實驗室廢氣吸收尾液兩種預處理工藝的效果比較

翁華猛 何茂林 張 鍵

(揚州大學環境科學與工程學院 江蘇 揚州 225009)

引言

隨著液體吸收法廣泛運用到實驗室廢氣處理中，產生了大量的需要處理的吸收液尾液[1]。且吸收液尾液具有有機物含量高、B/C比低、有生物毒性難降解、pH變化大等特點[2]，是一種難降解的高濃度有機廢液。研究此廢水的處理方法和技術具有較高社會意義和科研價值。

芬頓法產生的羥基自由基具有極高的氧化還原電位，對有機物去除效果明顯，大量研究表面芬頓和其他工藝組合而成的UV-Fenton、微電解-Fenton適用于高濃度難降解廢水的處理[3][4][5]。

本文對比UV-Fenton、微電解-Fenton對某高校實驗室廢氣吸收尾液的處理效果，探究兩種工藝的最佳反應條件，比選出較優的方法作為預處理工藝。其中某高校實驗室廢氣吸收尾液水質如表1所示。

表1 某高校實驗室廢氣吸收尾液水質表

一、實驗部分

(一)試劑及分析方法

1.試劑

H2O2、FeSO4·7H2O、KH2PO4等皆用分析純試劑。

2.CODcr測定

重鉻酸鉀法；BOD5：稀釋接種法，可生化性：BOD5/CODcr，pH值：電極法；鐵離子濃度：分光光度法

(二)實驗方法

1.最佳反應條件確定

(1)UV芬頓：將吸收液尾液置于反應器中，本實驗以COD去除率和B/C比提高為為指標，分別在不同的雙氧水投加量、初始pH、催化劑投加量和紫外燈功率下測定處理效率，確定反應體系最佳條件。

(2)微電解芬頓：依次在填Fe/C為3：1填料的微電解反應器和芬頓反應器中分別進行微電解和芬頓反應，先用微電解研究不同初始pH和反應時間研究微電解效率，再研究微電解反應時間和雙氧水投加量對微電解芬頓COD的處理效率影響，確定體系最佳條件。

2.對比效果

分別將吸收液尾液經過UV芬頓最佳反應條件(pH為4、H2O2投加量4.46g/L，H2O2:Fe2+摩爾比為10:1、紫外燈光15W)和微電解芬頓最佳反應條件(pH為3、H2O2投加量6.6g/L，Fe/C為3:1的鐵碳投加量100g/L，微電解30min、Fenton反應40min)下反應70min，每隔10min取樣測其COD濃度。

二、討論與實驗結果對比

(一)H2O2濃度的影響

對于UV芬頓系統，固定的pH值為4，考察投加量按理論值0.5倍至1.5倍變化，變化梯度0.25倍，即2.97g/L、4.46g/L、5.94g/L、7.43g/L、8.92g/L的H2O2，在H2O2:Fe2+摩爾比為10:1和紫外燈光15W下反應50min，其結果見如圖1。

圖1 H2O2濃度對UV芬頓COD去除率和時間的影響

由圖1可見，在雙氧水理論投加量以下，UV芬頓的預處理效果隨著雙氧水投加量增加而增加，超過此值的投加量會引發副反應[6]，降低去除率，考慮到UV芬頓的耦合作用，最終確定雙氧水投加量為4.46g/L。

對于微電解芬頓系統，固定的pH值為3，考察30%雙氧水投加量為10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L，微電解40min，芬頓反應30min，其結果見圖2。

圖2 H2O2濃度對微電解芬頓COD去除率和時間的影響

由圖2可見，雙氧水投加量為20mg/L時，COD去除率最高，低于該值時·OH濃度不足，氧化能力下降，高于該值，過多的H2O2會將Fe2+氧化成Fe3+，減弱催化作用[6]，最終確定最佳雙氧水投加量5.45g/L。

(二)初始pH的影響

對于UV芬頓系統，固定雙氧水和Fe2+投加，調節初始pH分別為3、4、5、6，間隔10min取樣測定COD去除率，結果見圖3。

圖3 初始pH值對UV芬頓COD去除率的影響

由圖3可見，pH值為4時反應速度最快，COD去除率最佳達到32%。pH小于4時，產生較多帶負電荷的OH-，pH大于4時，氫離子減少，反應氧化性降低[7]。最終確定UV芬頓最佳pH值為4。

