印染廢水深度處理流化床-Fenton技術(shù)

　　印染工業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生發(fā)展的重要支柱，隨著人們對(duì)紡織品需求量的逐漸增加，印染產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生的印染廢水逐漸增多。印染廢水成分復(fù)雜、色度大、生物可降解性差，如果不經(jīng)過(guò)有效處理而直接排放到環(huán)境中，將會(huì)導(dǎo)致水體嚴(yán)重污染，影響生態(tài)平衡并危害人體健康。近年來(lái)，為了進(jìn)一步提升紡織品的印染效果，在印染過(guò)程中加入了多種新型染料和助劑，印染廢水中的染料和助劑種類繁多，使其更加難以處理。目前，工業(yè)化處理印染廢水的方法可歸納為物理法、化學(xué)法和生物法，但單一方法處理存在降解效率低、能耗較高、污泥量大、易造成二次污染等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，可將多種方法聯(lián)合使用，結(jié)合多種方法的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提高處理效率、降低成本的效果。Fenton試劑法是一種常見(jiàn)的高級(jí)氧化技術(shù)，可用于處理多種有毒有害的有機(jī)廢水，適用于成分復(fù)雜、難降解的印染廢水處理。Fenton試劑法的主要原理為H₂O₂與Fe²⁺反應(yīng)生成具有超強(qiáng)氧化性能的?OH，與常規(guī)處理難以降解的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，生成易降解小分子有機(jī)物甚至直接降解為H2O和CO2等無(wú)機(jī)物。Fenton試劑法最主要的物質(zhì)為Fe²⁺和H₂O₂，分別起同質(zhì)催化和氧化作用。Fenton試劑法處理印染廢水具有處理效果好、方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，但Fenton試劑法的H₂O₂利用率低，F(xiàn)e²⁺用量需要精準(zhǔn)控制，處理成本高，易造成二次污染。因此，需要將Fenton氧化技術(shù)與其他處理方法相結(jié)合，包括光催化-Fenton法、電解氧化-Fenton法、超聲Fenton法、流化床-Fenton法等，以流化床-Fenton技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。流化床技術(shù)借助流體使反應(yīng)器內(nèi)的固體呈流態(tài)化，使廢水與催化劑、試劑接觸更加充分，進(jìn)而增強(qiáng)了傳質(zhì)效率。流化床-Fenton技術(shù)是將流化床技術(shù)和Fenton技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在Fenton反應(yīng)的基礎(chǔ)上引入外加顆粒，將Fe²⁺覆蓋在填充料表面，以達(dá)到強(qiáng)化Fenton作用的目的。

　　目前，流化床-Fenton技術(shù)對(duì)實(shí)際印染廢水深度處理方面顯示出巨大潛力，研究各因素對(duì)印染廢水深度處理效果的影響，以實(shí)現(xiàn)流化床-Fenton技術(shù)在工業(yè)化處理印染廢水方面的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)利用自主開(kāi)發(fā)的流化床-Fenton裝置對(duì)某印染廠二級(jí)生化出水進(jìn)行深度處理，以COD去除率為指標(biāo)，研究石英砂填充率、反應(yīng)時(shí)間、pH、Fe²⁺濃度和H₂O₂用量對(duì)印染廢水處理效果的影響，為實(shí)現(xiàn)流化床-Fenton技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1 材料

　　印染廢水(江蘇省某印染廠污水處理站二級(jí)生化出水，pH為6~8，初始COD為240~260mg/L)，石英砂[粒徑(0.5±0.1)mm，密度1.8g/cm3]，30%H₂O₂、HCl、H2SO4、NaOH、FeSO4?7H2O、重鉻酸鉀(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，流化床反應(yīng)器尺寸Φ60mm×700mm，容積2L，用蠕動(dòng)泵加入Fe²⁺和H₂O₂，用循環(huán)泵確保反應(yīng)器內(nèi)溶液持續(xù)循環(huán)。

　　1.3 流化床-Fenton技術(shù)深度處理印染廢水

　　首先配制0.1mol/LHCl溶液，將石英砂浸泡在HCl溶液中1天后用去離子水清洗，直到清洗的去離子水為中性，然后在100℃下烘12h備用。將石英砂加入流化床反應(yīng)器中，再加入H₂O₂和Fe²⁺溶液(使溶液循環(huán))，利用H2SO4和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH，運(yùn)行6天后加入印染廢水，開(kāi)啟循環(huán)泵，使石英砂呈流化態(tài)，再加入一定量Fe²⁺和H₂O₂溶液，利用H2SO4和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH，開(kāi)始反應(yīng)，每隔10min取100mL上層溶液，離心后取上清液，測(cè)試COD。

　　1.4 測(cè)試

　　利用重鉻酸鉀法測(cè)試COD，用下式計(jì)算COD去除率：

　　其中，COD0表示印染廢水的初始COD，CODt表示t時(shí)刻印染廢水的COD。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 石英砂填充率

