楊鴻鷹， 張國輝， 馮黨衛(wèi)， 王玲燕

(1.陜西省工業(yè)水處理工程技術研究中心， 陜西 西安 710054; 2.陜西省石油化工研究設計院， 陜西 西安 710054; 3.西安昊芯環(huán)境技術有限公司， 陜西 西安 710075)

重金屬廢水主要來自有色金屬冶煉﹑電鍍﹑皮革加工和部分化工企業(yè)等。重金屬污染物通常具有急性或慢性毒性，無法通過自凈作用消失，但可通過生物食物鏈富集，引起人和動物腎臟、生殖系統(tǒng)、肝臟、腦和中樞神經系統(tǒng)等功能的紊亂[1]。重金屬廢水若不加以有效處理而排放，將對人的健康和生態(tài)安全帶來極大危害。水體重金屬污染已成為全球最嚴重的環(huán)境問題之一。

處理廢水中重金屬的方法很多，有絮凝法[1]﹑化學沉淀法[2]﹑吸附法[3-5]﹑離子交換法[6-7]﹑生物法[8-9]﹑膜法[10-11]﹑微電解法[12]等。

電絮凝法為近年來頗有競爭力的一種污水處理工藝，此工藝操作簡單，效率高，不添加絮凝劑，是一種環(huán)境友好型水處理工藝，已被用于處理生活污水[13]﹑電鍍廢水[14]﹑重金屬廢水[15-16]﹑造紙廢水[17]﹑含油污水[18]。本實驗采用電絮凝法對金屬冶煉廢水進行處理，優(yōu)化了初始pH﹑極板間距﹑電流密度﹑反應時間等參數(shù)條件，取得了良好的處理效果。

1 實驗部分

1.1 實驗用水與儀器

實驗用水來自于某冶煉廢水，廢水水質見表1。

表1 廢水水質

檢測儀器：美國Thermo Fisher 6300 ICP分析儀，哈希HQ40d分析儀。

1.2 實驗方法

電絮凝實驗裝置為自制設備，電絮凝反應槽尺寸為400 mm×200 mm×200 mm，電極板采用鋁極板，尺寸為150 mm×100 mm×3 mm，10塊平板電極排列在反應槽內，間距為20 mm。污水通過磁力泵進行循環(huán)，污水進入后開始循環(huán)，通電后調整到所需電流開始計時，隔一段時間后取樣100 mL，靜置10 min后取清液測試Ni和Co含量。

2 結果與討論

2.1 初始pH值對電絮凝效果的影響

在極板間距20 mm﹑電流密度15 mA/cm2﹑槽電壓2.8 V﹑反應時間4 min條件下，用0.1 mol/L鹽酸和0.1 mol/L氫氧化鈉調節(jié)廢水的pH值，考察廢水初始pH值對重金屬離子去除率的影響，結果如圖1所示，處理后水質見表2。

圖1 初始pH值對電絮凝效果的影響

pH值5.06.07.08.09.0處理后廢水含Ni/mg·L-182.611.82.90.30.1Ni去除率/%64.2494.8999.5799.9199.96處理后廢水含Co/mg·L-16.42.30.40.20.1Co去除率/%70.9189.5598.1898.6499.55國標Ni/mg·L-1≤0.5Co/mg·L-1≤1.0

由圖1可知，當初始pH=5時，Ni和Co的去除率都很低，分別為72%﹑62.5%。隨著pH值的升高，去除率也隨之升高，當初始pH≥7時，隨著pH值的升高,去除率趨于穩(wěn)定，Ni的去除率達到99%，Co的去除率達到98%以上。酸性條件下不適于生成Al(OH)3以及鋁多核羥基化合物，不能有效吸附和絮凝重金屬離子，隨著pH值的升高，生成的Al(OH)3以及鋁多核羥基化合物較多，絮凝效果越好[19]。所以電絮凝處理重金屬廢水最好在堿性條件下。由表2可知，當pH=7.0時，Ni的去除率達到99.57%，但是處理后Ni濃度為2.9 mg/L，不滿足國標GB25467—2010《銅﹑鈷﹑鎳工業(yè)污染源排放標準》中Ni≤0.5 mg/L﹑Co≤1.0 mg/L的排放要求。當初始pH=8時，處理后Ni濃度為0.3 mg/L，Co濃度為0.2 mg/L，完全滿足國標排放要求，所以電絮凝最佳初始pH值為8.0。

