采用UV-Fenton法的垃圾渗滤液处理

吴芳芳，胡家朋

(1.福建省高校绿色化工技术重点实验室，福建武夷山 354300;2.武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山 354300)

随着人们生活水平的提高，城市化进程的加快，许多城市都遭受着“垃圾围城”之痛。我国城市垃圾处理处置工作起步较晚，存在相应的法律法规不健全、管理不完善、缺乏成套的处理处置技术、公民薄弱的环保意识等问题，限制了我国垃圾处理水平的提高。卫生填埋作为城市垃圾处理的基本方式，在近几年得到了较广泛的应用，但也伴随着污染问题，如处理过程中极易产生大量的垃圾渗滤液等。由于渗滤液中含大量的有机物质和重金属，水质复杂、变化量大，CODCr、BOD5浓度高，若不妥善处理，将对周围环境及地下水造成严重污染，从而威胁生态环境及人体健康。

20世纪60年代首次应用Fenton试剂进行废水处理［1］，由于其反应迅速且价格低廉，故被大量研究并广泛应用［2-5］。为了提高对H2O2的利用率，增加对有机物的去除效果，人们把紫外光UV引入Fenton体系，形成了UV-Fenton法［6］，从而达到提高有机物的分解速率、减少药剂使用及控制运行成本的目的。

本文通过实验确定Fenton法处理垃圾渗滤液的最佳工艺条件以及在UV-Fenton反应条件下对废水的处理效果的影响，为该方法在实际工程应用中提供一定的参考。

1 实验

1.1 进水水质及预处理

垃圾渗滤液取自武夷山市生活垃圾填埋场，呈深褐色，有恶臭。采用混凝法对该渗滤液进行预处理。

1.2 仪器及主要试剂

JH-12型COD恒温加热器，ZDHW型调温电热套，BS224S电子精密天平，S321数显恒速搅拌器，C30孔型玻璃仪器气流烘干器，INTELLI-RAY 400紫外固化箱，FeSO4·7H2O，30%H2O2。

1.3 分析方法

色度的测定采用稀释倍数法，COD的测定采用标准重铬酸钾法，氨氮的测定采用滴定法(HJ 537-2009)。

1.4 实验步骤

1.4.1 Fenton氧化法

由于 FeSO4·7H2O投加量、H2O2/FeSO4·7H2O比值、初始pH值和反应时间都是影响Fenton氧化效果的主要因素，因此为考察各因素对色度、COD和氨氮去除率的影响，进行以下实验:取100 mL预处理后的上清液，加H2SO4调节水样初始pH值，加入 FeSO4·7H2O，并一边搅拌一边加入H2O2，调节pH值至9，静置30 min后取上清液测定水质分析。实验初始条件粗略确定为:FeSO4·7H2O投加量为0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O的比值为4，原水初始pH值为3，反应时间为90 min。在此基础上，依次改变某一因素进行单因素条件实验，确定最佳Fenton氧化处理效果的反应条件。

1.4.2 UV-Fenton氧化

为了强化Fenton氧化效果，把紫外光UV引入Fenton体系。为考察辐照强度和辐照时间对色度、COD、氨氮去除率的影响，取100 mL预处理后的上清液，按Fenton反应体系中最佳条件进行实验，加入H2O2，然后将溶液倒入反应皿，置于全功能400 W大面积紫外固化设备中进行反应，最后调节pH值至9，静置30 min后取上清液进行水质分析。

2 结果与讨论

2.1 Fenton氧化结果

2.1.1 FeSO4·7H2O投加量的影响

由图1可知:COD、色度、氨氮的去除率随着FeSO4·7H2O投加量的增加而逐渐增大，并在投加量为0.03 mol/L时均达到最高，之后随Fe2+投加量增加反而下降。这主要是在Fenton反应体系中，Fe2+能催化 H2O2极快分解，产生了大量的“·OH”，并与废水中的有机物立即发生氧化反应［7］，同时 Fe2+转化成 Fe3+，在后续调碱的过程中起到了混凝沉淀的作用。因此，在一定的时间内，氧化效果与Fe2+投加量呈正比关系。而过量的铁盐使得絮体形成慢，沉降效果差，从而使得过多的投加量反而导致去除效果变差，这与混凝沉淀反应机理一致。因此确定FeSO4·7H2O的最佳投加量为0.03 mol/L。

