深度氧化技術(shù)處理皂素廢水的研究

劉智峰

（陜西理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

深度氧化技術(shù)處理皂素廢水的研究

劉智峰

（陜西理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

采用Fenton試劑深度氧化技術(shù)處理皂素廢水，研究了FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量、pH值和反應(yīng)時(shí)間4個(gè)因素對(duì)廢水中COD去除效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)FeSO4·7H2O投加量為7 g／L，H2O2投加量為170 g／L，pH值為4，反應(yīng)時(shí)間為50 min條件下，COD去除效果最佳，可達(dá)到88.23%。各因素對(duì)COD去除率影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篐2O2投加量＞FeSO4·7H2O投加量＞pH值。

皂素廢水；Fenton試劑；深度氧化技術(shù)；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(chǎn)品，為白色晶體或粉末，是醫(yī)藥合成甾體激素的基礎(chǔ)原料。我國(guó)皂素生產(chǎn)廠家集中在湖南、湖北、陜南等地?，F(xiàn)行提取工藝普遍采用酸水解法，該生產(chǎn)工藝中會(huì)產(chǎn)生大量的酸性高濃度有機(jī)廢水，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。目前，黃姜皂素產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為陜南地區(qū)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，而陜南地區(qū)又是南水北調(diào)中線工程水源地，肩負(fù)著北京、天津等地的飲水安全。研究皂素廢水的處理技術(shù)具有保障水源地水質(zhì)安全和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要意義［1］。

深度氧化技術(shù)是通過(guò)產(chǎn)生具有高反應(yīng)活性的羥基自由基（·HO）來(lái)氧化降解有機(jī)污染物的處理方法。Fenton試劑氧化法是深度氧化技術(shù)中的一種常用技術(shù)，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(qiáng)氧化性，可將廢水中大多數(shù)有機(jī)物氧化分解成小分子物質(zhì)。利用Fenton試劑強(qiáng)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(chǎn)實(shí)際中的處理提供新技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 廢水來(lái)源與性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用皂素廢水取自陜南某皂素生產(chǎn)企業(yè)，主要污染物有還原性糖、可溶性淀粉、蛋白質(zhì)和少量的水溶性皂甙、單寧、糠醛類物質(zhì)等。水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 廢水水質(zhì)參數(shù)表

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

儀器：98－1磁力攪拌機(jī)；pHS－3C型 pH 計(jì)；SHB－Ⅲ型系列循環(huán)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(shí)驗(yàn)方法

CODCr的測(cè)定采用 （GB11914－89） 重鉻酸鉀法；pH值的測(cè)定采用pHS－3C型pH計(jì)測(cè)量；色度的測(cè)定采用稀釋倍數(shù)法［2］。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)廢水首先進(jìn)行預(yù)處理，選取生石灰、聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸鋁三種絮凝劑，在三個(gè)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(diào)節(jié) 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(cè)其COD。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯酰胺是三種絮凝劑中去除率最好的，可達(dá)35.32%，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后皂素廢水COD降至24139 mg／L。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 pH 值對(duì) COD 去除率的影響

取7份皂素廢水，各200 mL，用生石灰調(diào)節(jié)pH 分別為 1、2、3、4、5、6、7。 控制每個(gè)燒杯 H2O2投加量為 170 g／L，F(xiàn)eSO4·7H2O 投加量為 7 g／L，反應(yīng)時(shí)間為30 min，過(guò)濾后測(cè)定濾液COD值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 pH值對(duì)COD去除率的影響

由圖1可見(jiàn)，隨著pH值的增大，COD去除率緩慢提高，當(dāng)pH值為4時(shí)，COD去除率最高，可達(dá)82.35%。pH值同時(shí)影響Fenton試劑的氧化和混凝兩個(gè)過(guò)程，在較低pH值條件下，有利于體系中HO·自由基的產(chǎn)生，升高pH值則抑制了HO·自由基的生成，進(jìn)而影響Fenton試劑的氧化性能，導(dǎo)致COD去除率下降。

