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        鐵碳微電解及芬頓氧化處理某抗生素廢水的研究

        2019-08-02 09:55:00白娟莉
        四川有色金屬 2019年2期
        關(guān)鍵詞:效果實驗

        白娟莉

        (四川景星環(huán)境科技有限公司, 四川成都 610037)

        抗生素廢水因濃度高、水質(zhì)波動大、廢水中含有延緩或完全抑制微生物生長的有毒有害物質(zhì)、可生化性較差等特點,將其歸為生物難降解有機(jī)廢水。因此,在進(jìn)入污水處理系統(tǒng)前,需對其進(jìn)行一定的預(yù)處理。鐵碳微電解和芬頓氧化法因氧化性強(qiáng)、處理效率高、不產(chǎn)生二次污染,同時,兼具占地面積小、操作簡單、管理方便等特點適于抗生素廢水的預(yù)處理。但這兩種處理方法對抗生素廢水的處理效果及其適用條件都有待進(jìn)一步研究。

        1 鐵碳微電解及芬頓氧化法基本原理

        鐵碳微電解是利用鐵、碳組分自身產(chǎn)生的電位差發(fā)生氧化還原反應(yīng),對廢水進(jìn)行電解處理[1],以達(dá)到降解有機(jī)污染物和脫色的目的。特別是在有氧的情況下,反應(yīng)生成的Fe(OH)3是活性膠狀絮凝劑[2],其吸附能力很強(qiáng),可對水中的懸浮物及其他有色物質(zhì)進(jìn)行吸附、凝聚共沉淀而除去,從而達(dá)到對廢水的凈化效果。

        芬頓氧化法是利用“芬頓試劑”進(jìn)行化學(xué)氧化的廢水處理技術(shù)。芬頓試劑是Fe2+和H2O2組成的氧化體系,該體系在酸性條件下能生成氧化性極強(qiáng)的羥基自由基(·OH),可有效降解有機(jī)污染物[3]。同時,F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+,產(chǎn)生混凝沉淀作用,去除大量有機(jī)物。因此,芬頓氧化法在水處理中具有兩種作用:混凝和氧化[4]。

        廢水經(jīng)過鐵碳微電解或芬頓氧化處理后,大分子有機(jī)物得以斷鏈開環(huán)、污染物在去除的同時廢水可生化性得以提高,為廢水后續(xù)處理提供了良好的基礎(chǔ)。

        2 實驗

        2.1 實驗水樣來源及濃度

        實驗水樣取自某藥業(yè)公司污水處理站調(diào)節(jié)池出水口,CODcr約3000~5000mg/L、BOD5約500~1000mg/L、pH約為5。由此可見,廢水可生化性較差,廢水水質(zhì)波動較大。

        2.2 儀器和藥劑

        (1)實驗儀器:500mL燒杯、曝氣裝置、溶解氧瓶、CODcr快速測定儀、溶解氧儀、生化培養(yǎng)箱;

        (2)實驗藥劑:硫酸、氫氧化鈉、FeSO4﹒7H2O、H2O2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)、重鉻酸鉀、硫酸-硫酸銀、硫酸汞;

        2.3 實驗材料

        本實驗使用的材料主要是鐵屑及粉末活性炭,為了消除對實驗的干擾,在實驗前對鐵屑及粉末活性炭均進(jìn)行了預(yù)處理,預(yù)處理過程如下:

        (1)鐵屑:首先用堿液(10%)進(jìn)行浸泡,再用稀硫酸(3%)進(jìn)行活化,最后用清水洗凈待用;

        (2)粉末活性炭:用水樣反復(fù)浸泡至少30min。

        2.4 分析方法

        pH采用pHS-3CA型酸度計測試,CODcr采用重鉻酸鉀法測試,BOD5采用稀釋接種法測試。

        2.5 實驗方法

        (1)鐵碳微電解實驗

        在500mL燒杯中加入200mL水樣與一定量的填料(水樣需沒過填料),同時,在燒杯底部放入曝氣裝置進(jìn)行曝氣;待反應(yīng)結(jié)束,把廢水倒入另外一個燒杯,調(diào)節(jié)pH至堿性(約9~10)進(jìn)行沉淀,靜置后取上清液進(jìn)行檢測并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

