孫 科，王 萌

徐州生物職業(yè)技術(shù)學院生物工程系，江蘇 徐州 221006

水稻秸稈可發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸[1]，每生產(chǎn)1 t檸檬酸大約產(chǎn)生30 m3廢水。該發(fā)酵廢水的化學需氧量（COD）高達25 g/L，5 d生化需氧量（BOD5）達13 g/L，pH值大約為2.5。傳統(tǒng)檸檬酸廢水處理方法[2]主要有生物法、光合細菌法、乳狀液膜法和綜合處理法，其中綜合處理法又有厭氧-好氧生物組合法和厭氧-兼氧-好氧生物組合法等，COD去除率達到為85%左右。

電Fenton法[3-5]是在Fenton法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其原理是通過電化學產(chǎn)生的Fenton試劑（Fe2+和H2O2）。陰極由于具有較高的析氫電位，可在表面發(fā)生氧化還原反應產(chǎn)生H2O2，溶液中Fe2+和H2O2反應產(chǎn)生·OH[6-8]；Fe2+被氧化產(chǎn)生Fe3+，F(xiàn)e3+在陰極再次被還原為Fe2+，繼續(xù)作為Fenton試劑使用，從而使Fe2+循環(huán)使用[9]。反應中產(chǎn)生的·OH可以與多種有機物進行氧化還原反應，最終產(chǎn)生CO2和H2O，達到去除有機污染物的目的[10-11]。目前還沒有利用電Fenton方法處理檸檬酸發(fā)酵廢水的文獻報道。本研究采用電Fenton方法進行發(fā)酵廢水處理，以期解決大量廢水排放造成的環(huán)境污染問題，同時減少水資源的浪費。

1 材料與方法

1.1 實驗廢水

采用黃孢原毛平革菌、里氏木霉和黑曲霉混菌發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸。首先以水稻秸稈中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的降解率為參考指標，通過單因素實驗和多因素正交實驗考察黃孢原毛平革菌和里氏木霉對水稻秸稈的降解情況，最佳結(jié)果：初始pH值為4.0，黃孢原毛平革菌和里氏木霉的比例為1:5，黃孢原毛平革菌和里氏木霉的復合接種量為18%，發(fā)酵降解時間為140 h。然后接種黑曲霉，以檸檬酸的產(chǎn)量為參考指標，通過單因素實驗和多因素正交實驗考察黑曲霉發(fā)酵情況，最佳結(jié)果：初始pH值為4.0，黑曲霉的接種量為15%，發(fā)酵降解時間為140 h，檸檬酸的產(chǎn)量達到79.83 g/L。得到的混菌發(fā)酵檸檬酸廢水pH值約為2.5、COD為20～25 g/L、BOD5為12～13 g/L、固體懸浮物濃度（SS）為1.6～2.0 g/L。

1.2 實驗裝置和方法

自主設(shè)計的實驗裝置如圖1所示。長方體容器的容積為2 000 mL，陽極為鈦電極、陰極為石墨電極，陰陽電極為板狀（15.0 cm×25.0 cm），陰陽電極兩端分別連接直流穩(wěn)壓電源的負極和正極，兩極板中間距離為6 cm，陰陽電極之間固定一塊鐵板（6.0 cm×6.0 cm），裝置的底端有一根環(huán)形曝氣管（50 cm）與小型空壓機相連。

圖1 電Fenton反應器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of electro Fenton reactor 1-anode plate; 2-reaction tank; 3-annular aeration tube;4-power supply; 5-cathode plate

向?qū)嶒炑b置中注入2 000 mL混菌發(fā)酵檸檬酸廢水，開動恒溫磁力攪拌器，添加NaOH調(diào)節(jié)pH值，加入FeSO4和H2O2，然后打開空壓機通風曝氣。調(diào)節(jié)溫度為25 ℃，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min，定時取樣后用pH計測pH值，150 min后關(guān)閉攪拌器，靜置后取上清液，采用重鉻酸鉀法[12-14]測其COD值。

1.3 實驗方案設(shè)計

以COD值為參照指標，對初始pH值、Fe2+添加量、H2O2（質(zhì)量分數(shù)為30%）添加量和反應時間進行單因素實驗，每個因子進行三個平行實驗，取平均值。根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以COD值為響應值，進行Box-Behnken響應面實驗[15-17]設(shè)計，數(shù)據(jù)見表1。同時使用軟件Design Expert 8.0.6[18-21]對數(shù)據(jù)進行處理。

