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西安水處理——再生造紙廢水處理方法

  廢紙紙漿造紙廢水中含有大量細(xì)微纖維、樹(shù)脂、染料、化學(xué)藥品和機(jī)械雜質(zhì),廢水COD、BOD5、色度等污染負(fù)荷大,難以直接生物降解?,F(xiàn)有處理技術(shù)主要包括物化法、氧化法、生化法和組合技術(shù)處理法等[1, 2, 3]。采用H2O2—微電解/MnO2組合工藝處理再生造紙廢水,微電解法具有運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好和“以廢治廢”等優(yōu)點(diǎn)[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13],可以將大分子有機(jī)物分解成易降解的小分子物質(zhì),提高了廢水的可生化性。外加催化劑二氧化錳可以降低反應(yīng)活化能,提供反應(yīng)場(chǎng)所,強(qiáng)化微電解處理效果。微電解反應(yīng)投加H2O2相當(dāng)于提供了微電解-Fenton耦合技術(shù)處理廢水,提高了降解處理效果。廢水經(jīng)該工藝預(yù)處理后,滿足后續(xù)生化處理工藝要求,為造紙廢水的資源化利用創(chuàng)造了條件。

  筆者以再生造紙廢水為處理對(duì)象,討論了pH、鐵炭用量、鐵炭比、反應(yīng)時(shí)間、MnO2加入量、H2O2投加量等因素對(duì)H2O2—微電解/MnO2工藝處理效果的影響,確定反應(yīng)適宜的工藝條件,目前鮮有將該技術(shù)應(yīng)用于再生造紙廢水處理的研究。

  1 實(shí)驗(yàn)部分

  1.1 實(shí)驗(yàn)材料

  實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。廢鐵屑為機(jī)械加工廢料,粒徑5~8 mm,使用前先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氫氧化鈉溶液浸泡20 min,以去除鐵屑表面油污,再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的鹽酸溶液浸泡 10 min,去除鐵屑表面氧化物,進(jìn)行活化處理,最后用自來(lái)水沖洗干凈[8]?;钚蕴繛樯虾?guó)藥集團(tuán)生產(chǎn),粒徑3~5 mm,使用前用廢水充分浸泡,以消除其吸附作用產(chǎn)生的干擾。

  實(shí)驗(yàn)用水取自山東某紙業(yè)有限公司再生造紙廢水。該廢水經(jīng)格柵、調(diào)節(jié)池和初沉池處理后,其COD為5 865 mg/L,SS為1 259 mg/L,pH為7.0,氨氮質(zhì)量濃度為30.36 mg/L,總磷質(zhì)量濃度為9.23 mg/L,BOD5為1 841 mg/L,B/C為0.32。

  1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

  本預(yù)處理反應(yīng)裝置采用直徑90 mm,柱高450 mm的有機(jī)玻璃柱,下部采用空氣泵曝氣。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的溫度均由恒溫水箱控制。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

 圖1 鐵炭微電解反應(yīng)裝置 

  將預(yù)處理后的鐵屑和活性炭按照一定比例混合均勻放入有機(jī)玻璃柱中,加入待處理廢水,在曝氣量150 L/h條件下,改變反應(yīng)時(shí)間、pH、鐵炭用量、鐵炭比、MnO2加入量、H2O2投加量等進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后靜止一定時(shí)間,取樣測(cè)定COD等污染指標(biāo)。

  1.3 分析方法

  COD:重鉻酸鉀法;BOD5:稀釋與接種法;氨氮:納氏試劑分光光度法;總磷:鉬銻抗分光光度法;SS:重量法。

  2 結(jié)果與討論

  2.1 MnO2對(duì)處理效果的影響

  在pH=3.0,鐵炭總質(zhì)量濃度20 g/L,鐵炭比3∶1,反應(yīng)時(shí)間40 min,H2O2投加質(zhì)量濃度為0.55 g/L條件下,分別加入0、1.00、1.25、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00 g/L的MnO2,考察二氧化錳對(duì)微電解處理廢水體系的催化作用,結(jié)果如圖2所示。

