芬顿试剂处理餐饮废水的特性分析

摘要：以安徽省某高校食堂的餐饮废水为研究对象，采用单因素控制和响应面法分析了芬顿试剂中Fe2+、H2O2投加顺序，Fe2+与H2O2投加比、pH值、温度以及反应时间对该类废水处理效果的影响。结果表明，芬顿试剂按照先投加Fe2+后投H2O2的投加顺序，且在Fe2+与H2O2投加比为4∶6、pH值在3～4、温度为30℃、反应时间为60 min时，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率可达80.5%。同时，采用响应面分析优化试验条件，得到最佳条件是Fe2+与H2O2投加比为7∶9、pH为4.19、温度为60 ℃、反应时间为60 min，该预测条件下的COD去除率可达86.8%。

关键词：餐饮废水；芬顿试剂；响应面分析；化学需氧量（COD）

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）08-0-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.070

Chemical Characteristics of Fenton Reagent in the Purification of Restaurant Sewage

WU Yang

（Anhui Ecological and Environmental Monitoring Center， Hefei 230071， China）

Abstract： Taking the catering wastewater from the canteen of a university in Anhui Province as the research object， the effects of Fe2+ and H2O2 dosing order， Fe2+ and H2O2 dosing ratio， pH value， temperature and reaction time of Fenton’s reagent on the effect of this kind of wastewater treatment were analyzed by using the one-factor control and response surface method. The results showed that the removal rate of Chemical Oxygen Demand （COD） was up to 80.5% when the Fenton reagent was added in the order of Fe2+ and then H2O2， and the Fe2+ to H2O2 addition ratio was 4∶6， the pH value ranged from 3～4， the temperature was 30 ℃， and the reaction time was 60 min. At the same time， the response surface analysis was used to optimize the experimental conditions， and the optimal conditions were Fe2+ to H2O2 dosing ratio of 7∶9， pH of 4.19， temperature of

60 ℃， and reaction time of 60 min， and the removal rate of COD could reach 86.8% under these predicted conditions.

Keywords： restaurant sewage; Fenton reagent; response surface methodology; Chemical Oxygen Demand（COD）

随着我国餐饮业的不断发展，餐饮消费广泛化带来的餐饮废水污染问题日趋严峻。餐饮废水指由餐饮企业排放的废水，来源为餐饮制作的一系列过程，其成分以有机物居多，且主要以胶体形式存在。餐饮废水水质参数波动大，其间的化学反应较为复杂，化学键间的稳定性差[1]，因此该类废水的处理显得相较棘手，加之餐饮废水集中排放的间歇性和很高的瞬时排放量，使得餐饮废水便于用化学法进行集中处理。

芬顿（Fenton）试剂原理是在酸性条件下，H2O2经Fe2+催化生成强氧化性羟基自由基，进而引发更多的其他活性氧与难降解有机物发生氧化反应，破坏有机物原有结构，最终使其氧化分解[2]。周俊等[3]利用电Fenton法处理食堂餐饮废水，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率可达66.1%，悬浮物（Suspended Solids，SS）去除率可达85.4%。聂旭等[4]利用类芬顿试剂（Fe-H2O2）处理餐饮废水，发现在pH值为2、反应时间为30 min、反应温度为60 ℃、H2O2投加量为5 mL、nH2O2∶nFe为6∶1的最优条件下，COD和动植物油的去除率分别可达91.2%和96.47%。

本研究以安徽省某高校食堂餐饮废水COD含量作为特征因子，研究芬顿试剂中Fe2+与H2O2投加量的比值和投加顺序对餐饮废水处理效果的影响，并采用单因素控制变量法继续探究pH值、温度及反应时间对芬顿试剂处理餐饮废水效果的影响。同时，利用Design-Expert软件做响应曲面分析了各因素间的交互关系和最佳试验条件预测，以期为该类废水的实际处理提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验原水与试剂

餐饮废水取自安徽省某高校食堂，水样pH值为5.9～6.7，COD浓度为1 300～1 500 mg/L，氨氮浓度为80～86 mg/L。试验所用试剂包括过氧化氢溶液（浓度为0.98 mol/L）、硫酸亚铁溶液（浓度为0.98 mol/L）、重铬酸钾、硫酸及硫酸银等。

