微波紫外高级氧化装置处理印染废水的研究

陈冠环，兰善红，罗晓珊

(东莞理工学院 生态环境与建筑工程学院，广东 东莞 523808)

微波紫外高级氧化装置处理印染废水的研究

陈冠环，兰善红*，罗晓珊

(东莞理工学院 生态环境与建筑工程学院，广东 东莞 523808)

利用微波激发紫外光化学氧化和催化氧化协同作用研发的新型MW/UV/TiO2反应器，以活性艳红X-3B模拟废水为处理对象，考察了曝气量、循环水流量、印染废水初始pH值和浓度等四个因素对印染废水处理效果的影响，结果表明在曝气量2.5 m3/h，水流量2 m3/h，废水浓度200 mg/L，初始pH值为8的条件下CODcr和脱色率分别为51.06%和98.57%。

MW/UV/TiO2反应器；光催化；光氧化；活性艳红X-3B

我国是纺织品生产和出口的大国，全行业中大规模企业数量和累计工业总值不断上升，而巨大的经济收益的同时亦会产生大量的废水[1]。据不完全统计，纺织行业是工业废水排放大户，我国纺织业每年排放约25亿吨废水，其中印染废水占全国总纺织废水排放量的80%[2]，随着染料的品种和数量日益增加，染料生产产生的印染废水已成为重点污染源之一。

印染废水是国内外难处理的工业废水之一，其具有难降解性有机物浓度高、色度高、无机盐含量高、成分复杂、可生化性差、脱色困难、水质变化范围大等等特点。在早期国内外对印染废水使用的主要方法包括物理方法、物理化学法、化学法、生物法等[3]，但是种种方法的治理效果一直不能令人满意。近年来，光催化氧化技术在印染废水的治理中取到了一定的突破,王星敏等人通过研究光催化氧化技术对印染废水降解的原理和作用过程[4]，该技术在处理难降解性有机物废水具有良好的发展前景。刘恋等人通过研究MW/UV/TiO2机理对印染废水小试的研究表明了其高效性[5]，为了探索其在实际应用上的处理效率，我们研发了一套微波紫外高级氧化装置来处理印染废水，该装置采用微波激活无极紫外光与催化产生臭氧氧化的协同作用[6]，对印染废水进行处理，取得了良好的效果。

1 实验仪器及方法步骤

1.1 实验水样及实验试剂

1.1.1 实验水样

本实验采取的水样为实验室配制的活性艳红X-3B模拟印染废水。

1.1.2 实验试剂

实验所用试剂详见表1。

表1 实验试剂

表1(续)

1.2 实验仪器及设备

1.2.1 实验仪器

实验所用仪器详见表2。

表2 实验仪器

1.2.2 实验设备

实验的反应装置如图1，包括水箱(0.5 m3)、鼓风机、空气流量计、微波发生器、MW/UV/TiO2反应器、控制箱、溶气泵以及电源。MW/UV/TiO2反应器为不锈钢制的密闭容器，反应器内安装涂有TiO2的金属网且金属网内安装有四根波长为185 nm的微波无极紫外灯管、反应器底部安装有曝气装置，曝气空隙为微米级，微波发生器安装在MW/UV/TiO2反应器顶部。实验装置设置成回流形式，在溶气泵的作用下废水在水箱与MW/UV/TiO2反应器内进行循环处理。

图1 微波紫外高级氧化装置图

1.3 实验方法

为了减小实验误差，本实验微波发生器固定功率为800W，使用四根波长为185 nm的微波无极紫外灯管，灯管呈正方形布置于MW/UV/TiO2反应器，处理水量为每次500 L，处理一定时间后在不同时间分别取样测定CODcr、和吸光度A540 nm，计算其脱色率和CODcr去除率。

(1)配制印染废水浓度为100 mg/L，通过流量控制开关调节印染废水流量为2 m3/h和调节初始pH值为8。通过流量控制开关分别调节曝气量为1.5，2.5，3.5 m3/h进行实验。

(2)通过流量控制开关调节曝气量为2.5 m3/h，印染废水流量为2 m3/h和调节初始pH值为8。分别配制印染废水浓度为50，100，200，500 mg/L进行实验。

(3)配制印染废水浓度为100 mg/L，通过流量控制开关调节曝气量为2.5 m3/h和印染废水流量为2 m3/h。分别调节印染废水的初始pH值为6，8，10进行实验。

(4)配制印染废水浓度为100 mg/L，通过流量控制开关调节曝气量为2.5 m3/h和调节初始pH值为8。通过流量控制分别调节印染废水流量为1，2，4 m3/h进行实验。

1.4 实验分析测试方法

1.4.1 活性艳红X-3B模拟废水的紫外-可见光吸收光谱图

图2 活性艳红X-3B可见光吸光光谱图

由图2可知，活性艳红X-3B有2个吸收峰，分别为波长510 nm、吸光度值为0.894和波长为540 nm、吸光度值为0.910，由波谱分析可知活性艳红X-3B溶液的特征吸收峰在540 nm处，本实验通过测定实验前后活性艳红X-3B在540 nm处的吸收峰值来计算其废水的脱色率A%。

