Fenton试剂预处理综合印染废水的实验研究
2011-10-25谈旭辉徐乐中
谈旭辉,徐乐中
(苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏苏州215011)
Fenton试剂预处理综合印染废水的实验研究
谈旭辉,徐乐中
(苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏苏州215011)
采用Fenton试剂预处理综合印染废水,改善其可生化性.结果表明,各影响因素的显著性大小顺序是n(H2O2)/n(Fe2+)>H2O2投加量>反应时间>起始pH值;当n(H2O2)/n(Fe2+)为5~10、H2O2投加量在1.3~2.5mmol/L、Fenton反应时间为20~30min、起始pH为3~5时,COD去除率能稳定在40%以下,而B/C能稳定在0.3以上.
Fenton试剂;预处理;综合印染废水
综合印染废水中含有大量难生物降解的大分子有机物,这使得廉价方便的生物法对它难以奏效.而Fenton试剂能够利用其反应中间产物·OH降解印染废水中难生物降解有机物,将其氧化成易于生物降解的小分子物质,甚至是CO2和H2O.单独使用Fenton试剂可以快捷、方便地处理印染废水,但Fenton试剂的处理成本过高——这一点制约了其在实际生产中的应用.因此,本研究采用Fenton试剂对印染废水进行预处理,以提高其可生化性.
1 原水水质和研究方法
试验原水取自甪直污水处理厂二期进水,其水质如下:
表1 试验进水指标
取3L原水,用98%浓H2SO4调节pH值至酸性范围内某定值,加入一定量的FeSO4·7H2O,再加入30%双氧水,反应一定时间后,取适量出水,用2mol/LNaOH溶液调节pH值至碱性,搅拌均匀,静沉30分钟,取上清液测定BOD5、CODcr.
2 结果与讨论
2.1 正交试验
正交试验选取四个影响因素,它们是反应时间、起始pH、双氧水投加量、H2O2/Fe2+,每个因素选取三个水平,不考虑因素间的相互影响,将四个因素的三水平设置为如表2所示,正交表选用可容纳四因素三水平的L9(34).其他试验条件:温度为常温,投加方式为单次投加,持续搅拌,进水COD为380.9mg/L.试验数据极差分析见表3.
表2 正交试验设计
表3 正交试验数据极差分析表
从表3可以看出,影响最为显著的因素是H2O2/Fe2+,极差有26.28%,H2O2投加量次之,其显著性大小顺序为n(H2O2)/n(Fe2+)>H2O2投加量>反应时间>起始pH值.
从实验结果来看,当双氧水投加量为1mol/L时,除5号样(此时H2O2/Fe2+为20,Fe2+投加量很少,为0.05mmol)外,3号样和7号样的去除率在相同反应时间的一组样中都并不是最低的,原因是其n(H2O2)/n(Fe2+)为1或5,所以溶液中Fe2+浓度仍然可以有比较好的催化作用,能保证一定的处理效果;而当n(H2O2)/n(Fe2+)为20时,即1、5、9号样皆为相同反应时间的一组样中去除率最低的样.从这方面考虑,也能看出n(H2O2)/n(Fe2+)在Fenton反应中的重要性.
Fenton反应式为Fe2++H2O2→Fe3++OH-+HO·.可以看出,反应过程中Fe2+浓度太低,不利于反应向右进行,导致HO?生成量很少,对废水的处理效果也就不好.由此也可以看出n(H2O2)/n(Fe2+)是非常重要的影响因素.
2.2 单因素试验
为了减小误差,单因素试验采用5L的烧杯,加原水3L,原水水质与正交试验相同.
2.2.1 n(H2O2)/n(Fe2+)单因素影响规律
在常温条件下,控制反应时间为30min,起始pH为3.9~4.1,30%H2O2投加量为3.4mL,即10mmol/L,取水平20、15、10、5、1、0.5,得到n(H2O2)/n(Fe2+)对COD去除率的影响规律如图1,对B/C的影响见图2.
图1 n(H2O2)/n(Fe2+)对COD去除率的影响
图2 n(H2O2)/n(Fe2+)对B/C去除率的影响
由图1、图2可以看出,随着n(H2O2)/n(Fe2+)从20降到0.5,COD去除率和B/C的变化规律几乎一致,即当n(H2O2)/n(Fe2+)为20和15时,两者都很低;而从15降到10,两个指标有较大的提高,此后B/C的提高并不是很明显;而n(H2O2)/n(Fe2+)从5降到1的过程中,COD去除率又跃至77.82%,而此时B/C比也是最高的,达到0.42;当n(H2O2)/n(Fe2+)<1时,COD去除率和B/C均显著降低.
