王洪磊+周元祥+楊二亮+陳川

摘要： 對高濃度酵母廢水進行鐵炭微電解預處理，研究了反應條件和反應機理。對進水pH值、鐵用量、鐵炭比和反應時間對處理效果的影響的單因素進行了試驗研究，得到最佳反應條件為： 進水pH值為3，鐵投加量40 g/L，鐵炭比2∶1，反應時間3 h，COD去除率可達40%以上。

關鍵詞：鐵炭微電解； 預處理； 高濃度； 酵母廢水

中圖分類號：X787 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0018-03

1 引言

以廢糖蜜作生長碳源，以硫酸銨、氯化鈉、硫酸鎂、磷酸銨等作營養(yǎng)鹽生產(chǎn)酵母的工藝，由于酵母不能完全利用廢糖蜜中的有機物，剩余的有機物以及酵母在生長代謝過程中產(chǎn)生的新有機物均進入廢水中，產(chǎn)生大量高濃度的有機廢水。酵母廢水有機物濃度高，廢水中的焦糖化合物還使得酵母廢水顏色較深，為深褐色；同時酵母廢水中還含有高濃度的微生物代謝產(chǎn)物、無機鹽類、硫酸根等，導致廢水降解性較差[1]。

鐵炭微電解工藝使用范圍廣、工藝簡單，對于高COD、高鹽度以及色度較高的工業(yè)廢水的處理較其他工藝效果好。難生物降解的廢水經(jīng)鐵炭微電解工藝處理后B/C大大提高，有利于提高后續(xù)生物處理效果[2]。

根據(jù)酵母廢水高COD、高色度以及可生化性差的特點，采用鐵炭微電解法對該酵母廢水進行預處理。

2 實驗部分

2.1 廢水水質

實驗中的廢水來自廣西某酵母廢水廠，該廢水具有高COD、高色度以及可生化性差的特點，廢水具體水質：COD為4982.7 mg/L，pH值為5.4。

2.2 儀器和試劑

實驗儀器包括COD消解儀、精密pH計、電子天平、可見分光光度計、六聯(lián)電動攪拌器等。

實驗藥品和試劑包括鑄鐵屑、活性炭粒、重鉻酸鉀、硫酸、硫酸銀、氫氧化鈉和鹽酸等。

2.3 實驗準備

鐵屑的清洗：將所需鐵屑置入10%的NaOH溶液中浸泡并小火加熱10 min以除油，然后用清水沖洗干凈，使用前再用3%的稀鹽酸浸泡30 min以去除鐵屑表面的金屬氧化物，再用清水沖洗后干燥待用[3]。

活性炭粒的清洗：將所需活性炭粒用待處理廢水浸泡2 h，使活性炭粒達到吸附飽和，消除由于活性炭粒吸附作用導致的對COD去除效果的干擾，然后干燥備用。

2.4 實驗方法

以燒杯為反應器，取200 mL酵母廢水，置于500 mL的燒杯中，調(diào)節(jié)pH到預定值，加入一定量經(jīng)預處理的活性炭粒及鐵屑，置于六聯(lián)電動攪拌器上反應一定時間后，調(diào)節(jié)pH值至9，沉淀一段時間后取上清液進行分析。

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計測定（ GB6920- 1986）。

3 實驗結果與討論

3.1 單因素試驗

3.1.1 pH值對處理效果的影響

調(diào)節(jié)pH值為1、2、3、4、5，其他條件為：鐵用量40 g/L，鐵炭質量比2∶1，反應時間1 h。

3.1.2 鐵用量對處理效果的影響

調(diào)節(jié)進水pH值為3，鐵炭質量比2∶1，反應時間為1 h，鐵用量分別為20、40、60、80、100 g/L，實驗結果COD去除率隨著鐵用量的增加而增加。當鐵用量少于40 g/L時，COD去除率增加迅速，再提高鐵用量時，COD去除率增加緩慢，所以最佳鐵用量為40 g/L。

這是因為鐵用量較少時，形成的原電池的不足，導致COD的去除率較低。隨著鐵用量的增加，形成的原電池的數(shù)量隨之增加，不斷產(chǎn)生具有很高化學活性的新生態(tài)[H]、Fe2+等活性基團，有利于氧化還原反應進行，從而提高了對廢水的處理能力。當鐵用量到一定值時，廢水與鐵屑的接觸面積達到最大值，多余的鐵沒有參與微電解反應。而且，隨著反應的進行，整個體系的pH值逐漸增加，抑制原電池反應，導致COD去除率增加緩慢。

