摘要

采用常規化學混凝絮凝工藝，以硫酸亞鐵、明礬和Fenton工藝處理高化學需氧量(COD)工業廢水。對COD為15000 mg/L的高有機廢水進行了有機物(COD)的去除研究。通過罐體試驗研究了混凝劑投加量、Fenton投加量和溶液pH等最佳混凝/絮凝工藝條件。結果表明，在pH測試範圍內，FeSO的最佳工作pH為7.5 ~ 8₄明礬和3芬頓法。加入1.0 g/L明礬，1.2 g/L FeSO, COD去除率分別為26、42和88₄和1:20菲^{2 +}/小時₂O₂分別比。本研究表明，混凝/絮凝法可能是一種有效的高有機負荷工業廢水生物處理前的預處理工藝。

關鍵字

明礬劑量;凝固;化學需氧量;芬頓試劑;廢水

簡介

近年來，由於環境問題，水質法規越來越嚴格，大量研究集中在升級現有的水處理技術和開發更經濟的工藝，以有效處理廢水[1]中的有毒和生物有機汙染物。

製藥、化妝品、有機染料、肥皂和洗滌劑、農藥和除草劑、製革廠和皮革、造紙、啤酒廠和發酵工業產生的廢水含有高有機負荷、毒性或存在各種來源和性質的生物難降解化合物。這類廢水的可生化性較差，需要較強的預處理方法，然後進行生物處理工藝[2]。在生物處理過程中，為了提高廢水的可生化性，通常采用常規的化學混凝絮凝法如明礬法、硫酸亞鐵法、聚電解質法等進行預處理。在這些化學工藝中，高級氧化工藝(AOP)被有效地用於降低不同廢水[3]的有機負荷或毒性。芬頓試劑被認為是AOP之一，可用於有機和無機物[4]的處理。AOPs中芬頓反應時間短;因此，在需要去除高COD的情況下使用[5]。

此外，該反應在常溫常壓下進行，涉及到安全且易於處理的反應物，不需要特殊設備，不受傳質限製，不涉及能量，可與多種化合物進行(6-8)。

芬頓體係由亞鐵鹽和過氧化氫(H₂O₂)在酸性條件下。亞鐵離子與過氧化氫反應，生成羥基自由基▪OH(反應1)[9-11]。

H₂O₂+鐵^{2 +}→鐵^{3 +}+ oh - +°oh ................(1）

▪OH自由基具有很高的氧化電位(E°=2.80 V)，能夠與許多有機物發生一係列的連鎖反應。

菲^{3 +}+ H₂O₂→鐵^{2 +}+何₂•+ H⁺................（2）

菲^{3 +}+何₂•→鐵^{2 +}+ O₂+ H⁺................（3）

菲^{3 +}+ R•→Fe^{2 +}+ R⁺.............(4)…

菲^{3 +}產生的產物能與H反應₂O₂在所謂的芬頓樣反應中和氫過氧自由基，導致Fe2+的再生(反應2和3)。Fe2+的再生也可以通過與有機自由基中間體(反應4)[12]反應實現。

產生的Fe3+可與H反應₂O₂和氫過氧自由基在所謂的芬頓樣反應中，導致鐵的再生^{2 +}(反應2說謊)。菲^{2 +}通過與有機自由基中間體(反應4)[12]反應也可以再生。

Ivan等人也報道過。[13]^▪OH在一毫秒內與有機物發生無選擇性反應。H₂O₂和菲^{2 +}同時對混凝法去除膠體有機殘渣也有協同作用。

芬頓處理時，反應過程中pH值應接近2-4。反應完成後，氧化鐵析出為Fe(OH)_3.通過中和或調整pH至7.5 - 8[14,1]發生。Neyens et al.和Neyens and Baeyensin[15,11]研究了pH、溫度、反應時間和H的影響₂O₂濃度與無機濃度相當的還原。

根據文獻綜述，目前還沒有對COD值極高的廢水進行過研究。因此，本研究的目的是評價常規混凝劑和Fenton試劑去除工業廢水中COD的效率，其特點是COD值極高(約15000 mg/L)，而BOD值較低，這可能是由於有毒化合物的存在，阻礙了直接的生物處理，因此需要化學預處理。研究了混凝劑和Fenton試劑(Fe^{2 +}/小時₂O₂)也被確定了。

