混凝與芬頓氧化聯合處理染料廢水的實驗研究

摘 要：混凝-Fenton氧化聯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。實驗結果表明：混凝-Fenton氧化聯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%。

關鍵詞：強化混凝；Fenton氧化；染料廢水

1 概述

染料的相對分子質量一般在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，隨著化纖織物的發展和印染后整理技術的進步，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。有關人員對印染工業使用的300多種化學藥劑進行了研究，發現其中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，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、水量和水質變化大、色度高、難生物降解物質濃度高等特點，是難處理的工業廢水之一[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，調節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，再調節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 結果與討論

3.1 混凝正交實驗結果與討論

方差分析結果表明，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，調節不同的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生作用，在中性和堿性條件下pH值升高抑制了·OH的產生；當水樣pH值過高時，Fe3+會以氫氧化物的形式發生沉淀而失去催化能力；另外，隨著pH值的升高，H2O2的穩定性下降，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+質量濃度產生不同的催化效果的原因是：Fe2+作為Fenton反應的催化劑，當其質量濃度較低時，隨著Fe2+質量濃度的增加，產生的·OH自由基量也不斷增加；當Fe2+質量濃度過量時，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，Fe2+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自由基的產生效率[4]。

綜上所述，氧化的最佳條件為：pH值3，FeSO4·7H2O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。

參考文獻

[1]張洪林.難降解有機物的處理技術進展[J].水處理技術，1998，24（5）：259-264.

[2]袁志發，周靜芋.實驗設計與分析[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]陳傳好，謝波，任源，等.Fenton試劑處理廢水中各影響因子的作用機制[J].環境科學，2000，21（3）：93-96.

[4]陳文松，韋朝海.Fenton氧化-混凝法處理印染廢水的研究[J].工業水處理，2004，24（4）：39-41.