摘 要 采用臭氧活性炭工艺对印染废水进行处理，通过调节活性炭投加量、pH、搅拌速度、臭氧氧化时间、臭氧浓度对印染废水的色度、CODCr、氨氮的去除率进行分析，确定了臭氧活性炭工艺的最佳工艺条件。结果表明，在pH值为9、搅拌速度为120 r/min、活性炭投加量为110 mg/L、臭氧浓度为20 mg/L和氧化时间为8 min的条件下，印染废水有较好的处理效果，色度、CODCr和氨氮的去除率分别为92%、69%和62%。可见，臭氧活性炭工艺能有效处理印染废水，达到水质净化的效果。
关键词 臭氧 活性炭 脱色 印染废水 试验
印染废水是在加工棉、麻、化学纤维及其混纺产品的过程中产生的废水，具有排污量大、有机污染物含量高、有机物组成复杂、色度高、碱性大、水质差别较大等特点，是当前最难处理的工业废水之一[1-2]。针对印染废水的特性，物理化学法和化学氧化法是染料废水处理的主要方法，其中高级氧化法和活性炭吸附就是常用的处理方法[3]。
在高级氧化技术中，臭氧氧化技术无二次污染、工艺较为简单，是一种常用的高级氧化技术[4]。本研究通过活性炭吸附及臭氧活性炭组合工艺处理印染废水，探讨各种试验因素对处理效果的影响，分析臭氧活性炭工艺处理印染废水的最佳反应条件并进行对比，为处理印染废水工程应用提供重要依据。
1 材料与方法
1.1 试验装置
自制试验装置如图1所示。
图1 臭氧活性炭工艺降解印染废水的反应装置
Fig.1 Experimental Set-Up of Degradation of Dyeing Wastewater by Ozone-Activated Carbon
1.2 废水水质
试验用水取自滨州市一印染厂，该印染厂采用水解酸化、上流式厌氧污泥床、活性污泥法、混凝沉淀法处理后出水，处理水量达10 000 m3，试验水样为二沉池出口处采集的生化反应池出水，具体水质指标如表1所示。
表1 印染废水的水质指标
Tab.1 Water Quality Indicator of Dyeing Wastewater
1.3 分析项目
分析项目包括:CODCr、NH3- N、色度。其中CODCr采用重铬酸钾法测定；NH3-N采用纳氏试剂光度法；色度采用稀释倍数法[5]。
2 结果与讨论
2.1 活性炭投加量对处理效果的影响
调节印染废水活性炭投加量分别为20、50、80、110 mg/L和150 mg/L，暂不通入臭氧，反应结束后测定处理后废水的色度、CODCr、NH3-N的指标，计算相应去除率，结果如图2所示。去除率最好的是色度，去除率都在75%以上，当投加量为110 mg/L时色度去除率达到最佳为85%，这说明活性炭的吸附效果好，对色度的去除有着良好效果；CODCr和NH3-N去除率效果相对较差，随着活性炭投加量的增加，去除效果增强，在活性炭投加量为110 mg/L时达到最佳，CODCr和NH3-N去除率分别为34.1%和19.9%，之后逐渐趋于稳定。由试验数据可知，活性炭去除有机物的作用不大，远不及脱色作用。
图2 活性炭投加量对印染废水处理效果的影响
Fig.2 Effect of Activated Carbon Dosage on Dyeing Wastewater Treatment
2.2 pH值对处理效果的影响
溶液pH对吸附效果有所影响，溶液pH控制了酸性或碱性化合物的离解度，当pH达到某个范围时，这些化合物就要离解，影响对这些化合物的吸附，此外被吸附的溶质其溶解效果也可能受到pH的影响。
图3 pH值对印染废水处理效果的影响
Fig.3 Treatment Effect of pH Value on Dyeing Wastewater
因此，调节印染废水的pH值分别至6、7、8、9，活性炭投加量为110 mg/L，反应结束后测定处理后废水的色度、CODCr、NH3-N的指标，计算相应去除率，用以分析pH对处理效果的影响，结果如图3所示。色度在不同pH条件下去除率相差不大，基本都在80%以上；而针对CODCr和NH3-N的去除率，随着pH的改变有所波动。当pH值小于7时，去除效果变化不大；在pH值为7～9时，去除率有所增加；在pH值为9时，达到最佳去除率分别为35.79%和28.1%；之后随着pH的增加，去除效果趋于稳定。由此可以看出，pH的变化对废水脱色率没有太大影响，但是可能由于在碱性范围内，活性炭表面发生了碱性离解，活性炭带正电，水中有机物的主要官能团如羟基等因失去质子而带了负电，增强了吸附剂和吸附质之间的黏附作用，从而提高了有机物的去除效果[6]。
2.3 搅拌速度对处理效果的影响
调节印染废水的pH值至9、活性炭投加量为110 mg/L、搅拌速度分别为80、100、120、140 r/min和160 r/min，暂不通入臭氧，反应结束后测定处理后废水的色度、CODCr、NH3-N的指标，计算相应去除率，结果如图4所示。色度的去除率在不同的搅拌速度条件下，去除率达到80%以上，说明活性炭对色度的吸附效果明显；随着搅拌速度的提高，污染物的去除率增加；在搅拌速度达到120 r/min时，CODCr和NH3-N的去除率达到最佳且趋于稳定，去除率分别为36.4%和28.4%。这是因为搅拌速度的提高使活性炭与印染废水充分接触反应，从而提高了去除率；然而搅拌速度过大，活性炭吸附的杂质会解析出来，去除率反而下降。
