某制藥廠廢水的處理研究

胡巧開 余中山

湖北師范大學城市與環境學院 （湖北黃石 435002）

近年來，制藥廠生產藥品種類逐漸增加，藥品的生產工藝也不盡相同。成分復雜、生化需氧量/化學需氧量（BOD/COD）值較小、排放不連續等，是大多數制藥企業生產廢水的共同特征。此類廢水無法直接采取生化處理，要達標排放，不僅處理工藝復雜，處理成本也較高。為探求經濟高效的處理方法，國內外許多學者進行了實驗研究。如Feng等[1]利用超臨界水使制藥廢水催化分解制氫，在連續反應器中研究了鈉鹽對制藥廢水在超臨界水中分解的影響。李春娟[2]采用水解酸化-生物接觸氧化組合法來處理制藥廠出水，化學需氧量（COD）去除率為94.3%，NH4+去除率為87.6%，使工廠排放的水樣達到了國家允許廢水排放要求。Tang等[3]利用高錳酸鉀氧化后混凝沉降來處理中藥廢水。研究證明，用高鐵酸鉀氧化后實施混凝沉淀對于廢水深度處理非常有效。肖宏康等[4]對制藥廢水采用高溫強化電化學法處理，以NaCl為氧化劑，利用反應產生的活性氯實現對磷霉素鈉制藥廢水的降解。降解后BOD/COD的值由0.18升高到0.35，可生化性明顯提高。Ren等[5]用另一種電處理方法處理制藥廠廢水，采用Fe電極脈沖電凝法，通過Fe電極和模擬廢水，探討了脈沖占空比、電流密度、脈沖頻率、電極距離和電解時間對COD去除率的影響。原水用Fe電極脈沖電凝法，COD的去除率達到63%。趙志剛等[6]針對廢水中的高濃度NH3-N，采用“氣浮+汽提+蒸發結晶”的工藝，再通過芬頓法使廢水中的難降解有機物轉化分解，最后利用厭氧UASB與接觸氧化法組合工藝進行處理，使廢水排放符合國家標準。崔鳳國等[7]利用物理法對廢水進行處理，利用聚合氯化鋁和氯化鐵對廢水進行混凝，再投加一定量的活性炭粉末對其進行吸附。結果表明，雖然混凝對溶解性有機物的去除效果不明顯，但吸附法的COD去除率達到90%以上。郭豐[8]使用光催化氧化法與氯氧化法2種方法處理對比，針對抗生素制藥廢水的處理展開了深入的探討，重點討論了光照時間、初始pH以及所加入的有效氯量等參數，光催化氧化法的COD去除率達58.97%，氯氧化法的COD去除率達60.38%。上述處理方法各有其優勢，但對BOD/COD值很小且酸性很強的廢水不一定有好的處理效果。

Fenton高級氧化技術是利用Fe2+和H2O2作為芬頓試劑的持續來源，二者發生反應后立即生成具有高度氧化活性的羥基自由基（·OH），把大分子有機物氧化分解成小分子有機物，如CO2和H2O等，能大幅度提高廢水的可生化性。本研究處理的廢水是湖北某制藥廠的實際生產廢水，其BOD/COD值很小，酸性強，且有強烈的刺激性氣味，屬于難降解的高濃度有機廢水。對其采用Fenton氧化預處理，再進行微生物處理。對比實驗的結果表明，采用Fenton氧化法對廢水進行預處理后，大大提高了廢水的可生化性，有利于后期的生化處理。

1 實驗部分

1.1 儀器及藥品

FA3204B分析天平、DT-1200光學顯微鏡，上海儀電科學儀器股份有限公司； JHR-2 COD恒溫加熱器，青島科祥機械有限公司；JJ-4A六聯電動攪拌器，金壇市成輝儀器廠。