当n(H2O2)/n(Fe2+)>10时,Fe2+浓度太低,对H2O2的催化作用很弱,除了依靠双氧水的氧化作用分解掉一些有机物外,B/C比几乎没有改变;当1 2.2.2 H2O2投加量单因素影响规律 在常温条件下,控制反应时间为30min,起始pH为3.9~4.1,n(H2O2)/n(Fe2+)为1,H2O2投加量,取水平20、15、10、5、2.5、1.3、0.5mmol/L,得到H2O2投加量对COD去除率的影响规律如图3,对B/C的影响见图4. 图3 H2O2投加量对COD去除率的影响 图4 H2O2投加量对B/C的影响 从图3和4中可以看出,双氧水投加量从0.5mmol/L增加到2.5mmol/L时,COD去除率从-15.36%提高到52.15%,而之后双氧水投加量增加到5mmol/L时,COD去除率达到58.16%,之后随着双氧水投加量的增加,COD去除率没有明显提高;而双氧水投加量超过1.3mmol/L,时,处理出水的B/C都在0.3以上,特别是在双氧水投加量为10mmol/L时,B/C超过0.4. 因此,综合考虑,双氧水投加量在1.3mmol/L和2.5mmol/L之间时,不仅COD去除效果好,而且可以提高废水的可生化性. 2.2.3 反应时间单因素影响规律 在常温条件下,控制起始pH为3.9~4.1,n(H2O2)/n(Fe2+)为1,H2O2投加量为3.4mL,取反应时间水平:10min、20min、30min、60min、90min、120min,得到n反应时间对COD去除率的影响规律如图5,对B/C的影响见图6. 图5 反应时间对COD去除率的影响 图6 反应时间对B/C的影响 由图5可以看出,10min左右时,COD几乎没有被去除,20min左右时COD去除率有明显提高,而反应时间超过30min,COD去除率几乎没有明显变化.由图6很难看出反应时间对B/C的影响规律,但有一个共同点,那就是在本实验条件下,经过Fenton试剂处理过的水样,其B/C都得到了较大的提升,基本上能超过0.3.兼顾低COD去除率和高B/C,本研究认为,反应时间为20min到30min时,处理效果较好. 2.2.4 起始pH单因素影响规律 在常温条件下,控制反应时间为30min,n(H2O2)/n(Fe2+)为1,H2O2投加量为3.4mL,取起始pH水平为7、6、5、4、3,得到起始pH对COD去除率的影响规律如图7,对B/C的影响见图8. 图7 起始pH对COD去除率的影响 图8 起始pH对B/C的影响 由图7可以看出,当起始pH为3~5时,COD去除率在63%左右,而起始pH为6和7时,COD去除率分别为55.42%和47.98%,这与程丽华等的相关研究成果极为相似,即起始pH为3~5时,Fenton反应中·OH的生成速率最高[7].而?OH的高生成速率也使反应的COD去除率较高,并且图8中也可以看出,出水B/C也随着起始pH的升高而降低.因此本研究认为起始pH为3~5时,处理效果较好. Fenton试剂预处理印染废水,可以显著提高B/C,即使在COD去除率不高的情况下.Fenton试剂四个主要影响因素的最佳水平范围分别为:n(H2O2)/n(Fe2+)为5~10、双氧水投加量1.3~2.5mmol/L、反应时间为20~30min、起始pH为3~5时,COD去除率能稳定在40%左右,而B/C能稳定在0.3以上. 〔1〕贾胜娟,杨春风,赵东胜.Fenton氧化技术在废水处理中的研究与应用进展[J].工业水处理,2008,28(10):5-8. 〔2〕史红香,胡晓敏.Fenton试剂氧化处理印染废水的实验研究[J].工业水处理,2006,35(4):202-204. 〔3〕刘冬莲,黄艳斌._OH的形成机理及在水处理中的应用[J].环境科学与技术,2003,26(1):44-46. 〔4〕左晨燕,何苗,等.Fenton氧化/混凝协同处理焦化废水生物出水的研究[J].环境科学,2006,27(11):2201-2205. 〔5〕吴敏,吴云涛,杨健.蒽醌染整废水的混凝沉淀-Fenton催化氧化处理[J].中国给水排水,2007,23(1):101-104. 〔6〕张乃东,吕明,孟祥斌.Fenton体系中COD的测定[J].哈尔滨商业大学学报,2001,17(2):27-28. 〔7〕程丽华,黄君礼,倪福祥.Fenton试剂生成_OH的动力学研究[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(5):12-14,33. X703.5 A 1673-260X(2011)01-0014-03 国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2008ZX07313-006)3 结论