2.2 極板間距對電絮凝效果的影響

在初始pH=8.0﹑電流密度15 mA/cm2﹑反應時間4 min條件下，考察電絮凝極板間距對重金屬離子去除率的影響，結果如圖2所示。

圖2 極板間距對電絮凝效果的影響

由圖2可知，極板間距在10～40 mm范圍內，隨著極板間距的增大，Ni和Co的去除率先增大后減小。極板間距20 mm時，Ni和Co的去除率最高，分別達到99.91%﹑98.64%。這是因為相同電流密度條件下，極板間距越小，電極溶蝕和電極工作表面利用越充分，效果也越好[20]。但極板間距小，極板間的電場分布不勻性增強，易引起短路反應，同時在同一電流密度下，間距越大，槽電壓將升高[21]，電能消耗也變大，所以最佳極板間距為20 mm。

2.3 電流密度對電絮凝效果的影響

在初始pH=8.0﹑極板間距20 mm﹑反應時間4 min條件下，考察電流密度對重金屬離子去除率的影響，結果如圖3所示。

圖3 電流密度對電絮凝效果的影響

由圖3可知，隨著電流密度的增大,Ni和Co的去除率增大。電流密度為5 mA/cm2時，Ni和Co去除率均小于65%，15 mA/cm2時，Ni和Co去除率最高，此后再增大電流密度，去除率上升高不明顯，基本趨于穩(wěn)定。這是由于電流密度越大，陽極板間產生的Al3+越多，陰極板產生更多的氫氣泡，絮凝、氣浮效果越好，處理效率越高。但當電流密度達到一定強度時，電解產生的Al3+越多，生成Al(OH)3以及鋁多核羥基化合物也較多，絮凝效果越好，去除率越高。但當電流濃度再升高時容易形成膠體排斥，反而會降低絮凝能力，所以電絮凝最佳電流密度15 mA/cm2。

2.4 反應時間對電絮凝效果的影響

在初始pH=8.0﹑極板間距20 mm﹑電流密度15 mA/cm2﹑槽電壓2.8 V條件下，考察反應時間對重金屬離子去除率的影響，結果如圖4所示。

圖4 反應時間對電絮凝效果的影響

由圖4可知，Ni和Co的去除率隨著電絮凝時間的延長而增加，1～2 min內Ni和Co的去除率顯著增長，反應時間在4～10 min內Ni的去除率增加趨于穩(wěn)定，4 min時Ni的去除率已達到99.91%。4～10 min內Co的去除率緩慢提高，8 min時達到99.95%，之后趨于穩(wěn)定。但4 min時Co的濃度為0.2 mg/L，符合Co≤1.0 mg/L的排放要求。由于反應時間越長電能消耗越高，所以在滿足排放標準的前提下，4 min為較佳的反應時間。

電絮凝反應產生污泥較少，沉淀物顯藍綠色，對電絮凝處理4 min后的沉淀物干燥處理，分析了其中的Ni﹑Co﹑Al含量，結果見表3。

表3 沉淀物分析結果

表3分析結果中，沉淀物中Ni的含量達到61.20%，這和沉淀物藍綠色外觀相吻合。由于沉淀物中Ni含量較高，后期可以通過其它方法對其中的Ni進行回收或再利用。

3 結論

通過實驗研究了電絮凝法對重金屬廢水處理的效果，分別考察了初始pH、電流密度、極板間距、反應時間等因素的影響，研究表明：

(1)隨著pH值的升高，去除率也隨之升高，當初始pH≥7時，Ni的去除率達到99%，Co的去除率達到98%以上。極板間距10～40 mm范圍內，隨著極板間距的增大，Ni和Co的去除率先增大后減小。極板間距20 mm時，Ni和Co的去除率最高，分別達到99.91%、98.64%。

(2)隨著電流密度的增大,Ni和Co的去除率一直增加，當電流密度為15 mA/cm2時，Ni和Co去除率最高。Ni和Co的去除率隨著電絮凝時間的延長而增加，4 min時Ni的去除率已達到99.91%，8 min時Co的去除率達到99.95%。

