超声波强化类Fenton体系对亚甲基蓝废水的处理效果试验研究

李佳承，李亚峰，满心祁

超声波强化类Fenton体系对亚甲基蓝废水的处理效果试验研究

李佳承1，李亚峰1，满心祁2

（1. 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2. 中电系统建设工程有限公司，北京 102488）

为提升fenton法处理效果，阐述超声波强化类fenton体系对亚甲基蓝废水的处理效果研究。通过控制控制超声波频率、超声波功率来进行单因素试验，并最终确定最优反应条件下的去除效果。研究表明当pH值调节为3，Fe3O4-MnO2-PAC的投加量为0.8 g·L-1，投入 H2O2的量为0.8 Qth，设备温度为25 ℃，得出最佳超声频率为28 kHz，最佳超声功率为120 W，用超声波强化类Fenton法处理亚甲基蓝废水，反应时间为90 min时，色度平均去除率为99.31%，COD的平均去除率为85.22%。

Fenton法；超声波强化；COD；色度

近年来，超声波被普遍用以工业水处理方面，大量的研究表明，超声技术对降解废水中的有机污染物有着显著效果，比如酚类有机化合物［1］、聚合物、芳香族有机化合物［2］等等，该技术的发展前景良好。

在超声波自身的空化作用下，溶液中会产生气穴微泡，微泡的破裂会使反应器的局部产生高温高压的环境，使得有机污染物在高温条件下发生热解反应从而得到去除，并且高温高压的环境能够使反应物活化，加快催化降解速率，使去除效果提升。

在Fe3O4-MnO2类Fenton体系处理亚甲基蓝废水最佳试验条件的基础上［3］，本文加入了超声波的辅助作用。利用超声波降解有机物时，对处理效果产生影响的因素有很多［4］，不仅有超声系统方面的因素，还有整个反应体系的性质因素，在本试验我们主要选择超声功率和超声频率这两个因素来探讨，讨论了超声波功率和超声波频率对于超声波强化类Fenton体系处理亚甲基蓝废水处理效果的影响。

1 试验

1.1 试验装置

1.1.1 Fenton试验装置

试验采用六联同步自动升降搅拌机，可以设定运行时间和转速，试验装置实物图如图1所示。

图1 Fenton试验装置实物图

1.1.2 超声强化类Fenton反应装置

超声波强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton法处理亚甲基蓝废水的试验研究均在超声波清洗槽内进行。该反应器可以自行调节其超声时间（min）和超声功率（W）以及超声频率（KHz）。试验装置原理图如图2所示，超声波清洗槽如图3所示。

1.2 试验水质

试验水样采用模拟亚甲基蓝废水，控制模拟废水中COD质量浓度为165.9 mg·L-1，色度为1 522.5（倍）。

1.3 分析项目及检测方法

本试验所需进行检测的项目及检测方法均按照国家环保局编写的《水和废水监测分析方法》［5］中规定的方法进行测定。主要检测项目及分析检测方法见表1。

图2 试验装置原理图

图3 超声波清洗槽

表1 水质检测项目以及测试方法

2 结果与讨论

2.1 超声波功率对处理效果的影响

制备6份100 mL亚甲基蓝试验水样，其色度1 523.9（倍），COD质量浓度为166.2 mg·L-1，分别加入6个500 mL的烧杯中。用配制好的稀硫酸和氢氧化钠溶液分别调节pH为3，然后依次向每一个烧杯中固定投加0.8 g·L-1的催化剂Fe3O4-MnO2- PAC，投加H2O2的量为0.8 Qth，将超声波设备的温度调节到25 ℃，超声频率调节为28 kHz，调整超声功率分别为75、90、105、120、135、150 W，设置超声辐射时间为120 min，待反应结束以后，关闭超声波反应器，取得上清液，一部分用分光光度计测出其出水COD浓度，另一部分用比色法测量其出水色度，试验结果如图3所示。

从图4可以得出，随着超声波功率的增大，超声波强化类Fenton体系处理亚甲基蓝废水的处理效果越来越好。在超声功率为120 W时，亚甲基蓝色度去除率和COD降解效率较好，色度几乎完全去除，COD的去除效率达到87.31%，出水的COD质量浓度为21.09 mg·L-1。