材料和方法

合成廢水

在實驗室用自來水混合不同的含有機碳、宏觀和微觀營養素的化學物質製備合成工業廢水。對原廠合成廢水的組成進行了調整，使COD約為15000 mg/L。用自來水稀釋適當體積的原廠合成廢水，製得不同COD濃度的生產合成廢水。合成廢水的組成如表1所示。

實驗裝置

采用Jar Test設備(Make- Jindal SM Scientific Instruments Pvt. Ltd.， India)進行混凝、絮凝和Fenton體係實驗，包括6個1000ml的Jar，用平板攪拌槳(25mm × 75mm)攪拌，如圖1所示。

分析方法

采用標準方法[16]:COD對不同混凝劑的COD進行監測。用數字pH計測量pH值。COD去除率(RE)計算公式1:

$ $再保險\左(右\ % \)\ = \離開({{{{C_{在}}\,——{C_ {eff}}} \ / {{C_{在}}}}}\)\ \ * \ 100 \,..................左(1 \ \右)$ $

其中C_在和C_eff分別是進水和出水的濃度。

本研究中使用的所有化學品均為分析級，並從默克公司獲得。氫氧化鈣(Ca(哦)₂)用於絮凝步驟，作為商品購買。用蒸餾水製備所需濃度的溶液。FeSO₄明礬(KAl, SO₄）₂•12 h₂O)作為常規混凝劑。

采樣和分析

對於每個壇子測試，快速混合條件為1分鍾，轉速為120轉，緩慢混合條件為20分鍾，轉速為30轉，以有利於絮凝。然後，讓樣品沉澱30分鍾。沉澱時間結束後，使用塑料注射器在表麵以下2厘米處取約10-20毫升的體積。為了達到混凝的目的，pH值隨石灰投加量而調整。在保持最佳ph值的情況下，使用不同的混凝劑進行了一係列的三次jar測試實驗。每個jar測試係列都進行了兩次。在第一和第二罐體試驗中，分別以250、500、700、1000、1200和1500 mg/L的變劑量加入常規混凝劑明礬和硫酸亞鐵。

表1:合成廢水的組成

圖1:實驗裝置

第三缸試驗采用Fenton法(Fe^{2 +}/小時₂O₂)．這個過程既具有氧化作用又具有凝固作用。為了使溶解在水中的複雜有機物發生有效的化學氧化和絮凝作用，pH值必須降低到2-3。廢水的pH值(2.0,2.5,3.0和3.5)由H₂所以₄(6 n)。設定pH值後，理想的含量(Fe^{2 +}/小時₂O₂FeSO比率)₄•7 h₂在反應溶液中加入O溶液作為亞鐵(Fe^{2 +})來源。假設這個反應是從H的加入開始的₂O₂(範圍為250 ~ 2500 mg/L)。最初設定反應時間為0.5 h，後來延長至2 h。反應時間選定後，停止實驗，加入石灰，使pH升高至8左右，以固態Fe(OH)析出亞鐵。_3.．靜置30 min後測定上清液殘留COD。

結果與討論

采用化學氧化混凝法去除COD的效率

傳統的化學氧化-混凝包括直接給廢水加混凝劑，以減少抑製顆粒聚集的電斥力。鐵(FeSO₄/ FeCl_3.)和鋁(明礬)已被廣泛用作混凝劑根據文獻，因為它們是廉價的，並已被證明是非常有效的混凝過程[17]。在Jar test-I和Jar - II中，分別使用250、500、700、1000、1200和1500 mg/L的常規混凝劑，如明礬和硫酸亞鐵。同時在廢水樣品中加入石灰，使pH值保持在7.0 - 7.5附近。圖2和圖3是進行試驗後得到的COD降低值。結果表明，當明礬和FeSO投加量分別為1200 mg/L和1000 mg/L時，COD的最大降低效率分別為26%和42%₄分別為每個罐子測試。

