低溫干餾（500~600 ℃）過程中生產(chǎn)的產(chǎn)品稱為蘭炭。蘭炭廢水來源于生產(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用的熄焦水。其水質特點與來源，與所用原料煤的煤種，中低干餾的工藝以及對化工產(chǎn)品加工的深度等因素有關。與焦化廢水相比，氨氮、酚類的濃度也遠高于焦化廢水，但氰化物及硫化物濃度低于焦化廢水，其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。
目前，國內罕有成熟的處理工藝與成功的工程實例。電化學絮凝技術是一種通過電化學氧化反應集成電化學、化學混凝、氣浮3 種技術的組合工藝，通過電極反應產(chǎn)生的氧化劑和產(chǎn)生的絮凝劑的作用來降解和消除廢水中的有機物，電化學反應產(chǎn)生的氣泡上浮帶出部分有機物而使COD 得以去除。其核心的內容是絮凝劑的生成。與化學混凝法相比，電絮凝技術因其電極材料易得，不需要另外添加化學藥劑，設備簡單，操作簡便而逐漸成為廣泛應用的一種綠色、環(huán)境友好的污水處理方法，可以作為化學混凝的替代技術。針對電絮凝處理蘭炭廢水的研究鮮有報道，由培遠等采用電絮凝法作為焦化生化外排水的深度處理，電解槽配攪拌機攪拌，以鐵為陽極，石墨為陰極，工藝在pH 為8，極板距為3 cm，電流密度為7mA/cm2 時，COD 去除率為41.6%。吳克明等采用鋁陽極電絮凝預處理高濃度焦化廢水，得出最佳工藝條件：pH 值7，電流強度1.5 A，通電時間50 min，極板距離10.7 mm。電絮凝工藝對焦化廢水的濁度有非常好的處理效果，COD 的去除率為19.25%。
焦化廢水常采用脫氮預處理，使生化工藝處理效果得以保證，鑒于蘭炭廢水與焦化廢水組成的相似性，本文采用配有鐵陽極、石墨陰極和潛水泵的自制PVC 電解裝置，以脫氮后蘭炭水為研究對象，采用正交實驗優(yōu)化電絮凝實驗參數(shù)，為實際處理工程設計提供參考。
1 實驗材料和方法
1.1 廢水水質
實驗用水來源于陜西省神木縣某蘭炭生產(chǎn)企業(yè)煤氣凈化工段直冷水池出口，原水經(jīng)實驗室脫氮預處理后作為電絮凝實驗用水，廢水水質見表1。
1.2 實驗方法
電絮凝反應裝置如圖1 所示。陽極為可溶鐵板，尺寸為215 mm×180 mm×2 mm，陰極為石墨板，尺寸為215 mm×180 mm×15 mm。每次實驗前，對鐵電極板進行處理：用砂紙打磨表面，并用10%的鹽酸對極板進行清洗，使鐵電極表面平整光滑。首先將鐵陽極和石墨陰極通過4 個等長度的膠皮管在極板間的四個塑料棒進行適當?shù)恼{整并固定，調整至指定高度，然后取17.1 L經(jīng)過預處理脫氮蘭炭廢水，置于25 L的電解槽內，并用硫酸和氫氧化鈉調溶液pH 至實驗值。將鐵電極的電線與穩(wěn)壓電源正極相連，石墨電極與穩(wěn)壓電源負極連接，啟動穩(wěn)壓電源。通過電流強度和極板有效面積，計算出穩(wěn)壓電源的電流并調整。反應開始計時并啟動潛水泵進行攪拌。反應結束后取樣測量COD 并計算COD 去除率。
1.3 實驗儀器與分析方法
實驗儀器：RXN-3020A 型穩(wěn)壓電源（深圳市兆信電子儀器設備廠），DC40-2470 潛水泵（深圳市中科世紀科技有限公司），pH 計（上海精密科學儀器有限公司），電解槽自制。
實驗試劑：陽極材料為可溶性鐵板，陰極材料為自制石墨板，其他化學試劑均為分析純。
分析方法：COD 的測定按照重鉻酸鉀法（GB/T11914-1989）；氨氮測定采用蒸餾和滴定法（GB/T7478-1987）；硫化物的測定采用碘量法（HJ/T60-2000）。
2 結果與討論
2.1 正交實驗方法
正交實驗：以出水COD 去除率為考核指標，選取反應時間、進水pH、電流密度和極板間距4 個因素為考察因素，每個因素取3 個水平，按L9（34）進行正交實驗。正交實驗因素與水平如表2 所示。用L9（34）正交表安排正交實驗，結果如表3 所示。
由表3 可知，各因素對實驗指標影響的主次順序：D>B>C>A，即極板間距是主要影響因素，其影響大于進水pH、電流密度，反應時間影響最小。
最佳因素條件組合是A2B2C2D3，即反應時間3 h，進水pH 10，電流密度120 A/m2，極板間距20 mm。各指標與因素關系如圖2 所示。初始COD 濃度為22 920 mg/L。
