微电解Fenton法处理有机废水

　有机废水具有高化学需氧量(COD)、高氨氮(NH3⁃N)、高色度等特点，其组成复杂，除含有一些重金属离子外，还有一些难以降解的烃类、芳香族化合物和含氮、含硫的环状化合物。废水中大部分有机物具有毒性，直接排放会对环境造成长久影响。废水处理方法大致可以分为4类：混凝沉淀法、吸附法、氧化法和其他方法(反渗析、电渗析等)。混凝沉淀法对COD、色度、氨氮处理效果有限，吸附法(如活性炭吸附)和其他方法成本较高。Fenton试剂作为一种高1效氧化剂，因其操作简易、流程简单、成本低等特点被广泛使用。微电解Fenton法是利用活性炭和铁屑发生的微小电解反应产生的Fe2+与H2O2组成强氧化体系，产生的羟基自由基在酸性条件下具有很强的氧化性，对消除COD、氨氮及色度具有显著效果。

　　本文采用微电解Fenton法，并使用MnO2作催化剂的氧化体系对硫铵酯⁃苯甲羟肟酸⁃苯胺黑有机废水中的COD、氨氮及色度进行深度处理，重1点考察微电解池中C/Fe配比、pH值、H2O2和MnO2药剂投入量对去除率的影响。

　　1、实验

　　1.1 主要试剂和设备

　　主要试剂：活性炭，铁屑，H2O2(质量分数30%)，MnO2，聚丙烯酰胺(PAM)，H2SO4(质量分数20%)，NaOH(质量分数10%)，硫铵酯，苯甲羟肟酸，苯胺黑。

　　主要设备：微电解装置，CJJ-843A型磁力搅拌器，pHB-4雷磁pH计，HACHDR3900型COD测定仪，SJ-9010型色度仪，ET99732型微电脑水质测定仪。

　　1.2 实验水样

　　按1∶1∶2的比例配置浓度7g/L的硫铵酯⁃苯甲羟肟酸⁃苯胺黑有机废水，常温下用磁力搅拌器密闭搅拌1h。配置的废水外观呈黑棕色、有刺激性气味，COD为1069mg/L，NH3⁃N含量198mg/L，色度为764，pH值为7.72。水样经封闭保存，并置于阴暗处以待实验。

　　1.3 实验方法

　　微电解实验装置如图1所示。取200mL水样置于集水池1中，调节初始pH值，经水泵将水样抽至微电解池中。加入一1定量的活性炭、铁屑、H2O2、MnO2，将曝气泵置于活性炭下部，反应一段时间后，将上层清液倒至集水池2中，离心后取上清液测定COD、NH3⁃N和色度。

　　2、实验结果与讨论

　　2.1 单因素探索实验

　　2.1.1 初始pH值

　　废水200mL，铁屑投入量50g/L，活性炭投入量50g/L，H2O2投入量5.0mg/L，MnO2投入量5.0g/L，曝气量500mL/(min•L)，PAM投入量6.0mg/L，考察了废水初始pH值对去除率的影响，结果如图2所示。由图2可知，随着pH值升高，废水COD、NH3⁃N、色度的去除率1先增大后减小，在强酸性条件下(pH=2～4左右)去除率较高。这是由于在酸性条件下，C/Fe被腐蚀，形成原电池，Fe失去电子成为Fe2+与羟基自由基(•OH)结合，表现出极强的氧化性。而在中性或碱性条件下C/Fe难以形成原电池，且OH-含量较多，抑制了•OH的产生，导致氧化性较弱。因此确定废水微电解初始pH值为3左右。

　　2.1.2 铁屑用量

　　调节废水初始pH值为3，其他条件不变，铁屑用量对去除率的影响如图3所示。由图3可知，随着铁屑投入量增加，去除率持续上升，当用量大于70g/L时，去除率基本保持不变。这是由于当体系中铁屑较少时，增加铁屑量，微电解体系中形成的原电池数量增加，与•OH形成的氧化强度也随之增加，去除率上升;当铁屑量达到一1定量时，相比于活性炭量减少，H+数量也减少，原电池数量达到饱和，去除率基本保持不变。确定佳铁屑投入量为70g/L，此时废水COD、NH3⁃N、色度的去除率分别为79.75%，83.94%和93.17%。

