微電解Fenton法處理有機廢水

　　有機廢水具有高化學(xué)需氧量(COD)、高氨氮(NH3?N)、高色度等特點，其組成復(fù)雜，除含有一些重金屬離子外，還有一些難以降解的烴類、芳香族化合物和含氮、含硫的環(huán)狀化合物。廢水中大部分有機物具有毒性，直接排放會對環(huán)境造成長久影響。廢水處理方法大致可以分為4類：混凝沉淀法、吸附法、氧化法和其他方法(反滲析、電滲析等)。混凝沉淀法對COD、色度、氨氮處理效果有限，吸附法(如活性炭吸附)和其他方法成本較高。Fenton試劑作為一種高效氧化劑，因其操作簡易、流程簡單、成本低等特點被廣泛使用。微電解Fenton法是利用活性炭和鐵屑發(fā)生的微小電解反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2+與H2O2組成強氧化體系，產(chǎn)生的羥基自由基在酸性條件下具有很強的氧化性，對消除COD、氨氮及色度具有顯著效果。

　　本文采用微電解Fenton法，并使用MnO2作催化劑的氧化體系對硫銨酯?苯甲羥肟酸?苯胺黑有機廢水中的COD、氨氮及色度進行深度處理，重點考察微電解池中C/Fe配比、pH值、H2O2和MnO2藥劑投入量對去除率的影響。

　　1、實驗

　　1.1 主要試劑和設(shè)備

　　主要試劑：活性炭，鐵屑，H2O2(質(zhì)量分數(shù)30%)，MnO2，聚丙烯酰胺(PAM)，H2SO4(質(zhì)量分數(shù)20%)，NaOH(質(zhì)量分數(shù)10%)，硫銨酯，苯甲羥肟酸，苯胺黑。

　　主要設(shè)備：微電解裝置，CJJ-843A型磁力攪拌器，pHB-4雷磁pH計，HACHDR3900型COD測定儀，SJ-9010型色度儀，ET99732型微電腦水質(zhì)測定儀。

　　1.2 實驗水樣

　　按1∶1∶2的比例配置濃度7g/L的硫銨酯?苯甲羥肟酸?苯胺黑有機廢水，常溫下用磁力攪拌器密閉攪拌1h。配置的廢水外觀呈黑棕色、有刺激性氣味，COD為1069mg/L，NH3?N含量198mg/L，色度為764，pH值為7.72。水樣經(jīng)封閉保存，并置于陰暗處以待實驗。

　　1.3 實驗方法

　　微電解實驗裝置如圖1所示。取200mL水樣置于集水池1中，調(diào)節(jié)初始pH值，經(jīng)水泵將水樣抽至微電解池中。加入一定量的活性炭、鐵屑、H2O2、MnO2，將曝氣泵置于活性炭下部，反應(yīng)一段時間后，將上層清液倒至集水池2中，離心后取上清液測定COD、NH3?N和色度。

　　2、實驗結(jié)果與討論

　　2.1 單因素探索實驗

　　2.1.1 初始pH值

　　廢水200mL，鐵屑投入量50g/L，活性炭投入量50g/L，H2O2投入量5.0mg/L，MnO2投入量5.0g/L，曝氣量500mL/(min?L)，PAM投入量6.0mg/L，考察了廢水初始pH值對去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著pH值升高，廢水COD、NH3?N、色度的去除率先增大后減小，在強酸性條件下(pH=2～4左右)去除率較高。這是由于在酸性條件下，C/Fe被腐蝕，形成原電池，F(xiàn)e失去電子成為Fe2+與羥基自由基(?OH)結(jié)合，表現(xiàn)出極強的氧化性。而在中性或堿性條件下C/Fe難以形成原電池，且OH-含量較多，抑制了?OH的產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化性較弱。因此確定廢水微電解初始pH值為3左右。

　　2.1.2 鐵屑用量

　　調(diào)節(jié)廢水初始pH值為3，其他條件不變，鐵屑用量對去除率的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著鐵屑投入量增加，去除率持續(xù)上升，當用量大于70g/L時，去除率基本保持不變。這是由于當體系中鐵屑較少時，增加鐵屑量，微電解體系中形成的原電池數(shù)量增加，與?OH形成的氧化強度也隨之增加，去除率上升;當鐵屑量達到一定量時，相比于活性炭量減少，H+數(shù)量也減少，原電池數(shù)量達到飽和，去除率基本保持不變。確定最佳鐵屑投入量為70g/L，此時廢水COD、NH3?N、色度的去除率分別為79.75%，83.94%和93.17%。

