微波消解-Fenton催化氧化-活性炭吸附组合工艺预处理实验室废水的可行性研究

杨春娣 张诚心

摘      要： 实验废水具有污染物种类复杂、污染程度深等特点。多数高校实验室废水往往经过收集和长时间室内存放再处理，其中的污染物不能及时得到控制而影响周围环境。以校内实验室废水为原水，利用微波消解、Fenton催化氧化、活性炭吸附以及三种方法的组合工艺处理实验室废水，研究利用实验室的常规药品和仪器预处理实验室废水可行性。结果表明：调节200 mL实验废水使其pH=3～4，微波消解10 min后再投加活性炭0.6 g并用Fenton试剂（0.16 g FeSO4、2 mL 3% H2O2）氧化的组合工艺对实验室废水的COD去除效果最佳，去除率可达50%～65%。

关  键  詞：实验废水;组合工艺;COD去除

中图分类号：X703.1       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）09-2036-04

Abstract： The experimental wastewater has the characteristics of complex pollutants and deep pollution. Most university laboratory wastewater is often treated after collecting and storing for a long time， so the pollutants in the wastewater will affect the surrounding environment because they cannot be controlled in time. In this paper， taking laboratory wastewater as research object， it was treated by microwave digestion process， Fenton oxidation process， activated carbon adsorption process or their combination process， respectively.The feasibility of pretreating laboratory wastewater by using conventional pharmaceuticals and instruments in the laboratory was studied. The results showed that when the pH of wastewater was 3～4， microwave digestion time was 10 min， dosage of activated carbon was 0.6 g， Fenton agent was 0.16 g FeSO4 and 2 mL 3% H2O2 for 200 mL wastewater， the treatment effect was the best， and the removal rate of COD was 50%～65%.

Key words： Laboratory wastewater; Combined treatment process; Removal of COD

随着水资源的短缺和水污染问题的不断加剧，人们对水污染的关注程度也在持续上升。实验室废水具有排放周期不定、水质成分复杂等特点，单一技术处理很难得到较好的效果，处理不当还会造成比较严重的局部水污染[1-3]。我国最早在2004年即由环保总局正式下发了《关于加强实验室类污染环境监管的通知》，将各类实验室被纳入环境保护部门的监管范围。然而大部分教学、科研单位并没有妥善处理实验室废水的有效方法，往往采用存放后委托处理的方式解决这一问题，使得实验室废水污染不能及时得到控制。可生化性低、难降解物有机物含量高的特点，使得传统废水的二级生化处理技术很难适用实验室废水处理。Fenton催化氧化、活性炭吸附等技术作为以高级絮凝、氧化等原理的物化技术，具有取材方便、结构简单、反应速度快等特点，在处理难降解有机物中应用极为广泛[4-9]。

本文以某高校实验室废水为研究对象，探索利用实验室的常规药品和仪器预处理实验室废水的方法，去除废水存放过程中最容易出现挥发、降解而对周围环境会产生影响的有机物类污染物。

1  实验室废水来源和污染物分析

1.1  实验废水的来源

按照废水产生的场所不同，本次实验所收集的废水主要来自于以下几个环节：教学实验废水、科研实验废水、实验室各项卫生用水和其他用水等。

教学实验废水：基础的实验教学中，各高等院校排放的化学实验废水具有相似的成分，如一些有机溶剂、化学药品，洗涤剂等。就目前我院开设的实验课程《无机及分析化学实验》、《药物化学》、《普通生物学》、《药理学》、《环境化学》、《生物化学》、《环境监测实验》等，实验内容包括物质分析与检测、物质及材料制备、天然产物提取分离等。

科研实验废水：科研实验具有探索性，多向性，这导致了科研实验废水的多样性，与教学实验废水相比，其不确定性更强。

实验室各项卫生用水和其他用水：一般属于低浓度废水，包括实验器皿的洗涤废水，用于清洁实验室的废水，实验员清洗手中实验残液的废水等。

1.2  实验室废水的污染物形式

实验的化学试剂包括酸、碱、重金属盐、酚类及其它有机物等，其中大多数都能对环境产生污染。常见的污染物有以下几种：

酸碱污染物：实验室常用的酸有HC1、HNO3、H2SO4等强酸，碱有KOH、NaOH、Na2CO3等强碱，若将其直接排放到水中，可使水的pH值降低或升高。水的pH值>8.5或pH值<6.5，就会导致水中的生态系统受到破坏，影响水体的自净能力。水质pH值过低，还对下水管道中的金属设备造成严重腐蚀。