芬頓法去除COD的效果

在Fenton工藝中，影響COD去除率的因素很多。

效果啊f H₂O₂劑量:影響Fenton工藝的參數包括操作pH值和FeSO的用量₄和H₂O₂．據觀察，該體係的運行pH值對汙染物的降解有顯著影響(18- 22,4)。已知羥基自由基(▪OH)的氧化勢隨著pH值的增加而降低[23,3]。在本研究中，H₂O₂先確定。實驗在250 - 2500mg H的大範圍內進行₂O₂/ L。當H₂O₂COD去除率從250 mg/L提高到1500 mg/L，從16.2提高到73.5% (COD值為12385.6和3916.7 mg O₂/ L)。但是，超過1500毫克H₂O₂觀察到COD去除率略有下降(圖4)。這可能是因為過氧化氫濃度過高，在Fenton反應中充當了羥基自由基的清除劑。這一發現與Lin等人[18]，Kang和Hwang [19] Ozdemir等人[4]的報告一致。

圖2:混凝-絮凝法處理明礬COD的去除效果

圖3:混凝-絮凝法處理硫酸亞鐵COD的去除效果

pH值的影響:pH值顯著影響COD的降解。係統的pH在2.0-3.5之間變化，pH 3.0時的去除率最好(圖5)。當pH<3.0時，COD的去除率降低。這可能是由於Fe (II)配合物的形成，與H反應較慢₂O₂產生較少的°OH自由基，從而降低去除效率。pH值超過>3.0後，由於Fe (II)絡合物的形成導致遊離Fe離子的減少，COD去除率也有所降低。

芬頓的影響(鐵^{2 +}/小時₂O₂)加藥:研究最佳FeSO₄用量，五種不同的鐵^{2 +}/小時₂O₂比(1:5,1:10,1:15,1:20,1:25)進行了優化₂O₂濃度1500 mg/L(圖6)。這些結果表明，隨著Fe^{2 +}/小時₂O₂比例為1:5 ~ 1:20時，COD去除率顯著提高，從53%提高到88%。然而,以上鐵^{2 +}/小時₂O₂COD去除率變化不大，COD濃度在6946.6 ~ 1773.6 mg/L基本保持在同一水平。因此，鐵的最佳配比^{2 +}/小時₂O₂被觀察到1:20。

芬頓試劑反應時間的影響:芬頓試劑的反應時間也被認為是一個重要的因素。結果表明，在反應時間的前30 ~ 45分鍾內，COD去除率迅速提高。COD去除率在60分鍾後達到最高(62.9%)。此後，在90分鍾和120分鍾後，COD去除率分別下降至61.4%和52.3%(圖7)。這可能是由於形成了更抗氧化的副產物。

圖4:H的影響₂O₂濃度對COD去除率的影響

圖5:pH對COD去除率的影響(H₂O₂濃縮的。= 1500毫克/升)

圖6:鐵的影響^{2 +}/小時₂O₂投加量對COD去除率的影響(H₂O₂濃縮的。= 1500 mg / L;pH值= 3)

圖7:反應時間對COD去除率的影響(H₂O₂濃縮的。= 1500 mg / L;菲^{2 +}/小時₂O₂比率= 1:20;pH值= 3)。

結論

采用混凝-絮凝工藝處理高有機廢水，發現H對COD的去除效果較好₂O₂和菲^{2 +}．當pH值為3.0時，Fenton (Fe^{2 +}/小時₂O₂)與H的比例為1:20₂O₂用量為1500 mg/L。在最佳反應時間為60 min時，COD去除率迅速提高(62.9%)。在酸性pH值下，H₂O₂分解生成▪OH自由基。當隻有常規的凝血劑如明礬和FeSO₄COD去除率分別為26%和42%。很明顯Fe^{2 +}/小時₂O₂+對混凝有很強的協同作用，在COD去除方麵達到最佳降解效果，似乎有助於提高含有複雜化合物的廢水的可生化性。但是，從經濟的角度來看，芬頓法的成本高於其他混凝劑，但這種成本可以通過較低的消毒劑消耗和較低的汙泥處理和處置成本來補償。

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條信息

文章類型:研究文章

引用:Barwal A, Chaudhary R(2016)常規混凝劑和Fenton試劑處理高化學需氧量廢水的可行性研究。國際J水廢水處理2(2):doi http://dx.doi。org/10.16966/2381 - 5299.118

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出版的曆史:

收到日期:2015年12月17日

接受日期:2016年2月18日

發表日期:2016年2月24日