电化学法改善烟草薄片废水可生化性的研究

摘要

烟草薄片是以烟末、烟梗、碎烟片和次级烟叶等为原料制成的再生产品,是卷烟生产的重要原料之一。造纸法生产1吨烟草薄片将排放60-80吨废水,废水呈深棕色且含有大量细小悬浮物。目前,烟草薄片废水处理以生物法为主,但废水中的烟碱(尼古丁)、二烯烟碱等特征污染物具有生物毒性,且悬浮物也严重影响了微生物的转化利用,导致系统处理效果差,存在出水色度高、抗水质波动能力弱等问题。开展高效、低成本的预处理技术研究以提高烟草薄片废水的可生化对生物法处理烟草薄片废水至关重要。
　　 本文根据烟草薄片废水的水质特征,在化学絮凝法处理烟草薄片废水的基础上,采用电絮凝、电化学氧化以及电絮凝.电化学氧化耦合处理烟草薄片废水,考察了上述四种方法处理烟草薄片废水的影响因素,确定了各自的最佳处理条件,比较了不同处理方法对废水可生化性改善的程度以及处理成本。通过气质联用(GC-MS)分析烟草薄片废水处理前后废水中有机污染物的变化情况,探讨了不同处理技术对烟草薄片废水中污染物的去除机理。研究取得了以下成果:
　　 (1)以聚合氯化铝(PAC)和硫酸铝为絮凝剂,聚丙烯酰胺(PAM)为助凝剂,通过化学絮凝法处理烟草薄片废水。研究结果表明,聚合氯化铝更适合作为烟草薄片废水处理用絮凝剂。当初始pH为5,PAC和PAM用量分别为1500 mg/L和20 mg/L时,烟草薄片废水中总化学需氧量(CODt)、溶解性化学需氧量(CODs)、浊度和悬浮物(SS)的去除率分别达64.1％、6.6％、96.5％和84.0％,处理后出水为棕黄色,透光率为74.8％,色度从300倍降至50倍。可见,化学絮凝通过电荷中和去除废水中的纤维素、半纤维素等悬浮物以提高废水的可生化性,BOD5/COD从0.067提高到0.312,但难以去除废水中的溶解性有机污染物。吨水药剂费用为7.19元,产生的污泥量为0.322 m3。
　　 (2)电絮凝处理烟草薄片废水的研究结果表明,铝阳极电极消耗小于铁阳极且出水透光率更好,不锈钢网阴极比铝板阴极更有利于浊度和色度去除。以铝为阳极,不锈钢网为阴极,不改变废水的pH,控制电流密度为40 mA/cm2,添加NaCl用量为2.5 g/L,电解反应6 min后,CODt、CODs、SS、浊度去除率和透光率分别达到66.1％、25.7％、97.5％、98.1％和85.5％,出水澄清,颜色为黄色,色度从300倍降至25倍。可见,电絮凝不仅可以通过絮凝去除废水中的悬浮物,还可通过絮体吸附去除部分溶解性有机物,茄酮、尼古丁和二烯烟碱的去除率分别为47.5％、40.5％和21.4％,BODs/COD从0.075提高到0.426,但难以去除烟草薄片废水中的有机酸。处理成本以电极消耗和电能消耗为主,吨水处理成本为4.35元,产生的污泥量为0.201 m3。
　　 (3)以二氧化铅(p-PbO2)和钌铱钛为阳极,不锈钢网为阴极,采用电化学氧化处理烟草薄片废水。以β-PbO2为阳极,电流密度为50 mA/cm2,体系pH为5,电解时间为30 min,NaCl用量为1.5 g/L,CODt和CODs去除率分别为55.5％和15.5％,出水浑浊但无色,SS、浊度去除率和透光率分别为69.3％,75.2％和71.7％。以钌铱钛为阳极,电流密度为50 mm/cm2,NaCl用量为1.5 g/L,电解时间为30 min,不调节体系pH,CODt和CODs去除率分别为51.2％和9.8％,出水为淡棕色,较为浑浊,SS、浊度去除率和透光率分别为75.3％、81.2％和54.0％。在电化学氧化过程中,尽管浊度和SS的去除率不如化学絮凝和电絮凝,但尼古丁、二烯烟碱和可替宁等在羟基自由基(·OH)作用下生成吡啶环和吡咯环,并进一步破环生成小分子有机酸。因此,废水的色度和毒性随之下降,BOD5/COD值由0.06提高到0.496(β-PbO2阳极)和0.467(钌铱钛)。钌铱钛阳极氧化能力相对较弱,出水中仍有尼古丁残留。电化学氧化以电能消耗为主,β-PbO2和钌铱钛阳极的吨水运行成本分别为14.47元和14.45元,产生的浮渣量分别为0.078 m3和0.089 m3。
　　 (4)以铝为阳极,不锈钢网为阴极,不改变烟草薄片废水的pH,控制电流密度为40 mA/cm2,添加NaCI用量为2.5 g/L,烟草薄片废水先经电絮凝处理6 min,静置30 min,出水采用电化学氧化法进一步氧化。研究结果表明,以β-PbO2为阳极,电流密度控制为20 mA/cm2,pH为5,反应30 min后,废水COD去除率可达83.9％,BOD5/COD由0.061提高到0.852。以钌铱钛为阳极时,不调节废水的pH,控制电流密度为30 mA/cm2,反应30 min后,废水COD去除率可达82.8％,BOD5/COD由0.061提高到0.804。可见,电絮凝.电化学氧化耦合处理烟草薄片废水可同时去除悬浮物和溶解性有机物,非常有效地改善了废水的可生化性。通过电絮凝预处理可减少悬浮物对后续电化学氧化的传质阻力,从而降低氧化的电能消耗,吨水处理成本分别降至6.96元(β-PbO2为氧化阳极)和9.34元(钌铱钛为氧化阳极)。