铁炭微电解预处理高浓度酵母废水

王洪磊+周元祥+杨二亮+陈川

摘要： 对高浓度酵母废水进行铁炭微电解预处理，研究了反应条件和反应机理。对进水pH值、铁用量、铁炭比和反应时间对处理效果的影响的单因素进行了试验研究，得到最佳反应条件为： 进水pH值为3，铁投加量40 g/L，铁炭比2∶1，反应时间3 h，COD去除率可达40%以上。

关键词：铁炭微电解； 预处理； 高浓度； 酵母废水

中图分类号：X787 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0018-03

1 引言

以废糖蜜作生长碳源，以硫酸铵、氯化钠、硫酸镁、磷酸铵等作营养盐生产酵母的工艺，由于酵母不能完全利用废糖蜜中的有机物，剩余的有机物以及酵母在生长代谢过程中产生的新有机物均进入废水中，产生大量高浓度的有机废水。酵母废水有机物浓度高，废水中的焦糖化合物还使得酵母废水颜色较深，为深褐色；同时酵母废水中还含有高浓度的微生物代谢产物、无机盐类、硫酸根等，导致废水降解性较差[1]。

铁炭微电解工艺使用范围广、工艺简单，对于高COD、高盐度以及色度较高的工业废水的处理较其他工艺效果好。难生物降解的废水经铁炭微电解工艺处理后B/C大大提高，有利于提高后续生物处理效果[2]。

根据酵母废水高COD、高色度以及可生化性差的特点，采用铁炭微电解法对该酵母废水进行预处理。

2 实验部分

2.1 废水水质

实验中的废水来自广西某酵母废水厂，该废水具有高COD、高色度以及可生化性差的特点，废水具体水质：COD为4982.7 mg/L，pH值为5.4。

2.2 仪器和试剂

实验仪器包括COD消解仪、精密pH计、电子天平、可见分光光度计、六联电动搅拌器等。

实验药品和试剂包括铸铁屑、活性炭粒、重铬酸钾、硫酸、硫酸银、氢氧化钠和盐酸等。

2.3 实验准备

铁屑的清洗：将所需铁屑置入10%的NaOH溶液中浸泡并小火加热10 min以除油，然后用清水冲洗干净，使用前再用3%的稀盐酸浸泡30 min以去除铁屑表面的金属氧化物，再用清水冲洗后干燥待用[3]。

活性炭粒的清洗：将所需活性炭粒用待处理废水浸泡2 h，使活性炭粒达到吸附饱和，消除由于活性炭粒吸附作用导致的对COD去除效果的干扰，然后干燥备用。

2.4 实验方法

以烧杯为反应器，取200 mL酵母废水，置于500 mL的烧杯中，调节pH到预定值，加入一定量经预处理的活性炭粒及铁屑，置于六联电动搅拌器上反应一定时间后，调节pH值至9，沉淀一段时间后取上清液进行分析。

2.5 分析方法

COD采用快速消解分光光度法（HJ/T 399-2007），pH 值采用pH S＼|3C型精密pH计测定（ GB6920- 1986）。

3 实验结果与讨论

3.1 单因素试验

3.1.1 pH值对处理效果的影响

调节pH值为1、2、3、4、5，其他条件为：铁用量40 g/L，铁炭质量比2∶1，反应时间1 h。

3.1.2 铁用量对处理效果的影响

调节进水pH值为3，铁炭质量比2∶1，反应时间为1 h，铁用量分别为20、40、60、80、100 g/L，实验结果COD去除率随着铁用量的增加而增加。当铁用量少于40 g/L时，COD去除率增加迅速，再提高铁用量时，COD去除率增加缓慢，所以最佳铁用量为40 g/L。

这是因为铁用量较少时，形成的原电池的不足，导致COD的去除率较低。随着铁用量的增加，形成的原电池的数量随之增加，不断产生具有很高化学活性的新生态[H]、Fe2+等活性基团，有利于氧化还原反应进行，从而提高了对废水的处理能力。当铁用量到一定值时，废水与铁屑的接触面积达到最大值，多余的铁没有参与微电解反应。而且，随着反应的进行，整个体系的pH值逐渐增加，抑制原电池反应，导致COD去除率增加缓慢。

3.1.3 铁炭比对处理效果的影响

调节进水pH值为3，铁用量为40 g/L，反应时间为1 h， Fe /C分别取1∶1、1∶2、2∶1、3∶1、4∶1

由图3可知，随着铁炭比的增大，COD去除率先增加后減少，在Fe/C=2∶1时处理效果达到最佳。

这是因为在铁用量一定的情况下，当活性炭用量过少时，就无法形成足够多的原电池，导致COD去除率较低；当活性炭用量过多时，会使单位体积内含有的铁的量变少，抑制原电池的电极反应，更多的表现为吸附作用而不是微电解反应，使COD去除率较低。在最适合的铁炭比条件下，原电池反应才能进行得更好，达到最佳处理效果。