2.2.2 H2O2投加量對(duì) COD 去除率的影響

取200 mL皂素廢水6份，用生石灰調(diào)節(jié)pH值為4，控制每個(gè)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(yīng)時(shí)間為30 min，過(guò)濾后測(cè)定濾液COD值。結(jié)果如圖2。

圖2 H2O2投加量對(duì)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(dāng)H2O2為170 g／L時(shí)，COD的去除率最高達(dá)86.09%，此后COD去除率隨H2O2濃度的增加呈下降趨勢(shì)。H2O2投加量大，能提高反應(yīng)產(chǎn)生的初始HO·自由基濃度，加速有機(jī)物氧化，但過(guò)高濃度H2O2能和有機(jī)物形成競(jìng)爭(zhēng)，與HO·自由基反應(yīng)，對(duì)HO·自由基消耗作用強(qiáng)烈［3］。 因此 H2O2超過(guò) 170 g／L 后，COD 去除率逐漸下降。此外，H2O2濃度越大，在鏈反應(yīng)過(guò)程中消耗、再生達(dá)到平衡的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2.3 FeSO4·7H2O 投加量對(duì) COD 去除率的影響

取200 mL皂素廢水6份，用生石灰調(diào)節(jié)pH為4，控制H2O2投加量為170 g／L，在每個(gè)燒杯中分 別 加 入 FeSO4·7H2O 3.5、5.25、7、8.75、10.5、12.25 g／L，反應(yīng)時(shí)間為 30 min，過(guò)濾后測(cè)定濾液COD值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 FeSO4·7H2O投加量對(duì)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(dāng)FeSO4·7H2O的投加量超過(guò)7 g／L時(shí)，COD的去除率隨FeSO4·7H2O的增加而逐漸降低。因?yàn)镕eSO4·7H2O的加入量大于一定量時(shí)，H2O2分解速度加快，生成的HO·自由基來(lái)不及與有機(jī)物分子進(jìn)行反應(yīng)，就轉(zhuǎn)變成O2而釋放出來(lái)［4］。因而使部分氧化劑無(wú)效分解，在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為有大量的氣泡溢出，使COD去除率下降。

2.2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率的影響

取7份皂素廢水各200 mL，用生石灰調(diào)節(jié)pH均為4，控制每個(gè)燒杯H2O2投加量為170 g／L，F(xiàn)eSO4·7H2O 投加量為 7 g／L，反應(yīng)時(shí)間分別為10、30、50、70、90、110 min， 過(guò)濾后測(cè)定濾液 COD值。結(jié)果見(jiàn)圖4。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為50 min時(shí)，COD的去除率為最大，達(dá)77.35%，50 min后曲線基本趨于平緩，變化量很小，說(shuō)明Fenton反應(yīng)在50 min時(shí)已基本完成。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率的影響

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量和pH值三個(gè)因素取三個(gè)水平，套用L9（43）正交表，考察COD去除率。正交試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)和正交試驗(yàn)分析結(jié)果分別如表3和表4所示。

表3 正交試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3個(gè)因素對(duì)COD去除率影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篐2O2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(yàn)7，其次是試驗(yàn)5，試驗(yàn)7所選條件中的pH值為1，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中調(diào)節(jié)pH耗酸，且pH對(duì)處理效果影響較小，選用試驗(yàn)5，對(duì) H2O2和 FeSO4·7H2O 消耗較試驗(yàn) 7少，節(jié)約成本。

3 結(jié)論

①單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果表明：Fenton試劑處理皂素廢水，H2O2最佳投加量為170 g／L，F(xiàn)eSO4·7H2O 最佳投加量為 7 g／L，pH 值最佳為4，反應(yīng)時(shí)間最佳為50 min。在此條件下，COD去除率可高達(dá)88.23% 。

②通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知：對(duì)COD去除率影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篐2O2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(yīng)用［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，3（26）：78－80.

［2］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第4版）［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1989：368－370.

［3］任昭，孟伊倩，張濤，等.Fenton試劑預(yù)處理皂素廢水的研究［J］.環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，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