對于鐵碳微系統，先確定微電解最佳pH，調節pH值為1、2、3、4、5、6的吸收液尾液微電解40min，測定cod去除率，結果見圖4。

圖4 pH值對微電解COD去除的影響

由圖4可見，COD去除率隨著微電解系統pH值的增大先上升后下降，pH為3時微電解效果最佳，pH>3.7時，鐵離子沉淀，微電解效果減弱，pH<3時，微電解的電位差增大，污泥量增加，提高處理成本。最終確定微電解最佳pH值為3。

確定芬頓系統的最佳pH，固定雙氧水投加，考察微電解出水在pH值為2、2.5、3.、3.5、4、4.5時，芬頓反應30min的COD測定去除率，結果如圖5。

圖5 初始pH對芬頓COD去除率的影響

由圖5可見，COD去除效果隨pH值的增加呈先升高后下降的趨勢，pH為3時達到最大值，去除效率為44%。芬頓反應中，過高pH會使鐵離子形成膠體或沉淀，過低不易于羥基自由基的產生[8]。最終確定鐵碳微電解芬頓反應最佳pH值為3。

(三)紫外燈功率對UV芬頓的影響

固定pH、雙氧水和Fe2+投加量，考察了紫外燈功率從0W、6W、8W、15W、20W依次變化時OCD去除率的影響，結果如圖6。

圖6 紫外燈功率對UV芬頓COD去除率的影響

由圖6可見，紫外燈的照射能促進COD的去除，主要因為紫外光能夠促使H2O2生產具有強氧化性的羥基自由基，降解H2O2不能直接降解的有機物[9]。最終確定功率為15W的紫外燈為最佳條件。

(四)Fe2+的影響

作為芬頓反應的主要組分，Fe2+的投加決定了控制了體系催化雙氧水分解的活性點位數量從而控制反應體系處理效果。UV芬頓中，考察H2O2:Fe2+分別為0、5:1、10:1、15:1、20:1的投加比，在固定pH、紫外燈功率下反應間隔為10min的COD去除率，結果如圖7。

圖7 Fe2+投加量對UV芬頓COD去除率和時間的影響

由圖7可見，H2O2：Fe2+投加摩爾比=10：1時COD去除率最佳，因為Fe2+過低不利于羥基自由基產生，過高會成為羥基自由基的捕捉劑，過量H2O2分解消耗。最終確定H2O2：Fe2+投加摩爾比=10：1。

在微電解芬頓體系中，首先微電解進程中Fe2+溶出的速度和COD去除率變化，結果如圖8，再考察純芬頓體系中Fe2+濃度對吸收尾液的處理效果，結果如圖9。

圖8 微電解反應時間對COD去除率、Fe2+溶出量影響

圖9 純Fenton反應Fe2+濃度對COD去除影響

從圖9可見，芬頓反應中Fe2+濃度為250-300mg/L時，COD去除率高，該濃度在圖8中需要反應40min以上，但微電解30min后Fe2+溶出速度變緩，COD去除率基本保持在25%左右，可以認為微電解30min可以達到Fenton反應所需Fe2+含量。故選定微電解反應30min。

(五)最佳反應條件下B/C提高對比

對比考察UV芬頓在最佳反應條件即：pH為4、H2O2投加量4.46g/L，H2O2:Fe2+摩爾比為10:1、紫外燈光15W下反應70min，和微電解芬頓最佳條件即：pH為3、H2O2投加量5.45g/L，Fe/C為3:1的鐵碳投加量100g/L下微電解30min、Fenton反應40min對廢水生化性的影響，結果如圖10。

圖10 UV芬頓和鐵碳微電解芬頓預處理出水B/C變化圖

由圖10可見，在最優實驗條件下，微電解芬頓對吸收尾液處理效果優于UV芬頓，且出水B/C達到35%。

三、結論

(1)uv芬頓體系具有比傳統芬頓反應更高的氧化效率。

(2)在pH為4、H2O2投加量4.46g/L，H2O2:Fe2+摩爾比為10:1、紫外燈光15W、反應時間30min的最佳反應條件下，UV芬頓對廢氣吸收尾液COD去除率達到34.83%，B/C比提高至25%。

(3)在pH為3、H2O2投加量5.45g/L，Fe/C為3:1的鐵碳投加量100g/L下微電解30min、Fenton反應40min的最佳條件下，微電解芬頓對廢氣吸收尾液COD去除率48%，B/C從0.13提升到0.35。

(4)針對廢氣吸收尾液的處理上，微電解芬頓比UV芬頓更適合作為預處理工藝。