張滿成，王長(zhǎng)明，朱增銀，付益?zhèn)?，?棟

（江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210036）

0 引言

我國(guó)每年產(chǎn)生的工業(yè)廢水和城市生活污水總量呈逐年上升趨勢(shì)，新鮮水的大量消耗和廢水的大量產(chǎn)生排放，導(dǎo)致我國(guó)水資源匱乏，保護(hù)和節(jié)約水資源已成為基本國(guó)策之一。廢水資源的循環(huán)再利用能有效緩解水資源短缺的問(wèn)題，再生水制備更是拓展了廢水循環(huán)利用的空間和用途。

再生水制備工藝已成為水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，鑒于污水成分復(fù)雜多樣，再生水制備大多采用組合工藝。在水處理技術(shù)研究中，比表面積大、官能團(tuán)種類(lèi)多、再生快捷且不易流失的磁性陰離子交換樹(shù)脂對(duì)于有機(jī)物有著很好的處理效果[1]，相較于混凝和一些高級(jí)氧化技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生二次污染[2]。電吸附技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，以脫鹽率高、低電耗、方便簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)[3]，比反滲透和蒸發(fā)結(jié)晶為代表的脫鹽技術(shù)更加高效經(jīng)濟(jì)，引起了全球科研工作者廣泛的關(guān)注。

本文提出磁性陰離子交換樹(shù)脂耦合電吸附再生水制備工藝，以此來(lái)處理印染廢水生化出水。實(shí)驗(yàn)比較了樹(shù)脂吸附、電吸附及其耦合工藝對(duì)鹽度和有機(jī)物的去除效果，闡述了樹(shù)脂吸附和電吸附耦合的優(yōu)勢(shì)。該耦合技術(shù)污染物去除效率高，操作性強(qiáng)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 廢水水質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為江蘇某印染廠污水處理生化出水，具體檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1。其廢水COD質(zhì)量濃度為85 mg/L，電導(dǎo)率為2 104 μS/cm，溶解性總固體（TDS）質(zhì)量濃度為 1 455 mg/L。

表1 廢水指標(biāo)檢測(cè)值mg·L-1

1.2 磁性陰離子交換樹(shù)脂吸附實(shí)驗(yàn)

磁性陰離子交換樹(shù)脂采用丙烯酸酯、二乙烯苯和Fe3O4納米粒子懸浮聚合而成[4]。吸附實(shí)驗(yàn)步驟：將0.05 g磁性陰離子交換樹(shù)脂投加入裝有100 mL廢水的錐形瓶中，并置于恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱（HPY-91R）里20℃振蕩，接觸反應(yīng)時(shí)間為500 min，震蕩轉(zhuǎn)速為130 r/min。

1.3 電吸附裝置制備與電吸附實(shí)驗(yàn)

電吸附電極由活性炭-聚四氟乙烯-炭黑（質(zhì)量比為5∶4∶1）制備而成[5]。電吸附裝置主要包含電極、電源（PS-305D，兆信）、蠕動(dòng)泵（BT100-2J，LongerPump）、反應(yīng)器、攪拌器（SM-3A，上海志威）和電導(dǎo)率儀（Seven Excellence，METTLER TOLEDO）組成。

電吸附實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)：電極電壓1.8 V、電極間距2 mm，進(jìn)水流速15 mL/min和反應(yīng)時(shí)間90 min[5]。每次實(shí)驗(yàn)處理100 mL廢水。

1.4 試驗(yàn)儀器

廢水中無(wú)機(jī)離子測(cè)定使用Thermo公司ICS-1100型號(hào)離子色譜儀；TOC的測(cè)定選用美國(guó)OI公司1030C型總有機(jī)碳分析儀；COD測(cè)定選用華晨公司HCA-102型COD消解儀；三維熒光測(cè)定選用日本Hitachi公司F-7000型熒光光譜儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫鹽效果

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了樹(shù)脂吸附、電吸附和耦合工藝3種技術(shù)的脫鹽效果，見(jiàn)圖1。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，廢水經(jīng)磁性陰離子交換樹(shù)脂處理后電導(dǎo)率僅下降了39 μS/cm，去除率1.85%。電吸附和耦合工藝的脫鹽效果較好，處理60 min，脫鹽效率分別達(dá)到86.0%和92.3%，其中廢水經(jīng)耦合技術(shù)處理后電導(dǎo)率僅為162 μS/cm。

