基于Box-Behnken 響應曲面法優化Fenton 氧化處理柿竹園多金屬選礦廢水①

薛 珂，李文風，常慶偉，周瑜林

（長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙410012）

湖南柿竹園多金屬礦是典型特大型硫化礦-氧化礦共生型鎢多金屬礦，東波選廠是柿竹園三大選廠之一，主要涉及鉬鉍鎢螢石等資源的綜合回收。選廠選礦工藝復雜，以浮選為主，涉及磨礦、分級、磁選、浮選、搖床、脫水等工序［1］，在鉬鉍鎢螢石的選別過程中加入了大量選礦藥劑，導致選礦廢水性質復雜，處理難度大，若直接排放將造成嚴重的環境污染。目前，選廠尾礦水與石灰混合后輸送至柴山尾礦庫沉降，經尾礦庫沉降后的上清液溢流排至水處理站進行處理，由于處理水水質不能滿足選礦要求，難以重復利用，只能達標排放，排放量高達20 000 m3／d，不僅造成水資源大量浪費，而且對受納水體造成嚴重污染［2］。

Fenton 氧化法是一種高級氧化技術，主要原理是H2O2被Fe2＋催化分解成羥基自由基（·OH），·OH 具有極強的氧化能力，可使有機物完全無機化或裂解為小分子［3］。響應曲面法是一種用于開發、改進和優化流程，評估各種工藝參數的方法［4］，該方法可同時考察影響因素單獨作用及交互作用的顯著性。

為改進柿竹園東波選廠現有廢水處理工藝，采用Box-Behnken 響應曲面法對Fenton 氧化工藝條件進行優化。首先，根據單因素試驗確定反應主要影響因素及取值范圍；然后，通過響應曲面法建立因素與響應值之間的數學模型，確定最佳工藝條件和預測值；最后，驗證模型，確定最優反應條件的準確性，為該工藝技術開發利用提供理論依據和實驗基礎。

1 材料和方法

1.1 實驗原料

實驗原料取自柿竹園東波選廠尾礦庫溢流水，水質外觀清澈偏黃，其水質分析結果見表1。

表1 水質分析結果

1.2 實驗藥品與儀器

實驗藥品：30%的H2O2、FeSO4·7H2O、H2SO4、NaOH，均為分析純；陰離子型聚丙烯酰胺（PAM）。

實驗儀器：pH 計（雷磁，PHS－3C）；磁力攪拌器（Wiggens，WH220－HT）；電子分析天平（SHIMADZU，AUY220）。

1.3 檢測項目及分析方法

采用《水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法（HJ828—2017 代替GB11914—89）》對廢水中COD 含量進行測定。

1.4 實驗方法

Fenton 氧化試驗裝置由燒杯和磁力攪拌器組成。取選礦廢水加入燒杯中，用H2SO4或NaOH 調節pH值，然后加入一定量FeSO4·7H2O，打開攪拌器，待鐵鹽溶解后加入H2O2，反應從此刻開始計時，反應完成后立即加入NaOH 溶液調節pH 值中止反應，再添加PAM 將鐵鹽絮凝沉降，靜置后取上清液測定COD含量。

1.5 實驗設計

單因素試驗：考察反應時間、反應pH 值、H2O2用量、FeSO4·7H2O 用量對廢水COD 去除率的影響。

響應曲面法試驗：選擇單因素實驗中對COD 去除率有顯著影響的3 個因素，每個因素取3 個水平，采用Design Expert 軟件對試驗因素進行Box-Behnken 響應曲面編碼設計，求出二次多項式回歸方程，再對實驗數據進行回歸分析。

2 結果與討論

2.1 Fenton 氧化單因素試驗

2.1.1 反應時間的影響

將選礦廢水pH 值調節至3，加入FeSO4·7H2O 500 mg／L 和H2O2500 mg／L，考察了Fenton 氧化反應時間對廢水COD 去除率的影響，結果如圖1 所示。