        (2)芬頓氧化實驗

        在500mL燒杯中加入200mL水樣,然后投加一定量的FeSO4·7H2O和雙氧水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)。待反應(yīng)結(jié)束,將廢水倒入另外一個燒杯,調(diào)節(jié)pH至堿性(約為9~10)進(jìn)行沉淀,靜置后取上清液進(jìn)行檢測并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

        3 實驗結(jié)果與討論

        3.1 鐵碳微電解實驗

        (1)鐵碳體積比對廢水CODcr去除率的影響

        進(jìn)水pH調(diào)節(jié)至4、通過調(diào)節(jié)鐵、碳填料的投加量使其體積比分別為1:0、1:1、2:1、3:1時進(jìn)行為時120min的實驗,實驗結(jié)果見圖1。

        圖1 鐵碳比對CODcr去除率的影響

        從圖1可以看出,鐵碳比的變化對CODcr的去除率有一定的影響。與未加活性炭時相比,當(dāng)填料中以1:1比例加入活性炭時,其對CODcr的去除率變化不大,但出水色度明顯降低,水質(zhì)變的清澈。當(dāng)繼續(xù)提高鐵碳比時,鐵碳微電解對CODcr的去除率也有所提高,在鐵碳比為2:1時,最高可達(dá)84.5%。隨著鐵碳比繼續(xù)增大,更多的鐵沒有與碳組成原電池,而是快速溶解從而導(dǎo)致鐵的消耗增多,產(chǎn)泥量也相應(yīng)增加。同時,較多的Fe2+被鼓入的空氣氧化成Fe3+導(dǎo)致出水顏色變深。因此綜合考慮,鐵碳比為1:1時去除效果為最佳。

        (2)反應(yīng)停留時間對廢水CODcr去除率的影響

        其他條件不變,改變反應(yīng)停留時間進(jìn)行實驗,實驗結(jié)果見圖2。

        從圖2可以看出,CODcr去除率隨著反應(yīng)停留時間的增加而逐漸增大。但以120min為時間節(jié)點,在此之前增加趨勢明顯,在此之后增加趨勢趨于平緩。此外,實驗時發(fā)現(xiàn),當(dāng)停留時間大于150min時,出水顏色有加深的趨勢,這可能是因為過多的鐵溶解進(jìn)入廢水中所致。所以綜合考慮,停留時間控制在120min最好。

        圖2 反應(yīng)停留時間對CODcr去除率的影響

        (3)進(jìn)水pH對廢水CODcr去除率的影響

        其他條件不變,改變進(jìn)水pH分別進(jìn)行實驗,試驗結(jié)果見圖3。

        圖3 進(jìn)水pH值變化對CODcr去除率的影響

        由圖3可知,CODcr的去除率隨著進(jìn)水pH增大而明顯下降。當(dāng)進(jìn)水pH調(diào)至8時,相比初始進(jìn)水pH,廢水CODcr去除率由48.8%降低至14.7%,降低了34.1%,變化幅度之大。但考慮到實際工程應(yīng)用中,降低pH要消耗大量的酸,而且pH過低,鐵碳反應(yīng)過快,大量的鐵溶解,不但增加了鐵用量,且產(chǎn)泥量也增加,為了盡可能的節(jié)約加酸費用及耗鐵量,進(jìn)水pH以4為宜。

        3.2 芬頓氧化實驗

        (1)FeSO4·7H2O投加量對CODcr去除率的影響

        調(diào)節(jié)進(jìn)水pH至4、在水樣中投加10mLH2O2,通過改變FeSO4·7H2O投加量進(jìn)行為時120min的實驗,結(jié)果見圖4。

