Fenton试剂对油脂废水深度处理的试验

2016-01-15王芳,胡凯泉,刘富安等

净水技术 2015年4期

王芳，胡凯泉，刘富安，文树龙，王杰

(湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙410128)

摘要油脂废水经UASB、MSBR处理后的出水COD为200mg/L左右、色度为100倍，未达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)的一级排放标准。试验以该出水为研究对象，用Fenton正交试验。结果表明反应时间对该体系影响最大，其次是H2O2投加量、FeSO4·7H2O投加量、初始反应pH。通过单因素优化试验，得出最佳处理条件：反应时间为120min、[H2O2]为0.75mL/L、[FeSO4·7H2O]为0.5g/L、初始反应pH为4.5。在该条件下，COD去除率达到67%，色度去除率达到55%。

关键词Fenton试剂高级氧化羟基自由基油脂废水深度处理

中图分类号：X703文献标识码： B

[收稿日期]2015-04-27

[作者简介]王芳(1991—)，女，硕士生，研究方向为重金属污染治理。电话： 15111130119；E-mail： 1184746694@qq.com。

[通讯作者]刘富安(1991—)，男，硕士生，研究方向为水污染处理技术。电话： 15116195653；E-mail： 1141895838@qq.com。

Experiment of Advanced Treatment for Grease Wastewater with Fenton Reagent

Wang Fang, Hu Kaiquan, Liu Fuan, Wen Shulong, Wang Jie

(CollegeofEnvironmentandResources，HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)

AbstractCOD and color of grease wastewater treated by UASB and MSBR were about 20mg/L and 100 times, respectively, which can’t meet the first class of standard of sewage compressive discharge (GB 8978—1996). As research object, treated grease wastewater was studied by orthogonal test using Fenton reagent. The results show that time has the greatest effect on reaction system, the following factors are dosage of H2O2, dosage of FeSO4·7H2O and initial pH. After experiment optimization, the optimal treatment condition are obtained, which are as follows： reaction time is 120min, [H2O2] is 0.75mL/L, [FeSO4·7H2O] is 0.5g/L, initial pH is 4.5. Under such condition, removal rate of COD is 67% and removal rate of Color is 55%.

KeywordsFenton reagentadvanced oxidationhydroxyl radicalgrease wastewateradvanced treatment

Fenton高级氧化的反应原理是在酸性条件下，通过Fe2+和H2O2组成芬顿试剂，H2O2在Fe2+的催化作用下分解产生·OH而引发的链式反应，羟基自由基具有很强的氧化性及亲电加成性能，使反应体系具有极强的氧化能力，有效地将难降解的高分子有机物分解成小分子物质，并且将这些小分子物质、一些显色基团和某些有毒有害的有机物彻底分解[1-4]。在这过程中水质CODCr和色度都将大幅度降低[5]，通过正交试验和单因素优化试验并参考降解CODCr和色度的处理效果，从而确定芬顿相关影响因素的重要性及最佳的处理条件。

1试验水质

试验水质为经过厌氧UASB、接触好氧处理后的油脂废水出水，出水CODCr和色度没有达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)的一级排放标准，水质指标如表1所示。

表1　处理水质指标

2结果与讨论

2.1Fenton正交试验设计

影响Fenton高级氧化处理的因素主要有FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量、初始反应pH、反应时间。所选试验药剂为分析纯，其中H2O2质量分数为30%、浓H2SO4质量分数为98%、NaOH质量分数为5%。

本试验采用四因素四水平的正交试验确定深度处理油脂废水的影响因素，并确定最佳的处理条件。正交试验的因素水平如表2所示，正交试验结果如表3所示。

(1) 由表3中极差R分析计算得R4>R2>R1>R3，由此可知对COD的去除率影响因素最大的是反应时间，其次是H2O2投加量、FeSO4·7H2O投加量、初始反应pH。

(2) 由表3可知Fenton处理的优选方案为A2B4C3D3，试验中K2、K3、K4值相等，根据相关文献及实际运行操作，反应时间为120min作为优选组。即最佳处理条件为FeSO4·7H2O投加量为0.5g/L, H2O2投加量为1.0mL/L, 初始反应pH为4.5，反应时间为120min。优选方案只是在数据统计下的一种最佳组合方案，真正的最佳处理条件还需要在此基础上进行单因素优化试验[6]，因此接下来的试验方案要在正交优选方案的基础上进行单因素的优化，而单因素优化考察先后顺序参照表3中极差R值。