　　2.1.3 活性炭用量

　　铁屑投入量为70g/L，其他条件不变，活性炭用量对去除率的影响如图4所示。由图4可知，随着活性炭用量增加，去除率逐渐增加后趋于平缓。当活性炭用量大于80g/L时，去除率基本保持不变。活性炭用量持续增大时，污染物颗粒容易吸附在活性炭的表面，使原电池量达到饱和。最终确定适宜的活性炭用量为80g/L。

　　2.1.4 H2O2用量

　　活性炭用量80g/L，其他条件不变，H2O2用量对去除率的影响如图5所示。如图5所示，随着H2O2用量增加，去除率1先增加后降低。因为随着H2O2用量增加，•OH含量增加，氧化性不断增大。当H2O2用量大于6mg/L时，由于H2O2浓度较大，一方面加剧自身的分解，消耗•OH，另一方面H2O2会和亚铁离子反应生成Fe3+，失去还原性。其离子反应方程式如下：

　　最终确定适宜的H2O2用量为7mg/L，此时废水COD、NH3⁃N、色度去除率分别为83.86%、86.17%、97.68%。

　　2.1.5 曝气量

　　H2O2用量7mg/L，其他条件不变，曝气量对去除率的影响如图6所示。由图6可知，去除率随着曝气量增加先增加后降低，当曝气量为500mL/(min•L)时，去除率达到峰值。当曝气量较低时，微电解体系溶氧量不足，不能完全生成Fe(OH)3胶体，还有部分Fe(OH)2生成，絮凝效果不佳。但当曝气量过大时，会使活性炭和铁屑层进行分离，降低原电池数量和微电解效率，从而导致去除率降低。选择曝气量为500mL/(min•L)。

　　2.1.6 MnO2用量

　　曝气量500mL/(min•L)，其他条件不变，MnO2用量对去除率的影响如图7所示。由图7可知，随着MnO2用量增加，去除率1先增加后基本保持不变。MnO2作为一种催化剂，当MnO2用量较低时，Mn2+可以促进•OH的产生，增强其氧化性。但当MnO2用量达到一1定值时，产生的•OH量达到饱和，去除率不再发生变化。MnO2佳用量为8g/L，此时废水COD、NH3⁃N、色度的去除率分别为88.84%，93.21%和98.58%。MnO2作为催化剂，COD去除率提高了3.72%，NH3⁃N去除率提高了5.56%。

　　2.1.7 反应时间

　　MnO2用量8.0g/L，其他条件不变，反应时间对去除率的影响如图8所示。由图8可知，Fenton反应速率很快，在20min左右已反应完全，此时废水COD、NH3⁃N、色度去除率分别为88.21%、93.57%和98.68%。

　　2.2 多因素正交实验

　　取废水200mL，控制曝气量500mL/(min•L)、反应时间20min，改变初始pH值、铁屑量、活性炭量、H2O2用量和MnO2用量进行五元素四水平正交实验，正交实验设计及实验结果分析分别见表1～2。

　　由表2可知，影响COD、NH3⁃N和色度的强弱程度为：铁屑量=活性炭量>H2O2用量>pH值>MnO2用量。实验11为佳实验条件，即正交组合A3B3C4D2E4，对应pH=3、铁屑用量50g/L、活性炭用量80g/L、H2O2用量6mg/L、MnO2用量9g/L，此时COD、NH3⁃N和色度去除率分别为86.91%、92.48%和97.36%。

　　3、结论

　　1)微电解Fenton法对高COD、高NH3⁃N和高色度的有机废水有很好的处理效果

　　2)通过微电解Fenton法处理硫铵酯⁃苯甲羟肟酸⁃苯胺黑有机废水，单因素确定佳条件为：初始pH=3、铁屑用量70g/L、活性炭用量80g/L、H2O2用量7mg/L、MnO2用量8.0g/L、曝气量500mL/(min•L)、反应时间20min，此时COD、NH3⁃N和色度去除率达88.21%、93.57%和98.68%。

　　3)通过多因素正交实验考察了不同因素对去除率的影响强弱，结果表明：影响COD、NH3⁃N和色度去除率的因素强弱顺序为：铁屑量=活性炭量>H2O2用量>pH值>MnO2用量。