1.4.2 CODcr去除率

测定CODcr采用重铬酸钾微波快速消解法测定印染废水经微波紫外高级氧化装置处理前后的CODcr0和CODcr，依下式计算CODcr去除率CODcr%。

1.4.3 脱色率[7]

由于活性艳红X-3B溶液在低浓度时符合朗博-比耳定律，配制浓度为100 mg/L的活性艳红溶液用紫外-可见分光光度计在400～700 nm内每隔10nm波长测一次吸光度，绘制吸光度-波长变化曲线，结果表明活性艳红X-3B在波长为540 nm的可见光有最大吸收峰。因此使用紫外-可见光分光光度计(540 nm)测定水样的吸光度，以A%表示脱色率，A0表示原水吸光度，A表示处理后水样的吸光度。

脱色率计算公式：

2 实验结果和分析

2.1 循环水流量因素的影响

印染废水经循环水流量分别为1,2和4 m3/h处理，所取得水样测出CODcr去除率变化曲线和脱色率变化曲线如图3和4所示。

图3 循环水流量对CODcr去除率变化曲线

图4 循环水流量对脱色率变化曲线

由图3和4可知，在其他条件相同的情况下，改变循环水流量对印染废水的去除效果有明显的影响。在CODcr的去除方面，反应10h之后，循环水流量为2 m3/h时的CODcr去除效果最好，此时CODcr去除率为51.06%，水流量为4 m3/h次之，水流量为1 m3/h时的CODcr去除效果最差，CODcr去除率仅有29.12%。在脱色方面，循环水流量为2 m3/h的脱色效果显著，脱色率为98.57%，而水流量为1 m3/h的脱色效果较差，脱色率仅有78.39%。由分析可知，循环水流量为2 m3/h时，CODcr和色度的去除效率较高。由于印染废水在设备里是通过溶气泵作用下在MW/UV/TiO2反应器内进行循环处理，通过调节循环水流量的大小可控制废水在MW/UV/TiO2反应器内的停留时间，当循环水流量过小时，废水的停留时间长，废水中的溶氧量有限，降低了反应器光催化氧化的效果。当循环水流量过大时，废水的停留时间过短，废水中的溶氧未能最大地转化为臭氧，也会降低光催化氧化的效果。所以，过高和过低的循环水流量均会降低本设备处理印染废水的去除效率。

2.2 曝气量因素的影响

印染废水经曝气量分别为1.5，2.5和3.5 m3/h处理所取得水样测出CODcr去除率变化曲线和脱色率变化曲线如图5和6所示。

图5 曝气量对CODcr去除率变化曲线

图6 曝气量对脱色率变化曲线

从图5和图6可以看出，在其他条件不变的情况下，改变曝气量对印染废水的CODcr和色度的去除效果造成影响。在CODcr的去除方面，反应10h曝气量为1.5，2.5和3.5 m3/h时的CODcr去除率分别为40.76%,51.06%和33.42%。在色度的去除方面，曝气量为2.5 m3/h的色度去除效果最好，反应10h的脱色率可达到98.57%，并且在反应5h后废水的脱色接近饱和，而曝气量为1.5 m3/h和3.5 m3/h的实验组脱色效果较差，反应10h脱色率仅86.72%和80.71%。当设备的曝气量过小时，废水的溶氧量低，其在MW/UV/TiO2反应器内生成的臭氧量少，不利于设备对印染废水的降解，适当增大曝气量可以增加MW/UV/TiO2反应器内的溶氧量，提高设备对印染废水的降解效果，但曝气量不宜太高，由于曝气量太高会导致反应器内的气泡变大，气泡的比表面积降低，不利于臭氧的产生，降低反应器的处理效率，当曝气量大于3.5 m3/h时，会使溶气泵负压，无法进行印染废水的循环。

2.3 印染废水浓度因素的影响

浓度分别为50，100，200和500 mg/L的印染废水实验所得水样测出CODcr去除率变化曲线和脱色率变化曲线如图7和8所示。

由图7和图8可以看出，在其他条件相同的条件下，印染废水的初始浓度对CODcr去除率和脱色率均有较大的影响。在CODcr的去除方面，在浓度为100 mg/L和200 mg/L时，反应10 h，其CODcr去除效果最优，CODcr去除率分别达到51.06%和59.38%，而印染废水浓度为500 mg/L时的CODcr去除率仅44.2%，说明印染废水浓度过高不利于CODcr的去除。在脱色方面，随着印染废水浓度的升高，脱色效果降低，反应10 h，在印染废水浓度200 mg/L和500 mg/L的脱色率分别为90.14%和73.69%，而印染废水浓度为100 mg/L的脱色率高达98.57%，说明高浓度印染废水不利于脱色，由于高浓度的印染废水中含有难降解的有机物浓度高，而本设备是通过废水在MW/UV/TiO2反应器内不断循环中逐步降解有机物，故高浓度的印染废水需要更长的停留时间才能将其有机物浓度降解到较低水平，这大大的增加了设备的运行周期。所以在实际应用上，低浓度印染废水更有利于本装置处理，为保证废水的处理效率，高浓度废水处理前应当进行稀释处理。

