Fenton 氧化-混凝沉淀處理電鍍廢水中重金屬鎳的研究①

蔡文良， 謝艷云

（重慶水利電力職業技術學院，重慶402160）

我國電鍍企業規模小、數量多、廢水排放量大［1-3］。由于鎳質地堅硬且具有耐腐蝕等優點，在電鍍行業中被廣泛使用；電鍍廢水中重金屬鎳和有機物濃度都較高，去除困難［4-6］。 Fenton 氧化是一項廣泛使用的氧化技術，反應迅速、操作過程簡單，無二次污染物質產生［7-9］；混凝沉淀法可使水中膠體顆粒混凝進而沉淀去除［10］。 本文以某電鍍廠廢水處理站原水為對象，利用Fenton 氧化除鎳后再利用混凝沉淀進行深度處理，研究了各工藝條件對廢水處理效果的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗用水

實驗用廢水為某電鍍廠廢水處理站的原水，廢水水質如表1 所示。

表1 某電鍍廠廢水水質

1.2 實驗方法

取電鍍廠含鎳廢水100 mL，用氫氧化鈉調節廢水pH 值后，加入Fenton 試劑（H2O2和FeSO4·7H2O），用磁力攪拌器進行攪拌，反應后再以氫氧化鈉調節pH值，靜置一段時間后取上清液，用原子吸收光譜儀測定上清液中的總鎳含量。

2 實驗結果和討論

2.1 Fenton 氧化研究

2.1.1 H2O2投加量對鎳去除效果的影響

在6 個燒杯中分別加入100 mL 廢水水樣，用氫氧化鈉調節pH＝5，設置H2O2濃度分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mmoL/L，并按照FeSO4/H2O2（摩爾比）＝1加入FeSO4，用磁力攪拌器攪拌，反應時間90 min，反應后再用氫氧化鈉調節pH ＝9 ～12，沉淀30 min 后取上清液，用原子吸收光譜儀測定其中總鎳含量。 實驗結果如圖1 所示。

圖1 H2O2 濃度對去除總鎳的影響

由圖1 可知，當H2O2濃度較低時，隨著H2O2濃度增加，上清液中殘留總鎳含量逐漸減少，去除率不斷增大；當H2O2濃度為1.5 mmoL/L 時，鎳去除率達到92.9%；此后再繼續增加H2O2濃度，鎳去除率不再明顯增加。 H2O2投加量過大，反而會消耗反應系統中的羥基自由基，對鎳去除效果不再有增益，從反應效果以及經濟成本綜合考慮，選擇H2O2投加量為1.5 mmoL/L。

2.1.2 FeSO4/H2O2摩爾比對鎳去除效果的影響

固定H2O2投加量為1.5 mmoL/L，以不同FeSO4加入量調整FeSO4/H2O2摩爾比，其他條件不變，FeSO4/H2O2摩爾比對鎳去除效果的影響如圖2 所示。由圖2 可知，在FeSO4/H2O2摩爾比為0.05～0.5 時，上清液中殘余鎳濃度逐漸下降，對鎳的去除率不斷升高；隨著FeSO4/H2O2摩爾比增加到0.5 ～2 時，上清液中鎳濃度上升，去除率明顯下降。 這是因為當反應系統中FeSO4較少時，催化H2O2分解的速度較慢，隨著FeSO4加入量增加，反應速度增加，對鎳的去除效果加大；FeSO4繼續增加，過多的Fe2+會與羥基自由基反應生成Fe3+，使羥基自由基被消耗，鎳去除率下降。 綜合考慮，選擇FeSO4/H2O2摩爾比為0.2～0.5。

圖2 FeSO4/H2O2（摩爾比）對去除總鎳的影響

2.1.3 初始pH 值對鎳去除效果的影響

在推進地下水超采治理試點工作中，始終牢牢把握五條基本原則：一是政府引導、全民行動，發揮好政府和群眾兩個積極性；二是規劃統領、科學治理，年度實施方案與中長期規劃有機銜接，集中連片規模實施，務求治理一片、見效一片、鞏固一片；三是創新機制、示范帶動，探索建立地下水超采治理的有效途徑，力求取得可示范、可復制、可推廣的經驗；四是因地制宜、積極穩妥，根據實際情況，科學確定治理模式和工程規模；五是競爭立項、績效考核，依據項目前期工作和壓采效果擇優實施，嚴格把關、嚴格獎懲。

固定FeSO4/H2O2摩爾比為0.5，其他條件不變，初始pH 值對鎳去除效果的影響如圖3 所示。 由圖可知，隨著pH 值升高，鎳去除率逐漸增加，在pH ＝4 時去除率達到最大；pH 值再繼續增加，鎳去除率則快速下降。 這是因為羥基自由基主要在Fe2+的催化下生成，而pH 值影響反應系統中Fe2+與Fe3+間的平衡關系，pH 值過低時，溶液中大量存在H+，阻礙Fe2+的生成，不足以催化H2O2產生羥基自由基，而pH 值過高，Fe2+與氫氧根形成沉淀，難以達到催化效果。 因此選擇初始pH＝4。

圖3 初始pH 值對去除總鎳的影響

2.1.4 反應時間對鎳去除效果的影響

初始pH＝4，其他條件不變，反應時間對鎳去除效果的影響如圖4 所示。 隨著反應時間增加，上清液中殘留鎳快速下降；當反應時間超過90 min 后，去除率變化不再明顯。 因此，反應時間選擇90 min。