研究指標為電流密度時實驗條件為：反應時間3 h，進水pH 10，極板間距20 mm。隨著電流密度的增大（100~140 A/m2），COD 去除率先上升再下降，去除率由7.39%上升到13.91%左右，之后下降到2.79%。當電流密度為120 A/m2，去除率達到最大為13.91%，所以選擇120 A/m2 較優(yōu)。電流密度決定了鐵極板上金屬離子的溶出量[11]，影響了Fe（OH）2+等絡合離子的生成，即影響了絮凝劑的生成。在電流密度由100 A/m2增加至120 A/m2 過程中，其產(chǎn)生的Fe（OH）2+等絡合離子量逐漸增加。然而，隨著電流密度的提高，鐵陽極的極化現(xiàn)象和鈍化現(xiàn)象增大[11]，影響鐵離子的生成，不利于Fe（OH）2+等絡合離子的生成，故電流密度由120 A/m2 增加至140 A/m2，COD 去除率反而降低。另外，在氣浮過程中，電流密度也在一定程度上影響氣泡尺寸的大小。當電流密度過大，某些微氣泡會粘附結合成沒用的大氣泡，這不僅降低了小氣泡的有效性，大氣泡還會沖擊浮渣層，使部分浮渣返回水體中，從而降低浮選效率[12]。同時，廢水中含有少量的S2-離子，根據(jù)E°Fe2+/Fe=-0.440 V[13]低于E°S/H2S=0.14，陽極單質鐵電氧化是首先進行的，生成的Fe2+與S2-形成FeS 沉淀，此過程會對電能耗略有影響。因此，確定最優(yōu)電流密度為120 A/m2。
研究指標為反應時間時實驗條件為：進水pH 10，電流密度120 A/m2，極板間距20 mm。反應時間是影響電解的重要因素。反應時間短，鐵離子電解液中達不到合適的鐵離子濃度，電絮凝進行的不完全，蘭炭廢水中的有機化合物得不到有效的去除。根據(jù)溶度積規(guī)則[13]，反應剛開始時，廢水中S2-離子與陽極中產(chǎn)生的Fe2+離子首先生成硫化亞鐵沉淀。隨著反應的進行，廢水中的S2-不斷減少。電解繼續(xù)進行，F(xiàn)e2+離子濃度不增加，當達到氫氧化亞鐵沉淀所需Fe2+離子濃度時，氫氧化亞鐵和硫化亞鐵將同時沉出。當電解進行到一定程度時，盡管有機化合物仍有絮凝，但其絮凝程度基本達到飽和。電絮凝2~3 h，COD 去除率由5.95%升高至9.36%。3~4 h COD 去除率趨勢穩(wěn)定。
研究指標為極板間距時實驗條件為：反應時間3 h，進水pH 10，電流密度120 A/m2。極板間距過小易造成短路和攪拌不均[8]。極板間距由10 mm增加至20 mm，COD 去除由2%逐漸增大14.5%，呈線性關系。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，極板間距為10 mm時，板間液體流動不暢通。實驗結束后，觀察兩極板表面附著黑色粘稠固體，在反應過程中，造成電流不能均勻分布整個極板表面，使陽極中鐵離子的產(chǎn)生率很低，而影響處理效果。同時，極板間距小，電子的遷移距離短，電子和其他分子的碰撞機會少，也在一定程度上影響了電化學氧化的效果。而極板間距為20 mm時，極板表面雖有小孔徑凹坑出現(xiàn)，但并未有黑色粘稠物，使電流能均勻的分布于兩極板表面，提高處理效果。
極板間距增大以后，電子的遷移距離長，電子和其他分子的碰撞機會多，提高了電化學氧化的處理效果。研究指標為進水pH 時實驗條件為：反應時間3 h，電流密度120 A/m2，極板間距20 mm。由圖2 可知，pH 由9 升高至10，此范圍內，OH-的數(shù)量逐漸增加，生成的鐵聚合物更穩(wěn)定，吸附效果更好，COD 去除率由9.25%升高至13.44%。有研究表明[14]，鐵陽極氧化情況下，在相鄰羥基的鍵橋作用下可聚合成大分子聚合物并最終形成γ-FeOOH 沉淀。在鐵溶出速率一定時，pH 在6~10 有利于γ-FeOOH 的生成。因此，pH 為11時，對γ-FeOOH 的生成不利，COD 去除率僅為1.4%。具體參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
2.2 驗證性實驗
根據(jù)上述因素水平組合，即初始pH 10，電流密度120 A/m2，極板間距20 mm，反應時間分別取停留時間為2、2.5、3、4 和4.5 h，對脫氮后的蘭炭廢水進行驗證性實驗。見圖3。
由圖3 可知，進水COD 為22 920 mg/L，當反應時間為3 h、4 h 和4.5 h 出水COD 分別為17 804.2、17 671.3 和17 646.2 mg/L，處理效果較好。能耗是衡量電絮凝的重要指標，每去除1 kg COD 電能耗分別0.464、0.619 和0.696 kW·h，考慮電能耗3 h 電絮凝較優(yōu)。
3 結論
本文以鐵為陽極，石墨為陰極研究了電絮凝預處理脫氮后蘭炭廢水。采用正交設計優(yōu)化實驗因素各影響因素次序依次為：極板間距>進水pH>電流密度>反應時間，即極板間距是主要影響因素，反應時間影響最小。去除COD 較優(yōu)的電絮凝實驗條件為：電解時間3 h、進水pH=10、電流密度為120 A/m2、極板間距為20 mm。驗證性實驗表明，反應在2~3 h 內COD 去除明顯，絮凝反應進行到3 h 時，COD 去除率為22.9%，3 h 以后COD 去除率基本趨于穩(wěn)定。每去除1 kgCOD 分別消耗0.464 kW·h 電能和0.17 kg鐵。
