實驗：混凝與芬頓氧化聯(lián)合處理染料廢水
摘 要：混凝-Fenton氧化聯(lián)合處理高難度的印染廢水。采用正交試驗設計，分析pH值、混凝劑和助凝劑的投加量對處理效果的影響，得出最優(yōu)化的混凝條件;采用單因素實驗，研究pH值、FeSO4˙7H2O和H2O2投加量對Fenton氧化處理效果的影響，確定最佳實驗條件。實驗結(jié)果表明：混凝-Fenton氧化聯(lián)合處理印染廢水的最佳平均脫色率達到95.3%，COD去除率達到90.1%。
1 概述
染料的相對分子質(zhì)量一般在700～1500之間，帶有水溶性基團的染料分子水溶性好，帶有非水溶性基團的染料分子則表現(xiàn)出憎水性。染料廢水中膠體粒子通常帶負電荷，電位在-7mV～20mV之間。印染廢水中還常帶有一些助劑，起促染(加速染料上染)或緩染(延緩染料上染，使染色更加均勻)的作用，隨著化纖織物的發(fā)展和印染后整理技術(shù)的進步，聚乙烯醇和羧甲基纖維素、化學漿料、新型染料助劑等難生物降解的有機物大量進入廢水，一方面使廢水的化學需氧量(COD)增高，由原先的數(shù)百毫克/升上升到1000mg/L～2000mg/L，另一方面使廢水的可生化性降低。有關(guān)人員對印染工業(yè)使用的300多種化學藥劑進行了研究，發(fā)現(xiàn)其中40%藥品的BOD只占其本身重量的10%以下，屬于難生物降解的物質(zhì)，給廢水處理增加了難度。另外染料廢水的色度高且成份復雜。由于染色品種和工藝的不同，所用染料助劑等變化很大。染料上色率的高低及本身化學耗氧量的大小對水質(zhì)影響甚大。一般染色廢水的堿性都很強，硫化和還原染料更突出，pH值可以達到10以上，染料的生化需氧量較小，但化學需氧量(COD)都很高。
染料廢水是含有染料的有色廢水，具有組成復雜、水量和水質(zhì)變化大、色度高、難生物降解物質(zhì)濃度高等特點，是難處理的工業(yè)廢水之一[1]。印染廢水色度深、濃度大且可生化性差，是一類較難處理的工業(yè)廢水，對這類廢水采用單一方法往往不能達到處理要求。文章采用混凝法與氧化法聯(lián)合工藝對模擬印染廢水進行處理。
2 實驗部分
2.1 實驗材料
2.1.1 粉煤灰改性
將粉煤灰和0.5mol/L的H2O2按固液質(zhì)量比為1∶10的比例混合，常溫條件下攪拌反應一定時間，然后進行抽濾，將所得固體洗凈后烘干，備用。
2.1.2 配制模擬染料廢水
混合染料：分別稱取直接深藍、堿性桃紅、酸性橙各0.0333g，混合后定容至1000ml，配成100mg/L的廢水，測其pH值為7.99，色度為1080倍，COD值為1360mg/L。
2.2 實驗方法
2.2.1 混凝處理模擬廢水
在500ml的燒杯中加入500ml印染廢水，定位在加熱攪拌機上，邊攪拌邊加入混凝劑PFS，調(diào)節(jié)pH值，混凝一段時間后，加入PAM，快速攪拌1min，加入助凝劑粉煤灰，快速攪拌2min，再慢速攪拌10min，靜置20min后取其上清液，測定吸光度。
2.2.2 Fenton氧化法處理模擬廢水
首先在混凝處理后的上清液中加入FeSO4溶液，再調(diào)節(jié)pH值，使之充分混合，迅速加入設定的H2O2量，并接通紫外燈(18W)的電源，反應30min后，靜置10min測其吸光度。
2.2.3 正交實驗
混凝主要影響因素為：pH值(A)、PFS投加量(B)、PAM投加量(C)、粉煤灰投加量(D)，采用L9(43)正交表加以研究[2]，其中各因素水平取值鑒于文獻資料中經(jīng)驗值而定。如表1所示。
