蘭炭廢水主要來源于生產(chǎn)過程中冷卻洗滌煤氣的循環(huán)水及干餾爐底部用來冷卻高溫蘭炭的熄焦水。蘭炭廢水中含有大量未被高溫氧化的污染物，其濃度要比焦化廢水高出10 倍左右。且廢水成分復雜，主要含有萘、蒽、醌、*類物質以及大量環(huán)鏈有機物、周杰倫魔術和氨氮等，屬于典型的難生物降解有機廢水，直接利用傳統(tǒng)的生物法無法降解蘭炭廢水。目前采用清水稀釋再生物降解的方法處理蘭炭廢水，成本昂貴且效果較差。須探究其他廉價有效的處理技術對蘭炭廢水進行預處理，大幅降低廢水COD同時去除其中的有毒物質，以保證后續(xù)生物處理順利進行。

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近幾年開發(fā)的多種高級氧化技術〔1-3〕可用于高濃度生物難降解有機廢水的預處理，但多數(shù)需要高溫高壓條件或特殊催化劑才能實現(xiàn)，操作復雜，且處理成本較高。電絮凝過程通過犧牲陽極產(chǎn)生沉淀，以絮凝和吸附方式去除水中的污染物，是一種有前途的去除高濃度廢水COD 的電化學方法〔4-5〕。除陽極溶解產(chǎn)生沉淀物外，陰極還會產(chǎn)生氫氣，發(fā)揮氣浮協(xié)同處理的作用〔6〕。電絮凝法所用電極材料不需要復雜的制備過程且性能穩(wěn)定，一般采用鋁或不銹鋼。電絮凝的絮凝效果比傳統(tǒng)化學絮凝法更好，且所需空間較小，產(chǎn)生的污泥量少，不需要外加任何化學試劑，廢水無需稀釋或調pH，操作方便且易于自動化控制〔6〕。電絮凝法被廣泛用于多種生物難降解廢水的預處理〔7-8〕，但將其用于處理蘭炭廢水未見報道，且陽極材料的種類及廢水水質將直接影響電絮凝法對COD 的去除效果〔9〕。筆者考察了鋁板和不銹鋼板分別作犧牲陽極時對蘭炭廢水COD 的電絮凝去除效果，以期為蘭炭廢水處理開辟新途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗廢水

實驗所用蘭炭廢水均取自陜西榆林某公司蘭炭生產(chǎn)廢水，實驗前密封避光保存。電絮凝法處理廢水之前用0.45 μm 濾膜過濾，除掉其中的顆粒雜質。廢水水質為：COD 24 300 mg/L，pH＝8.5，揮發(fā)酚2 560mg/L，周杰倫魔術1 000 mg/L，NH3-N 2 170 mg/L。

1.2 實驗儀器與試劑

儀器：ZD-EF-12/200 電鍍電解電源，山東淄博凱隆電器有限公司；電解槽，自制。電絮凝法處理蘭炭廢水裝置如圖1 所示。

圖1 電絮凝法處理蘭炭廢水裝置

試劑：陽極材料為鋁板和不銹鋼板，陰極材料為不銹鋼板，其他化學試劑均為分析純。

1.3 實驗方法

電絮凝實驗均在自制電解槽內進行，廢水體積為1 L。陽極分別采用鋁板和不銹鋼板。實驗前打磨電極表面并用丙酮、體積分數(shù)為10%的鹽酸及去離子水沖洗。陰極為不銹鋼板，極板尺寸為10 cm×10 cm×0.1 cm。電解槽底部有磁力攪拌，實驗中攪拌速度保持300 r/min，實驗溫度恒定在30 ℃。每隔1 h將廢水過濾1 次，電絮凝處理時間為4 h。電壓及電流由電鍍電解電源控制，并在電路中連接電壓表及電流表，以便準確測定電壓及電流。

1.4 檢測方法

按照GB 11914—1989 采用重鉻酸鉀法檢測廢水中的COD，按式（1）計算COD 去除率：

式中：

COD0——反應開始時廢水的化學需氧量，mg/L；

CODt——反應t 時刻廢水的化學需氧量，mg/L。

1.5 能耗計算方法

電絮凝過程中，電能消耗及陽極損失是重要的經(jīng)濟指標。以鋁陽極為例，考察了較優(yōu)條件下有/無電解質時每去除1 kg COD 的電能消耗及陽極損失。

