超聲聯合Fenton 試劑處理印染廢水實驗研究

王留鎖 王若冰

［1. 遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧沈陽 110161；2. 伊科凱爾碳減排有限責任公司（EcoCare Carbon Solutions Pty Ltd.），澳大利亞維多利亞 3195］

1 引言

紡織印染行業是我國一大廢水排放行業，統計顯示，我國印染廢水每天的排放量可達到3×106～4×106m3［1］。印染廢水中含有的COD 濃度和色度大，水量大、毒性大［2-3］，可生化性差。由于水體內進入了諸多有毒的內分泌干擾物［4］，導致了天然水環境遭到嚴重的破壞，印染廢水的綜合治理已成為一個迫切需要解決的問題［5］。關于此項研究，目前已經取得了一定的突破和進展。常用的印染廢水處理方法有物理方法［6-7］、化學方法［8］、生物方法及綜合處理方法［9］。

其中，高級氧化法由于具有能產生大量活潑的羥基自由基、無二次污染、反應速度快、容易控制等特點，成為處理難降解廢水的技術熱點［10-12］。Fenton氧化法作為高級氧化法中的一種，氧化效率高，能降解水中難降解的污染物［13］，而超聲技術是近幾年發展起來的新型水處理技術［14-15］。已有研究表明，印染廢水水質復雜，一般單獨采用一種方法來處理往往達不到很好的效果［16-17］，而幾種技術聯合使用可有效地提高降解效率［18-20］。迄今已有許多復合法處理印染廢水的相關報道［21-24］，但關于超聲聯合Fenton試劑的研究還不夠完善，特別是工藝條件的研究仍有待深入。本文采用單因素和正交試驗進行實驗條件的優化和參數的確定，為印染廢水治理工程應用提供參考依據。

2 實驗部分

2.1 儀器及試劑

2.1.1 實驗儀器

DR5000 分光光度計、pH 計、冷凝回流裝置、磁力攪拌器、超聲波反應器、加熱裝置（電爐）、不同量程的酸式滴定管、錐形瓶、移液管、容量瓶等。

2.1.2 實驗試劑

雙氧水（30%）、FeSO4·7H2O、重鉻酸鉀、試亞鐵靈指示液、硫酸亞鐵銨、硫酸、硫酸銀、硫酸汞、印染廢水（實驗室配制，0.1 mol/L）等。

2.2 實驗方法

2.2.1 單一Fenton 試劑處理模擬實驗

將50 mL 的印染廢水放置于一定的容器中，在特定的pH 值下，定量加入FeSO4·7H2O 和雙氧水，對溶液進行不同時間的攪拌，測定溶液的COD 和色度，以研究單一Fenton 試劑處理對COD 和色度的降解影響。

2.2.2 單一超聲處理模擬實驗

將50 mL 的印染廢水放置于一定的容器中，在特定的pH 值和特定的超聲功率下對印染廢水進行一定時間的超聲處理，通過測試溶液的COD 和色度，以研究單一超聲處理對COD 和色度的降解影響。

2.2.3 超聲聯合Fenton 試劑處理模擬實驗

將50 mL 的印染廢水放置于一定的容器中，在特定的pH 值下，首先加入若干質量的FeSO4·7H2O，接著投加一定量的雙氧水，震蕩，再放入超聲波反應器中超聲。超聲后靜置，測定其COD 和色度，考察超聲聯合Fenton 試劑處理對COD 和色度的去除效果。

2.3 分析方法

色度采用稀釋倍數法測定；COD 采取重鉻酸鉀法測定［25］。

3 結果與討論

3.1 單一Fenton 試劑處理印染廢水

3.1.1 雙氧水投加量對印染廢水COD 和色度去除率的影響

調節水樣pH 為3 左右，FeSO4·7H2O 投加量為1 g，攪拌時間為20 min，考察不同雙氧水投加量對印染廢水COD 和色度的去除效果，結果見圖1。

圖1 雙氧水投加量對印染廢水中COD 和色度去除率的影響

由圖1 可知，雙氧水投加量低于5.0 mL 時，印染廢水中COD 和色度的去除率與雙氧水投加量呈現正相關，最高分別可達到約60%和90%。雙氧水投加量高于5.0 mL 時呈現了負相關的現象。這說明只有在一定量的范圍內，雙氧水才能發揮最佳作用。主要是由于在雙氧水投加量低時，隨著量的增加Fenton 體系內的羥基自由基也隨之增加，自由基進一步與印染廢水中的染料分子發生氧化反應，導致染料廢水脫色，COD 和色度的去除率增加；在雙氧水投加量高時，Fenton 體系的副反應增加，降低了羥基自由基的濃度，進一步造成COD 和色度的去除率降低。

3.1.2 FeSO4·7H2O 投加量對印染廢水COD 和色度去除率的影響

調節水樣pH 為3 左右，雙氧水投加量為5.0 mL，攪拌時間為20 min，考察不同FeSO4·7H2O 投加量對印染廢水COD 和色度的去除效果，結果見圖2。

圖2 FeSO4·7H2O 投加量對印染廢水COD 和色度去除率的影響

由圖2 可知，加入的FeSO4·7H2O 量不同，對COD 和色度的去除率影響相似，即均隨著FeSO4·7H2O 投加量的增加而去除率增大。當FeSO4·7H2O投加量為0.8 g 時，COD 的去除率超過70%，色度的去除率超過80%，繼續增加FeSO4·7H2O 的投加量，COD 和色度的去除率分別出現了降低的現象。

