用于反滲透濃縮液處理的Fenton-ECMR工藝開發與優化

丁俊浩，段雅龍，周 雪，惠洪森，熊 鴿

(天津工業大學 材料科學與工程學院，天津 300387)

垃圾滲濾液的污染物含量高，生化性很差[1-2]。目前許多國家主要采用膜生物反應器(MBR)與納濾(NF)或反滲透(RO)[3]相結合的工藝處理垃圾滲濾液。但是在NF和RO膜截留過程中產生了一種更難以處理的濃縮液，占總滲濾液的13%～30%[4]。RO濃縮液含有高濃度的難降解有機物和無機鹽，且濃縮液可生化性極低，不能滿足直接生物處理的要求。因此，開發一種有效的技術來處理RO濃縮液，減少濃縮液的排放顯得尤為重要。本文提出采用Fenton-ECMR集成工藝處理垃圾滲濾液RO濃縮液，通過調節Fenton反應參數，對濃縮液進行預處理，考察反應條件對濃縮液COD去除率的影響規律，進而采用本課題組設計的ECMR[5-7]對Fenton出液進一步處理，降低出水毒性及有機物含量。

1 實驗部分

1.1 試劑與材料

濃硫酸、氫氧化鈉、硫酸亞鐵、過氧化氫、金屬鈦膜、硝酸錳、草酸等。本實驗所用的廢水水樣取自北京某垃圾填埋場，在4℃下保存。性質如表1所示。

表1 RO濃縮液性質

1.2 儀器與設備

S-210型pH計；M8811型可編程電流電源；BT100L型蠕動泵；DR2800型哈希COD測試儀；TGG-9079A型高溫鼓風干燥箱等。

1.3 Fenton實驗

取200 mL RO濃縮液，用硫酸將pH調至酸性，加入一定量FeSO4·7H2O和H2O2，快速攪拌靜置；再用NaOH溶液將pH值調至弱堿性，慢速攪拌10 min，靜置沉淀后測試上清液COD。

1.4 ECMR構建

1.4.1 電催化膜制備

根據課題組前期工作制備電催化膜[8]，催化劑選擇MnOx，基體選擇Ti膜，以溶膠凝膠法制備MnOx/Ti基電催化膜。

1.4.2 電催化膜反應器構建

以制備的MnOx催化劑負載Ti基電催化膜為陽極，不銹鋼網為陰極構建電催化膜反應器，電極處連接直流穩壓電源，底部連接蠕動泵提供動力，用以處理Fenton出液。ECMR示意圖如圖1所示。

圖1 電催化膜反應器示意圖

公式(1)、(2)列出了實驗所需儀器的參數設置計算方法。

(1)

(2)

式中：j為電流密度(mA/cm2)；I為電流(mA)；A為膜電極外表面積(cm2)。

2 結果與討論

2.1 初始pH值優化

圖2 初始pH值對COD去除率的影響

圖2是初始pH值對COD去除率的影響。由圖2可知，COD去除率隨pH值增加呈現先升高后降低的趨勢，在pH值為3時達到最大。這是因為高pH值導致溶液中OH-濃度增大，抑制了·OH的產生，且會使Fe2+形成沉淀失去催化能力；而低pH值使溶液中的H+濃度升高，抑制了被氧化產生的Fe3+繼續被還原為Fe2+，導致Fe2+的量減少，使H2O2的催化受阻，同樣降低了·OH的量，這都導致可被降解的有機物的量減少，使COD去除率下降。

2.2 H2O2/Fe2+物質的量比優化

圖3是H2O2/Fe2+物質的量比對COD去除率的影響。由圖3可知，在物質的量比由4降低到2的過程中，COD去除率增加較快，繼續降低比例，去除率增加較緩慢，甚至出現下降，且在此過程中Fe2+藥劑的添加量也在增加，這不僅增加了藥劑用量且溶液中過量剩余的Fe2+會增加出水色度也會對后續ECMR處理結果產生不利影響。

圖3 H2O2/Fe2+物質的量比對COD去除率的影響

2.3 H2O2添加量優化

圖4 H2O2投加量對COD去除率的影響

圖4是H2O2投加量對COD去除率的影響。由圖4可知，COD去除率隨著H2O2添加量的增加先升高后降低，在投加量為180 mmol/L時COD去除率達到最大。因為在一定范圍內增加H2O2的量，產生了更多的·OH，使COD去除率也上升，但繼續增加導致過量的H2O2對·OH產生清除作用，發生了如下反應：

H2O2+ ·OH→H2O+ ·O2H

(3)

·O2H+ ·OH→H2O+O2

(4)

如式(3)、(4)所示過程，過量的H2O2會把Fe2+迅速氧化為Fe3+，其催化能力遠小于Fe2+，這既增加了H2O2的消耗又抑制了·OH的產生，導致有機物去除率降低。

2.4 混凝pH值優化

圖5是混凝pH值對反應COD去除率的影響。由圖5可知，COD去除率隨著混凝pH值的增加而先增加后降低，混凝pH值主要影響催化產生的Fe3+形成三價鐵離子的絡合物沉淀，沉淀會帶走溶液中大量有機物，使COD去除率升高。在最佳條件下進行Fenton預處理，Fenton出液COD降低至340 mg/L，COD去除率達到57.6%，色度去除率達到90%，總體處理效果較好。

圖5 混凝pH值對COD去除率的影響

2.5 ECMR處理

由于Fenton預處理不能有效的完全降解RO濃縮液中的有機物，而本課題組設計的ECMR具有反應-分離協同作用，能有效提高電催化效率，對難降解有機物有明顯的去除效果，且處理成本低，因此將其作為Fenton預處理的下一個處理過程，對Fenton出液進一步處理。

RO濃縮液經Fenton-ECMR集成處理后的出水水質分析如表2所示。

表2 出水水質分析

3 結論

(1)RO濃縮液經Fenton預處理后，濃縮液中有機物去除效果明顯，結果表明：初始pH值為3，H2O2/Fe2+物質的量比為1∶1，H2O2添加量180 mmol/L，混凝pH值為9時處理效果較好，COD去除率達到57.6%，色度去除率達到90%。

(2)單一的Fenton處理并不能完全徹底降解RO濃縮液的有機物，經ECMR進一步處理后出水COD僅為167 mg/L，COD去除率達到79.2%，色度去除率達到99%。