关键词: 环境工程学; 电絮凝; 纺织废水; 铝电极; 铁电极

        引 言

         纺织废水是一种高浓度有机废水，色度较高，COD 一般在 1 000 mg /L 以上，必须经处理达标后才能排放［1］。常见的纺织废水处理方法主要是生物法、化学法和物理法的结合［2 － 4］。由于不同的纺织废水成分经常变化，多数常规处理工艺很难达到处理效果，而且近年来常规工艺的占地费用及处理费用越来越高，研究一种简单、效率高的纺织废水处理工艺十分必要。目前，电絮凝废水处理方法由于设备体积小、占地面积少、操作简单灵活日益得到重视［5 － 6］。过去，与其他工艺相比，电絮凝方法由于其较高的基建投资并未得到重视，但近年来，日益提高的排放标准促使利用电絮凝来提高处理效果。电絮凝电极采用铁电极或铝电极，可溶性阳极在通入电流的作用下，溶解产生大量阳离子，阳离子经过水解、聚合形成一系列多核羟基络合物和氢氧化物，这些产物吸附能力很强，可以起到凝聚、吸附等作用。阳极和阴极上产生的氧气和氢气，黏附性能很强，在其上浮过程中将悬浮物带到水面。在电流作用下，还会发生电解氧化还原反应［7］。电絮凝方法处理难降解废水有较大的潜力，目前电絮凝在饮用水、餐饮废水、制药废水、垃圾渗滤液处理等方面有较多研究［8 － 11］。近年来在纺织废水处理方面也得到了重视，但电絮凝处理纺织废水仍处于实验室及小规模研究阶段，尚需进一步研究各种影响电絮凝的因素。如对铁、铝电极的性能进行比较，对 pH 值、电流密度、电絮凝时间等影响因素进行研究。本文采用铁、铝电极电絮凝法处理纺织废水，对铁、铝电极效果进行对比，并研究 pH 值、电流密度及电絮凝时间对电絮凝过程的影响。         1 试验装置

       废水来自纺织厂包含纺织和印染废水的混合池，该池每日约有 500 t 的水量。池内废水 COD 在 3 000 mg /L 左右，色度为 500 倍左右，pH 值为中性。在进行电絮凝试验前将废水进行沉淀，以去除大的悬浮固体。电絮凝装置见图 1。装置为两个相同的有机玻璃容器，长、宽、高分别为 62 mm、62 mm、 120 mm，一个放置铁电极，一个放置铝电极，每个电絮凝池分别放置 4 块铁、铝电极，电极间距为 10 cm，电源电压为 30 V，电流为 6 A。室内温度为 25 ℃。由高位水箱给装置供水，由止水夹控制流量。在电絮凝过程中用磁力搅拌器对废水进行搅拌，转速为 200 r/min。电絮凝结束后沉淀 30 min，取上清液测定 COD。反应结束取出电极清洗干净，称重。用 NaOH 和 H2 SO4 调节 pH 值。分析测试均采用国家标准方法。 

         2 结果与分析

         2. 1 初始 pH 值的影响

          pH 值是影响电絮凝过程的重要因素，在反应过程中废水的 pH 值会发生变化，这个改变取决于电极材料的类型及溶液的初始 pH 值。研究了在铁、铝两种电极条件下，由溶液初始 pH 值的变化引起的最终 pH 值的变化、COD 去除率的变化、色度去除率的变化及电能消耗、电极损失情况。在溶液COD 为 3 122 mg /L，色度为 500 度，初始 pH 值分别为 3、5、7、 9、11 的情况下，溶液最终 pH 值、COD 去除率、色度去除率的变化见图 2 ～ 4。

         如图 2 所示，随初始 pH 值不断增加，反应最终的 pH 值不断增加。当初始 pH 值小于 7 时，铁电极最终 pH 值较铝电极高; 而当 pH 值大于 7 时，铝电极最终 pH 值较铁电极高。这说明溶液存在一定的 pH 值缓冲能力，铝电极溶液缓冲能力较强。

        如图 3 所示，随初始 pH 值增加，铝电极的 COD 去除率不断下降，pH 值为 3 时，COD 去除率为 65. 2% ，而 pH 值为 11 时，COD 去除率下降为 32. 3% 。随初始 pH 值增加，铁电极的COD 去除率先增加后下降，pH 值 为 3 时，COD 去 除 率 为48. 1% ，pH 值为 7 时，COD 去除率最高( 为 76. 2% ) ，pH 值为11 时，COD 去除率下降为 26. 2% 。

