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印染废水高级氧法处理方法
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2015-4-30
 

2010年我国《第一次全国污染源普查公报》上明确指出,在经过多年的治理之后,印染行业仍然以129.60万t的COD排放量位居行业COD排放量的第二位。由此可见,印染行业传统处理方法仍然存在着未能解决印染行业水量大、色度高、成分复杂、难降解、生物毒性大等特点〔1〕,因此急需开发新型的治理技术和方法。近年来,环境领域工作者开始将高级氧化法应用于处理印染废水〔2, 3, 4, 5〕。高级氧化法由W. H. Glaze〔6〕首次提出,泛指氧化过程中有大量羟基自由基参与的深度化学氧化过程,其特点是:使用范围广、处理效率高、反应迅速、二次污染小,可回收能量及有用物质。它的这些优点使其在难处理的印染废水的深度处理中有比较好的应用前景。

1 实验部分
 
为比较两种典型的高级氧化法——紫外(UV)与超声波(US)在处理同种模拟印染废水时的深度处理效果及理论能耗,采用Fenton试剂(H2O2+Fe2)分别与UV、US联合处理模拟印染废水,研究Fenton试剂投加量、体系pH、反应时间、体系功率等因素对于模拟印染废水的脱色率的影响,比较此两种典型的高级氧化法的处理效果及理论能耗。

1.1 药品与仪器
 
染料:均为市售商用染料,包括酸性嫩黄(单偶氮,苯环结构)、直接桃红(双偶氮,蒽环结构)、直接金驼(三偶氮,苯环结构)。

试剂:30%H2O2,硫酸亚铁铵等,均为分析纯。

仪器:ZXC-D型紫外线灯,40 W;KQ-100DB型数控超声波清洗器,频率40 kHz,功率100 W;722型可见分光光度计;PB-10型pH计;电子天平等。

1.2 实验方法
 
以模拟印染废水(由偶氮染料酸性嫩黄、直接桃红、直接金驼配制而成)脱色率为评价指标,原水初始质量浓度均选为100 mg/L,采用单因素实验法对两种典型的高级氧化法进行对比,各因素控制量的实验顺序采用正交实验获得的影响大小顺序,控制量的固定值采用正交实验中的中间值(H2O2 9 mL/L,Fe2 200 mg/L,pH=5,系统输入功率 40 W,反应时间 60 min)。

UV-Fenton法:改变体系H2O2、Fe2投加量、反应初始pH、紫外灯管距离、反应时间,考察各因素对偶氮染料深度处理的效果。

US-Fenton法:改变体系超声功率、超声水浴温度、反应时间、H2O2、Fe2投加量、反应初始pH,考察各因素对偶氮染料深度处理的效果。

2 实验结果与讨论
 
2.1 H2O2投加量对处理效果的影响
 
为使UV、US体系的处理效果具有可比性,将体系其他操作条件拟定为一固定值,单独讨论单因素条件影响下两种高级氧化体系对模拟印染废水的脱色效果。

两种体系Fe2投加质量浓度均为200 mg/L,初始pH均为5,输入功率均采用40 W(此时紫外灯管距液面距离为0),反应时间60 min时,单纯讨论H2O2投加量对处理效果的影响,结果见图 1。

 

图 1 双氧水投加量对偶氮染料脱色率的影响   

由图 1可见,随着双氧水投加量的增加,偶氮染料脱色率在两种高级氧化法处理时均呈现先增加后降低的趋势,当采用UV-Fenton法时,双氧水的投加量在8.0~10.0 mL/L时会使3种不同结构的偶氮染料的脱色率均维持在95%以上。当采用US-Fenton法时,双氧水的投加量在3.5~5.0 mL/L时会使3种不同结构的偶氮染料的脱色率均维持在95%以上。有研究指出〔7, 8〕,双氧水在高级氧化法中承担的作用是向反应体系中提供羟基自由基,本研究也发现,羟基自由基的提供以及增加对偶氮染料的脱色起到了关键性的主导作用,在研究的范围内(双氧水投加量在2~20 mL/L),双氧水的存在使得偶氮染料的脱色率均维持在70%以上。本研究同时发现,由于UV-Fenton系统可向反应体系提供的能量(30 W)低于US-Fenton系统(50 W),加之UV-Fenton系统的反应温度(室温)低于US-Fenton系统(55 ℃),因此UV-Fenton系统较US-Fenton系统所需提供的双氧水量更高。