图4 搅拌速度对印染废水处理效果的影响
Fig.4 Effect of Stirring Rate on Dyeing Wastewater Treatment
2.4 臭氧通入时间对处理效果的影响
调节印染废水的pH值至9、活性炭投加量为110 mg/L、搅拌速度在120 r/min的条件下，控制臭氧氧化时间分别为2、4、6、8、10 min，氧化结束后测定处理后废水的色度、CODCr、NH3-N的指标，计算相应去除率，结果如图5所示。随着氧化时间的增加，臭氧对色度的去除率增加，在8 min时色度去除率达到最佳且趋于稳定，达到90%，印染废水的脱色效果明显。随着臭氧氧化时间的延长，CODCr和NH3-N的去除率逐渐提高，8 min时CODCr和NH3-N的去除率最优且趋于稳定，分别为67%和59.4%。当臭氧氧化时间在8 min之后，去除效果基本稳定，因此，在实际使用中，考虑经济合理性，氧化时间应控制在8 min左右为宜。
图5 臭氧反应时间对印染废水处理效果的影响
Fig.5 Effect of Reaction Time on Dyeing Wastewater Treatment
2.5 臭氧浓度对臭氧氧化效果的影响
调节印染废水的初始pH值至9、活性炭投加量为110 mg/L、搅拌速度在120 r/min的条件下，控制臭氧浓度为5、10、15、20、25 mg/L，8 min氧化结束后测定处理后废水中色度、CODCr和氨氮的指标，计算相应的去除率，结果如图6所示。
图6 臭氧浓度对印染废水处理效果的影响
Fig.6 Effect of Ozone Concentration onDyeing Wastewater Treatment
考虑臭氧作为一种气体在水中不能完全溶解，投加量不同，水体溶解的臭氧浓度不一致，但是臭氧在一定体积水体中溶解度一定，开始时随着通入臭氧浓度增加，水体内臭氧浓度增加，氧化性增强，可以将水中大分子有机物转变为小分子有机物，便于吸附去除，处理效果有较明显提升；之后随着反应进行，水体臭氧浓度饱和，尾气逸出量随之增加，臭氧利用率降低，对废水处理效果趋于平稳。当臭氧浓度为20 mg/L时，脱色率达到92%，CODCr和NH3-N的去除率分别为69%和62%，之后变化不再明显。由此可以认为，有机物经过臭氧氧化后极性增强，抑制了后续活性炭吸附效果，CODCr的去除率有所下降。
2.6 活性炭技术、臭氧技术、两者协同作用对印染废水处理对比结果分析
调节印染废水的pH值至9、活性炭投加量为110 mg/L、搅拌速度在120 r/min的条件下，对印染废水色度、CODCr、NH3-N的去除率分别为81.5%、36.4%和28.4%；将臭氧直接通入印染废水，调节印染废水的pH值至9、臭氧为20 mg/L、通入时间为8 min的条件下，对印染废水色度、CODCr和NH3-N的去除率分别为80%、39.9%和29.4%。两者联用后，对印染废水色度、CODCr、NH3-N的去除率分别为92%、69%和62%。经过分析可以看出，臭氧活性炭联用去除效果较好，主要考虑染料分子属于高分子复杂有机物，单独臭氧处理和单独活性炭吸附都难以去除。而在两者联用工艺中，活性炭促进分解生成羟基自由基的同时，也在其表面富集了反应基质和产物，从而增强了体系的处理能力，而臭氧氧化作用将难降解的大分子有机物氧化成小分子有机物，减小活性炭的有机负荷，并且能在一定程度上保持活性炭表面的清洁度，促进了后者的循环利用[7]。
3 小结
本文采用了活性炭臭氧技术处理印染废水，探究了活性炭投加量、pH、搅拌时间、氧化时间和臭氧浓度对处理效果的影响，通过试验研究，得出以下结论。
(1)臭氧活性炭处理印染废水的试验结果表明，pH值为9、搅拌速度120 r/min、活性炭投加量为110 mg/L、臭氧浓度为20 mg/L和氧化时间为8 min的条件下，印染废水能得到较好的处理，色度、CODCr和氨氮的去除率分别为92%、69%和62%。
(2)臭氧活性炭联用工艺对印染废水色度、CODCr、NH3-N的去除率要优于单独活性炭吸附技术和臭氧氧化技术。主要是因为臭氧氧化为活性炭提供了更容易吸附的小分子物质，加之活性炭对臭氧的催化作用，可提高臭氧的氧化速率[8]。
参考文献
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[2]Erick Butler,Yung Tse Hung,Mohammed Al Ahmad,et al.Treatment and management of industrial dye wastewater for water resources protection[J].Natural Resources and Control Processes,2016(17):187-232.
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