重金属污染物：化学实验室所涉及到的重金属有汞、镉、铬、钒、钴、铜等，其中汞毒性最大，镉、铬次之。如汞可由呼吸道、消化道以及皮肤直接吸收而进人人体，可造成积累性中毒，损害人的消化系统及神经系统，烷基化的汞毒性更大;镉由呼吸道进人人体后，造成积累性中毒，能导致肺气肿，损害肾功能，使肾小管吸收不全，过多的钙长期受损失而得不到补充，导致骨质疏松和骨骼软化。

有机物污染物：实验室有机污染物的种类繁多，组成复杂，主要来自有机溶剂、有机试剂和有机产品共100多种。其中使用量较大的药品有醇类（甲醇、乙醇、甘油等）、苯、四氯化碳、丙酮、醚类（如乙醚、甲醚）、烃类（烯烃、芳香烃等）、酚类（苯酚、对苯二酚、含氮酚类等）其用量较大。其他用量很小。实验室有机物废液的污染主要是使水体溶解氧浓度降低，水色变深，发臭。

2  实验材料和方法

2.1  实验材料

2.1.1   主要仪器

WG7007L20LI-K6格兰仕微波炉、数显恒温水浴锅HH-2、PHS-PH计、HZQ-X100振荡培养箱、SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵、电子天平、电热套、酸式滴定管、冷凝管等。

2.1.2   试剂

盐酸、氢氧化钠、30%H2O2溶液、硫酸亚铁、活性炭、六水合硫酸亚铁铵、重铬酸钾、邻啡罗啉、浓硫酸、硫酸银。

2.2  试验方法

以该校无机、有机和生物实验室的废水为原水，在实验教学正常进行期间，持续收集实验废水，再采用随机连续的方式取得实验水样，利用微波消解，Fenton试剂催化氧化，活性炭吸附组合工艺形式处理废水，再分别改变水的酸碱性、催化氧化剂和活性炭的投加量等以研究单因素对组合工艺处理效果的影响，以综合性有机物指标COD的变化情况表示不同实验条件下实验废水处理效果。根据持续收集、混合后测定的原水水质：COD初始值为2 642.35 mg/L，废水呈强酸性，pH=1。

具体步骤如下：

（1）收集实验废水，废水取自学院实验室;

（2）取200 mL置于微波炉中，在800 W的输出功率下，照射10 min;

（3）使用pH计调节废水pH=3.5;

（4）取废水200 mL置于250 mL的锥形瓶中，加入2 mL 30%H2O2溶液，0.16 g硫酸亚铁和0.6 g活性炭;

（5）置于50 ℃恒溫振荡箱120 min，使反应充分;

（6）置于50 ℃水浴30 min， 以去除残余的H2O2;

（7） 冷却反应液至室温，使用真空抽滤瓶抽滤;

（8）取滤液，测COD。

3  单因素和组合工艺实验

3.1  单因素实验

3.1.1  原水pH对去除率的影响

根据实测数据，在连续收集废水进行实验研究时，原水的pH均值约为1。

在消解时间不变的条件下，设定实验条件为：活性炭投加量为0.6 g，FeSO4的投加量为0.16 g， 30% H2O2 投加量2 mL，进行pH单因素实验。

由图1看出，pH=1～2之间，COD去除率不佳，提高缓慢;在pH=2～3的范围内，COD去除率陡然上升，又在pH=4～5陡然下降，而pH=3～4之间去除效果稳定，且有最佳去除效果，所以pH=3～4为最佳酸度条件。

3.1.2  活性炭投加量对去除率的影响

取200 mL水样，在确定微波消解时间为10 min，pH=4，2mL 30%H2O2 ，0.16 g FeSO4 的基本实验条件下，改变活性炭的量，测定原水的COD的指标变化，获取活性炭单因素对实验结果的影响情况。