3.1.3 鐵炭比對處理效果的影響

調(diào)節(jié)進水pH值為3，鐵用量為40 g/L，反應時間為1 h， Fe /C分別取1∶1、1∶2、2∶1、3∶1、4∶1

由圖3可知，隨著鐵炭比的增大，COD去除率先增加后減少，在Fe/C=2∶1時處理效果達到最佳。

這是因為在鐵用量一定的情況下，當活性炭用量過少時，就無法形成足夠多的原電池，導致COD去除率較低；當活性炭用量過多時，會使單位體積內(nèi)含有的鐵的量變少，抑制原電池的電極反應，更多的表現(xiàn)為吸附作用而不是微電解反應，使COD去除率較低。在最適合的鐵炭比條件下，原電池反應才能進行得更好，達到最佳處理效果。

3.1.4 反應時間對處理效果的影響

調(diào)節(jié)進水pH值為3，鐵用量為40 g/L，鐵炭質量比2∶1，分別取反應時間為 0. 5、 1、 2 、3、4 、5 h，實驗結果

由圖4可知，在開始的3 h，COD去除率增加較快，在3～5 h COD去除率降低。

這是因為隨著微電解反應時間的增加，新生態(tài)的[H]、Fe2+等活性基團大量產(chǎn)生，促進了與廢水中有機物的氧化還原反應，使COD去除率不斷升高。同時，隨著反應的進行，反應體系的pH值逐漸升高，以及鐵由于長時間置于有氧環(huán)境下發(fā)生鈍化，抑制了原電池的電極反應，使COD去除率降低。

3.2 反應機理

鐵炭微電解處理廢水的機理主要是：鐵和炭存在著相差較大的氧化還原電位， 當將兩者共同投入到電解質溶液中時，兩者間會通過原電池反應發(fā)生如下的電極反應 [5，6]。

陽極反應：

Fe- 2e Fe2+

E（Fe2+/Fe） = -0. 44 V；

陰極反應：

2H++ 2e 2[H] H2

E（ H+/H2 ） = 0 V

當有O2存在時：

O2+4H++4e 2H2O（酸性溶液）

E（O2）=1.23 V

O2+2H2O+4e 4OH-（堿性及中性溶液）

E（O2/OH-）=0.40 V

由上述電極反應可知，在反應的pH值低時，氧的電極電位提高，微電池電位差的加大，可促進電極反應的進行，生成具有較高化學還原活性的產(chǎn)物，提高廢水的可生化性。而且，電極反應所產(chǎn)生的新生態(tài)[H]，能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原反應，改變這些組分的結構和特性，從而達到降解有機物的目的。

微電解反應過程中會產(chǎn)生Fe2+和Fe3+。隨著反應的進行，溶液pH值逐漸升高，形成Fe（OH）2、Fe（OH）3絮狀沉淀。反應式如下：

Fe2++2OH- Fe（OH）2

4Fe2++ 8OH-+O2+2H2O Fe（OH）3

Fe3++3OH- Fe（OH）3

Fe（OH）2、Fe（OH）3是膠體絮凝劑，具有較強的吸附能力，可以吸附廢水中某些污染物。

4 結論

（1）鐵炭微電解對高濃度酵母廢水處理效果良好，COD的去除率可達到40%以上。

（2）通過對進水pH值、鐵用量、鐵炭質量比和反應時間等條件對酵母廢水處理效果的影響的研究，得到最佳反應條件為：進水pH為3，鐵用量40 g/L，鐵炭質量比2∶1，反應時間3 h。

參考文獻：

[1]余景芝.酵母生產(chǎn)與應用手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2005：7.

[2] 姜興華，劉勇健.鐵碳微電解法在廢水處理中的研究進展及應用現(xiàn)狀[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2009，35（1） ： 26～27.

[3] 高彥林，張雁秋，薛方亮.鐵碳微電解法處理某化工廠廢水的研究[J].江蘇環(huán)境科技，2006，19（5）：11～13.

[4]祁佩時，趙俊杰，劉云芝，等. Fenton試劑深度處理稠油石化廢水的反應動力學[J]. 化工學報，2011，62（2）：49.

[5]馮雅麗， 張 茜， 李浩然，等. 鐵炭微電解預處理高濃度高鹽制藥廢水[J]. 環(huán)境工程學報， 2012， 6（11）：3855～3860.

[6]楊玉峰. 鐵炭微電解組合工藝預處理高濃度難降解有機廢水的研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學， 2009.

[7]袁書保. 鐵碳微電解預處理制藥廢水實驗研究[D]. 武漢：武漢科技大學， 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，F(xiàn)e /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，F(xiàn)e /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