圖1 反應時間對廢水COD 去除率的影響

由圖1 可知，COD 去除率隨反應時間增加先增加后基本保持不變。由此可知，在適宜條件下，Fenton 氧化系統可產生足量的·OH，快速高效降解廢水中的有機物，隨著反應的進行，催化劑Fe2＋逐漸失活，·OH減少，有機物降解過程基本結束［5］。 因此，確定Fenton 氧化的最佳反應時間為30 min。

2.1.2 反應pH 值的影響

反應時間30 min，其他條件不變，考察了反應pH值對廢水COD 去除率的影響，結果如圖2 所示。

圖2 反應pH 值對廢水COD 去除率的影響

由圖2 可知，反應pH 值對Fenton 氧化有較大影響，隨著pH 值增加，COD 去除率先增加后減小。分析原因知，當pH＜2 時，溶液中大量的H＋與H2O2反應生成穩定的［H3O2］＋，致使H2O2的分解受到抑制，從而導致·OH 減少，降低氧化效率；當pH＞4 時，大部分Fe2＋仍然以離子形式存在，但體系中Fe3＋會聯合Fe2＋共沉，影響鐵離子絡合平衡，導致Fe2＋失活，使氧化能力下降［6］。因此，確定最佳pH 值為3。

2.1.3 FeSO4·7H2O 用量的影響

pH＝3，其他條件不變，考察了FeSO4·7H2O 用量對廢水COD 去除率的影響，結果如圖3 所示。

圖3 FeSO4·7H2O 用量對廢水COD 去除率的影響

2.1.4 H2O2用量的影響

FeSO4·7H2O 用量400 mg／L，其他條件不變，考察了H2O2用量對廢水COD 去除率的影響，結果如圖4 所示。

圖4 H2O2 用量對廢水COD 去除率的影響

由圖4 可知，Fenton 氧化效率隨H2O2用量增加先增加后緩慢降低。分析原因知，當H2O2用量較小時，體系中生成的·OH 較少，氧化能力弱；而當H2O2過量時，分解速度加快，在單位時間內產生了大量的·OH，·OH 易發生自身消耗，降低體系氧化能力；同時，·OH 可與H2O2反應生成HO2·，進一步降低氧化效率［8］；該過程還會產生氧氣導致絮團上浮，不利于固液分離。因此，確定H2O2用量為400 mg／L。

2.2 Fenton 氧化選礦廢水的響應曲面分析

2.2.1 模型建立與方差分析

根據單因素試驗結果，選擇pH 值、FeSO4·7H2O用量、H2O2用量三個因素，以COD 去除率為響應值，利用Box-Behnken 設計原理，進行響應曲面分析。響應曲面試驗的影響因子水平及編碼見表2，實驗結果見表3。

表2 影響因子水平及編碼

表3 實驗設計與響應結果

利用軟件對表3 數據進行響應曲面分析，建立pH值、FeSO4·7H2O 用量、H2O2用量與COD 去除率之間的二次多項式模型，擬合得到回歸方程：

對該二次回歸方程的方差進行分析，結果見表4。

表4 回歸方程的方差分析

由表4 可知，模型F 值為190.38，P 值小于0.000 1，表明該模型出現噪音的機會小于0.01%，模型極顯著，回歸效果好，可用來進行響應值的預測［9］。在3 個因素中，A、B、C 的P 值均小于0.01，說明三因素對響應值都有很顯著影響，其顯著性由大到小順序為H2O2用量（F ＝52.76）、FeSO4·7H2O 用量（F＝33.28）、pH 值（F ＝27.63）。在實驗范圍內，因素AB、AC 的P 值大于0.05，表明AB 之間和AC 之間交互影響不顯著，因素BC 的P 值小于0.05，表明BC 之間交互影響顯著。