表1 電Fenton法處理檸檬酸廢水工藝條件優(yōu)化Box-Behnken實驗因子水平設(shè)計Table 1 Optimization of technology conditions for treatment of citric acid wastewater by electric Fenton method

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 初始pH值的影響

當混菌發(fā)酵廢水COD為21 g/L，F(xiàn)e2+添加量為300 mg/L，H2O2添加量為1.2 mL/L時，初始pH值對發(fā)酵廢水的COD影響如圖2所示。從圖2可以看出，隨著初始pH值的增加，出水COD值呈拋物線狀變化，而COD去除率的變化正好相反，呈倒置拋物線狀。當初始pH值為3.5時，出水COD值最低、COD去除率最大。當pH值過低時，H+濃度較大，抑制了Fe2+的產(chǎn)生，而Fe2+濃度過低，COD去除率將會降低。當pH值較高時，F(xiàn)e2+會形成羥基聚合物，降低了Fe2+濃度，所以COD去除率也會降低。

圖2 初始pH對電Fenton處理廢水的影響Fig.2 Effect of initial pH on electro-Fenton treatment of wastewater

2.1.2 Fe2+添加量的影響

當混菌發(fā)酵廢水COD為21g/L，初始pH值為3.5，H2O2添加量為1.2 mL/L時，F(xiàn)e2+添加量對發(fā)酵廢水COD的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著Fe2+添加量的增加，出水COD值逐漸減小，當Fe2+添加量達到300 mg/L時COD降到最低，隨著Fe2+添加量的繼續(xù)增加COD值略有增加；COD去除率則隨著Fe2+添加量的增加而增加，當Fe2+添加量達到300 mg/L時COD去除率達到最大，隨著Fe2+添加量的繼續(xù)增加COD去除率略有下降。Fe2+是催化H2O2產(chǎn)生·OH的催化劑，隨著Fe2+濃度的提高催化活性增加，COD去除率增加。但當Fe2+濃度增加到一定程度，副反應（·OH+Fe2+→Fe3++OH-）增加，反而減少了·OH的產(chǎn)生，COD去除率下降。

圖3 Fe2+添加量對電Fenton處理廢水的影響Fig.3 Effect of Fe2+ addition on electro-Fenton treatment of wastewater

2.1.3 H2O2添加量的影響

當混菌發(fā)酵廢水COD為21 g/L、初始pH值為3.5、Fe2+添加量為300 mg/L時，H2O2添加量對發(fā)酵廢水的COD影響如圖4所示。從圖4可以看出，出水COD值隨H2O2添加量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的“U”形變化，當H2O2添加量達到1.2 mL/L時出水COD最低；COD去除率隨著H2O2添加量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的倒“U”形變化，當H2O2添加量達到1.2 mL/L時COD去除率最大。電Fenton法降解發(fā)酵廢水主要是由于·OH的產(chǎn)生，當H2O2添加量少時，產(chǎn)生少量的·OH，COD去除率就??；但·OH又可以被H2O2消耗掉，所以當H2O2添加量過多時，部分·OH會被H2O2消耗掉，從而降低了COD去除率。

圖4 H2O2添加量對電Fenton處理廢水的影響Fig.4 Effect of H2O2 addition on electro Fenton treatment of wastewater

2.1.4 反應時間的影響

當混菌發(fā)酵廢水COD為21 g/L、初始pH值為3.5、Fe2+添加量為300 mg/L、H2O2添加量為1.2 mL/L時，時間對電Fenton處理廢水結(jié)果的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著處理時間的增加，COD去除率幾乎呈直線增加，直到150 min左右時，COD去除率的增加趨勢開始減緩。所以采用電Fenton方法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的時間應控制為150～180 min，時間過短COD去除率過低，達不到處理效果，時間過長投資和運行費用過大，造成浪費。

圖5 時間對電Fenton處理廢水的影響Fig.5 Effect of time on electro Fenton treatment of wastewater

2.2 響應面實驗結(jié)果

2.2.1 回歸模型建立

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取初始pH值（X1）、Fe2+添加量（X2）、H2O2添加量（X3）和時間（X4）為考察因素，以COD去除率（Y）為響應值，采用Box-Behnken實驗水平設(shè)計，進行四因素三水平響應面實驗，結(jié)果與分析見表2。

表2 Box-Behnken實驗結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of Box-Behnken tests