3.1.4 反应时间对处理效果的影响

调节进水pH值为3，铁用量为40 g/L，铁炭质量比2∶1，分别取反应时间为 0. 5、 1、 2 、3、4 、5 h，实验结果

由图4可知，在开始的3 h，COD去除率增加较快，在3～5 h COD去除率降低。

这是因为随着微电解反应时间的增加，新生态的[H]、Fe2+等活性基团大量产生，促进了与废水中有机物的氧化还原反应，使COD去除率不断升高。同时，随着反应的进行，反应体系的pH值逐渐升高，以及铁由于长时间置于有氧环境下发生钝化，抑制了原电池的电极反应，使COD去除率降低。

3.2 反应机理

铁炭微电解处理废水的机理主要是：铁和炭存在着相差较大的氧化还原电位， 当将两者共同投入到电解质溶液中时，两者间会通过原电池反应发生如下的电极反应 [5，6]。

阳极反应：

Fe- 2e Fe2+

E（Fe2+/Fe） = -0. 44 V；

陰极反应：

2H++ 2e 2[H] H2

E（ H+/H2 ） = 0 V

当有O2存在时：

O2+4H++4e 2H2O（酸性溶液）

E（O2）=1.23 V

O2+2H2O+4e 4OH-（碱性及中性溶液）

E（O2/OH-）=0.40 V

由上述电极反应可知，在反应的pH值低时，氧的电极电位提高，微电池电位差的加大，可促进电极反应的进行，生成具有较高化学还原活性的产物，提高废水的可生化性。而且，电极反应所产生的新生态[H]，能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，改变这些组分的结构和特性，从而达到降解有机物的目的。

微电解反应过程中会产生Fe2+和Fe3+。随着反应的进行，溶液pH值逐渐升高，形成Fe（OH）2、Fe（OH）3絮状沉淀。反应式如下：

Fe2++2OH- Fe（OH）2

4Fe2++ 8OH-+O2+2H2O Fe（OH）3

Fe3++3OH- Fe（OH）3

Fe（OH）2、Fe（OH）3是胶体絮凝剂，具有较强的吸附能力，可以吸附废水中某些污染物。

4 结论

（1）铁炭微电解对高浓度酵母废水处理效果良好，COD的去除率可达到40%以上。

（2）通过对进水pH值、铁用量、铁炭质量比和反应时间等条件对酵母废水处理效果的影响的研究，得到最佳反应条件为：进水pH为3，铁用量40 g/L，铁炭质量比2∶1，反应时间3 h。

参考文献：

[1]余景芝.酵母生产与应用手册[M].北京：中国轻工业出版社，2005：7.

[2] 姜兴华，刘勇健.铁碳微电解法在废水处理中的研究进展及应用现状[J]. 工业安全与环保，2009，35（1） ： 26～27.

[3] 高彦林，张雁秋，薛方亮.铁碳微电解法处理某化工厂废水的研究[J].江苏环境科技，2006，19（5）：11～13.

[4]祁佩时，赵俊杰，刘云芝，等. Fenton试剂深度处理稠油石化废水的反应动力学[J]. 化工学报，2011，62（2）：49.

[5]冯雅丽， 张 茜， 李浩然，等. 铁炭微电解预处理高浓度高盐制药废水[J]. 环境工程学报， 2012， 6（11）：3855～3860.

[6]杨玉峰. 铁炭微电解组合工艺预处理高浓度难降解有机废水的研究[D]. 杭州：浙江工业大学， 2009.

[7]袁书保. 铁碳微电解预处理制药废水实验研究[D]. 武汉：武汉科技大学， 2015.

Pretreatment of Highly Concentrated Yeast

Wastewater by Iron-carbon Micro-electrolysis

Wang Honglei， Zhou Yuanxiang， Yang Erliang， Chen Chuan

（School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，

Hefei，Anhui 230009，China）

Abstract： In this paper， the pretreatment of highly concentrated yeast wastewater by iron-carbonmicro-electrolysis was studied，as well as thereaction conditionsand mechanism.Factors of pH，iron dosage，Fe /C and reaction time were observed in the experiment. The optimum reaction conditions were as follows： pH value of 3，iron dosage of 40 g /L，Fe /C of 2：1 reaction time of 3 h. The removal rate of COD was above 40%.

Key words： iron-carbon micro-electrolysis； pretreatment； high concentration； yeast wastewater； reaction kinetics