 圖2 MnO2加入量對(duì)廢水COD去除率的影響 

  由圖2可知,隨著MnO2加入量的增加,廢水微電解COD去除率增加,當(dāng)MnO2投加質(zhì)量濃度為2.50 g/L時(shí),廢水COD去除率最高,達(dá)到77%,相比單獨(dú)微電解處理體系提高了14.5%,其主要原因是MnO2的加入降低了反應(yīng)活化能,提高了廢水氧化還原能力,而且MnO2本身具有吸附能力,可吸附廢水中的污染物,為微電解反應(yīng)提供反應(yīng)載體[14, 15]。繼續(xù)增加MnO2加入量,廢水COD去除率開(kāi)始降低,并且降低速度較快,其主要原因是當(dāng)MnO2加入量較多時(shí),二氧化錳的存在阻礙了鐵和炭的有效接觸,微電解反應(yīng)降低,廢水處理效果下降。

  2.2 H2O2投加量對(duì)處理效果的影響

  在pH=3.0,鐵炭總質(zhì)量濃度20 g/L,反應(yīng)時(shí)間40 min,MnO2投加質(zhì)量濃度為2.50 g/L,鐵炭比3∶1條件下,分別加入0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75 g/L H2O2進(jìn)行實(shí)驗(yàn),考察H2O2對(duì)微電解處理廢水體系的催化作用,結(jié)果如圖3所示。

 圖3 H2O2投加量對(duì)廢水COD去除率的影響

  由圖3可知,隨著H2O2投加量的增加,廢水COD去除率增加,當(dāng)H2O2投加質(zhì)量濃度在0.55 g/L時(shí)COD去除率達(dá)到最大,為83%。隨后繼續(xù)增加,COD去除率開(kāi)始下降,其原因是過(guò)量的H2O2直接將Fe2+氧化成Fe3++,消耗了H2O2并抑制了·OH的生成,污染物降解率降低。另外,殘留的H2O2也會(huì)干擾出水COD的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)選擇H2O2適宜的投加質(zhì)量濃度為0.55 g/L。

  2.3 鐵炭比對(duì)處理效果的影響

  在pH=3.0,鐵炭總質(zhì)量濃度20 g/L,反應(yīng)時(shí)間40 min,MnO2投加質(zhì)量濃度2.50 g/L,H2O2投加質(zhì)量濃度0.55 g/L條件下,調(diào)整鐵炭比為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4進(jìn)行反應(yīng),結(jié)果表明,鐵炭比對(duì)廢水COD去除率影響不大,均在80%以上,當(dāng)鐵炭比為1∶1時(shí),產(chǎn)生的原電池?cái)?shù)量最多,效果最好,廢水COD去除率達(dá)到最高,為84%。這是因?yàn)殍F炭比大時(shí)會(huì)造成鐵屑剩余,剩余的鐵屑參加H+的置換反應(yīng),增加了無(wú)效的鐵溶解,且活性炭太少,鐵炭床的支撐和孔隙率都降低,容易堵塞和板結(jié),不利于反應(yīng)器的運(yùn)行;鐵炭比小時(shí),由于鐵屑量的減少,使鐵屑內(nèi)部原電池的數(shù)量大量減少,鐵屑表面也被充分利用與活性炭形成微電池,體系內(nèi)部微電池?cái)?shù)量達(dá)到極限,所以增加活性炭的量,處理效果反而會(huì)下降。因此,實(shí)驗(yàn)選擇適宜的鐵炭比為1∶1。

  2.4 pH對(duì)處理效果的影響

  在鐵炭總質(zhì)量濃度20 g/L,反應(yīng)時(shí)間40 min,MnO2投加質(zhì)量濃度2.50 g/L,H2O2投加質(zhì)量濃度0.55 g/L,鐵炭比為1∶1條件下,考察了不同的反應(yīng)初始pH對(duì)處理效果的影響,結(jié)果如圖4所示。

