Fenton試劑對油脂廢水深度處理的試驗

王芳，胡凱泉，劉富安，文樹龍，王杰

(湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院， 湖南長沙410128)

摘要油脂廢水經(jīng)UASB、MSBR處理后的出水COD為200mg/L左右、色度為100倍，未達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的一級排放標準。試驗以該出水為研究對象，用Fenton正交試驗。結果表明反應時間對該體系影響最大，其次是H2O2投加量、FeSO4·7H2O投加量、初始反應pH。通過單因素優(yōu)化試驗，得出最佳處理條件： 反應時間為120min、[H2O2]為0.75mL/L、[FeSO4·7H2O]為0.5g/L、初始反應pH為4.5。在該條件下，COD去除率達到67%，色度去除率達到55%。

關鍵詞Fenton試劑高級氧化羥基自由基油脂廢水深度處理

中圖分類號：X703文獻標識碼： B

[收稿日期]2015-04-27

[作者簡介]王芳(1991—)，女，碩士生，研究方向為重金屬污染治理。電話： 15111130119；E-mail： 1184746694@qq.com。

[通訊作者]劉富安(1991—)，男，碩士生，研究方向為水污染處理技術。電話： 15116195653；E-mail： 1141895838@qq.com。

Experiment of Advanced Treatment for Grease Wastewater with Fenton Reagent

Wang Fang, Hu Kaiquan, Liu Fuan, Wen Shulong, Wang Jie

(CollegeofEnvironmentandResources，HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)

AbstractCOD and color of grease wastewater treated by UASB and MSBR were about 20mg/L and 100 times, respectively, which can’t meet the first class of standard of sewage compressive discharge (GB 8978—1996). As research object, treated grease wastewater was studied by orthogonal test using Fenton reagent. The results show that time has the greatest effect on reaction system, the following factors are dosage of H2O2, dosage of FeSO4·7H2O and initial pH. After experiment optimization, the optimal treatment condition are obtained, which are as follows： reaction time is 120min, [H2O2] is 0.75mL/L, [FeSO4·7H2O] is 0.5g/L, initial pH is 4.5. Under such condition, removal rate of COD is 67% and removal rate of Color is 55%.

KeywordsFenton reagentadvanced oxidationhydroxyl radicalgrease wastewateradvanced treatment

Fenton高級氧化的反應原理是在酸性條件下，通過Fe2+和H2O2組成芬頓試劑，H2O2在Fe2+的催化作用下分解產(chǎn)生·OH而引發(fā)的鏈式反應，羥基自由基具有很強的氧化性及親電加成性能，使反應體系具有極強的氧化能力，有效地將難降解的高分子有機物分解成小分子物質，并且將這些小分子物質、一些顯色基團和某些有毒有害的有機物徹底分解[1-4]。在這過程中水質CODCr和色度都將大幅度降低[5]，通過正交試驗和單因素優(yōu)化試驗并參考降解CODCr和色度的處理效果，從而確定芬頓相關影響因素的重要性及最佳的處理條件。

1試驗水質

試驗水質為經(jīng)過厭氧UASB、接觸好氧處理后的油脂廢水出水，出水CODCr和色度沒有達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的一級排放標準，水質指標如表1所示。

表1　處理水質指標

2結果與討論

2.1Fenton正交試驗設計

影響Fenton高級氧化處理的因素主要有FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量、初始反應pH、反應時間。所選試驗藥劑為分析純，其中H2O2質量分數(shù)為30%、濃H2SO4質量分數(shù)為98%、NaOH質量分數(shù)為5%。

本試驗采用四因素四水平的正交試驗確定深度處理油脂廢水的影響因素，并確定最佳的處理條件。正交試驗的因素水平如表2所示，正交試驗結果如表3所示。

(1) 由表3中極差R分析計算得R4>R2>R1>R3，由此可知對COD的去除率影響因素最大的是反應時間，其次是H2O2投加量、FeSO4·7H2O投加量、初始反應pH。

(2) 由表3可知Fenton處理的優(yōu)選方案為A2B4C3D3，試驗中K2、K3、K4值相等，根據(jù)相關文獻及實際運行操作，反應時間為120min作為優(yōu)選組。即最佳處理條件為FeSO4·7H2O投加量為0.5g/L, H2O2投加量為1.0mL/L, 初始反應pH為4.5，反應時間為120min。優(yōu)選方案只是在數(shù)據(jù)統(tǒng)計下的一種最佳組合方案，真正的最佳處理條件還需要在此基礎上進行單因素優(yōu)化試驗[6]，因此接下來的試驗方案要在正交優(yōu)選方案的基礎上進行單因素的優(yōu)化，而單因素優(yōu)化考察先后順序參照表3中極差R值。

表2　因素水平表

表3　正交試驗結果

注： A為Fe2+；B為H2O2；C為pH;D為時間

2.2單因素優(yōu)化

2.2.1反應時間的優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)選方案，試驗控制FeSO4·7H2O投加量為0.5g/L，H2O2投加量為1.0mL/L, 初始反應pH為4.5。通過設置不同反應時間(30、60、90、120、150、180min六個梯度)，探討反應時間對水樣中COD去除和色度的影響，從而確定最佳反應時間，結果如圖1所示。

