李佳承，李亞峰，滿心祁

超聲波強化類Fenton體系對亞甲基藍廢水的處理效果試驗研究

李佳承1，李亞峰1，滿心祁2

（1. 沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2. 中電系統(tǒng)建設(shè)工程有限公司，北京 102488）

為提升fenton法處理效果，闡述超聲波強化類fenton體系對亞甲基藍廢水的處理效果研究。通過控制控制超聲波頻率、超聲波功率來進行單因素試驗，并最終確定最優(yōu)反應(yīng)條件下的去除效果。研究表明當(dāng)pH值調(diào)節(jié)為3，F(xiàn)e3O4-MnO2-PAC的投加量為0.8 g·L-1，投入 H2O2的量為0.8 Qth，設(shè)備溫度為25 ℃，得出最佳超聲頻率為28 kHz，最佳超聲功率為120 W，用超聲波強化類Fenton法處理亞甲基藍廢水，反應(yīng)時間為90 min時，色度平均去除率為99.31%，COD的平均去除率為85.22%。

Fenton法；超聲波強化；COD；色度

近年來，超聲波被普遍用以工業(yè)水處理方面，大量的研究表明，超聲技術(shù)對降解廢水中的有機污染物有著顯著效果，比如酚類有機化合物［1］、聚合物、芳香族有機化合物［2］等等，該技術(shù)的發(fā)展前景良好。

在超聲波自身的空化作用下，溶液中會產(chǎn)生氣穴微泡，微泡的破裂會使反應(yīng)器的局部產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，使得有機污染物在高溫條件下發(fā)生熱解反應(yīng)從而得到去除，并且高溫高壓的環(huán)境能夠使反應(yīng)物活化，加快催化降解速率，使去除效果提升。

在Fe3O4-MnO2類Fenton體系處理亞甲基藍廢水最佳試驗條件的基礎(chǔ)上［3］，本文加入了超聲波的輔助作用。利用超聲波降解有機物時，對處理效果產(chǎn)生影響的因素有很多［4］，不僅有超聲系統(tǒng)方面的因素，還有整個反應(yīng)體系的性質(zhì)因素，在本試驗我們主要選擇超聲功率和超聲頻率這兩個因素來探討，討論了超聲波功率和超聲波頻率對于超聲波強化類Fenton體系處理亞甲基藍廢水處理效果的影響。

1 試驗

1.1 試驗裝置

1.1.1 Fenton試驗裝置

試驗采用六聯(lián)同步自動升降攪拌機，可以設(shè)定運行時間和轉(zhuǎn)速，試驗裝置實物圖如圖1所示。

圖1 Fenton試驗裝置實物圖

1.1.2 超聲強化類Fenton反應(yīng)裝置

超聲波強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理亞甲基藍廢水的試驗研究均在超聲波清洗槽內(nèi)進行。該反應(yīng)器可以自行調(diào)節(jié)其超聲時間（min）和超聲功率（W）以及超聲頻率（KHz）。試驗裝置原理圖如圖2所示，超聲波清洗槽如圖3所示。

1.2 試驗水質(zhì)

試驗水樣采用模擬亞甲基藍廢水，控制模擬廢水中COD質(zhì)量濃度為165.9 mg·L-1，色度為1 522.5（倍）。

1.3 分析項目及檢測方法

本試驗所需進行檢測的項目及檢測方法均按照國家環(huán)保局編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》［5］中規(guī)定的方法進行測定。主要檢測項目及分析檢測方法見表1。

圖2 試驗裝置原理圖

圖3 超聲波清洗槽

表1 水質(zhì)檢測項目以及測試方法

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波功率對處理效果的影響

制備6份100 mL亞甲基藍試驗水樣，其色度1 523.9（倍），COD質(zhì)量濃度為166.2 mg·L-1，分別加入6個500 mL的燒杯中。用配制好的稀硫酸和氫氧化鈉溶液分別調(diào)節(jié)pH為3，然后依次向每一個燒杯中固定投加0.8 g·L-1的催化劑Fe3O4-MnO2- PAC，投加H2O2的量為0.8 Qth，將超聲波設(shè)備的溫度調(diào)節(jié)到25 ℃，超聲頻率調(diào)節(jié)為28 kHz，調(diào)整超聲功率分別為75、90、105、120、135、150 W，設(shè)置超聲輻射時間為120 min，待反應(yīng)結(jié)束以后，關(guān)閉超聲波反應(yīng)器，取得上清液，一部分用分光光度計測出其出水COD濃度，另一部分用比色法測量其出水色度，試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖4可以得出，隨著超聲波功率的增大，超聲波強化類Fenton體系處理亞甲基藍廢水的處理效果越來越好。在超聲功率為120 W時，亞甲基藍色度去除率和COD降解效率較好，色度幾乎完全去除，COD的去除效率達到87.31%，出水的COD質(zhì)量濃度為21.09 mg·L-1。

