深度氧化技術處理皂素廢水的研究

劉智峰

（陜西理工學院 化學與環境科學學院，陜西 漢中 723001）

深度氧化技術處理皂素廢水的研究

劉智峰

（陜西理工學院 化學與環境科學學院，陜西 漢中 723001）

采用Fenton試劑深度氧化技術處理皂素廢水，研究了FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量、pH值和反應時間4個因素對廢水中COD去除效果的影響。實驗結果表明，當FeSO4·7H2O投加量為7 g／L，H2O2投加量為170 g／L，pH值為4，反應時間為50 min條件下，COD去除效果最佳，可達到88.23%。各因素對COD去除率影響的強弱順序為：H2O2投加量＞FeSO4·7H2O投加量＞pH值。

皂素廢水；Fenton試劑；深度氧化技術；廢水處理

皂素是從黃姜、穿地龍等薯蕷科植物中提取的最初產品，為白色晶體或粉末，是醫藥合成甾體激素的基礎原料。我國皂素生產廠家集中在湖南、湖北、陜南等地。現行提取工藝普遍采用酸水解法，該生產工藝中會產生大量的酸性高濃度有機廢水，對環境造成嚴重污染。目前，黃姜皂素產業已經成為陜南地區的重要支柱產業，而陜南地區又是南水北調中線工程水源地，肩負著北京、天津等地的飲水安全。研究皂素廢水的處理技術具有保障水源地水質安全和保護生態環境的重要意義［1］。

深度氧化技術是通過產生具有高反應活性的羥基自由基（·HO）來氧化降解有機污染物的處理方法。Fenton試劑氧化法是深度氧化技術中的一種常用技術，它利用Fe2＋的催化作用使H2O2生成羥基自由基（·OH）。 羥基自由基（·OH）有強氧化性，可將廢水中大多數有機物氧化分解成小分子物質。利用Fenton試劑強氧化性處理皂素廢水，期望能夠取得良好的COD去除率和色度去除率，為該類廢水在生產實際中的處理提供新技術。

1 材料與方法

1.1 廢水來源與性質

實驗所用皂素廢水取自陜南某皂素生產企業，主要污染物有還原性糖、可溶性淀粉、蛋白質和少量的水溶性皂甙、單寧、糠醛類物質等。水質情況見表1。

表1 廢水水質參數表

1.2 實驗儀器與試劑

儀器：98－1磁力攪拌機；pHS－3C型 pH 計；SHB－Ⅲ型系列循環水式多用真空泵；電子分析天平；冷凝回流裝置；常用玻璃儀器；電熱套。

試劑：生石灰；分析純聚丙烯酰胺（PAM）；硫酸鋁；硫酸亞鐵；30%雙氧水。

1.3 實驗方法

CODCr的測定采用 （GB11914－89） 重鉻酸鉀法；pH值的測定采用pHS－3C型pH計測量；色度的測定采用稀釋倍數法［2］。

2 結果與分析

2.1 預處理實驗

對實驗廢水首先進行預處理，選取生石灰、聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸鋁三種絮凝劑，在三個燒杯中各取100 mL皂素廢水，加入生石灰50 mg／mL（即 5 g）、聚丙烯酰胺（PAM）1 mg／mL（即 0.1 g）、硫酸鋁 10 g／L 加 30 mL（即 300 mL／L），調節 pH值為8，在一定的攪拌速度下，攪拌30 min，靜置30 min，取液面下2 cm處清液測其COD。實驗結果如表2。

表2 預處理實驗結果

實驗結果表明，聚丙烯酰胺是三種絮凝劑中去除率最好的，可達35.32%，經過預處理后皂素廢水COD降至24139 mg／L。

2.2 單因素實驗

2.2.1 pH 值對 COD 去除率的影響

取7份皂素廢水，各200 mL，用生石灰調節pH 分別為 1、2、3、4、5、6、7。 控制每個燒杯 H2O2投加量為 170 g／L，FeSO4·7H2O 投加量為 7 g／L，反應時間為30 min，過濾后測定濾液COD值。實驗結果見圖1。

圖1 pH值對COD去除率的影響

由圖1可見，隨著pH值的增大，COD去除率緩慢提高，當pH值為4時，COD去除率最高，可達82.35%。pH值同時影響Fenton試劑的氧化和混凝兩個過程，在較低pH值條件下，有利于體系中HO·自由基的產生，升高pH值則抑制了HO·自由基的生成，進而影響Fenton試劑的氧化性能，導致COD去除率下降。