图7 废水浓度对CODcr去除率变化曲线

图8 废水浓度对脱色率变化曲线

2.4 印染废水初始pH值因素的影响

图9 废水初始pH值对CODcr去除率变化曲线

图10 废水初始pH值对脱色率变化曲线

初始pH值分别为6,8和10的印染废水实验所得水样测出CODcr去除率变化曲线和脱色率变化曲线如图9和10所示。

由图9、图10可以看出，在其他条件相同的情况下，在CODcr的去除方面，初始pH值为8时的CODcr去除效果最优，CODcr去除率为51.06%，pH值为6和10时的CODcr去除效果较差，分别为34.44%和39.60%。在色度去除方面上，pH值对脱色效果影响不大，pH值为8和pH值为10的脱色效果均较好，反应10 h脱色率分别为98.57%和97.13%，pH值为6时脱色率下降，仅91.07%。由结果分析可知，pH值为8时CODcr和脱色效果均最优，强碱的条件下虽然脱色效果稍好，但不利于CODcr的去除。熊重铎等人通过微波无极的光催化氧化对印染废水的降解的研究表明，碱性条件下对难降解性有机物有较好的降解效果[8]，亦证实了弱碱性条件下有利于本设备对印染废水的降解。而实际印染废水多为弱碱性，所以在实际应用中，本装置处理印染废水可免去调节pH值的环节，降低运营成本。

3 结论

(1)适当增大的曝气量可以增加MW/UV/TiO2反应器内的溶气量，提高设备的处理效果，在曝气量为2.5 m3/h时CODcr和脱色效果最好，CODcr去除率和脱色率分别为51.06%和98.57%，但曝气量不宜太高，当曝气量大于3.5 m3/h时，会使溶气泵负压，无法进行印染废水的循环。

(2)MW/UV/TiO2反应装置在pH为弱碱性的条件下对印染废水的处理效果最好，过碱或者酸性的印染废水会降低本装置的CODcr和脱色效率。

(3)废水的最佳循环水流量为2 m3/h，过高和过低的循环水流量均会影响本设备的处理效率。印染废水浓度为100、200 mg/L，处理10 h后，CODcr的去除率为51.06%和59.38%，脱色率分别为98.57%、90.14%。综合考虑，确定最优条件为曝气量2.5 m3/h，水流量2 m3/h，废水浓度100 mg/L，初始pH值为8。

[1] 李 铃.范荣桂,黄大青,等.高级氧化技术在纺织印染废水处理中的应用[J].三峡环境与生态,2008,1(2): 1-2.

[2] 范荣桂,黄大青,方辽卫,等.高级氧化技术在纺织印染废水处理中的应用[J].安全与环境工程,2011,18(2): 1-4.

[3] 单国华,贾丽霞.印染废水及其处理方法研究进展[J].针织工业,2009,9(7): 1-2.

[4] 王星敏,陈胜福.印染废水的光催化氧化处理新进展[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2004,21(3): 2-3.

[5] 刘 恋.MW/UV/TiO2方法处理典型活性染料废水研究[D].武汉:武汉纺织大学,2011: 23-29.

[6] 李文杰.臭氧氧化和 VUV/US 耦合深度处理印染废水尾水的对比研究[D].广州:华南理工大学,2014:12-20.

[7] 裴 华.微波无极紫外光处理活性艳红 X-3B 染料废水中试研究[D].武汉:华中科技大学,2005:19-27.

[8] 熊重铎.蒽醌染料茜素绿模拟废水的微波无极紫外光催化氧化降解过程的研究[D].上海:东华大学,2015:36-40.

(本文文献格式：陈冠环，兰善红，罗晓珊.微波紫外高级氧化装置处理印染废水的研究[J].山东化工,2017,46(11):170-173.)

The Treatment of Printing and Dyeing Wastewater with Microwave and Ultraviolet Advanced Oxidation Device

ChenGuanhuan,LanShanhong,LuoXiaoshan

(School of Envrionment and Civil Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

According to the synergies of Microwave Photochemical Oxidation and Catalytic Oxidation,our team invented a new MW/UV/TiO2reactor,which is focused on reactive brilliant red X-3B dyeing simulated wastewater. It analyses the effect by separately changing four factors—aeration quantity,cycle water flow,the initial pH of wastewater and concentration.The results show that removal efficiency of CODcr and color was 51.06% and 98.57% when we controlled the conditions of aeration quantity for 2.5 m3/h,water flow for 2 m3/h,concentration for 100 m3/h and the initial pH for 8.

MW/UV/TiO2reactor;photocatalysis;photooxidation;reactive red X-3B

2017-04-05

广东大学生科技创新培育专项(pdjh2016b0501)；2016年广东省大学生创新创业训练计划项目(201611819053)

陈冠环，男；通讯作者:兰善红(1972—)，男，江西信丰人，教授，主要从事环境污染治理技术研究。

X788

A

1008-021X(2017)11-0170-04