2.2 Fe2投加量对处理效果的影响
 
两种体系双氧水(30%)投加量均为9 mL/L,初始pH均为5,输入功率均采用40 W(此时紫外灯管距液面距离为0),反应时间60 min时,单纯讨论Fe2投加量对处理效果的影响,结果见图 2。

 

图 2 Fe2投加量对偶氮染料脱色率的影响 

由图 2可见,随着Fe2投加量的增加,偶氮染料脱色率在两种高级氧化法处理时均呈现先增加后降低的趋势,这是由于Fe2是Fenton体系催化产生羟基自由基的催化剂,适当的投加量可以保证该实验快速有效地进行,但投加量过大,也会由于H2O2消耗过快而降低利用率〔9, 10〕。Fe2的投加质量浓度在150~250 mg/L时会使3种不同结构的偶氮染料的脱色率均维持在90%以上。

2.3 体系初始pH对处理效果的影响
 
众多研究结果〔11, 12, 13, 14〕表明,高级氧化法大多数在较低的pH区域内才能够取得较好的处理率,本研究两种体系双氧水(30%)投加量固定为9 mL/L,Fe2投加质量浓度固定为200 mg/L,输入功率均采用40 W(此时紫外灯管距液面距离为0),反应时间60 min时,对体系初始pH对处理效果的影响做出分析,结果见图 3。

 

图 3 体系初始pH对偶氮染料脱色率的影响   

由图 3可见,无论UV-Fenton还是US-Fenton,高级氧化法仍然在酸性范围内取得最佳脱色率,UV-Fenton在体系初始pH=5附近取得3种结构偶氮染料的最佳脱色率;而US-Fenton在体系初始pH=3.5附近取得3种结构偶氮染料的最佳脱色率。US-Fenton对体系的初始pH要求更严格。

2.4 反应时间对处理效果的影响
 
两种体系双氧水(30%)投加量固定为9 mL/L,Fe2投加质量浓度固定为200 mg/L,体系初始pH为5,输入功率均采用40 W(此时紫外灯管距液面距离为0)时,体系作用于偶氮染料溶液的时间对处理效果的影响见图 4。

 

图 4 反应时间对偶氮染料脱色率的影响  

由图 4可以看出,随着反应时间的增加,3种结构偶氮染料的脱色率呈线性上升,对于US-Fenton系统来说,当达到较高的脱色率(98.5%)后再延长反应时间,偶氮染料的脱色率也不会得到大幅度的提高。US-Fenton系统相对UV-Fenton系统达到95%以上脱色率所需反应时间更短,30 min就可实现对3种结构偶氮染料的脱色。而UV-Fenton系统实现95%左右的脱色率则需130 min,因此,当仅考虑反应时间所耗的能量时,US-Fenton的应用范围更广。

2.5 系统功率对处理效果的影响
 
两种体系双氧水(30%)投加量固定为9 mL/L,Fe2投加质量浓度固定为200 mg/L,体系初始pH为5时,反应时间60 min,改变US系统超声波发生仪的输出功率,改变UV系统待处理溶液距紫外灯管的距离,使系统输出功率随之改变,考察系统输出功率对处理效果的影响,结果见图 5。

 

图 5 功率对偶氮染料脱色率的影响 

由图 5可以看出,由于待处理溶液距紫外灯管距离可调性有限,UV-Fenton系统可调节的输出功率变化范围不大,因此各种结构的偶氮染料脱色率变化也不大,在98.0%~99.5%范围内波动。而US-Fenton系统可调节的输出功率范围变化较大(40~80 W),但3种结构的偶氮染料脱色率变化仍不明显,集中在95.5%~99.8%,也能取得较高的脱色效果。因此,系统输入功率不必要求过高,只需维持体系能量正常供给,便可实现对偶氮染料的脱色。

2.6 温度对处理效果的影响
 
UV系统的脱色率均在室温下获得,改变US系统超声波发生仪的水浴温度,考察US-Fenton系统温度对处理效果的影响,结果表明,体系温度对偶氮染料的处理率影响甚微,无论在室温下反应还是升高系统温度,偶氮染料的脱色率均能达到96%以上,虽然3种结构的偶氮染料均在35~40 ℃附近取得最佳脱色率,但如果原始废水温度并不高,也没有必要另输入能量提高待处理废水温度。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

3 结论
 
UV-Fenton与US-Fenton均可产生大量活性粒子,氧化水体中难降解有机污染物,对于典型印染废水——偶氮染料均可取得95%以上的脱色率;综合理论试剂投加费用、耗电量以及反应时间等因素,US-Fenton拥有更好的应用前景。

 
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