2.2.2 H2O2投加量對 COD 去除率的影響

取200 mL皂素廢水6份，用生石灰調節pH值為4，控制每個燒杯FeSO4·7H2O投加量為7 g／L，H2O2投 加 量 分 別 為 42.5、85、127.5、170、212.5和255 g／L，反應時間為30 min，過濾后測定濾液COD值。結果如圖2。

圖2 H2O2投加量對COD去除率的影響

由圖2可知，COD去除率初始隨著H2O2投加量的增加而增大，當H2O2為170 g／L時，COD的去除率最高達86.09%，此后COD去除率隨H2O2濃度的增加呈下降趨勢。H2O2投加量大，能提高反應產生的初始HO·自由基濃度，加速有機物氧化，但過高濃度H2O2能和有機物形成競爭，與HO·自由基反應，對HO·自由基消耗作用強烈［3］。 因此 H2O2超過 170 g／L 后，COD 去除率逐漸下降。此外，H2O2濃度越大，在鏈反應過程中消耗、再生達到平衡的時間越長。

2.2.3 FeSO4·7H2O 投加量對 COD 去除率的影響

取200 mL皂素廢水6份，用生石灰調節pH為4，控制H2O2投加量為170 g／L，在每個燒杯中分 別 加 入 FeSO4·7H2O 3.5、5.25、7、8.75、10.5、12.25 g／L，反應時間為 30 min，過濾后測定濾液COD值。實驗結果見圖3。

圖3 FeSO4·7H2O投加量對COD去除率的影響

由圖3可知，隨FeSO4·7H2O投加量的增加，COD的去除率增大，當FeSO4·7H2O的投加量超過7 g／L時，COD的去除率隨FeSO4·7H2O的增加而逐漸降低。因為FeSO4·7H2O的加入量大于一定量時，H2O2分解速度加快，生成的HO·自由基來不及與有機物分子進行反應，就轉變成O2而釋放出來［4］。因而使部分氧化劑無效分解，在實驗中表現為有大量的氣泡溢出，使COD去除率下降。

2.2.4 反應時間對COD去除率的影響

取7份皂素廢水各200 mL，用生石灰調節pH均為4，控制每個燒杯H2O2投加量為170 g／L，FeSO4·7H2O 投加量為 7 g／L，反應時間分別為10、30、50、70、90、110 min， 過濾后測定濾液 COD值。結果見圖4。當反應時間為50 min時，COD的去除率為最大，達77.35%，50 min后曲線基本趨于平緩，變化量很小，說明Fenton反應在50 min時已基本完成。

圖4 反應時間對COD去除率的影響

2.3 正交試驗設計

根據單因素實驗結果，選取FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量和pH值三個因素取三個水平，套用L9（43）正交表，考察COD去除率。正交試驗因素及水平設計和正交試驗分析結果分別如表3和表4所示。

表3 正交試驗因素及水平設計

表4 正交試驗結果

根據正交試驗結果可以看出，3個因素對COD去除率影響的強弱順序為：H2O2投加量＞FeSO4·7H2O投加量＞pH值。從COD去除率看，處理效果最好的為試驗7，其次是試驗5，試驗7所選條件中的pH值為1，考慮到實際生產中調節pH耗酸，且pH對處理效果影響較小，選用試驗5，對 H2O2和 FeSO4·7H2O 消耗較試驗 7少，節約成本。

3 結論

①單因素實驗和正交試驗結果表明：Fenton試劑處理皂素廢水，H2O2最佳投加量為170 g／L，FeSO4·7H2O 最佳投加量為 7 g／L，pH 值最佳為4，反應時間最佳為50 min。在此條件下，COD去除率可高達88.23% 。

②通過正交試驗結果分析可知：對COD去除率影響的強弱順序為：H2O2投加量＞FeSO4·7H2O投加量＞pH值。

［1］劉智峰，宋鳳敏，劉瑾.粉煤灰在皂素廢水處理中的應用［J］.陜西理工學院學報，2010，3（26）：78－80.

［2］國家環境保護總局，《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法（第4版）［M］.北京：中國環境科學出版社，1989：368－370.

［3］任昭，孟伊倩，張濤，等.Fenton試劑預處理皂素廢水的研究［J］.環境保護與循環經濟，2010，3.

［4］ Burbano A.A， Dionysian D.D， Suidan M.T， eta1.Oxidation kinetics and effect of pH on the degradation of MTBE with Fenton reagent ［J］.Water Research， 2005，39（1）： 107–108.

10.3969／j.issn.1007－2217.2012.03.006

2012－07-02