图4 超声波功率对超声强化类Fenton法对亚甲基蓝废水处理效果的影响

此后随着仪器超声功率的继续增大，去除率上升幅度较小，在到达150 W时，COD去除效率为87.62%，比120 W时COD去除率上升了0.31%。超声波的功率越高，对亚甲基蓝废水的处理效果就越好，但是在超声功率增大到150 W时，COD去除率只比120 W时超声功率时增加了0.31%。这是因为在超声波功率比较低时，超声波的空化作用比较弱，不利于对溶液中COD浓度的减少。超声波的功率增大后，溶液内部的空化作用加强，产生大量的气穴微泡，随着气穴微泡内部积攒的能量越来越多，当气穴微泡达到临界点破裂后在局部会产生大量的热量，有机物在高温的条件下更有利于被去除。同时在超声波的持续空化作用下，溶液中·OH的浓度升高，催化降解的速率加快，对亚甲基蓝溶液的降解效果增强［6］。另外还因为随着超声波功率的增强对溶液的搅拌作用也会随之增强，使得·OH与亚甲基蓝溶液之间充分接触，从而使得去除率升高。去除效果增长不明显，但是却增加了运行成本，所以该试验的最佳超声功率选择120 W［7-9］。

2.2 超声波频率对处理效果的影响

取100 mL试验水样4份， COD质量浓度为167.8 mg·L-1，其色度为1 522.2（倍），分别加入4个500 mL的烧杯中。用配制好的稀硫酸和和氢氧化钠溶液分别调节pH为3，然后依次向每一个烧杯中固定投加0.8 g·L-1的催化剂Fe3O4-MnO2-PAC， H2O2的投加量为0.8 Qth，均匀搅拌，随后在超声波清洗槽中放入烧杯，将超声波设备温度调节到25 ℃，功率调节为固定的120 W，分别调整频率为25、28、40、60 kHz，设置辐射时间为120 min，待反应结束以后，关闭超声波反应器，将待测液静置一段时间，然后取距离液面1 cm处的上清液，一部分用分光光度计测定出水COD浓度，另一部分用比色法测量出水色度。试验结果如图5所示。

图5 超声波频率对超声强化类Fenton法降解亚甲基蓝处理效果的影响

从图5能够得出，随着超声波频率不断增大，亚甲基蓝色度的去除率和COD去除效率都随之降低。在超声波频率达到25 kHz时，其色度去除率和COD去除效率均达到最大值，其色度几乎完全被去除，COD的去除率为88.16%。当超声波频率为28 kHz，色度去除率仍然是100%，而COD去除效率有稍微降低，降低为87.33%，相比频率为25 kHz时降低了0.83%。超声频率增大到60 kHz，其色度去除率仅达到89.24%，COD去除效率仅达到76.82%，降解效果不好。这主要是因为当超声波的频率增大时，意味着声波的周期时间缩短，周期缩短后给予空化泡从开始到濒临崩溃的过程提供的时间大大减少，不利于空化泡的成长，所以发生空化效应的机会和强度减弱，所以在频率升高后生成的·OH不足以降解废水的有机污染物，导致降解效果不好，去除率下降。综上所述，在超声频率为25 kHz时去除效果最佳，但是因为25 kHz以下都是人们能够听到的声音范围，会在试验过程中产生噪音，给试验过程带来负担。所以本试验选择28 kHz作为最佳超声频率。

2.3 最优反应条件下的去除效果

经过上述试验的讨论可以得出，超声波强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系降解此类废水时的最佳超声功率为120 W，最佳超声频率为28 kHz。笔者研究了在最优处理条件下，超声波强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系对此类废水的处理效果，与Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系降解此类废水时的效果进行对比，研究超声波的强化辅助作用对整个体系的影响。通过上述试验做的单因素试验此类废水降解效果研究，可以确定了超声波强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系降解此类废水的试验研究最优试验条件为：取进水色度为1 531.1（倍），进水COD质量浓度为167 mg·L-1的废水，pH值调节为3，催化剂Fe3O4-MnO2-PAC的投加量为0.8 g·L-1，投加H2O2的量为0.8 Qth，搅拌均匀，然后将烧杯放入到超声波清洗槽中，将超声波设备的温度调节到25 ℃，超声功率固定为120 W，调整超声频率为28 kHz，待超声时间分别为10、20、30、40、50、60、90、120 min时，试验结果如图6所示。