圖1　反應時間對COD及色度去除效果的影響 Fig.1　Effect of Reaction Time on Removal of COD and Color

由圖1可知反應開始階段，COD和色度處理效果隨反應時間的增加而逐漸明顯，在反應一段時間后，COD去除率增長緩慢，基本穩(wěn)定且達到最大值，此外色度的處理效果也同樣達到最佳。當反應時間至120min時，COD去除率達到68%，色度降到45倍。當反應時間為120～180min時，反應趨于平穩(wěn)，增加效果不明顯，主要原因是酸性條件下，H2O2在Fe2+的催化作用下生成羥基自由基，隨著反應的進行，H2O2逐漸消耗，·OH的生成量減少[7-9]，反應體系氧化能力逐漸減弱。當反應時間過長時，氧化反應難以繼續(xù)進行。故選擇最佳的反應時間為120min。

2.2.2H2O2的優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)選方案，試驗初始反應pH為4.5、FeSO4·7H2O的投加量為0.5g/L，根據(jù)(2.2.1)確定最佳反應時間為120min。設置H2O2的投加量為0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5mL/L六個梯度，探討H2O2投加量對水樣COD去除和色度的影響，從而確定最佳H2O2投加量，結果如圖2所示。

圖2　H 2O 2的投加量對COD及色度去除效果的影響 Fig.2　Effect of H 2O 2 Dosage on Removal of COD and Color

由圖2可知前期隨著H2O2投加量的增加，COD去除率不斷增加，色度倍數(shù)也不斷下降，但是隨著投加量繼續(xù)增加，COD去除率在達到65%后基本穩(wěn)定，色度降到45倍后出現(xiàn)反彈。主要原因是反應開始階段，在酸性條件下，H2O2在Fe2+的催化作用下生成羥基自由基，隨著H2O2投加量的增加，·OH的生成量不斷增加，大大提高了反應體系氧化能力，故COD和色度處理效果穩(wěn)步提升，但是當H2O2超過一定量時，過多的雙氧水部分自身分解，且過多的雙氧水與Fe2+反應生成Fe3+，造成水樣色度的增加，同時Fe3+會抑制羥基自由基的生成[7-9]，從而會使反應體系逐漸喪失氧化分解有機物的能力。因此當雙氧水投加量繼續(xù)增加，對反應體系其實會造成微弱抑制效果，也造成了H2O2的浪費。綜上所述，選擇最佳H2O2投加量為0.75mL/L。

2.2.3FeSO4·7H2O的優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)選方案，試驗初始反應pH為4.5、根據(jù)(2.2.1)和(2.2.2)確定最佳反應時間為120min、最佳H2O2投加量為0.75mL/L。設置FeSO4·7H2O的投加量為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1g/L六個梯度，探討FeSO4·7H2O的投加量對水樣COD去除和色度的影響，從而確定最佳的FeSO4·7H2O投加量，結果如圖3所示。

圖3　FeSO 4·7H 2O的投加量對COD及色度去除效果的影響 Fig.3　Effect of FeSO 4·7H 2O Dosage on Removal of COD and Color

由圖3可知COD去除率隨著FeSO4·7H2O投加量的增加先增加后緩慢下降，色度倍數(shù)先下降后上升，其中COD去除率最高達到69%，色度最低降到45倍。主要原因是Fenton反應體系中, Fe2+主要是起催化H2O2產(chǎn)生羥基自由基的作用，酸性條件下，當投加H2O2量一定時，反應前期階段Fe2+的漸增催化H2O2生成的自由基逐漸增多，反應體系的氧化能力大大提高，因而提高了降解有機物的效果，故在FeSO4·7H2O投加量增加的前期，COD和色度的處理效果越來越好，但是當Fe2+繼續(xù)增加，過多的Fe2+將與H2O2反應生成Fe3+，這樣消耗了部分H2O2，羥基自由基的量因此受到抑制，同時Fe3+的增加，也會造成水樣色度的增加[7-9]，所以COD和色度的處理效果在FeSO4·7H2O投加到一定量之后反而呈現(xiàn)降低的趨勢。綜上所述，選擇最佳FeSO4·7H2O投加量為0.5g/L。

2.2.4初始反應pH的優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)選方案，試驗以200mL水樣計算，根據(jù)(2.2.1)、(2.2.2)和(2.2.3)確定最佳反應時間為120min，最佳H2O2投加量為0.75mL/L，最佳FeSO4·7H2O投加量為0.5g/L。設置初始反應pH為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5六個梯度，探討pH對水樣COD去除和色度的影響，從而確定最佳初始反應pH，結果如圖4所示。

圖4　pH對COD及色度去除效果的影響 Fig.4　Effect of pH Value on Removal of COD and Color

3結論

(1) 通過Fenton反應的四個因素四個水平正交試驗分析得出，F(xiàn)enton法深度處理油脂廢水的最佳組合為A2B4C3D3。這四個因素影響先后順序： 反應時間、H2O2的投加量、FeSO4·7H2O的投加量、初始反應pH。

(2) 通過正交試驗得到的優(yōu)選方案和單因素優(yōu)化試驗可知最佳處理條件： 反應時間為120min、H2O2投加量為0.75mL/L、FeSO4·7H2O投加量為0.5g/L、初始反應pH為4.5。在該優(yōu)化最佳組合條件下進行深度處理，COD去除率達到67%，色度去除率達到55%。

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