1.2 监测指标分析方法

pH采用《水质 pH值的测定 玻璃电极法》（GB 6920—1986）测定，COD采用《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》重铬酸盐法（HJ 828—2017）测定，氨氮采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》（HJ 535—2009）测定。

1.3 芬顿试剂氧化单因素试验

1.3.1 投加比的影响

取9份50 mL水样，加入硫酸亚铁和H2O2，投加比依次为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2以及9∶1，调节pH后在恒温水浴振荡器上振荡30 min，振荡时温度调至30 ℃。振荡完成水样静置1 h后，测得COD含量。

1.3.2 pH值的影响

调节水样pH值依次为1～2、2～3、3～4、4～5、5～6、6～7，分取该梯度下废水水样各50 mL，加入硫酸亚铁和H2O2，振荡完成后静置1 h测得COD值。

1.3.3 温度的影响

取50 mL水样6份，加入芬顿试剂后将锥形瓶放置在温度依次调至为10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃以及60 ℃的恒温水浴振荡器上振荡，振荡完成静置1 h测得COD值。

1.3.4 反应时间的影响

取6份50 mL水样，将水样依次放置在温度调至30 ℃的恒温水浴振荡器上振荡10 min、20 min、30 min、40 min、50 min以及60 min，振荡完成后静置1 h测得COD值。

2 结果与讨论

2.1 投加比对芬顿试剂处理效果的影响

投加配比对COD去除效果的影响如图1所示。在Fe2+与H2O2投加比为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6的范围内，随Fe2+投加量的增加，COD去除率呈明显上升，且在Fe2+与H2O2投加比为4∶6时，废水COD去除率达到最大值76.6%。说明此范围内，随着Fe2+投加量的增加，使得H2O2在水体中产生足量的羟基自由基，产生的羟基自由基强烈夺取废水样中难降解有机物上的H+，从而破坏有机物的结构，降低废水样中有机物含量。相反，Fe2+与H2O2投加比用量过低意味着芬顿试剂中H2O2浓度过高，过量的H2O2会与系统中分解产生的羟基自由基发生复合反应，降低强氧化性羟基自由基量[5]，影响芬顿反应效果。同样，当Fe2+与H2O2投加比按照5∶5、6∶4、7∶3、8∶2以及9∶1增大时，Fe2+含量高，过量的Fe2+会与羟基自由基反应，被氧化为Fe3+，从而消耗大量的羟基自由基，造成COD去除效率的下降。

2.2 pH值对芬顿试剂处理效果的影响

pH值对COD去除效果的影响如图2所示。可以看出，芬顿试剂在pH值为3～4时COD去除率最高。Fe2+因pH值变化而呈现不同的络合离子形态，一般认为，Fe2+会随着pH值的升高转变为Fe（OH）+，最终生成Fe（OH）2，不同形态的Fe2+对H2O2的催化能力存在不同。可以看出在pH小于3和pH大于5时，废水COD的去除率呈明显下降趋势[6]。当水样的pH值过低意味着H+浓度过高，H2O2以H3O2+的形式稳定存在，而且有机物在强酸性环境中不易分解，Fe3+被还原成Fe2+的过程受阻，不能进行催化反应，影响羟基自由基的生成，降低芬顿试剂的氧化效果[7]；当水样处于弱酸状态时，Fe2+催化H2O2生成羟基自由基作用不明显，同样不能达到理想的处理效果。

2.3 温度对芬顿试剂处理效果的影响

温度对COD去除效果的影响如图3所示，在给定的温度范围内，芬顿氧化效果大致随温度升高而增强。在10 ℃升至20 ℃时，温度对芬顿试剂的效果不明显，但在20 ℃升至30 ℃时，芬顿试剂对于有机物的去除率明显提升，达到79.7%，此后随着温度的增加，COD去除率保持在80%左右。芬顿试剂随着温度的升高而加快自身羟基自由基的生成，从而提高COD的去除率。但是，过高的温度会增加H2O2分解成水和氧气的概率，导致COD去除效率提升效果不明显[8]。因此，在考虑餐饮废水的自身特性，认为反应温度在30 ℃为最佳试验效果。张永利等[9]在做芬顿氧化模拟餐饮废水时，将最佳反应温度设为25 ℃；邵强等[10]在处理聚丙烯酰胺废水时将最佳温度控制在40 ℃。