圖1 3種技術(shù)脫鹽過(guò)程

采用離子色譜進(jìn)一步分析處理后溶液中Cl-和SO42-2種離子變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，原水經(jīng)磁性陰離子交換樹(shù)脂處理后Cl-質(zhì)量濃度上升了205 mg/L，SO42-質(zhì)量濃度下降了256 mg/L，這是具有較大電荷的SO42-置換了樹(shù)脂表面Cl-的結(jié)果。電吸附和耦合工藝處理后Cl-和SO42-2種離子濃度下降顯著。對(duì)比耦合工藝和電吸附技術(shù)處理后廢水離子含量發(fā)現(xiàn)，2種工藝對(duì)Cl-的去除效果相當(dāng)，但電吸附處理后廢水中SO42-高于耦合工藝處理后的含量，這是因?yàn)殡娢郊夹g(shù)對(duì)于Cl-吸附優(yōu)于SO42-[6-7]，而磁性樹(shù)脂吸附 SO42-，釋放 Cl-的行為，恰恰增強(qiáng)了耦合工藝的脫鹽效果。

圖2 不同技術(shù)處理后Cl-和SO42-質(zhì)量濃度

2.2 有機(jī)物去除效果

樹(shù)脂吸附、電吸附和耦合工藝3種技術(shù)對(duì)廢水中COD的去除情況見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，單獨(dú)電吸附工藝雖然能去除一些帶電荷的有機(jī)物，但整體去除效果較差，廢水經(jīng)電吸附處理后COD質(zhì)量濃度為69 mg/L，不能達(dá)到再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（60 mg/L）。磁性樹(shù)脂吸附處理后，廢水的COD質(zhì)量濃度下降到56 mg/L，去除率為34.1%，處理出水能夠達(dá)到再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。相比而言，在樹(shù)脂吸附后，再進(jìn)行電吸附處理，進(jìn)一步增強(qiáng)了廢水中有機(jī)物的去除，耦合工藝對(duì)廢水COD的去除率為45.9%，出水COD質(zhì)量濃度為46 mg/L。

圖3 不同技術(shù)處理后廢水COD質(zhì)量濃度

樹(shù)脂吸附、電吸附和2者耦合工藝3種技術(shù)處理后廢水TOC去除情況見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，經(jīng)單獨(dú)磁性陰離子交換樹(shù)脂、電吸附和2者耦合工藝處理后廢水TOC質(zhì)量濃度分別下降了4.60，2.60，5.20 mg/L，3種技術(shù)對(duì)TOC去除趨勢(shì)與COD基本一致。廢水有機(jī)物去除實(shí)驗(yàn)表明磁性陰離子交換樹(shù)脂耦合電吸附技術(shù)的有機(jī)物凈化能力優(yōu)于樹(shù)脂吸附或電吸附單一技術(shù)。

圖4 不同技術(shù)處理后廢水TOC質(zhì)量濃度

2.3 技術(shù)耦合優(yōu)勢(shì)

在實(shí)際廢水中往往存在較高濃度的溶解性有機(jī)質(zhì)（DOMs），已有研究表明，以碳材料制備電極存在易受DOMs中類(lèi)腐殖質(zhì)污染影響而降低脫鹽能力[8-9]。實(shí)驗(yàn)采用三維熒光分析了廢水原水、磁性陰離子交換樹(shù)脂處理后廢水的有機(jī)物種類(lèi)，樣品三維熒光圖譜見(jiàn)圖5。依據(jù)有機(jī)物熒光圖譜分類(lèi)情況[10-11]，圖5（a）顯示廢水中主要含有DOMs中的類(lèi)蛋白質(zhì)和類(lèi)腐殖酸物質(zhì)，經(jīng)過(guò)磁性陰離子交換樹(shù)脂技術(shù)處理后廢水中類(lèi)腐殖酸物質(zhì)得到有效去除（圖5（b）），證明磁性陰離子交換樹(shù)脂對(duì)類(lèi)腐殖酸物質(zhì)有著很好的處理效果[12]。廢水中類(lèi)腐殖酸去除后，降低了后續(xù)電吸附電極被污染的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了電吸附處理能力和壽命。因此，磁性陰離子交換樹(shù)脂耦合電吸附技術(shù)既能去除有機(jī)物，又能降低廢水鹽度，且有效保護(hù)電吸附電極性能。

圖5 樣品三維熒光圖譜

3 結(jié)論

（1）磁性陰離子交換樹(shù)脂技術(shù)能有效去除廢水中的有機(jī)物，包含類(lèi)腐殖酸物質(zhì)，COD去除率34.1%，但降低廢水鹽度效果微弱。

（2）電吸附技術(shù)對(duì)廢水的脫鹽率達(dá)86.0%，但有機(jī)物效果去除不佳。

（3）磁性陰離子交換樹(shù)脂耦合電吸附的脫鹽效率達(dá)92.3%，COD去除效率達(dá)45.9%，技術(shù)耦合既增加了電吸附技術(shù)的脫鹽能力和磁性樹(shù)脂吸附技術(shù)的有機(jī)物去除能力，又保護(hù)了電吸附電極、延長(zhǎng)使用壽命，是一種極具潛力的高效再生水制備工藝。