圖4 超聲波功率對超聲強化類Fenton法對亞甲基藍廢水處理效果的影響

此后隨著儀器超聲功率的繼續(xù)增大，去除率上升幅度較小，在到達150 W時，COD去除效率為87.62%，比120 W時COD去除率上升了0.31%。超聲波的功率越高，對亞甲基藍廢水的處理效果就越好，但是在超聲功率增大到150 W時，COD去除率只比120 W時超聲功率時增加了0.31%。這是因為在超聲波功率比較低時，超聲波的空化作用比較弱，不利于對溶液中COD濃度的減少。超聲波的功率增大后，溶液內(nèi)部的空化作用加強，產(chǎn)生大量的氣穴微泡，隨著氣穴微泡內(nèi)部積攢的能量越來越多，當(dāng)氣穴微泡達到臨界點破裂后在局部會產(chǎn)生大量的熱量，有機物在高溫的條件下更有利于被去除。同時在超聲波的持續(xù)空化作用下，溶液中·OH的濃度升高，催化降解的速率加快，對亞甲基藍溶液的降解效果增強［6］。另外還因為隨著超聲波功率的增強對溶液的攪拌作用也會隨之增強，使得·OH與亞甲基藍溶液之間充分接觸，從而使得去除率升高。去除效果增長不明顯，但是卻增加了運行成本，所以該試驗的最佳超聲功率選擇120 W［7-9］。

2.2 超聲波頻率對處理效果的影響

取100 mL試驗水樣4份， COD質(zhì)量濃度為167.8 mg·L-1，其色度為1 522.2（倍），分別加入4個500 mL的燒杯中。用配制好的稀硫酸和和氫氧化鈉溶液分別調(diào)節(jié)pH為3，然后依次向每一個燒杯中固定投加0.8 g·L-1的催化劑Fe3O4-MnO2-PAC， H2O2的投加量為0.8 Qth，均勻攪拌，隨后在超聲波清洗槽中放入燒杯，將超聲波設(shè)備溫度調(diào)節(jié)到25 ℃，功率調(diào)節(jié)為固定的120 W，分別調(diào)整頻率為25、28、40、60 kHz，設(shè)置輻射時間為120 min，待反應(yīng)結(jié)束以后，關(guān)閉超聲波反應(yīng)器，將待測液靜置一段時間，然后取距離液面1 cm處的上清液，一部分用分光光度計測定出水COD濃度，另一部分用比色法測量出水色度。試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 超聲波頻率對超聲強化類Fenton法降解亞甲基藍處理效果的影響

從圖5能夠得出，隨著超聲波頻率不斷增大，亞甲基藍色度的去除率和COD去除效率都隨之降低。在超聲波頻率達到25 kHz時，其色度去除率和COD去除效率均達到最大值，其色度幾乎完全被去除，COD的去除率為88.16%。當(dāng)超聲波頻率為28 kHz，色度去除率仍然是100%，而COD去除效率有稍微降低，降低為87.33%，相比頻率為25 kHz時降低了0.83%。超聲頻率增大到60 kHz，其色度去除率僅達到89.24%，COD去除效率僅達到76.82%，降解效果不好。這主要是因為當(dāng)超聲波的頻率增大時，意味著聲波的周期時間縮短，周期縮短后給予空化泡從開始到瀕臨崩潰的過程提供的時間大大減少，不利于空化泡的成長，所以發(fā)生空化效應(yīng)的機會和強度減弱，所以在頻率升高后生成的·OH不足以降解廢水的有機污染物，導(dǎo)致降解效果不好，去除率下降。綜上所述，在超聲頻率為25 kHz時去除效果最佳，但是因為25 kHz以下都是人們能夠聽到的聲音范圍，會在試驗過程中產(chǎn)生噪音，給試驗過程帶來負擔(dān)。所以本試驗選擇28 kHz作為最佳超聲頻率。

