采用UV-Fenton法的垃圾滲濾液處理

吳芳芳，胡家朋

(1.福建省高校綠色化工技術(shù)重點實驗室，福建武夷山 354300;2.武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建武夷山 354300)

隨著人們生活水平的提高，城市化進(jìn)程的加快，許多城市都遭受著“垃圾圍城”之痛。我國城市垃圾處理處置工作起步較晚，存在相應(yīng)的法律法規(guī)不健全、管理不完善、缺乏成套的處理處置技術(shù)、公民薄弱的環(huán)保意識等問題，限制了我國垃圾處理水平的提高。衛(wèi)生填埋作為城市垃圾處理的基本方式，在近幾年得到了較廣泛的應(yīng)用，但也伴隨著污染問題，如處理過程中極易產(chǎn)生大量的垃圾滲濾液等。由于滲濾液中含大量的有機物質(zhì)和重金屬，水質(zhì)復(fù)雜、變化量大，CODCr、BOD5濃度高，若不妥善處理，將對周圍環(huán)境及地下水造成嚴(yán)重污染，從而威脅生態(tài)環(huán)境及人體健康。

20世紀(jì)60年代首次應(yīng)用Fenton試劑進(jìn)行廢水處理［1］，由于其反應(yīng)迅速且價格低廉，故被大量研究并廣泛應(yīng)用［2-5］。為了提高對H2O2的利用率，增加對有機物的去除效果，人們把紫外光UV引入Fenton體系，形成了UV-Fenton法［6］，從而達(dá)到提高有機物的分解速率、減少藥劑使用及控制運行成本的目的。

本文通過實驗確定Fenton法處理垃圾滲濾液的最佳工藝條件以及在UV-Fenton反應(yīng)條件下對廢水的處理效果的影響，為該方法在實際工程應(yīng)用中提供一定的參考。

1 實驗

1.1 進(jìn)水水質(zhì)及預(yù)處理

垃圾滲濾液取自武夷山市生活垃圾填埋場，呈深褐色，有惡臭。采用混凝法對該滲濾液進(jìn)行預(yù)處理。

1.2 儀器及主要試劑

JH-12型COD恒溫加熱器，ZDHW型調(diào)溫電熱套，BS224S電子精密天平，S321數(shù)顯恒速攪拌器，C30孔型玻璃儀器氣流烘干器，INTELLI-RAY 400紫外固化箱，F(xiàn)eSO4·7H2O，30%H2O2。

1.3 分析方法

色度的測定采用稀釋倍數(shù)法，COD的測定采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法，氨氮的測定采用滴定法(HJ 537-2009)。

1.4 實驗步驟

1.4.1 Fenton氧化法

由于 FeSO4·7H2O投加量、H2O2/FeSO4·7H2O比值、初始pH值和反應(yīng)時間都是影響Fenton氧化效果的主要因素，因此為考察各因素對色度、COD和氨氮去除率的影響，進(jìn)行以下實驗:取100 mL預(yù)處理后的上清液，加H2SO4調(diào)節(jié)水樣初始pH值，加入 FeSO4·7H2O，并一邊攪拌一邊加入H2O2，調(diào)節(jié)pH值至9，靜置30 min后取上清液測定水質(zhì)分析。實驗初始條件粗略確定為:FeSO4·7H2O投加量為0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O的比值為4，原水初始pH值為3，反應(yīng)時間為90 min。在此基礎(chǔ)上，依次改變某一因素進(jìn)行單因素條件實驗，確定最佳Fenton氧化處理效果的反應(yīng)條件。

1.4.2 UV-Fenton氧化

為了強化Fenton氧化效果，把紫外光UV引入Fenton體系。為考察輻照強度和輻照時間對色度、COD、氨氮去除率的影響，取100 mL預(yù)處理后的上清液，按Fenton反應(yīng)體系中最佳條件進(jìn)行實驗，加入H2O2，然后將溶液倒入反應(yīng)皿，置于全功能400 W大面積紫外固化設(shè)備中進(jìn)行反應(yīng)，最后調(diào)節(jié)pH值至9，靜置30 min后取上清液進(jìn)行水質(zhì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fenton氧化結(jié)果