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2.2.2 COD 去除率的響應曲面分析

為考察3 個因素交互作用及其對COD 去除率的影響，利用軟件作圖，固定一個因素不變，獲得另外兩個因素對響應值的響應曲面圖和等高線圖［10］，結果分別見圖5～7。

由圖5 可知，當pH＜3 時，COD 去除率隨pH 值增加而增加，pH＞3 時，COD 去除率隨pH 值增加而減小；隨著FeSO4·7H2O 用量增加，COD 去除率先增加后保持不變。分析原因可知，pH 值過低不利于·OH 生成，pH 值過高會降低Fe2＋活性；FeSO4·7H2O 用量低時，Fe2＋含量低，催化效率低。

由圖6 可知，當pH 值在3 左右時，COD 去除率達到最大，pH 值升高或降低都會導致COD 去除率降低。pH 值升高將抑制·OH 產生，且Fe2＋將形成Fe（OH）2沉淀或鐵絡合物，導致氧化效率降低。在實驗H2O2用量范圍內，COD 去除率隨H2O2用量增加先增加后基本不變。可能原因是，H2O2用量增加使溶液中·OH含量升高，提高了體系氧化效率，但過量的H2O2會消耗·OH，從而抑制系統的氧化能力。

圖5 H2O2 用量為400 mg/L 時，反應pH 值和FeSO4·7H2O 用量對COD 去除率的響應曲面和等高線圖

圖6 FeSO4·7H2O 用量為400 mg/L 時，反應pH 值和H2O2 用量對COD 去除率的響應曲面和等高線圖

圖7 pH＝3 時，H2O2 用量和FeSO4·7H2O 用量對COD 去除率的響應曲面和等高線圖

由圖7 可知，隨著H2O2用量和FeSO4·7H2O 用量增加，加速了Fe2＋和H2O2的反應，進而加快了與有機物的反應；在實驗用量范圍內，COD 去除率隨H2O2用量和FeSO4·7H2O 用量增加先增加后基本不變。分析原因，Fenton 藥劑用量的增加使溶液中·OH 和Fe2＋含量升高，提高了體系的氧化效率。

2.2.3 最佳試驗結果分析和模型驗證

利用軟件的優化功能，設定各影響因素的約束條件為：2≤A≤4，300≤B≤500，300≤C≤500，預測反應最佳工藝條件為：pH＝2.95，FeSO4·7H2O 用量446.76 mg／L，H2O2用量457.66 mg／L，該條件下COD 去除率預測值為74.9%。為驗證預測結果，在最佳條件下進行了3 組平行試驗，得平均COD 去除率為76.55%，與模型預測值偏差為1.65 個百分點，說明該模型能較真實地反映各因素對COD 去除率的影響，具有一定的應用價值。

3 結 論

1）采用Fenton 氧化法處理柿竹園多金屬選礦廢水，單因素最佳試驗條件為：反應時間30 min，反應pH值3，FeSO4·7H2O 用量400 mg／L，H2O2用量400 mg／L。

2）采用Box-Behnken 響應曲面法優化Fenton 氧化法處理柿竹園多金屬選礦廢水，FeSO4·7H2O 用量、反應pH 值、H2O2用量三因素對響應值COD 去除率都有很顯著的影響，順序為：H2O2用量＞FeSO4·7H2O用量＞反應pH 值，其中FeSO4·7H2O 用量和H2O2用量的交互作用較為顯著。

3）基于Box-Behnken 響應曲面法建立的二次多項式模型回歸性較好，可用于Fenton 氧化反應條件優化與COD 去除率預測。最佳條件為：反應pH 值2.98、FeSO4·7H2O 用量446.76 mg／L、H2O2用量457.66 mg／L，該條件下預測COD 去除率為74.9%，驗證試驗結果為76.55%，與預測值偏差為1.65 個百分點。因此，該模型能較真實地反映Fenton 氧化中各種因素對COD 去除率的影響。