2.3 最優(yōu)反應(yīng)條件下的去除效果

經(jīng)過上述試驗的討論可以得出，超聲波強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水時的最佳超聲功率為120 W，最佳超聲頻率為28 kHz。筆者研究了在最優(yōu)處理條件下，超聲波強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系對此類廢水的處理效果，與Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水時的效果進行對比，研究超聲波的強化輔助作用對整個體系的影響。通過上述試驗做的單因素試驗此類廢水降解效果研究，可以確定了超聲波強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水的試驗研究最優(yōu)試驗條件為：取進水色度為1 531.1（倍），進水COD質(zhì)量濃度為167 mg·L-1的廢水，pH值調(diào)節(jié)為3，催化劑Fe3O4-MnO2-PAC的投加量為0.8 g·L-1，投加H2O2的量為0.8 Qth，攪拌均勻，然后將燒杯放入到超聲波清洗槽中，將超聲波設(shè)備的溫度調(diào)節(jié)到25 ℃，超聲功率固定為120 W，調(diào)整超聲頻率為28 kHz，待超聲時間分別為10、20、30、40、50、60、90、120 min時，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 最優(yōu)條件下三次平行試驗的處理結(jié)果

從圖6可以看出在30 min內(nèi)，平均出水色度已經(jīng)降低到180.4（倍），平均去除率已經(jīng)增長到88.04%，色度去除率急劇上升；出水COD質(zhì)量濃度降低為81.27 mg·L-1，COD去除率51.15%，降解效果顯著。在30 min后能夠得出，去除率上升趨勢緩慢，對這種廢水的降解速度減慢，到120 min時，其色度去除率和COD降解效率都達到最大，三次試驗的色度平均去除率為100%，比反應(yīng)進行到60 min時增長了2.26%，三次試驗的COD平均去除率為87.62%，比反應(yīng)時間為60 min時增加了7.54%。

通過對最優(yōu)處理效果的研究，在其余試驗條件均相同的基礎(chǔ)上，將超聲波強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系對此類廢水的處理結(jié)果，與普通Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解此類廢水時的處理結(jié)果進行對比，結(jié)果表明：超聲強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理廢水后，亞甲基藍廢水色度和COD去除率均比單獨類Fenton法處理時有所提高。用超聲強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理廢水90 min時，色度和COD的平均去除率分別為99.31%和85.22%，可達到單普通Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系處理此類廢水120 min時的處理效果。說明超聲波對類Fenton法有強化作用，對反應(yīng)有促進作用，不僅提高了降解效果，并且在節(jié)約反應(yīng)時間上也作出了貢獻。

3 結(jié) 論

1）超聲波強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解亞甲基藍廢水時的最佳超聲功率為120 W。

2）超聲波強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton體系降解亞甲基藍廢水時的最佳超聲頻率為28 kHz。

3)用超聲強化Fe3O4-MnO2-PAC類Fenton法處理廢水90 min時，色度平均去除率為99.31%，COD的平均去除率為85.22%，可達到單獨類Fen處理廢水120 min時的降解效果。

［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］張小雪. 赤鐵礦非均相類Fenton反應(yīng)降解亞甲基藍的研究[D]. 西安科技大學(xué), 2012.

［4］蹇銳. 超聲波降解水中有機污染物的研究進展[J]. 湖南城市學(xué)院學(xué)報, 2003 (06): 105-108.

［5］國家環(huán)保局水和廢水監(jiān)測分析方法編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

［6］陳國和. 超聲/H2O2協(xié)同降解印染廢水的研究[J]. 紹興文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)), 2011, 31 (04): 11-14.

［7］馬貴陽，劉曉國，鄭平．埋地管道周圍土壤水熱耦合溫度場的數(shù)值模擬[J]. 遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2007，27 (1)：55-58．

［8］盧濤，姜培學(xué)．多孔介質(zhì)融化相變自然對流數(shù)值模擬[J]. 工程熱物理學(xué)報，2005，26：167-176．

［9］盧濤，佟德斌．飽和含水土壤埋地原油管道冬季停輸溫降[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報，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

國家科技重大專項課題，遼河流域水污染治理與水環(huán)境管理技術(shù)集成與應(yīng)用（項目編號：2018ZX07601001）。

2020-11-10

李佳承（1996-），男，遼寧省鞍山市人，碩士研究生，2019年畢業(yè)于沈陽建筑大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：污水處理理論與技術(shù)。

X703.1

A

1004-0935（2021）04-0460-04