可見，FeSO4·7H2O 有最佳的投加量，低于最佳投加量時，通過化學反應形成的自由基量不足，氧化反應發生不徹底，印染廢水中的COD 和色度去除率不高；反之，高于最佳投加量時，雙氧水會被過高地消耗，也會導致印染廢水中的COD 和色度去除率不高。

3.1.3 反應時間對印染廢水COD 和色度去除率的影響

取50 mL 配制好的印染廢水于250 mL 燒杯中，調節水樣pH 為3 左右，雙氧水投加量為5.0 mL，FeSO4·7H2O 投加量為0.8 g，考察不同震蕩時間對印染廢水COD 和色度的去除效果，結果見圖3。

圖3 震蕩時間對印染廢水COD 和色度去除率的影響

由圖3 可知，最佳震蕩時間為45 min。低于45 min時，COD 和色度的去除率隨著震蕩時間的延長而增大，而后達到最高點，COD 和色度去除率達80%和60%以上。達到最高點后，COD 和色度的去除率降低。由此得出，震蕩時間不足和過長將對去除率產生較大的影響，震蕩時間過短或過長都不利于降解效果。

3.1.4 pH 對印染廢水COD 和色度去除率的影響

雙氧水投加量為5.0 mL，FeSO4·7H2O 投加量為0.8 g，攪拌時間為45 min，調節水樣的不同pH值，考察pH 值對印染廢水COD 和色度的去除效果，結果見圖4。

圖4 pH 對印染廢水COD 和色度去除率的影響

由圖4 可知，當pH 在2～4 之間時，COD 去除率變化不明顯，pH 高于4 后，COD 的去除率降低；隨著pH 從2 上升到3，色度去除率隨之升高，pH 高于3以后，色度去除率明顯降低，其最佳pH 值約為3。

老賈一搖手：“山不在高，有仙則靈。我老家那里的和尚很有名，據說都是反右時逃難躲進破廟里的，后來也不想還俗了，干脆當起了真和尚。村里有什么疑難雜癥，反倒去找他的治好了。”

3.2 單一超聲處理印染廢水

3.2.1 超聲時間對印染廢水COD 和色度去除率的影響

調節pH 為8.5 左右，放入超聲波儀器中進行超聲，調節超聲功率為120 W，實驗結果見圖5。

圖5 超聲時間對印染廢水COD 和色度去除率的影響

由圖5 可知，超聲時間的長短也會對COD 和色度的去除率產生影響。在2.0～3.0 h 的超聲時間內，COD 和色度的去除率均增加；經過3.0 h 超聲，印染廢水中的COD 和色度去除率分別為60%和10%，而后變化不明顯。

3.2.2 pH 對印染廢水COD 和色度去除率的影響

在超聲功率為120 W、超聲時間為3.0 h 條件下，pH 對印染廢水COD 和色度去除率的影響見圖6。

圖6 pH 對印染廢水COD 和色度去除率的影響

由圖6 得出，不同pH 值下，印染廢水的COD 去除效果不同，最低時為40%左右，最高則超過80%，最佳pH 約為8。pH 值對色度的去除率影響不大，基本在10%左右。

在pH 為8、超聲時間為3.0 h 的條件下，考察了不同超聲功率對印染廢水COD 和色度去除率的影響，結果見圖7。

圖7 超聲功率對印染廢水COD 和色度去除率的影響

由圖7 可以看出，不同的超聲功率影響了印染廢水中的COD 的去除率，在超聲功率低于120 W時，COD 的去除率明顯增加，可達50%以上，色度去除率雖然很低，但仍然可達到15%左右，超過120 W后二者不發生變化。

3.3 超聲聯合Fenton 試劑處理印染廢水

本實驗選取雙氧水投加量、FeSO4·7H2O 投加量、pH、超聲時間、超聲功率等作為正交試驗的5 個因素，選取了4 個水平，考察超聲聯合Fenton 試劑對印染廢水COD 和色度的去除效果。正交試驗水平設計見表1。

表1 L16（45）水平設計

反應結果見表2。

表2 超聲聯合Fenton 試劑正交試驗安排及分析

根據正交試驗結果，對色度去除率影響較大的因素依次是pH、反應時間、超聲功率、雙氧水投加量、FeSO4·7H2O 投加量，最佳的反應體系為：pH＝3，反應時間達到2.0 h，投加3.5 mL 雙氧水，投加0.9 g FeSO4·7H2O，超聲功率為127.5 W。

對COD 去除率影響較大的因素依次是FeSO4·7H2O 投加量、超聲功率、反應時間、pH、雙氧水投加量，最佳的反應體系為：pH＝3，反應時間達到1.5 h，投加4.5 mL 雙氧水，投加0.7 g FeSO4·7H2O，超聲功率為142.5 W。

在最佳反應體系中，COD 去除率為94.8%，色度去除率高達87.1%。

4 結語

本實驗研究了超聲聯合Fenton 試劑處理模擬印染廢水，對雙氧水投加量、FeSO4·7H2O 投加量、pH、超聲時間、超聲功率等因素進行考察，通過對上述內容的實驗研究和理論探討，得出以下結論：

（1）雙氧水投加量、FeSO4·7H2O 投加量、pH、超聲時間、超聲功率均對處理效果有較大的影響。

（2）超聲聯合Fenton 試劑氧化體現了良好的降解效果，特別是對色度的去除效果顯著。

（3）在最佳參數條件下，超聲聯合Fenton 體系對色度和COD 的去除率分別達到87.1%和94.8%。