图6 最优条件下三次平行试验的处理结果

从图6可以看出在30 min内，平均出水色度已经降低到180.4（倍），平均去除率已经增长到88.04%，色度去除率急剧上升；出水COD质量浓度降低为81.27 mg·L-1，COD去除率51.15%，降解效果显著。在30 min后能够得出，去除率上升趋势缓慢，对这种废水的降解速度减慢，到120 min时，其色度去除率和COD降解效率都达到最大，三次试验的色度平均去除率为100%，比反应进行到60 min时增长了2.26%，三次试验的COD平均去除率为87.62%，比反应时间为60 min时增加了7.54%。

通过对最优处理效果的研究，在其余试验条件均相同的基础上，将超声波强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系对此类废水的处理结果，与普通Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系降解此类废水时的处理结果进行对比，结果表明：超声强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton法处理废水后，亚甲基蓝废水色度和COD去除率均比单独类Fenton法处理时有所提高。用超声强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton法处理废水90 min时，色度和COD的平均去除率分别为99.31%和85.22%，可达到单普通Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系处理此类废水120 min时的处理效果。说明超声波对类Fenton法有强化作用，对反应有促进作用，不仅提高了降解效果，并且在节约反应时间上也作出了贡献。

3 结 论

1）超声波强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系降解亚甲基蓝废水时的最佳超声功率为120 W。

2）超声波强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton体系降解亚甲基蓝废水时的最佳超声频率为28 kHz。

3)用超声强化Fe3O4-MnO2-PAC类Fenton法处理废水90 min时，色度平均去除率为99.31%，COD的平均去除率为85.22%，可达到单独类Fen处理废水120 min时的降解效果。

［1］NEPPOLIAN B, PARK J S, CHOI H. Effect of Fenton-Iike oxidation on enhanced oxidative degradation of para-chlorobenzoic acid by ultrasonic irradiation [J]., 2004, 11 (05): 273-279.

［2］MA Y S. Oxidation of 2-chlorophenol in water by ultrasound/Fenton method[J]., 2000, 126 (02): 130-137.

［3］张小雪. 赤铁矿非均相类Fenton反应降解亚甲基蓝的研究[D]. 西安科技大学, 2012.

［4］蹇锐. 超声波降解水中有机污染物的研究进展[J]. 湖南城市学院学报, 2003 (06): 105-108.

［5］国家环保局水和废水监测分析方法编委会. 水和废水监测分析方法[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.

［6］陈国和. 超声/H2O2协同降解印染废水的研究[J]. 绍兴文理学院学报(自然科学), 2011, 31 (04): 11-14.

［7］马贵阳，刘晓国，郑平．埋地管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报，2007，27 (1)：55-58．

［8］卢涛，姜培学．多孔介质融化相变自然对流数值模拟[J]. 工程热物理学报，2005，26：167-176．

［9］卢涛，佟德斌．饱和含水土壤埋地原油管道冬季停输温降[J]. 北京化工大学学报，2006，33（4）：37-40．

Experimental Study on Treatment Effect of Ultrasonic Enhanced Fenton-like System on Methylene Blue Wastewater

1,1,2

（1. School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China; 2. China Power System Construction Engineering Co., Ltd.，Beijing 102488，China）

In order to improve the treatment effect of the Fenton method, the research on the treatment effect of the ultrasonic-enhanced Fenton system on methylene blue wastewater was introduced.The single-factor test was carried out by controlling the ultrasonic frequency and ultrasonic power, and finally the removal effect under the optimal reaction conditions was determined. The research results showed that when the pH value was adjusted to 3, the dosage of Fe3O4-MnO2-PAC was 0.8g·L-1, the amount of H2O2was 0.8Qth, and the equipment temperature was 25℃, the best ultrasonic frequency was 28kHz and the best ultrasonic power was 120W, the reaction time was 90 min, the average removal rate of chroma was 99.31%, and the average removal rate of COD was 85.22% by using ultrasonic enhanced Fenton method to treat methylene blue wastewater.

Fenton method; Ultrasound enhancement; COD; Chroma

国家科技重大专项课题，辽河流域水污染治理与水环境管理技术集成与应用（项目编号：2018ZX07601001）。

2020-11-10

李佳承（1996-），男，辽宁省鞍山市人，硕士研究生，2019年毕业于沈阳建筑大学给排水科学与工程专业，研究方向：污水处理理论与技术。

X703.1

A

1004-0935（2021）04-0460-04