電能消耗：E=UIt/m

式中：E——電能消耗，kW·h；

U——電壓，V；

I——電流，A；

t——電絮凝時間，h；

m——去除的COD 質量，kg。

鋁陽極損失：m（Al）＝ItM/（zFm）

式中：m（Al）——鋁板消耗的質量，kg；

I——電流，A；

t——電絮凝時間，s；

M——鋁的摩爾質量，0.027 kg/mol；

z——電荷數(shù)，3；

F——法拉第常數(shù)，96 500 c/mol；

m——去除的COD 質量，kg。

2 結果與討論

2.1 鋁及不銹鋼陽極對蘭炭廢水的電絮凝效果

在pH＝7、電流密度為0.05 A/cm2、極板間距為1 cm、電解質為3 g/L 的條件下，鋁板和不銹鋼板分別作陽極時對蘭炭廢水COD 的去除效果見圖2。

圖2 鋁及不銹鋼陽極對蘭炭廢水COD 的去除效果

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由圖2 可見，COD 去除率均隨時間的增加不斷上升，約在4 h COD 去除率達到zui高，后續(xù)增加不明顯。總體上不銹鋼板對蘭炭廢水的COD 去除率比鋁板低，因為鐵沉淀對廢水的污染物有很強的選擇性，只對膠體顆粒吸附較明顯〔9〕，而蘭炭廢水中的主要污染物為氨氮及酚類物質，鐵沉淀對這兩種物質的絮凝吸附效果都較差。且鐵離子存在多種價態(tài)，其沉淀物及有機物與鐵離子的絡合物可能發(fā)生價態(tài)轉化而溶解，穩(wěn)定性較差〔10〕。鋁板作陽極時，Al（OH）3是*沉淀物，其只在強酸或強堿下溶解，穩(wěn)定性好。有機物與鋁離子的絡合物也比較穩(wěn)定，所以鋁沉淀對蘭炭廢水污染物的絮凝及吸附效果較強。同時鋁板作陽極時還會產(chǎn)生O2，對有機物有一定的氧化降解作用；而不銹鋼陽極不產(chǎn)生O2〔10〕，所以鋁板對蘭炭廢水COD 去除效果較好。

2.2 pH對電絮凝效果的影響

溶液pH 會直接影響沉淀物的存在形式，從而間接影響電絮凝過程對蘭炭廢水COD 的去除效果。在電流密度為0.05 A/cm2、極板間距為1 cm、電解質為3 g/L 的條件下，不同pH 下鋁陽極和不銹鋼陽極分別對蘭炭廢水COD 的去除效果見圖3。

圖3 pH 對廢水COD 去除效果的影響

鋁陽極在相對較窄的pH 范圍內（6~8）對COD有較好的去除率，當pH＝7 時去除率zui高可達到73.65%。這是因為Al（OH）3為兩性物質，只有在中性條件下穩(wěn)定存在。而不銹鋼陽極在較寬的pH 范圍（4~10）對COD 有較好的去除率。這是因為不銹鋼陽極會產(chǎn)生Fe（OH）2、Fe（OH）3兩種沉淀劑，在相應較寬pH 范圍內對廢水中的有機物及膠體物質有絮凝和吸附作用。綜上，當廢水pH 為7 時，電絮凝效果較好。

2.3 電流密度對電絮凝效果的影響

在pH 為7、極板間距為1 cm、電解質為3 g/L的條件下，改變電流密度考察鋁陽極和不銹鋼陽極電絮凝去除蘭炭廢水COD 的效果，如圖4 所示。

由圖4 可見，隨著電流密度的增加，COD 去除率均逐漸增加。鋁作陽極時，電流密度超過0.05 A/cm2以后，COD 去除率趨于平穩(wěn)；不銹鋼作陽極時，電流密度超過0.08 A/cm2 后COD 去除率不再明顯增加。說明在高的電流密度下，陽極溶解速率增加，產(chǎn)生的沉淀相應增多，對廢水中污染物的絮凝、吸附作用增強；同時陰極有更多的氫氣產(chǎn)生，大量氣泡增加了沉淀和污染物混合的程度，促進了凝聚和吸附過程。由于鋁板陽極還會產(chǎn)生氧氣，對有機物有一定的氧化作用，所以達到周杰倫魔術絮凝效果時鋁板陽極需要的電流密度更小。當以鋁板為陽極時，較佳的電流密度為0.05 A/cm2，而以不銹鋼為陽極時較佳的電流密度為0.08 A/cm2。