         如图 4 所示，随初始 pH 值增加，铝电极的色度去除率不断下降，pH 值为 3 时，色度去除率为 90% ，而 pH 值为 11 时，色度去除率下降为 50. 6% 。随初始 pH 值增加，铁电极的色度去除率先增加后下降，pH 值为3 时，色度去除率为 65. 4% ， pH 值为 7 时，色度去除率最高( 为 91. 2% ) ，pH 值为 11 时，色度去除率下降为 76. 7% 。

从两种电极的处理效果来看，铁电极在初始 pH 值为 7 时，COD 去 除 率 最 高 ( 为 76. 2% ) ，色度去除率最高 ( 为 91. 2% ) ; 铝电 极 在 pH 值 为 3 时，COD 去 除 率 为 最 高 ( 为 65. 2% ) ，色度去除率最高( 为 90% ) 。这说明铁电极对 COD和色度的去除效果优于铝电极，而且取得最高去除率时不用调节溶液的 pH 值。

溶液初始 pH 值分别为 3、5、7、9、11 时的电能消耗及电极损失见图 5 和 6。

         如图 5 所示，随初始 pH 值增加，铝电极的电能消耗不断增加，由 pH = 3 时的 0. 85 kW·h /kg COD 增加到 pH = 11 时 的 1. 65 kW·h /kg COD。随初始 pH 值增加，铁电极的电能消耗先下降，初始 pH 值大于 8 时电能消耗增加较快。但在pH 值为 6 ～ 8 的范围内，铁电极的电能消耗比铝电极的消耗要少得多。这说明在本文试验废水的 pH 值条件下即 pH 值 为 7 时，铁电极处理纺织废水的电能消耗低于铝电极。

          如图 6 所示，随初始 pH 值增加，铝电极材料的损失不断增加，由开始的 0. 1 kg /kg COD 增加到 0. 2 kg /kg COD。随初始 pH 值增加，铁电极材料的损失先下降后保持平稳，当 pH值大于 9 时，电极损失突然增加较快。总体来讲，铁电极的损失要大于铝电极，但在初始 pH 值为 6 ～ 8 的范围内，铁电极的损失比铝电极略高，这是由于铁在溶液中的反应较快。但铁电极价格要低于铝电极，因此从电极成本及处理效果上讲，铁电极优于铝电极。 

         2. 2 电流密度的影响

           改变电源的电流强度可使极板的电流密度发生改变，研究了电流密度的变化对 COD 去除率、色度去除率、电能消耗及电极损失的影响。

         如图 7 所示，随电流密度从 5 mA/cm2 增加到 15 mA/ cm2，铝电极的 COD 去除率呈上升趋势，从开始的 11% 增加到 65% 。而对于铁电极，当电流密度从 5 mA/cm2 增加到 7. 5 mA/cm2 时，COD 去除率从开始的 57% 增加到 72% ，之后随电流密度增加，去除率一直稳定在 72% 左右。因此，铁电极去除 COD 的最佳电流密度为 7. 5 mA/cm2，铝电极则密度越高去除率越高，但电流密度大，电能消耗也大。同等电流密度的情况下铁电极 COD 去除率高于铝电极。

          如图 8 所示，随电流密度从 5 mA/cm2 增加到 15 mA/ cm2，铝电极的色度去除率呈上升趋势，从开始的 32. 4% 增加到 94% 。而对于铁电极，当电流密度从 5 mA/cm2 增加到 7. 5 mA/cm2 时，COD 去除率从开始的 70% 增加到 89. 1% ，之后随电流密度增加，去除率一直稳定在 90% 左右。因此，铁电极去除色度的最佳电流密度为 7. 5 mA/cm2，铝电极则密度越高去除率越高，但电流密度大，电能消耗也大。同等电流密度的情况下铁电极的色度去除率高于铝电极。

           如图9 所示，随电流密度从5 mA/cm2 增加到15 mA/cm2，铝电极的 电 能 消 耗 从 开 始 的 1. 2 kW·h/kg COD 增 加 到 2. 0 kW·h/kg COD，铁电极的电能消耗从开始的 0. 55 kW·h/kg COD 增加到0. 82 kW·h/kg COD。可见铁电极的电能消耗保持在较低的水平并且比较稳定，同等电流密度情况下铁电极的

电能消耗小于铝电极。

           如图 10 所 示，随 电 流 密 度 从 5 mA/cm2 增 加 到 15 mA/cm2，铝电极的电极损失从开始的 0. 09 kg /kg COD 增加到 0. 20 kg /kg COD，铁电极的电极损失从开始的 0. 11 kg /kg COD 增加到 0. 26 kg /kg COD。可见不同电流密度条件下，铁电极的电极损失高于铝电极的电极损失。虽然铁耗费多些，但由于铁电极成本较低，二者的总费用相差不多。