2.1.1 FeSO4·7H2O投加量的影響

由圖1可知:COD、色度、氨氮的去除率隨著FeSO4·7H2O投加量的增加而逐漸增大，并在投加量為0.03 mol/L時均達(dá)到最高，之后隨Fe2+投加量增加反而下降。這主要是在Fenton反應(yīng)體系中，F(xiàn)e2+能催化 H2O2極快分解，產(chǎn)生了大量的“·OH”，并與廢水中的有機物立即發(fā)生氧化反應(yīng)［7］，同時 Fe2+轉(zhuǎn)化成 Fe3+，在后續(xù)調(diào)堿的過程中起到了混凝沉淀的作用。因此，在一定的時間內(nèi)，氧化效果與Fe2+投加量呈正比關(guān)系。而過量的鐵鹽使得絮體形成慢，沉降效果差，從而使得過多的投加量反而導(dǎo)致去除效果變差，這與混凝沉淀反應(yīng)機理一致。因此確定FeSO4·7H2O的最佳投加量為0.03 mol/L。

2.1.2 H2O2/FeSO4·7H2O比值的影響

由圖2可知:隨著H2O2投加量的增加，COD去除率呈緩慢上升趨勢，并在比值為3時去除效果達(dá)到78%，但是繼續(xù)添加H2O2去除效果反而降低;氨氮的去除率有相似的變化，去除效果在比值為3時達(dá)最大值為43%。在Fenton反應(yīng)體系中，產(chǎn)生的“·OH”與廢水中的有機物發(fā)生加成或取代反應(yīng)，從而降低了廢水中有機物的含量。因此在一定H2O2投加量內(nèi)，“·OH”濃度與H2O2呈顯著的線性關(guān)系［8］。當(dāng)H2O2/FeSO4·7H2O比值為3時，廢水中有機物基本都氧化分解，而過量H2O2易發(fā)生自分解和無效分解，導(dǎo)致去除效果反而下降。考慮廢水的治理成本，H2O2/FeSO4·7H2O的最佳比值為3。

圖1 FeSO4·7H2O投加量與COD、色度、氨氮去除率的關(guān)系曲線

圖2 H2O2/FeSO4·7H2O比值與COD、色度、氨氮去除率的關(guān)系曲線

2.1.3 原水初始pH值的影響

由圖3可知:當(dāng)原水初始pH值為3時，COD、色度去除率最高;當(dāng)pH值為4時，氨氮去除率最高。pH值越高，COD去除率越低，說明Fe2+將H2O2催化產(chǎn)生“·OH”的環(huán)境必須是在酸性條件下。pH值越高，“·OH”的產(chǎn)生量越低，且體系中的Fe2+以氫氧化物的形式沉淀而失去催化能力。一般來說pH值越低，COD去除率越高，但pH值過低，F(xiàn)e3+不能還原成Fe2+，影響Fenton試劑的氧化能力，且增加廢水處理成本。因此確定最佳原水初始pH值為3。

圖3 原水初始pH值與COD、色度、氨氮去除率的關(guān)系曲線

2.1.4 反應(yīng)時間的影響

由圖4可知:FeSO4·7H2O的投加量為0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O比值為3，原水初始pH值為3，當(dāng)反應(yīng)時間為90min時，COD、色度、氨氮的去除率最高，說明Fenton反應(yīng)在90 min內(nèi)基本完成，體系內(nèi)的其反應(yīng)的有機物質(zhì)已消耗完全。因此確定最佳反應(yīng)時間為90 min。

圖4 反應(yīng)時間與COD、色度、氨氮去除率的關(guān)系曲線

綜上所述，最佳Fenton氧化處理效果的反應(yīng)條件為:FeSO4·7H2O的投加量為0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O比值為3，原水初始pH值為3，反應(yīng)時間為90 min。

2.2 UV-Fenton氧化結(jié)果

2.2.1 UV輻照強度的影響

由圖5可知:當(dāng)輻照時間為4 min、輻照強度為65 μw/cm2時，COD去除率高達(dá)93%;而在輻照強度為55 μw/cm2時，氨氮去除率最高，為80.97%。但也可以從圖上發(fā)現(xiàn)在輻照強度為65 μw/cm2時，氨氮去除率也有72.13%，而在輻照強度為65 μw/cm2時，COD去除率只有91.95%，因此確定最佳輻照強度為65 μw/cm2。