(3)重金屬廢水處理最佳條件為：初始pH=8.0﹑極板間距20 mm﹑電流密度15 mA/cm2﹑反應時間4 min，此時Ni去除率為99.91%，廢水處理后Ni的濃度為0.3 mg/L，Co去除率98.64%，Co的濃度為0.2 mg/L，符合國標GB25467—2010《銅﹑鈷﹑鎳工業(yè)污染源排放標準》中Ni≤0.5 mg/L﹑Co≤1.0 mg/L的排放要求。

[參考文獻]

[1] 杜鳳齡,徐敏,王剛,等.絮凝劑處理重金屬廢水的研究進展[J].工業(yè)水處理,2014(12):12-16.

[2] 郭燕妮,方增坤,胡杰華,等.化學沉淀法處理含重金屬廢水研究進展[J].工業(yè)水處理,2011(12):9-13.

[3] 鄧景衡,余侃萍,肖國光,等.吸附法處理重金屬廢水研究進展[J].工業(yè)水處理，2014(11):4-7.

[4] 潘凌瀟,劉漢湖,任超,等.新型介孔吸附劑制備及重金屬吸附性能[J].有色金屬工程，2013(3) :31-33.

[5] 張再利,況群,賈曉珊,等.花生殼吸附Pb2+、Cu2+、Cr3+、Cd2+、Ni2+的動力學和熱力學研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報， 2010(12)：2973-2977.

[6] 李紅艷,李亞新,李尚明. 離子交換技術在重金屬工業(yè)廢水處理中的應用[J].水處理技術，2008(2):12-15.

[7] 王堅堅,董新,林學敏,等.新型強堿性陰離子交換樹脂處理含鉻電鍍廢水的研究[J].電鍍與環(huán)保，2016(6):55-56.

[8] 段楊慧.生物吸附法處理重金屬離子廢水研究進展[J].中國錳業(yè)，2016(5):100-102.

[9] 張玉剛,龍新憲,陳雪梅,等.微生物處理重金屬廢水的研究進展[J].環(huán)境科學與技術，2008(6):58-63.

[10] 謝輝玲,葉紅齊,曾堅賢,等.膜分離技術在重金屬廢水處理中的應用[J]. 化學與生物工程，2005(5):41-43.

[11] 姜曉鋒,張曉臨,朱佳,等.平板陶瓷膜和中空纖維膜處理重金屬廢水效能對比[J].水處理技術,2017 (3):87-91.

[12] 張?zhí)旆? 微電解- 混凝法處理含鉈重金屬廢水研究[J]. 湖南有色金屬，2016(6):53-56.

[13] 張石磊,江旭佳,洪國良,等.電絮凝技術在水處理中的應用[J].工業(yè)水處理,2013(1):10-14.

[14] 張條蘭，刁潤麗，方秀葦.電絮凝法處理電鍍廢水的研究進展[J].電鍍與精飾,2016(3)：33-37.

[15] 李爽,邱春生,孫力平,等.鋁板電絮凝法去除重金屬離子Cd2+和Ni2+[J].環(huán)境工程學報,2016(6):2855-2861.

[16] 虞少嵚,熊道文,陳湘斌,等.周期換向電絮凝法用于處理含鉻廢水研究[J].中國環(huán)境科學，2014(1):118-122.

[17] 劉艷.鋁鈦電極電絮凝法處理造紙廢水工藝及機理的研究[D].西安:陜西科技大學,2015.

[18] 張俊,楊敬一,徐心茹,等.電絮凝技術處理油田含油污水的研究[J].現(xiàn)代化工,2013(1):52-56.

[19] 王文東,楊宏偉,蔣晶,等.水溫和pH對飲用水中鋁形態(tài)分布的影響.環(huán)境科學，2009(8):2259-2262.

[20] 程宇婕,馮啟言,李向東,等.電絮凝微濾技術應用于給水處理的實驗研究[J].能源環(huán)境保護，2008(4):28-31.

[21] 王車禮,張登慶,陳毅忠,等.電絮凝過程電流密度與電壓關系研究[J].工業(yè)水處理,2002(7):28-30.