圖4 反應時間對去除總鎳的影響

2.1.5 Fenton 氧化綜合實驗

根據Fenton 氧化單因素實驗結果，配合正交實驗及結果，確定Fenton 氧化工藝最佳條件為：H2O2投加量2 mmoL/L，FeSO4/H2O2摩爾比0.6，初始pH 值5，反應時間80 min。 在最佳工藝條件下處理廢水后，出水水中總鎳含量1.19 mg/L，鎳去除率94.1%。 雖然Fenton氧化工藝能去除廢水中大部分鎳，但仍不滿足《電鍍污染物排放標準》（GB21900—2008 ）表Ⅲ要求。

2.2 混凝沉淀研究

Fenton 氧化工藝可以將廢水中的大部分鎳去除，但出水中的鎳濃度依然超過0.1 mg/L 的排放標準，因此還需進一步深度處理。 本文以PAC 為混凝劑，研究其深度處理含鎳廢水效果。

2.2.1 pH 值對混凝沉淀的影響

在9 個燒杯中分別加入經Fenton 氧化最佳條件下反應所得廢水水樣100 mL，分別調節pH 值為4，5，6，7，8，9，10，11，12，加入PAC 10 mg/L，用磁力攪拌器攪拌，反應20 min 后加入助凝劑PAM 10 mg/L，繼續攪拌反應20 min 后靜置90 min，取上清液測定總鎳含量，初始pH 值對混凝沉淀效果的影響如圖5 所示。由圖可知，在pH 值4 ～7 范圍內，鎳去除率快速增加；在pH＝7 時，鎳去除率達到99.6%；pH＞7 后，鎳去除率沒有明顯變化。 因此，確定混凝沉淀的pH 值為7。

圖5 混凝沉淀pH 值對總鎳去除率的影響

2.2.2 PAC 用量對混凝沉淀的影響

pH 值為7，其他條件不變，PAC 用量對混凝沉淀的影響如圖6 所示。 由圖可知，隨著PAC 投加量增加，上清液中鎳含量先快速減少之后緩慢波動；在投加量為0～12 mg/L 時，隨著PAC 投加量增加，鎳去除率快速增加；PAC 用量為12 mg/L 時，鎳去除率達到99.8%；再繼續增加PAC 投加量，去除率緩慢波動。 因此確定PAC 投加量為12 mg/L。2.2.3 混凝時間對混凝沉淀的影響

圖6 PAC 用量對去除總鎳的影響

固定PAC 用量為12 mg/L， 其他條件不變，混凝時間對混凝沉淀的影響如圖7 所示。 由圖可見，隨著混凝時間增加，鎳去除率先上升后下降；混凝時間為10 min 時，去除率最高，達到99.7%。 因此確定混凝時間為10 min。

圖7 混凝時間對去除總鎳的影響

2.2.4 沉降時間對混凝沉淀的影響

固定混凝時間為10 min，其他條件不變，沉降時間對混凝沉淀的影響如圖8 所示。 由圖可知，隨著沉降時間增加，鎳去除率逐漸升高，沉降時間60 min 時，鎳去除率達到最大，為99.7%。 因此選擇沉降時間為60 min。

2.2.5 助凝劑用量對混凝沉淀的影響

圖8 沉降時間對去除總鎳的影響

圖9 PAM 用量對去除總鎳的影響

固定沉降時間為60 min，其他條件不變，助凝劑PAM 用量對混凝沉淀的影響如圖9 所示。由圖可見，隨著PAM 用量增加，鎳去除率先快速下降，在PAM 用量為6 mg/L 時，鎳去除率最高，為99.7%；之后再增加PAM 用量，去除率基本無變化。 因此確定助凝劑PAM用量為6 mg/L。

2.2.6 混凝沉淀綜合實驗

根據混凝沉淀工藝單因素實驗結果，并結合正交實驗及結果，確定混凝沉淀工藝最佳條件為：pH ＝9，PAC 用量12 mg/L，混凝時間12 min，助凝劑用量6 mg/L，沉降時間60 min。 在最佳工藝條件下，廢水處理后水中總鎳含量為0.029 mg/L，鎳去除率為99.8%，出水滿足《電鍍污染物排放標準》（GB21900—2008）表Ⅲ要求。

3 結 論

1） Fenton 氧化反應的最佳實驗條件為：H2O2投加量2 mmoL/L，FeSO4/H2O2摩爾比0.6，初始pH ＝5，反應時間80 min。 最佳工藝條件下處理廢水，出水總鎳含量為1.19 mg/L，鎳去除率為94.1%。

2） 電鍍廢水經Fenton 氧化最佳工藝條件處理后，進行混凝沉淀反應，最佳條件為：pH ＝9，PAC 用量12 mg/L，混凝時間12 min，助凝劑用量6 mg/L，沉降時間60 min。 最佳工藝條件下處理廢水，出水總鎳含量為0.029 mg/L，鎳去除率為99.8%。

3） 應用Fenton 氧化-混凝沉淀工藝處理該電鍍廠廢水，有效去除了廢水中的鎳，出水水質滿足《電鍍污染物排放標準》（GB21900—2008 ）表Ⅲ要求。