圖5 輻照強度與COD、氨氮去除率的關(guān)系曲線

對比圖4和圖5可知:UV-Fenton反應(yīng)體系中COD的去除效果均在90%以上，比Fenton反應(yīng)體系中的COD去除效率高。在沒有紫外光照射的條件下，F(xiàn)e2+與H2O2在酸性條件下快速反應(yīng)生成“·OH”和Fe3+。隨后Fe3+與 H2O2反應(yīng)重新生成Fe2+，使得Fe3+和Fe2+不斷轉(zhuǎn)換，但是該反應(yīng)速率比較慢。而在紫外光照射下，F(xiàn)e2+與H2O2的反應(yīng)速率加快，且Fe3+在UV的作用下直接分解產(chǎn)生“·OH”和Fe2+，從而加快“·OH”量的生產(chǎn)速率和產(chǎn)生量［9］，導(dǎo)致UV-Fenton反應(yīng)體系的處理效果比Fenton反應(yīng)體系好。

2.2.2 UV輻照時間的影響

由圖6可以看出，輻照強度為65 μw/cm2，當(dāng)反應(yīng)時間為4 min時，COD去除率最高，為93.59%，氨氮去除率為72.13%;當(dāng)反應(yīng)時間為2 min時，氨氮去除率最高。綜合考慮治理成本和反應(yīng)效果，確定最佳輻照時間為3 min。

圖6 反應(yīng)時間與COD、氨氮去除率的關(guān)系曲線

綜上所述，最終確定最佳UV-Fenton氧化處理效果的反應(yīng)條件為:FeSO4·7H2O的投加量為0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O 比值為3，原水初始pH值為3，輻照強度為65 μw/cm2，輻照時間為3 min，反應(yīng)時間為90 min。

3 結(jié)論

采用Fenton和UV-Fenton法分別處理經(jīng)預(yù)處理后的武夷山生活垃圾填埋場滲濾液，F(xiàn)enton氧化處理效果受 FeSO4·7H2O投加量、H2O2/FeSO4·7H2O比值、初始pH值和反應(yīng)時間的影響，最佳條件為:FeSO4·7H2O的投加量為0.03 mol/L，H2O2/FeSO4·7H2O比值為3，原水初始pH值為3，反應(yīng)時間為90 min。

在UV-Fenton氧化體系中當(dāng)輻照強度為65 μw/cm2，輻照時間為3 min時，垃圾滲濾液中有機物的去除效果相比單一的Fenton法更好。同時也從側(cè)面說明為了達(dá)到相同去除率，UV-Fenton體系可以減少藥劑投加量，縮短反應(yīng)時間，從而降低工藝運行成本。

［1］許景文.過氧化氫-鐵鹽化學(xué)氧化法用于有機廢水深度處理［J］.環(huán)境污染與防治，1985，7(5):1-6.

［2］金小鷗.Fenton法處理染料廢水中多環(huán)芳烴的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2013.

［3］包木太，王娜，陳慶國，等.Fenton法的氧化機理及在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2008(5):660-665.

［4］Alok D B，Choi W.Review of iron-free Fenton-like systems for activating H2O2in advanced oxidation processes［J］.Journal of Hazardous Materials，2014，275(30):121-135.

［5］高盼盼，呂春芳，曹鵬華.混凝-Fenton法預(yù)處理垃圾滲濾液的實驗研究［J］.應(yīng)用化工，2013，42(9):1672-1677.

［6］Dükkanc M，Vinatoru M，Timothy J M.The sonochemical decolourisation of textile azo dye Orange II:Effects of Fenton type reagents and UV light［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2014，21(2):846-853.

［7］魏奇鋒，張珺，王偉杰，等.高級氧化技術(shù)在難降解有機廢水處理中的應(yīng)用［J］.科技傳播，2009:101-102.

［8］陳芳艷，倪建玲，唐玉斌.光助Fenton法在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.工業(yè)用水與廢水，2008(3):12-16.

［9］Faust B C，Hoigne J.Photolysis of Fe(Ⅲ)-Hydroxy Complexes as Sources of OH Radicals in Clouds，F(xiàn)og and Rain［J］.Atmospheric Environment Part A-General Topics，1990，24(1):79-89.