使用軟件Design Expert 8.0.6對表2結(jié)果進行多元回歸擬合[22-23]，得到的二次多項式回歸方程為：

2.2.2 回歸模型方差分析

回歸模型的方差分析結(jié)果見表3。由表3可知，模型為極顯著（P<0.01），失擬項為不顯著（P>0.05），表明回歸模型的擬合度較好。模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.957 3，校正相關(guān)系數(shù)R2adj為0.924 1，表明所建模型和實際情況擬合程度高，可以用于電Fenton法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水處理的預測。一次項X1、X2、X3、交互項X2X3和二次項X12、X32對結(jié)果影響極其顯著（P<0.01）；交互項X2X4、二次項X22對結(jié)果影響顯著（P<0.05）；其他相對結(jié)果影響不顯著（P>0.05）。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

2.2.3 響應面圖的分析

初始pH值、Fe2+添加量、H2O2添加量和處理時間交互作用對混菌發(fā)酵檸檬酸廢水處理影響的響應面及等高線見圖6。從圖6A可以看出：隨著pH值的增加，COD去除率先迅速增加，然后增加緩慢，最后又迅速下降；隨著Fe2+添加量增加，COD去除率迅速增加，然后趨于恒定。所以，初始pH值和Fe2+添加量兩個因子交互性不顯著。但是，從圖6A仍可以得知，初始pH值對COD去除率影響較大，COD去除率最大值在初始pH值3.5左右。

圖6 各因素交互作用對COD去除率的響應面及等高線Fig.6 Response surface and contour of COD removal by the interaction of various factors

由圖6B可知：隨著pH值的增加，COD去除率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；隨著H2O2添加量的增加，COD去除率也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。所以，H2O2添加量和初始pH值兩個因子交互作用極顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

圖6C表明：隨著pH值的增加，COD去除率先迅速增加，然后增加緩慢，最后又迅速下降；隨著反應時間的增加，COD去除率一直呈現(xiàn)增加的趨勢，但是后期增加緩慢。所以，初始pH值和反應時間兩個因子交互作用不顯著。

從圖6D可以看出：隨著Fe2+添加量的增加，COD去除率前期先迅速增加后期增加緩慢；隨著H2O2添加量的增加，COD去除率呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，但整體增加趨勢較緩慢。從圖6D中仍可以看出Fe2+添加量對COD去除率的影響較大。

圖6E顯示：隨著Fe2+添加量的增加，COD去除率前期先迅速增加后期增加緩慢；隨著時間增長，COD去除率也呈現(xiàn)前期先迅速增加后期增加緩慢的趨勢。所以，F(xiàn)e2+添加量和反應時間兩個因子交互作用極顯著，這和方差分析結(jié)果一致。

從圖6F可以看出：隨著H2O2添加量的增加，COD去除率幾乎不發(fā)生變化；隨著時間反應增長，COD去除率呈現(xiàn)前期先迅速增加后期增加緩慢的趨勢。所以，H2O2添加量和反應時間兩個因子交互作用不顯著。

響應面坡度越陡峭，表明COD去除率對于操作條件的改變越敏感，該因素對COD去除率的影響越大。在交互項對COD去除率的影響中，F(xiàn)e2+添加量與H2O2添加量之間以及Fe2+添加量與反應時間之間的交互作用明顯，其他因素之間交互作用不明顯，這與方差分析的結(jié)果一致。

2.3 驗證性實驗

使用軟件Design Expert 8.0.6對二次多項式回歸方程求解，求得了電Fenton法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的優(yōu)化條件：初始pH值為3.68、Fe2+添加量為242.37 mg/mL、H2O2添加量為1.06 mg/mL以及反應時間為142.24 min，預測COD去除率為97%?？紤]實際成本及技術(shù)情況，確定實際的優(yōu)化處理條件是：初始pH值為3.6、Fe2+添加量為245 mg/mL、H2O2添加量為1.1 mg/mL、反應時間為145 min，在此條件下實驗得到的COD去除率為96.67%，與預測值接近，說明回歸模型能較好地預測實際處理情況。

3 結(jié) 論

通過單因素及響應面實驗優(yōu)化確定電Fenton法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的工藝條件：初始pH值為3.6、Fe2+添加量為245 mg/mL、H2O2添加量為1.1 mg/mL、反應時間為145 min。在此優(yōu)化工藝條件下，實驗得到的COD去除率為96.67%。本研究建立的模型可較好地反映各種因素對混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的COD去除率的影響。