        圖4 FeSO4·7H2O投加量對CODcr去除率的影響

        從圖4可以看出,F(xiàn)eSO4·7H2O投加過多或過少,廢水CODcr去除率均不高,整個曲線呈拋物線狀。這一現(xiàn)象主要是由Fe2+濃度的變化引起,濃度過低,不利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行,單位H2O2產(chǎn)生的·OH較少,氧化效果差,廢水處理效果自然不好;而Fe2+濃度過高時,水樣中就會殘留有部分未參與反應(yīng)的Fe2+,不僅使出水色度增加,而且過量的Fe2+本身對CODcr就有貢獻(xiàn),則廢水處理效果反而下降。因此,F(xiàn)eSO4·7H2O投加量控制在1.05g較為合適。

        (2)H2O2投加量對CODcr去除率的影響

        圖5 H2O2投加量對CODcr去除率的影響

        其他條件不變,改變H2O2的投加量,使其分別為2、4、10、16、20mL進(jìn)行實驗,結(jié)果見圖5。

        從圖5可以看出,廢水CODcr去除率隨著H2O2投加量的不斷增加而提高。以10mL為節(jié)點,在此之前CODcr去除率增加趨勢明顯,在此之后,變化幅度已不是很明顯甚至還有下降的趨勢。究其原因主要是:H2O2投加量過大,快速地將氧化體系中的Fe2+氧化成了Fe3+,抑制了·OH的產(chǎn)生,對污染物的去除效果自然下降,同時,由于過多Fe3+的存在,還會使出水的色度增加。因此,H2O2的投加量選擇10mL較為合適。

        (3)進(jìn)水pH變化對CODcr去除率的影響

        其他條件不變,將進(jìn)水pH分別調(diào)節(jié)至2、4、6、8時進(jìn)行實驗,結(jié)果見圖6。

        圖6 進(jìn)水pH值變化對CODcr去除率的影響

        從圖6明顯看出,隨著進(jìn)水pH的變化,CODcr的去除率呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化。當(dāng)進(jìn)水pH由2增加到4時,CODcr的去除率也隨之增加,而進(jìn)水pH調(diào)節(jié)至6時則明顯下降,當(dāng)進(jìn)水pH調(diào)至8時,CODcr的去除率又有所增加。所以,進(jìn)水pH以4為宜。

        (4)停留時間CODcr去除率的影響

        其他條件保持不變,改變停留時間(T=30、60、90、120、150、180、210、240、270、300min)分別進(jìn)行實驗,結(jié)果見圖7。

        圖7 停留時間對CODcr去除效果的影響

        從圖7可以看出,在反應(yīng)進(jìn)行30min后,已表現(xiàn)出很好的去除效果,CODcr的去除率可達(dá)到61.4%。但實驗結(jié)束,將出水調(diào)至堿性后,生成的沉淀卻很難下沉,至少需1h才能完全沉降,且出水顏色偏黃,究其原因主要是反應(yīng)不徹底造成的。之后在反應(yīng)停留時間為60min時出現(xiàn)拐點,即CODcr的去除率急劇下降,而當(dāng)停留時間超過60min后,CODcr的去除率又呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,直至反應(yīng)進(jìn)行到180min,再延長停留時間,去除率已不再變化??紤]到實際工程應(yīng)用,芬頓反應(yīng)停留時間選擇120min為最佳。

        4 結(jié)論

        采用鐵碳微電解及芬頓氧化法對該藥業(yè)公司抗生素廢水進(jìn)行處理,通過調(diào)節(jié)進(jìn)水pH、控制反應(yīng)停留時間、合理投加物料或調(diào)節(jié)物料配比,均可取得良好的去除效果。在相同的反應(yīng)時間下,芬頓氧化法的去除效率稍優(yōu)于鐵碳微電解法,但前者的運行成本更高。本次實驗確定了兩種處理方法的最佳反應(yīng)參數(shù),可為實際處理工程提供一定的依據(jù),在實際處理工程中,也可考慮將兩種方法聯(lián)用,發(fā)揮各自的優(yōu)勢,取得更好的廢水處理效果。

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