3/h，废水处理能耗为1.17kW·h/t.1）电絮凝可以有效地降低废水中的COD；2）电絮凝工艺处理石化废水时，采用“铁-碳”电极具有较好的处理效果，最佳运行条件为：电流密度44mA/cm2，（下转第10页）··8第1期（总第125期）机械管理开发2012年2月水流速度6mm/s，对CODcr的去除效率大于50%，废水处理能耗为1.17kWh/t。3）在上述最佳运行条件下，采用电絮凝工艺处理石化废水生化二级出水，CODcr、石油类等污染物的去除率均在50%以上。[1]毕鹏禹，董慧茹，卢永康.电絮凝-O3氧化法处理石化工业污水的研究[J].北京化工大学学报,2006，33（4）：70.[2]常青.水处理絮凝学[M].北京：化学工业出版社，2003.[3]BrewsterM.FussF.TebbensJSpectrophotometricanalysisofelectrochemicallytreatedsimulateddisperseddyebathefflu⁃ent[M].1992.[4]曲久辉，刘会娟.水处理电化学技术与原理[M]，北京：科学出版社，2007：212-123.[5]姚培正，岳贝贝．铁屑—活性炭内电解处理废水研究[J]．环境科学研究，1999，7(3)：54-57．[6]宋卫锋，倪亚明.电解法水处理技术的研究进展[J].化工环保,2001，21(1)：11-15．StudyonEnhancedTreatmentofPetrochemicalWastewaterbyElectro-coagulationTechnologyDONGXin-yang(BeijingResearchInstituteofChemicalEngineeringandMetallurgy,Beijing101149,China)Abstract：Electro-coagulationtechnologywascarriedouttodeeplytreatpetro-chemicalwastewater.TheexperimentprovedtheorderoffactorsaffectingremovalrateofCODis：electricitymaterial,electricitydensity，watervelocitybetweenplates，Theoptimumoperationparametersweredeterminedbysinglefactoranalysisasfollows：Fe-Celectrode，electricitydensity44mA/cm2,watervelocitybetweenplatesis6mm/s，removingefficiencyofChemicaloxygendemand（CODcr）andoilexceeds50%.Keywords：electrocoagulation;petrochemicalwastewater;advancedtreatment主直杆安装在机床上，灯罩辅助调节机构可以根据摄像机的位置调节灯罩的位置，使灯罩始终都能配合摄像机的拍摄。此外，灯罩辅助调节机构通过紧固螺栓调整其角度，灯罩可以围绕短杆作360°旋转，短杆2也可以通过紧固螺栓上下左右调整。图4为刀具磨损在机检测实验的情况。图4（a）为现场场景，视觉系统通过安装调节机构实现与CA6140车床的结合，硬质合金刀具（材料YT15，γo=4°,αo=5°,κr=90°,κ'r=9°，λs=0°）以指定的切削参数(Vc=800r/min,f=0.1mm/r,ap=2mm)切削45号钢棒料。工业相机为FFMV-03MTC，镜头为迈特MZDM0745小型连续变倍单筒视频显微系统。每隔十分钟拍摄一次刀具切削刃图像。（a）现场场景（b）车刀磨损区图像图4（b）为切削到70min时的刀具磨损区的图像，可以看出，刀具前刀面已经产生了一个类似月牙洼的磨损区。对该图像进行图像处理，可以计算出磨损区的面积大小。针对制造系统中机器视觉系统与机床的结合问题，设计并制作出了一种灵巧的摄像机及光源的夹持装置。实验证明，采用这种在机视觉装置，可以很好地实现刀具磨损区图像的在机采集，为进一步进行磨损的定量分析计算和自动化监测提供了条件。[1]王中任，吴艳花，雷俊杰.基于机器视觉的刀具状态监测研究进展[J].工具技术，2007（12）:99-102.[2]计时鸣,张宪.计算机视觉在刀具状态监测中的应用[J].浙江工业大学学报，2004（30）:143-148.[3]W.H.Wang,Y.S.Wong，G.S.Hong.3Dmeasurementofcraterwearbyphaseshiftingmethod[J].Wear.2006(261):164-171[4]W.K.Mook&H.H.Shahabi&M.M.Ratnam.Measurementof