重鉻酸鉀，優級純；濃硫酸、硫酸銀、六水硫酸亞鐵銨、試亞鐵靈、氫氧化鈉、硫酸汞、七水合硫酸亞鐵、過氧化氫，分析純：天津濱化科技發展有限公司。

1.2 COD測定

用重鉻酸法測定COD質量濃度。

1.3 實驗方法

1.3.1 廢水預處理方法

在5個250 mL的燒杯中各加入100 mL廢水，分別加入一定體積的5%FeSO4溶液、H2O2溶液，在一定pH及攪拌速率下，反應一定時間后，過濾，測定COD，計算COD的去除率。

1.3.2 微生物培養方法

接種一部分已培養好的微生物于培養桶中，放入石塊以及一些微生物所需的營養物質，且每天定期加入營養物質以滿足微生物對C，N，P的需求，并對培養桶進行24 h連續曝氣，以保證溶解氧的供給。pH、水的體積、曝氣量等維持不變，每天對微生物進行鏡檢，以此來調整營養物質和廢水的加入量。

1.3.3 生化處理方法

當生物膜及微生物生長良好時，逐量加入預處理后的水樣，每天對微生物進行鏡檢，根據微生物的生長狀況來調整廢水的加入體積。當微生物在足夠量的廢水中生長時，開始測定水中的COD。

加入原水對微生物進行馴化。每日對微生物進行鏡檢，根據微生物的生長狀況來調整原水的加入量，最后測定水中的COD。

2 結果與討論

2.1 Fenton氧化法對廢水處理效果的探討

2.1.1 FeSO4用量對COD去除率的影響

在5個燒杯中均加入100 mL原水，調節溶液pH 約為 2， 分別加入 5%FeSO4溶液 3，4，5，6及 7 mL，再各加入0.1 mL H2O2溶液，并且調節轉速至100 r/min，反應20 min后，調節pH約為8，過濾，測定其COD質量濃度，結果見圖1。

圖1 FeSO4用量對COD去除率的影響

由圖1可知：加入5%FeSO4溶液的體積為4 mL時，COD去除率達到最高，為17.45%；之后，其COD去除率隨著5%FeSO4溶液體積的增加而降低。原因是加入過多的Fe2+會影響對廢水的處理效果，當Fe2+的質量濃度過高時，產生大量的·OH，其與Fe2+的反應相對比較慢，使得未與Fe2+反應的游離·OH聚集，這些·OH相互反應形成水，結果導致部分H2O2分解成O2[9]。

2.2 H2O2溶液用量對COD去除率的影響

在5個燒杯中均加入100 mL原水，調節溶液pH 至 2 左右，分別加入 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mLH2O2溶液，再各加入4 mL 5%FeSO4溶液，調節轉速至100 r/min，反應20 min后，調節pH約為8，過濾，測定其COD質量濃度，結果見圖2。

圖2 H2O2用量對COD去除率的影響

由圖2可知，當H2O2溶液用量為0.4 mL時，COD去除率達到最高，為24.85%，其后增加H2O2溶液體積反而使COD的去除率降低。因為，當H2O2用量達到一定值后，過多的H2O2不僅不能增加·OH的濃度，反而把溶液中的Fe2+迅速氧化為Fe3+，這樣既增加了H2O2用量，又抑制了自由基的產生。

2.1.3 溶液pH對COD去除率的影響

在5個燒杯中加入100 mL原水，分別加入0.4 mL H2O2溶液，4 mL 5%FeSO4溶液，分別調節 pH為1，2，3，4，5，調節轉速至 100r/min，反應 20min 后，調節pH至8左右，過濾，測定其COD質量濃度，結果如圖3所示。

圖3 pH對COD去除率的影響

由圖3可知：當pH=1時，COD去除率達到最高，為32%，可見其最佳pH為1；當pH大于1時，COD的去除率逐漸下降。因為增加溶液pH不僅抑制了·OH的產生，還會使溶液中Fe2+與OH-生成沉淀物而失去催化性能，致使COD的去除率下降。