2.1.2 H2O2/FeSO4·7H2O比值的影响

由图2可知:随着H2O2投加量的增加，COD去除率呈缓慢上升趋势，并在比值为3时去除效果达到78%，但是继续添加H2O2去除效果反而降低;氨氮的去除率有相似的变化，去除效果在比值为3时达最大值为43%。在Fenton反应体系中，产生的“·OH”与废水中的有机物发生加成或取代反应，从而降低了废水中有机物的含量。因此在一定H2O2投加量内，“·OH”浓度与H2O2呈显著的线性关系［8］。当H2O2/FeSO4·7H2O比值为3时，废水中有机物基本都氧化分解，而过量H2O2易发生自分解和无效分解，导致去除效果反而下降。考虑废水的治理成本，H2O2/FeSO4·7H2O的最佳比值为3。

图1 FeSO4·7H2O投加量与COD、色度、氨氮去除率的关系曲线

图2 H2O2/FeSO4·7H2O比值与COD、色度、氨氮去除率的关系曲线

2.1.3 原水初始pH值的影响

由图3可知:当原水初始pH值为3时，COD、色度去除率最高;当pH值为4时，氨氮去除率最高。pH值越高，COD去除率越低，说明Fe2+将H2O2催化产生“·OH”的环境必须是在酸性条件下。pH值越高，“·OH”的产生量越低，且体系中的Fe2+以氢氧化物的形式沉淀而失去催化能力。一般来说pH值越低，COD去除率越高，但pH值过低，Fe3+不能还原成Fe2+，影响Fenton试剂的氧化能力，且增加废水处理成本。因此确定最佳原水初始pH值为3。

图3 原水初始pH值与COD、色度、氨氮去除率的关系曲线

2.1.4 反应时间的影响

由图4可知:FeSO4·7H2O的投加量为0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O比值为3，原水初始pH值为3，当反应时间为90min时，COD、色度、氨氮的去除率最高，说明Fenton反应在90 min内基本完成，体系内的其反应的有机物质已消耗完全。因此确定最佳反应时间为90 min。

图4 反应时间与COD、色度、氨氮去除率的关系曲线

综上所述，最佳Fenton氧化处理效果的反应条件为:FeSO4·7H2O的投加量为0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O比值为3，原水初始pH值为3，反应时间为90 min。

2.2 UV-Fenton氧化结果

2.2.1 UV辐照强度的影响

由图5可知:当辐照时间为4 min、辐照强度为65 μw/cm2时，COD去除率高达93%;而在辐照强度为55 μw/cm2时，氨氮去除率最高，为80.97%。但也可以从图上发现在辐照强度为65 μw/cm2时，氨氮去除率也有72.13%，而在辐照强度为65 μw/cm2时，COD去除率只有91.95%，因此确定最佳辐照强度为65 μw/cm2。

图5 辐照强度与COD、氨氮去除率的关系曲线

对比图4和图5可知:UV-Fenton反应体系中COD的去除效果均在90%以上，比Fenton反应体系中的COD去除效率高。在没有紫外光照射的条件下，Fe2+与H2O2在酸性条件下快速反应生成“·OH”和Fe3+。随后Fe3+与 H2O2反应重新生成Fe2+，使得Fe3+和Fe2+不断转换，但是该反应速率比较慢。而在紫外光照射下，Fe2+与H2O2的反应速率加快，且Fe3+在UV的作用下直接分解产生“·OH”和Fe2+，从而加快“·OH”量的生产速率和产生量［9］，导致UV-Fenton反应体系的处理效果比Fenton反应体系好。

2.2.2 UV辐照时间的影响

由图6可以看出，辐照强度为65 μw/cm2，当反应时间为4 min时，COD去除率最高，为93.59%，氨氮去除率为72.13%;当反应时间为2 min时，氨氮去除率最高。综合考虑治理成本和反应效果，确定最佳辐照时间为3 min。

图6 反应时间与COD、氨氮去除率的关系曲线

综上所述，最终确定最佳UV-Fenton氧化处理效果的反应条件为:FeSO4·7H2O的投加量为0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O 比值为3，原水初始pH值为3，辐照强度为65 μw/cm2，辐照时间为3 min，反应时间为90 min。

3 结论

采用Fenton和UV-Fenton法分别处理经预处理后的武夷山生活垃圾填埋场渗滤液，Fenton氧化处理效果受 FeSO4·7H2O投加量、H2O2/FeSO4·7H2O比值、初始pH值和反应时间的影响，最佳条件为:FeSO4·7H2O的投加量为0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O比值为3，原水初始pH值为3，反应时间为90 min。

在UV-Fenton氧化体系中当辐照强度为65 μw/cm2，辐照时间为3 min时，垃圾渗滤液中有机物的去除效果相比单一的Fenton法更好。同时也从侧面说明为了达到相同去除率，UV-Fenton体系可以减少药剂投加量，缩短反应时间，从而降低工艺运行成本。

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