　　2.1.3 活性炭用量

　　鐵屑投入量為70g/L，其他條件不變，活性炭用量對去除率的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著活性炭用量增加，去除率逐漸增加后趨于平緩。當活性炭用量大于80g/L時，去除率基本保持不變?；钚蕴坑昧砍掷m(xù)增大時，污染物顆粒容易吸附在活性炭的表面，使原電池量達到飽和。最終確定適宜的活性炭用量為80g/L。

　　2.1.4 H2O2用量

　　活性炭用量80g/L，其他條件不變，H2O2用量對去除率的影響如圖5所示。如圖5所示，隨著H2O2用量增加，去除率先增加后降低。因為隨著H2O2用量增加，?OH含量增加，氧化性不斷增大。當H2O2用量大于6mg/L時，由于H2O2濃度較大，一方面加劇自身的分解，消耗?OH，另一方面H2O2會和亞鐵離子反應(yīng)生成Fe3+，失去還原性。其離子反應(yīng)方程式如下：

　　最終確定適宜的H2O2用量為7mg/L，此時廢水COD、NH3?N、色度去除率分別為83.86%、86.17%、97.68%。

　　2.1.5 曝氣量

　　H2O2用量7mg/L，其他條件不變，曝氣量對去除率的影響如圖6所示。由圖6可知，去除率隨著曝氣量增加先增加后降低，當曝氣量為500mL/(min?L)時，去除率達到峰值。當曝氣量較低時，微電解體系溶氧量不足，不能完全生成Fe(OH)3膠體，還有部分Fe(OH)2生成，絮凝效果不佳。但當曝氣量過大時，會使活性炭和鐵屑層進行分離，降低原電池數(shù)量和微電解效率，從而導(dǎo)致去除率降低。選擇曝氣量為500mL/(min?L)。

　　2.1.6 MnO2用量

　　曝氣量500mL/(min?L)，其他條件不變，MnO2用量對去除率的影響如圖7所示。由圖7可知，隨著MnO2用量增加，去除率先增加后基本保持不變。MnO2作為一種催化劑，當MnO2用量較低時，Mn2+可以促進?OH的產(chǎn)生，增強其氧化性。但當MnO2用量達到一定值時，產(chǎn)生的?OH量達到飽和，去除率不再發(fā)生變化。MnO2最佳用量為8g/L，此時廢水COD、NH3?N、色度的去除率分別為88.84%，93.21%和98.58%。MnO2作為催化劑，COD去除率提高了3.72%，NH3?N去除率提高了5.56%。

　　2.1.7 反應(yīng)時間

　　MnO2用量8.0g/L，其他條件不變，反應(yīng)時間對去除率的影響如圖8所示。由圖8可知，F(xiàn)enton反應(yīng)速率很快，在20min左右已反應(yīng)完全，此時廢水COD、NH3?N、色度去除率分別為88.21%、93.57%和98.68%。

　　2.2 多因素正交實驗

　　取廢水200mL，控制曝氣量500mL/(min?L)、反應(yīng)時間20min，改變初始pH值、鐵屑量、活性炭量、H2O2用量和MnO2用量進行五元素四水平正交實驗，正交實驗設(shè)計及實驗結(jié)果分析分別見表1～2。

　　由表2可知，影響COD、NH3?N和色度的強弱程度為：鐵屑量=活性炭量>H2O2用量>pH值>MnO2用量。實驗11為最佳實驗條件，即正交組合A3B3C4D2E4，對應(yīng)pH=3、鐵屑用量50g/L、活性炭用量80g/L、H2O2用量6mg/L、MnO2用量9g/L，此時COD、NH3?N和色度去除率分別為86.91%、92.48%和97.36%。

　　3、結(jié)論

　　1)微電解Fenton法對高COD、高NH3?N和高色度的有機廢水有很好的處理效果，可以為染料、制藥和化工行業(yè)的廢水處理提供思路。

　　2)通過微電解Fenton法處理硫銨酯?苯甲羥肟酸?苯胺黑有機廢水，單因素確定最佳條件為：初始pH=3、鐵屑用量70g/L、活性炭用量80g/L、H2O2用量7mg/L、MnO2用量8.0g/L、曝氣量500mL/(min?L)、反應(yīng)時間20min，此時COD、NH3?N和色度去除率達88.21%、93.57%和98.68%。

　　3)通過多因素正交實驗考察了不同因素對去除率的影響強弱，結(jié)果表明：影響COD、NH3?N和色度去除率的因素強弱順序為：鐵屑量=活性炭量>H2O2用量>pH值>MnO2用量。正交實驗所得最佳條件與單因素實驗基本吻合。(來源：中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院)