            2. 3 电絮凝时间的影响

           电絮凝时间是影响电絮凝效果及成本的重要因素。研究了电絮凝时间的增加对 COD 去除率、色度去除率、电能消耗及电极损失的影响。

          如图11 所示，随电絮凝时间从 5 min 增加到 30 min，铝电极的 COD 去除率从开始的 24. 7% 增加到 66. 2% ，而铁电极的 COD 去除率在电絮凝时间为 5 min 时已经达到 60% ，在 15 min 时达到 76% ，之后去除率一直保持稳定。因此，铁电极能在较短时间内获得较高的 COD 去除率。电絮凝时间越长，电耗越大，因此，从电絮凝时间上来看，铁电极的效果好于铝电极，且 15 min 为最佳时间。

           如图12 所示，随电絮凝时间从 5 min 增加到 30 min，铝电极的色度去除率呈先增加后降低的趋势，电絮凝时间为 5 min 时，色度去除率为 50% ，在 20 min 时最高( 为 92% ) ; 而铁电极的色度去除率在电絮凝时间为 5 min 时已经达到 71. 2% ， 在 15 min 时达到 90% ，之后去除率一直保持稳定。因此，铁电极能在较短时间内获得较高的色度去除率。电絮凝时间越长，电耗越大，因此，从电絮凝时间上来看，铁电极的效果好于铝电极，且 15 min 为最佳时间。

          如图13 所示，随电絮凝时间从 5 min 增加到 30 min，铝电极的电能消耗从开始的 1. 25 kW·h /kg COD 增 加 到 2. 6 kW·h /kg COD，铁电极的电能消耗从开始的 0. 31 kW·h /kg COD 增加到 2. 0 kW·h /kg COD。这说明随电絮凝时间增加，铝、铁电极的电能消耗都不断增加，但在电絮凝时间相同的条件下，铁电极的电能消耗低于铝电极。

           如图14 所示，随电絮凝时间从 5 min 增加到 30 min，铝电极的电极损失从 0. 15 kg /kg COD 增加到 0. 42 kg /kg COD，铁电极的电极损失从 0. 12 kg /kg COD 增加到 0. 56 kg /kg COD，二者的电极损失均随电絮凝时间的增加而增加，在电絮凝的前 10 min 铝的电极损失高于铁，但超过 10 min 后，铁的电极损失高于铝。适当控制电絮凝时间，铁极板在电絮凝费用上还是占有优势的，在上述最佳电絮凝时间 15 min 的条件下，铁的损失为 0. 25 kg /kg COD，铝为 0. 18 kg /kg COD，但每 kg铁的成本费用低于铝。 

        3 结 论

         1) 通过铝、铁电极处理纺织废水，对比研究了铝、铁电极的性能。铁电极和铝电极均可作为电极材料使用，但在同等条件下铁电极可获得较高的 COD 去除率和色度去除率，并且花费的电能较少，因此，可优选铁电极作为纺织废水处理的电极材料。

          2) pH 值对于铝、铁电极的影响，相同的方面表现为: 在初始 pH 值相同时废水电絮凝后 pH 值均升高，且在废水初始pH 值条件下，两种电极电絮凝后 pH 值均小于 8. 0，不用调节pH 值。不同的方面表现为: 随 pH 值升高，铝电极电能消耗和电极损失均呈上升趋势，而铁电极电能消耗和电极损失均呈先下降后上升的趋势，且铁的电能消耗小于铝的电能消耗，但电极损失大于铝电极。

           3) 对于铝、铁电极，均是随电流密度增加，COD 去除率增加，色度去除率增加，电能消耗增加，电极损失增加，但在相同电流密度条件下，铁电极的 COD 去除率高，色度去除率高，电能消耗低，电极损失大。当电流密度为 7. 5 mA/cm2 时，铁电极 COD 去除率可达 72% ，色度去除率为 89. 1% ，效果最好。

          4) 对于铝、铁电极，均是随电絮凝时间增加，COD 去除率增加，色度去除率先增加后稳定，电能消耗增加，电极损失增加，但在相同电絮凝时间条件下，铁电极的 COD 去除率高，色度去除率高，电能消耗低，电极损失大。当电絮凝时间为 15 min 时，铁电极 COD 去除率达 76% ，色度去除率达 90% ，效果最好。

            5) 总体来看，试验的最佳电极材料为铁，原纺织废水 pH值为中性，无需调节，最佳电流密度为 7. 5 mA/cm2，最佳电絮凝时间为 15 min。

原作者：陶 陪　　高艳娇　　张志鹏　黄润竹

原标题：电絮凝法处理纺织废水研究