 圖4 pH對(duì)廢水COD去除率的影響

  由圖4可以看出,在酸性條件下,隨pH的增加,廢水COD去除率增加,在pH=3.0時(shí)有最佳效果。當(dāng)pH小于3.0時(shí),鐵屑與酸反應(yīng)生成的氫氣大量覆蓋在鐵屑的表面,減小了鐵屑的有效表面積,降低了原電池效應(yīng),從而使處理效果下降。而且溶液pH過(guò)低,會(huì)破壞絮凝體,使溶液因Fe2++和Fe3++濃度增大而色度增加。當(dāng)pH大于3.0時(shí),H+濃度逐漸降低,陰極的反應(yīng)效果也下降。所以選擇適宜的進(jìn)水pH為3.0。

  2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果的影響

  在pH=3.0,鐵炭總質(zhì)量濃度20 g/L,MnO2投加質(zhì)量濃度2.50 g/L,H2O2投加質(zhì)量濃度0.55 g/L,鐵炭比為1∶1的條件下,考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)微電解反應(yīng)的影響,結(jié)果如圖5所示。

 圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水COD去除率的影響

  由圖5可知,隨反應(yīng)時(shí)間的增加,COD去除率不斷增加。在反應(yīng)進(jìn)行到50 min時(shí),COD去除率最高,達(dá)到88%。超過(guò)50 min后COD去除率基本不再變化,甚至有所降低。其原因是,反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)可使電極反應(yīng)的產(chǎn)物與廢水中污染物進(jìn)行充分的電化學(xué)、吸附及絮凝等作用。但是反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使更多的Fe2++被氧化成Fe3++,使色度增加,反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致廢水中沉積物沉積在填料之間的空隙中,覆蓋于鐵和炭表面,阻礙了兩者的接觸,抑制反應(yīng)的進(jìn)行。而且反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),會(huì)使反應(yīng)器的容積增加、建筑面積增加,基建費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)用增加。因此將最佳反應(yīng)時(shí)間定為50 min。

  2.6 H2O2—微電解/MnO2處理后出水水質(zhì)

  在適宜的條件下對(duì)H2O2—微電解/MnO2處理后的出水水質(zhì)分析,結(jié)果表明,出水COD 870 mg/L,SS為20 mg/L,pH=8.0,氨氮為4.55 mg/L,總磷為0.21 mg/L,BOD5為704 mg/L,BOD5/COD為0.81。處理后COD、SS、氨氮、總磷、BOD5的去除率分別為88%、 98.4%、85%、98%、52%,降低了廢水的污染負(fù)荷,提高了廢水的可生化性,有利于后續(xù)進(jìn)一步生化降解反應(yīng)處理。

  3 結(jié)論

  (1)采用微電解體系處理造紙廢水,加入MnO2有利于提高廢水COD等的去除率,適宜的MnO2投加質(zhì)量濃度為2.50 g/L。

  (2)在微電解/MnO2處理體系中加入H2O2處理造紙廢水,可有效提高COD等去除率,但H2O2加入量過(guò)大,COD去除率反而降低,適宜的H2O2投加質(zhì)量濃度為0.55 g/L。

  (3)采用H2O2—微電解/MnO2方法處理造紙廢水,適宜的反應(yīng)條件為:pH=3.0,鐵炭總質(zhì)量濃度20 g/L,MnO2投加質(zhì)量濃度2.50 g/L,H2O2投加質(zhì)量濃度0.55 g/L,鐵炭比1∶1,反應(yīng)時(shí)間50 min。在該條件下出水中COD為870 mg/L,SS為20 mg/L,pH=8.0,氨氮為4.55 mg/L,總磷為0.21 mg/L,BOD5為704 mg/L,BOD5/COD為0.81,為后續(xù)生化處理創(chuàng)造了條件。

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