表2　因素水平表

表3　正交试验结果

注： A为Fe2+；B为H2O2；C为pH;D为时间

2.2单因素优化

2.2.1反应时间的优选

根据优选方案，试验控制FeSO4·7H2O投加量为0.5g/L，H2O2投加量为1.0mL/L, 初始反应pH为4.5。通过设置不同反应时间(30、60、90、120、150、180min六个梯度)，探讨反应时间对水样中COD去除和色度的影响，从而确定最佳反应时间，结果如图1所示。

图1　反应时间对COD及色度去除效果的影响 Fig.1　Effect of Reaction Time on Removal of COD and Color

由图1可知反应开始阶段，COD和色度处理效果随反应时间的增加而逐渐明显，在反应一段时间后，COD去除率增长缓慢，基本稳定且达到最大值，此外色度的处理效果也同样达到最佳。当反应时间至120min时，COD去除率达到68%，色度降到45倍。当反应时间为120～180min时，反应趋于平稳，增加效果不明显，主要原因是酸性条件下，H2O2在Fe2+的催化作用下生成羟基自由基，随着反应的进行，H2O2逐渐消耗，·OH的生成量减少[7-9]，反应体系氧化能力逐渐减弱。当反应时间过长时，氧化反应难以继续进行。故选择最佳的反应时间为120min。

2.2.2H2O2的优选

根据优选方案，试验初始反应pH为4.5、FeSO4·7H2O的投加量为0.5g/L，根据(2.2.1)确定最佳反应时间为120min。设置H2O2的投加量为0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5mL/L六个梯度，探讨H2O2投加量对水样COD去除和色度的影响，从而确定最佳H2O2投加量，结果如图2所示。

图2　H 2O 2的投加量对COD及色度去除效果的影响 Fig.2　Effect of H 2O 2 Dosage on Removal of COD and Color

由图2可知前期随着H2O2投加量的增加，COD去除率不断增加，色度倍数也不断下降，但是随着投加量继续增加，COD去除率在达到65%后基本稳定，色度降到45倍后出现反弹。主要原因是反应开始阶段，在酸性条件下，H2O2在Fe2+的催化作用下生成羟基自由基，随着H2O2投加量的增加，·OH的生成量不断增加，大大提高了反应体系氧化能力，故COD和色度处理效果稳步提升，但是当H2O2超过一定量时，过多的双氧水部分自身分解，且过多的双氧水与Fe2+反应生成Fe3+，造成水样色度的增加，同时Fe3+会抑制羟基自由基的生成[7-9]，从而会使反应体系逐渐丧失氧化分解有机物的能力。因此当双氧水投加量继续增加，对反应体系其实会造成微弱抑制效果，也造成了H2O2的浪费。综上所述，选择最佳H2O2投加量为0.75mL/L。

2.2.3FeSO4·7H2O的优选

根据优选方案，试验初始反应pH为4.5、根据(2.2.1)和(2.2.2)确定最佳反应时间为120min、最佳H2O2投加量为0.75mL/L。设置FeSO4·7H2O的投加量为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1g/L六个梯度，探讨FeSO4·7H2O的投加量对水样COD去除和色度的影响，从而确定最佳的FeSO4·7H2O投加量，结果如图3所示。

图3　FeSO 4·7H 2O的投加量对COD及色度去除效果的影响 Fig.3　Effect of FeSO 4·7H 2O Dosage on Removal of COD and Color

由图3可知COD去除率随着FeSO4·7H2O投加量的增加先增加后缓慢下降，色度倍数先下降后上升，其中COD去除率最高达到69%，色度最低降到45倍。主要原因是Fenton反应体系中, Fe2+主要是起催化H2O2产生羟基自由基的作用，酸性条件下，当投加H2O2量一定时，反应前期阶段Fe2+的渐增催化H2O2生成的自由基逐渐增多，反应体系的氧化能力大大提高，因而提高了降解有机物的效果，故在FeSO4·7H2O投加量增加的前期，COD和色度的处理效果越来越好，但是当Fe2+继续增加，过多的Fe2+将与H2O2反应生成Fe3+，这样消耗了部分H2O2，羟基自由基的量因此受到抑制，同时Fe3+的增加，也会造成水样色度的增加[7-9]，所以COD和色度的处理效果在FeSO4·7H2O投加到一定量之后反而呈现降低的趋势。综上所述，选择最佳FeSO4·7H2O投加量为0.5g/L。

2.2.4初始反应pH的优选

根据优选方案，试验以200mL水样计算，根据(2.2.1)、(2.2.2)和(2.2.3)确定最佳反应时间为120min，最佳H2O2投加量为0.75mL/L，最佳FeSO4·7H2O投加量为0.5g/L。设置初始反应pH为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5六个梯度，探讨pH对水样COD去除和色度的影响，从而确定最佳初始反应pH，结果如图4所示。