2.1.4 反應時間對COD去除率的影響

在5個燒杯中均加入100 mL原水，調節溶液pH為1，分別加入0.4 mL H2O2溶液，4 mL 5%FeSO4溶液，調節轉速至 100 r/min，分別反應 20，30，40，50及60 min后，調節pH至8左右，過濾，測定其COD質量濃度，結果見圖4。

由圖4可知，隨著時間的增加，COD的去除率反而降低。在實驗范圍內，Fenton氧化處理水樣的最佳反應時間為20 min，COD的最高去除率為31%。

2.1.5 攪拌速率對COD去除率的影響

在5個燒杯中均加入100 mL原水，調節溶液pH為1，分別加入0.4 mL H2O2溶液，4 mL 5%FeSO4溶液，并且調節轉速分別為 50，100，150，200及 250 r/min，反應 20 min后，調節 pH至 8左右，過濾，測定其COD質量濃度，結果見圖5。

圖4 反應時間對COD去除率的影響

圖5 攪拌速率對COD去除率的影響

由圖5可知，攪拌速率為150 r/min時，COD的去除率達到最高，為41%。COD去除率先隨著攪拌速率的增大而升高，當到達最高點后，繼續增大攪拌速率反而使COD去除率降低。Fenton法之所以能去除廢水中的有機物，主要是因為：Fenton試劑能產生具有高度氧化活性的·OH，把有機物分子氧化分解成CO2等小分子；Fe3+與OH-反應形成的Fe(OH)3沉淀也對有機物有一定的吸附絮凝作用，但當攪拌速率過大時，這種作用就會減小，從而使COD的去除率降低。

上述實驗結果表明，Fenton氧化法處理廢水的最佳條件為：5%FeSO4溶液的用量為40 mL/L、H2O2溶液的用量為4 mL/L，廢水pH為1，反應時間為20 min，攪拌速率為150 r/min。此時，COD去除率為41%。

2.2 微生物對原水及預處理后廢水的降解效果探討

分別用原水和預處理后廢水對微生物進行馴化，至微生物生長情況良好，在生物培養桶中取大約50 mL水樣，過濾，此為背景值；加入一定量的原水或預處理后廢水，混勻后立即取樣，此為0 h水樣，其后4，6，10，24 h各取一次水樣，每次大約取 50 mL，過濾；測定COD質量濃度，結果分別見圖6及圖7。

圖6 微生物對原水降解效果

圖7 微生物對預處理后廢水的降解效果

圖6 說明，在生物接觸氧化容器中加入原水后，隨著反應時間的延長，在0～10 h內的COD去除率上升較快，隨后10～24 h內的COD去除率變化緩慢，COD去除率最高可達21%。

出現這種現象的原因是：在0～10 h之間，絕大部分小分子有機物被分解去除，COD質量濃度下降較快，而后剩余的有機物大部分是難以被微生物降解的大分子有機物，所以在10～24 h之間COD質量濃度的變化較慢。

圖7表明，在生物接觸氧化容器中加入預處理后的廢水，隨著反應時間的延長，在0～6 h之間COD去除率逐漸增加，6～10 h之間COD去除率變化稍慢，10～24 h之間COD去除率變化不大，最大COD去除率為68%。

導致這種現象的原因是：在微生物降解0～6 h之間，大部分能被微生物降解的有機物被分解成CO2，H2O等小分子，因而COD質量濃度下降得快；在6～10 h之間，容器中剩余的可降解物質減少，因此COD質量濃度下降慢；在10～24 h之間，能被微生物降解的有機物分解殆盡，所以COD質量濃度變化不大。

3 結論

（1）廢水預處理的最佳條件：常溫下，5%FeSO4溶液用量為40 mL/L、H2O2溶液用量為4 mL/L，廢水pH為1、攪拌速率為150r/min，反應時間為20min。該條件下，COD的去除率為41%。

（2）原水直接進行生化處理時，COD去除率為21%，原水經過預處理后再進行生化處理，COD去除率為68%。用Fenton氧化法對廢水進行預處理，較大地提高了廢水的可生化性。