表1 混合染料廢水處理正交實驗因素水平表
3 結(jié)果與討論
3.1 混凝正交實驗結(jié)果與討論
方差分析結(jié)果表明，A、B都為極顯著，由于沒有交互作用，故為加性模型，即A、B的好水平組合表現(xiàn)一定好。從表2極差分析中可看出，各因素對脫色率的影響順序為：pH值>PFS投加量>PAM投加量>粉煤灰投加量。從平均值上看，A以A3最好，B以B2最好，C以C2最好，D以D2最好。又因D水平1、2相差很小，由此我們可判斷正交表中混凝的最佳組合是A3B2C2D1，即混合染料廢水混凝最佳條件為：pH值7，PFS投加量1000mg/L，PAM投加量8mg/L，粉煤灰投加量2g/L。以此最佳條件做三次重復實驗，所得平均脫色率是83.9%。
3.2 芬頓氧化實驗結(jié)果與討論
3.2.1 初始pH值對氧化脫色率的影響
在Fe2+投加量為200mg/L，H2O2 6ml/L下，調(diào)節(jié)不同的pH值，得圖1。
初始pH值在3，脫色率效果最好，但隨著pH值增大，脫色率逐漸下降。這是因為Fenton試劑是在酸性條件下發(fā)生作用，在中性和堿性條件下pH值升高抑制了˙OH的產(chǎn)生;當水樣pH值過高時，F(xiàn)e3+會以氫氧化物的形式發(fā)生沉淀而失去催化能力;另外，隨著pH值的升高，H2O2的穩(wěn)定性下降，高pH值會造成H2O2的自身氧化分解[3]。
3.2.2 硫酸亞鐵的投加量對氧化脫色率的影響
在pH值為3，H2O2 6ml/L下，脫色率隨著硫酸亞鐵量的增加而增加，當硫酸亞鐵量為200mg/L時，脫色率最好，但投加量再增加，脫色率下降。不同的Fe2+質(zhì)量濃度產(chǎn)生不同的催化效果的原因是：Fe2+作為Fenton反應的催化劑，當其質(zhì)量濃度較低時，隨著Fe2+質(zhì)量濃度的增加，產(chǎn)生的˙OH自由基量也不斷增加;當Fe2+質(zhì)量濃度過量時，會還原H2O2且自身氧化成Fe3+，使出水的色度增加。
3.2.3 H2O2投加量對氧化脫色率的影響
在pH值為3，F(xiàn)e2+濃度200mg/L下，改變H2O2投加量，脫色率隨H2O2投加量增加而增大，直到H2O2為6ml/L時，脫色率最好，之后，再增加投加量，脫色率下降。這可以被理解為當H2O2投加量較低時，隨著H2O2投加量的增大產(chǎn)生的˙OH自由基量也增大，故Fenton試劑的氧化能力增強;當H2O2的投加過高時，H2O2破壞生成的˙OH自由基，也造成H2O2自身的無效分解：2˙OH+H2O2→2H2O+O2;另外，過多H2O2同時會將Fe2+氧成Fe3+，而使氧化反應在Fe3+的催化下進行，降低了˙OH自由基的產(chǎn)生效率[4]。
綜上所述，氧化的最佳條件為：pH值3，F(xiàn)eSO4˙7H2O投加量200mg/L，H2O2投加量6ml/L，混凝處理效果最佳的廢水上清液在此氧化最佳條件下，做三次重復驗證實驗，得平均脫色率為95.3%，平均COD去除率為90.1%，測得廢水色度為55倍，COD值為130mg/L。
4 結(jié)論
(1)混凝-氧化處理成分復雜的印染廢水具有良好的效果，經(jīng)混凝、氧化兩步處理，色度去除率達95.3%，COD去除率達90.1%。
(2)混凝最佳條件為：pH值7，PFS投加量1000mg/L，PAM投加量8mg/L，粉煤灰投加量2g/L;氧化最佳條件為：pH值3，硫酸亞鐵投加量200mg/L，過氧化氫投加量6ml/L。
