基于中心組合設計的電解預處理含酚廢水工藝優化*

凌 琪 張 睿 伍昌年 王 莉 李 俠 黃顯懷 牛 元

(1.安徽建筑大學水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601; 2.安徽建筑大學外國語學院，安徽 合肥 230601)

基于中心組合設計的電解預處理含酚廢水工藝優化*

凌 琪1張 睿1伍昌年1王 莉1李 俠2黃顯懷1牛 元1

(1.安徽建筑大學水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601; 2.安徽建筑大學外國語學院，安徽 合肥 230601)

針對含酚廢水不宜直接進行生化處理的問題，采用電解法預處理含酚廢水，通過中心組合設計優化初始pH、電壓、極板間距、電解質濃度和苯酚初始濃度對苯酚去除率的影響。結果表明，5個因素的影響為電壓>電解質濃度>極板間距>初始pH>苯酚初始濃度。優化后的最佳條件如下：初始pH為6.56、電壓為24.93V、極板間距為20.05mm、電解質質量濃度為2.46g/L、苯酚初始質量濃度為368.87mg/L。在優化條件下，苯酚初始質量濃度為300.00～500.00mg/L時，出水質量濃度計算值為12.60～51.60mg/L，實驗值為17.40～55.40mg/L，去除率計算值為89.68%～96.47%，實驗值為88.90%～95.40%，計算值與實驗值接近，說明模型可靠。

含酚廢水 電解預處理 中心組合設計 優化

Abstract: Phenol wastewater was pretreated by electrolysis method and the best process conditions were sieved using central composite design on initial pH,voltage,electrode distance,electrolyte concentration and phenol initial concentration due to its unsuitability for direct bio-treatment. Results showed that the influence factors affecting phenol removal rates were voltage>electrolyte concentration>electrode distance>initial pH>phenol initial concentration. The best conditions were initial pH 6.56,voltage 24.93 V,electrode distance 20.05 mm,electrolyte mass concentration 2.46 g/L,and phenol initial mass concentration 368.87 mg/L. Under the best conditions,when phenol initial mass concentration was 300.00-500.00 mg/L,the phenol effluent mass concentration was 12.60-51.60 mg/L (calculated) and 17.40-55.40 mg/L (experimental) with removal rate of 89.68%-96.47% (calculated) and 88.90%-95.40% (experimental). The calculated results and experimental results agreed,indicating the model was validated.

Keywords: phenol wastewater； electrolysis pretreatment； central composite design； optimization

酚類化合物作為重要的工業原料，廣泛應用于化工、醫藥、煉焦等領域，隨著這些工業不斷的發展，產生的含酚廢水量越來越大[1]。酚類化合物具有一定的生物毒性，易造成污泥中毒[2],[3]237,[4]，故以活性污泥法為主的傳統生化法不適于直接處理中、高濃度的含酚廢水[5-6]，需要對其進行預處理，以降低后續處理工藝負荷，提高生化處理效率。目前，主要的含酚廢水預處理方法包括光催化氧化、電解、Fenton和臭氧氧化等[3]237,[7]。

電解法具有氧化性強、無二次污染等優點，但其影響因素較多、工藝條件難以確定。響應面分析法(RSM)通過建立影響因子與響應值之間的多元二次回歸模型可以達到尋求最優工藝條件的目的，中心組合設計(CCD)是其中常用的設計方法[8-9]，被廣泛應用于食品、化工、生物等領域的實驗設計中[10-11]，但在水污染控制中應用實例較少。本研究采用CCD優化電解預處理含酚廢水的影響因素，以利于后續生化處理。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置和方法

電解法預處理含酚廢水的實驗裝置主要由穩壓直流電源、電解槽、電極板組成。電解槽尺寸為180 mm×180 mm×100 mm，采用石墨板作電極，正極電極板規格為150 mm×100 mm×5 mm，負極電極板規格為150 mm×50 mm×5 mm，極板間距根據實驗要求調整。配制苯酚溶液作為含酚廢水，采用質量分數均為10%的硫酸和氫氧化鈉調節初始pH。在不同初始pH、電壓、電解質濃度、極板間距、苯酚初始濃度條件下電解3 h，其中電解質用無水硫酸鈉配制。

1.2 RSM

考慮單因素預實驗結果和實際經濟效益，CCD的因素水平設計如表1所示。

2 結果與討論

以苯酚去除率(Y,%)為響應值，RSM方案及結果見表2。當各因素的單因素水平分別取2.378和-2.378水平、其他因素取0水平時，即各因素單獨影響下，響應值之差(ΔYi)表現為ΔY2>ΔY4>ΔY3>ΔY1>ΔY5，由此判斷各因素對響應值影響為電壓>電解質濃度>極板間距>初始pH>苯酚初始濃度。

對表2中的數據進行回歸分析，運用F檢驗進行方差分析，結果如表3所示。回歸模型的決定系數(R2)為0.977，校正決定系數(RAdj2)為0.962，預測決定系數(RPred2)為0.936，說明模型擬合度較高。信噪比為31.526>4也表明模型合理。但是方差來源的F檢驗中P>0.05的不顯著項較多，因此需要進一步優化和精簡。