　　由圖2可知，隨著石英砂填充率的增大，COD去除率快速升高。這是由于石英砂填充率較低時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的非均相催化氧化反應(yīng)不明顯，主要發(fā)生Fenton均相催化氧化反應(yīng)，F(xiàn)e²⁺量較少，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)生的?OH較少；當(dāng)增大石英砂填充率時(shí)，Fe²⁺量增加，反應(yīng)產(chǎn)生的?OH增多，COD去除率升高。當(dāng)石英砂填充率超過(guò)15%時(shí)，繼續(xù)增加石英砂填充率，COD去除率不再明顯增大。這是由于此時(shí)石英砂的流化態(tài)趨于平衡，其表面Fe2O3與H₂O₂的反應(yīng)也趨于平衡，繼續(xù)增大石英砂填充率對(duì)反應(yīng)速率影響較小。石英砂填充率為15%時(shí)，非均相催化氧化反應(yīng)的效果最好，印染廢水的COD去除率最高。

　　2.2 反應(yīng)時(shí)間

　　由圖3可看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，COD去除率逐漸增大，且在最初的60min內(nèi)COD下降速度最快；隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，COD去除率升高速率逐漸變小并趨于穩(wěn)定。這是由于反應(yīng)初期，流化床-Fenton體系中的H₂O₂濃度較高，F(xiàn)enton反應(yīng)(Fe²⁺+H₂O₂+H⁺→Fe³⁺+H2O+?OH)的速率較快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的?OH較多，廢水中的有機(jī)物礦化速率較快，COD降解速率較快。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H₂O₂濃度降低，F(xiàn)enton反應(yīng)速率變慢，?OH生成量減少，COD降解速率減慢；另外，隨著Fenton反應(yīng)的進(jìn)行，體系內(nèi)的Fe³⁺增加，雖然Fe³⁺可與H₂O₂反應(yīng)生成?OOH和Fe²⁺，但其催化效果和氧化性較低，也導(dǎo)致COD降解速率減慢。考慮到能耗，優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間為60min。

　　2.3 pH

　　由圖4可看出，當(dāng)pH在4~6時(shí)，COD去除率較高且相差不大，均在75%以上，這是由于Fe²⁺更容易存在于弱酸性環(huán)境，并且容易產(chǎn)生活性更高的Fe(OH)+。此外，流化床-Fenton體系中存在副反應(yīng)Fe³⁺+OH^-→Fe(OH)3，該副反應(yīng)可以降低出水中的Fe³⁺濃度，減少鐵泥的產(chǎn)生，還能夠起到酸堿緩沖作用，因此在較寬的pH范圍內(nèi)具有較好的降解效果。當(dāng)pH小于4時(shí)，流化床-Fenton體系對(duì)印染廢水的COD去除率隨pH降低迅速降低，且pH越低，COD去除效果越差。這是由于pH過(guò)低時(shí)，體系內(nèi)的H⁺濃度很高，由體系產(chǎn)生的?OH與H⁺反應(yīng)生成H2O，?OH被迅速消耗導(dǎo)致濃度降低，抑制了印染廢水降解中間產(chǎn)物的礦化。當(dāng)pH大于6時(shí)，COD去除率隨pH增大也迅速降低，且pH越高，COD去除效果越差。這是由于pH過(guò)高時(shí)，H₂O₂快速分解，抑制了?OH的產(chǎn)生，從而降低了印染廢水的降解效率。

　　2.4 Fe²⁺濃度

　　由圖5可看出，當(dāng)不加入Fe²⁺或者Fe²⁺濃度較低時(shí)，COD去除率較低；隨著Fe²⁺濃度的增加，COD去除率逐漸增大。這是由于Fe²⁺濃度較低時(shí)，F(xiàn)e²⁺催化H₂O₂生成的?OH不足，導(dǎo)致印染廢水降解較為緩慢，因而COD去除率較低；隨著Fe²⁺濃度的不斷增加，F(xiàn)e²⁺催化H₂O₂產(chǎn)生的?OH也不斷增加，促進(jìn)了印染廢水的降解，COD去除率逐漸升高。當(dāng)Fe²⁺濃度超過(guò)0.2mol/L時(shí)，進(jìn)一步增大Fe²⁺濃度，COD去除率反而降低。這是由于過(guò)量的Fe²⁺一方面催化H₂O₂產(chǎn)生?OH，另一方面自身和?OH發(fā)生副反應(yīng)(Fe²⁺+?OH→Fe³⁺+OH^-)，反而導(dǎo)致?OH被消耗，參與降解印染廢水的?OH減少，從而使COD去除率降低。

　　2.5 H₂O₂用量

　　由圖6可以看出，H₂O₂用量較低時(shí)，隨著H₂O₂用量的增加，F(xiàn)e²⁺催化H₂O₂產(chǎn)生的?OH快速增加，COD去除率也隨之增大。當(dāng)H₂O₂用量超過(guò)0.7mL/L時(shí)，由于大部分有機(jī)污染物已經(jīng)被氧化分解，整個(gè)體系的反應(yīng)已經(jīng)趨于平衡，繼續(xù)增加H₂O₂用量并不能進(jìn)一步增大?OH濃度，因而COD去除率不再明顯增加，反而增加了印染廢水的處理成本。因此H₂O₂的優(yōu)化用量為0.7mL/L。

　　3、結(jié)論

　　流化床-Fenton技術(shù)處理實(shí)際印染廢水的優(yōu)化反應(yīng)條件為：石英砂填充率15%、反應(yīng)時(shí)間60min、pH=4、Fe²⁺濃度0.2mol/L、H₂O₂用量0.7mL/L，此時(shí)對(duì)印染廢水的COD去除率達(dá)到76.5%。(來(lái)源：山東輕工職業(yè)學(xué)院)