由图2可知，活性炭投加量在0.3～0.5 g，实验废水的COD去除率不大于30%。活性炭投加量在0.5～0.6 g，COD去除率大幅度提高，活性炭投加量在0.6～0.7 g，COD去除率略下降。因此活性炭单因素的最佳投加量为0.6 g。

3.1.3  FeSO4 的投加量对去除率的影响

在活性炭投加量为最优值，其他实验条件不变的情况下，改变Fenton中FeSO4 的投加量以确定其最佳投加量、FeSO4和H2O2的摩尔比。

由图3可以看出，当硫酸亚铁投加量0.08～0.12 g时组合工艺的COD去除率十分低，低于15%。当硫酸亚铁投加量0.12～0.16 g时组合工艺的COD去除率陡然提高。继续增加硫酸亚铁的投加量，0.16～0.24 g COD的去除率趋于水平，由此确定FeSO4的投加量为0.16 g。

3.2  组合工艺实验

随机收集5 d的废水进行微波消解、活性炭吸附和Fenton试剂催化氧化以及三种处理方法组合的工艺处理，实验流程如图4所示。原水水质见表1。

由图5-7可知，通过连续5 d水样收集、处理，本文根据实验室废水性质所设计的组合工艺对COD的去除率分别为51.97%、49.94%、55.30%、64.77%和65.14%，平均去除率达到57.43%，有显著的去除效果;

且存在废水有机负荷越高，去除效果越明显的特点;和微波消解、Fenton催化氧化、吸附等单一工艺处理相比，处理效果有明显的提升，且对废水水质适应情况更好。

4  结 论

实验室废水成分复杂、排放周期不定等特点使得其可生化性不高，单一的处理技术很难得到较好的效果，本文根据其特点针对性的提出用活性炭吸附、Fenton催化氧化和恒温震荡微波消解的方法对实验室废水进行处理，在具体的实验过程中，此次实验首先根据所收集废水的强酸性质调整了pH值，再分别根据单因素实验确定了活性炭投加量、FeSO4、H2O2的比例关系，最终验证了综合工艺对不断变化水质的处理效果。

结果表明，该组合工艺能够在选用实验室普通药剂和实验条件下对废水进行预处理是可行的，处理效果比较理想，对改变现阶段高校、科研院所的实验废水不能及时得到处理、影响周围环境的现状有一定的参考价值和现实意义。

参考文献

[1]庞志华，苏兆征，罗隽.等.科研单位实验室废水处理工程设计与分析[J].给水排水.2012，38（1）：70-72.

[2]于鷹.实验室废水的主要污染成分以及处置方法的研究[J].农业与技术，2013，33（8）：230-232.

[3]高磊，王剑.实验室废水处理探究[J].资源节约与环保，2018（06）：104-105.

[4]宋少花，宋晓乔，杨春娣.分级Fenton体系中羟基自由基产量及其氧化土壤中石油污染物的影响因素研究[J].当代化工，2018，47（5）：926-930.

[5]易斌，杨春平，郭俊元，等.活性炭吸附-Fenton 氧化处理高盐有机废水[J].环境工程学报，2013，7（ 3） ：903-907.

[6] 叶少帆，吴志超，王志伟，等.Fenton氧化-活性炭吸附协同深度处理垃圾渗滤液的研究[J].环境工程学报，2010，4（ 6） ：1363-1367.

[7] Walter K，Paulsson M，Hellstrtim P.Acid hydrogen peroxide treatment of Norway spruce TMP：a mode1 study using free ferrous ions and ferric ions chelated with EDTA as catalysts[J].Journal of Wood Chemistry and Technology，2013，33（4）：267-285.

[8]贺华中，宝冬梅，李玉梅， 等. 絮凝沉淀和人工湿地法治理化学实验室废水[J].安徽农业科学，2010，38（12）：6469-6470.

[9]Wu D L，Wang W，Guo Q W，et a1.Combined Fenton-SBR process for bamboo industry wastewater treatment[J].Chemical Engineering Journal，2013，214：278-284.