圖4 電流密度對廢水COD 去除效果的影響

2.4 電解質對電絮凝效果的影響

在電化學降解廢水過程中，為了提高廢水的導電性，通常需加入一定的電解質。電解質還有利于去除陽極表面的鈍化層，從而節(jié)約電能及陽極材料的消耗〔11〕。為避免氯離子與有機物反應生成有毒污染物，實驗中加入硫酸鈉作電解質?？疾炝穗娊赓|對廢水COD 去除效果的影響，如圖5 所示。

圖5 電解質對廢水COD 去除效果的影響

鋁陽極和不銹鋼陽極電絮凝去除廢水COD 的趨勢相同，隨著電解質的增加，COD 去除率逐漸升高；電解質質量濃度超過3 g/L 后，COD 去除率增加不明顯。當電解質為3 g/L 時，鋁陽極電絮凝對COD 去除率達到zui大值75%?？疾煊袩o電解質條件下電能及鋁板消耗情況時發(fā)現(xiàn)，當電解質超過3g/L 后，電量及鋁板消耗也基本達到較低水平且不再降低，說明以硫酸鈉為電解質時其較佳質量濃度為3 g/L。

2.5 極板間距對電絮凝效果的影響

電絮凝過程中較大的極板間距會導致電能消耗大而陽極溶解率小，對COD 去除效果較差。在pH=7、電解質為3 g/L、電流密度為0.05 A/cm2 的條件下，考察極板間距對電絮凝效果的影響，如圖6所示。

圖6 極板間距對廢水COD 去除效果的影響

由圖6 可見，隨著極板間距的減小，廢水COD去除率逐漸升高。極板間距減小有利于電荷傳遞，可加快陽極溶解，使陽極沉淀及陰極氣泡產(chǎn)生速率加快，沉淀與廢水中有機物的接觸機會增加，故COD去除率增加。但極板太近容易發(fā)生板間擊穿而損壞，且大量陽極材料溶解產(chǎn)生的沉淀來不及與有機物作用，造成電能及陽極材料的*浪費。所以較佳的極板間距一般保持為1 cm。

2.6 電能及陽極消耗估算

以鋁陽極為例，在pH＝7、極板間距為1 cm、電流密度為0.05 A/cm2 的較佳條件下，考察了電絮凝4 h 過程中有無電解質情況下電能及鋁陽極的消耗情況。無電解質時，每去除1 kg COD 要消耗6.9 kW·h電能及0.46 kg鋁。隨著電解質質量濃度的增加，電能及鋁板消耗逐漸減少，電解質為3 g/L 時，電能及鋁板消耗均降到zui低，每去除1 kg COD 分別消耗5.6 kW·h 電能和0.38 kg鋁。電解質超過3 g/L 后，電能及鋁板消耗基本不再降低。

3 結論

（1）*采用電絮凝法去除蘭炭廢水COD，鋁陽極的處理效果好于不銹鋼陽極。

（2）鋁陽極電絮凝適用的pH 范圍為6~8，比不銹鋼陽極（4~10）窄，但達到較佳處理效果時所需電流密度為0.05 A/cm2，比不銹鋼陽極（0.08 A/cm2）小。

（3）隨著電解質Na2SO4質量濃度的增加，電絮凝去除廢水COD 效果明顯提高，電能及陽極消耗逐漸減少。以鋁陽極為例，Na2SO4為3 g/L 時，4 h 后對廢水COD 達到去除效果（75%），電能和陽極消耗zui低，每去除1 kg COD 分別消耗5.6 kW·h 電能和0.38 kg鋁。