表1 因素和水平表

注：1)實際實驗設計時取0。

表2 RSM設計方案及實驗結果

表2 RSM設計方案及實驗結果(續)

表3 模型初始方差分析F檢驗結果

表4 模型精簡后方差分析F檢驗結果

(1)

根據式(1)，以苯酚去除率為目標優化參數，得到最佳實驗條件：初始pH為6.56、電壓為24.93 V、極板間距為20.05 mm、電解質質量濃度為2.46 g/L、苯酚初始質量濃度為368.87 mg/L，此時苯酚的出水質量濃度計算值為10.84 mg/L，實驗值為17.89 mg/L，計算值與實驗值接近。考慮到實際工程中進水負荷的波動性，在不改變其他條件的情況下，僅改變苯酚初始濃度再對模型進行驗證，結果如表5所示。苯酚初始質量濃度為300.00、400.00、500.00 mg/L時，出水質量濃度計算值分別為12.60、14.12、51.60 mg/L，實驗值為17.40、18.40、55.40 mg/L，計算值與實驗值接近，說明模型可靠。在優化條件下，苯酚初始質量濃度為300.00～500.00 mg/L的去除率計算值為89.68%～96.47%，實驗值為88.90%～95.40%。

表5 模型驗證結果

3 結 論

(1) 影響苯酚去除率的5個因素為電壓>電解質濃度>極板間距>初始pH>苯酚初始濃度。

(2) 精簡優化后的回歸模型，以苯酚去除率為目標優化參數，得到最佳實驗條件：初始pH為6.56、電壓為24.93 V、極板間距為20.05 mm、電解質質量濃度為2.46 g/L、苯酚初始質量濃度為368.87 mg/L。

(3) 在優化條件下，苯酚初始質量濃度為300.00～500.00 mg/L時，出水質量濃度計算值為12.60～51.60 mg/L，實驗值為17.40～55.40 mg/L，去除率計算值為89.68%～96.47%，實驗值為88.90%～95.40%，計算值與實驗值接近，說明模型可靠。

[1] BUSCA G，BERARDINELLI S，RESINI C，et al.Technologies for the removal of phenol from fluid streams:a short reveal of recent developments[J].Journal of Hazardous Materials,2008,160(2/3):265-288.

[2] 徐春艷,韓洪軍,姚杰,等.煤化工廢水處理關鍵問題解析及技術發展趨勢[J].中國給水排水,2014,30(22):78-80.

[4] 趙駿,趙建國,陳秀榮,等.對氯苯酚廢水處理引起的活性污泥有機毒性[J].環境工程學報,2016,10(5):2252-2258.

[5] 張紅濤,劉永軍,張云鵬,等.高酚焦化廢水萃取脫酚預處理[J].環境工程學報,2013,7(11):4427-4430.

[6] 劉瓊玉,劉君俠,劉延湘.UV—Fenton氧化—生化法聯合處理含酚廢水[J].環境科學與技術,2011,34(6):163-166,172.

[7] 武彥斌,王三反,張學敏,等.石墨氈電極預處理模擬鄰甲酚廢水[J].化工環保,2014,34(4):311-315.

[8] KHATAEE A R，ZAREI M，MORADKHANNEJHAD L.Application of response surface methodology for optimization of azo dye removal by oxalate catalyzed photoelectro-Fenton process using carbon nanotube-PTFE cathode[J].Desalination,2010,258(1/2/3):112-119.

[9] DAVARNEJAD R，MOHAMMADI M，ISMAIL A F.Petrochemical wastewater treatment by electro-Fenton process using aluminum and iron electrodes:statistical comparison[J].Journal of Water Process Engineering,2014,3:18-25.

[10] GüVEN G，PERENDECI A，TANYOLAC A．Electrochemical treatment of deproteinated whey wastewater and optimization of treatment conditions with response surface methodology[J].Journal of Hazardous Materials,2008,157(1):69-78.

[11] BAS D，BOYACI I H.Modeling and optimization Ⅰ:usability of response surface methodology[J].Journal of Food Engineering,2007,78(3):836-845.

[12] 何洋洋,唐素琴,康婷婷,等.響應面法優化硫酸根自由基高級氧化深度處理滲濾液生化尾水[J].中國環境科學,2015,35(6):1749-1755.

[13] 趙穎,王亞旻,衛皇曌,等.響應面法優化污泥炭催化濕式過氧化氫氧化降解間甲酚模擬廢水[J].環境化學,2016,35(3):516-525.

Processoptimizationofphenolwastewaterpretreatedbyelectrolysismethodbasedoncentralcompositedesign

LINGQi1，ZHANGRui1，WUChangnian1，WANGLi1，LIXia2，HUANGXianhuai1，NIUYuan1.

(1.KeyLaboratoryofAnhuiProvinceofWaterPollutionControlandWastewaterResources，AnhuiJianzhuUniversity,HefeiAnhui230601;2.SchoolofForeignLanguages,AnhuiJianzhuUniversity,HefeiAnhui230601)

凌 琪，女，1960年生，碩士，教授，主要從事水污染控制技術與理論的科研與教學工作。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2014ZX07405003)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(No.201610878017)；安徽省教育廳自然科學研究重點項目(No.KJ2016A816)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.019

2016-10-25)