2.4 反应时间对芬顿试剂处理效果的影响

反应时间作为影响化学反应速率的重要因素，通常情况下，随着反应时间的增加反应更彻底，反应时间对COD去除效果的影响如图4所示。可以看出，芬顿反应时间为10～30 min时，氧化有机物的效果随反应时间的增加不断增强，表明此时段Fe2+催化分解过氧化氢，从而产生大量羟基自由基。而在反应时间达到30 min后，废水的COD去除率增加变得平缓，芬顿反应趋于稳定。在反应时间达到60 min时，COD去除率为80.5%。可以看出，随着反应时间的增加，羟基自由基表观生成率逐渐升高，原水中有机质的降解明显[11]。当反应时间超过最佳值后，羟基自由基只能将废水中大分子的有机物氧化成为小分子有机物，不能彻底反应。邓泽宇等[12]在研究三乙胺废水的芬顿试验时发现，前30 min内反应迅速，三乙胺被大幅度去除，90 min后反应趋于平缓，去除率相较持平。

2.5 响应面分析

为继续分析各因素对芬顿氧化效果的影响，将投加比、pH值、温度以及反应时间4个因素作为变量用Design-Expert软件进行响应面分析，评估变量与响应值之间的交互关系，最终计算4个因素对芬顿试剂处理餐饮废水效果的最适值。

硫酸亚铁与H2O2投加量的响应曲面如图5所示。可以看出，当固定过氧化氢投加量时，响应值随硫酸亚铁投加量的增大呈现先升后降的明显趋势，且趋势变化较大；相反，固定硫酸亚铁的投加量，随着H2O2投加量的增加同样呈现出先升后降的变化。响应曲面的陡峭程度表明硫酸亚铁投加量和H2O2投加量间的交互作用显著。

硫酸亚铁投加量和pH值间的响应曲面如图6所示。可以看出，响应值随着硫酸亚铁投加量和pH的升高而呈现先增后降的态势，响应曲面的陡峭程度表明硫酸亚铁投加量和pH值间存在交互作用。

H2O2投加量和pH值间的响应曲面如图7所示。可以看出，响应值随着投加量和pH的增加而呈现先升后降的变化，曲面表明H2O2投加量和pH值间存在相关的交互作用。

pH值和反应时间的响应面以及pH值和温度的响应面如图8所示。由图8（a）和图8（b）可知，相较前面变量间交互作用的响应曲面程度，这两个曲面较为平滑，表明pH值和反应时间以及pH值和温度的交互作用不显著。

通过对4个自变量的响应面分析，继续应用Design-Expert软件对响应面试验进行最佳试验条件的预测。通过计算分析得到，芬顿试剂处理餐饮废水的最佳条件：Fe2+与H2O2投加比为7∶9、pH为4.19、温度为60 ℃、反应时间为60 min。预测该条件下COD去除率理论上可达86.8%。

3 结论

芬顿试剂处理餐饮废水，投加顺序为先投加Fe2+后投H2O2时的效果优于先投加H2O2后投加Fe2+时的处理效果，且在Fe2+与H2O2的投加比为4∶6、pH值在3～4、温度为30℃、反应时间为60 min时，有机物的去除效果最佳，COD去除率为80.5%。通过对4个因素的响应面分析得出，硫酸亚铁投加量和H2O2投加量间的交互显著，硫酸亚铁投加量、H2O2投加量分别与pH值间存在交互，pH值分别和温度、反应时间交互不显著。应用Design-Expert软件对响应面试验进行最佳试验条件预测，得到的最佳条件为Fe2+与H2O2投加比为7∶9、pH为4.19、温度为60 ℃、反应时间为60 min。预测该条件下COD去除率可达86.8%。

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