深度氧化技术处理皂素废水的研究

刘智峰

（陕西理工学院 化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001）

深度氧化技术处理皂素废水的研究

刘智峰

（陕西理工学院 化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001）

采用Fenton试剂深度氧化技术处理皂素废水，研究了FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量、pH值和反应时间4个因素对废水中COD去除效果的影响。实验结果表明，当FeSO4·7H2O投加量为7 g／L，H2O2投加量为170 g／L，pH值为4，反应时间为50 min条件下，COD去除效果最佳，可达到88.23%。各因素对COD去除率影响的强弱顺序为：H2O2投加量＞FeSO4·7H2O投加量＞pH值。

皂素废水；Fenton试剂；深度氧化技术；废水处理

皂素是从黄姜、穿地龙等薯蓣科植物中提取的最初产品，为白色晶体或粉末，是医药合成甾体激素的基础原料。我国皂素生产厂家集中在湖南、湖北、陕南等地。现行提取工艺普遍采用酸水解法，该生产工艺中会产生大量的酸性高浓度有机废水，对环境造成严重污染。目前，黄姜皂素产业已经成为陕南地区的重要支柱产业，而陕南地区又是南水北调中线工程水源地，肩负着北京、天津等地的饮水安全。研究皂素废水的处理技术具有保障水源地水质安全和保护生态环境的重要意义［1］。

深度氧化技术是通过产生具有高反应活性的羟基自由基（·HO）来氧化降解有机污染物的处理方法。Fenton试剂氧化法是深度氧化技术中的一种常用技术，它利用Fe2＋的催化作用使H2O2生成羟基自由基（·OH）。 羟基自由基（·OH）有强氧化性，可将废水中大多数有机物氧化分解成小分子物质。利用Fenton试剂强氧化性处理皂素废水，期望能够取得良好的COD去除率和色度去除率，为该类废水在生产实际中的处理提供新技术。

1 材料与方法

1.1 废水来源与性质

实验所用皂素废水取自陕南某皂素生产企业，主要污染物有还原性糖、可溶性淀粉、蛋白质和少量的水溶性皂甙、单宁、糠醛类物质等。水质情况见表1。

表1 废水水质参数表

1.2 实验仪器与试剂

仪器：98－1磁力搅拌机；pHS－3C型 pH 计；SHB－Ⅲ型系列循环水式多用真空泵；电子分析天平；冷凝回流装置；常用玻璃仪器；电热套。

试剂：生石灰；分析纯聚丙烯酰胺（PAM）；硫酸铝；硫酸亚铁；30%双氧水。

1.3 实验方法

CODCr的测定采用 （GB11914－89） 重铬酸钾法；pH值的测定采用pHS－3C型pH计测量；色度的测定采用稀释倍数法［2］。

2 结果与分析

2.1 预处理实验

对实验废水首先进行预处理，选取生石灰、聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸铝三种絮凝剂，在三个烧杯中各取100 mL皂素废水，加入生石灰50 mg／mL（即 5 g）、聚丙烯酰胺（PAM）1 mg／mL（即 0.1 g）、硫酸铝 10 g／L 加 30 mL（即 300 mL／L），调节 pH值为8，在一定的搅拌速度下，搅拌30 min，静置30 min，取液面下2 cm处清液测其COD。实验结果如表2。

表2 预处理实验结果

实验结果表明，聚丙烯酰胺是三种絮凝剂中去除率最好的，可达35.32%，经过预处理后皂素废水COD降至24139 mg／L。

2.2 单因素实验

2.2.1 pH 值对 COD 去除率的影响

取7份皂素废水，各200 mL，用生石灰调节pH 分别为 1、2、3、4、5、6、7。 控制每个烧杯 H2O2投加量为 170 g／L，FeSO4·7H2O 投加量为 7 g／L，反应时间为30 min，过滤后测定滤液COD值。实验结果见图1。

图1 pH值对COD去除率的影响

由图1可见，随着pH值的增大，COD去除率缓慢提高，当pH值为4时，COD去除率最高，可达82.35%。pH值同时影响Fenton试剂的氧化和混凝两个过程，在较低pH值条件下，有利于体系中HO·自由基的产生，升高pH值则抑制了HO·自由基的生成，进而影响Fenton试剂的氧化性能，导致COD去除率下降。

2.2.2 H2O2投加量对 COD 去除率的影响

取200 mL皂素废水6份，用生石灰调节pH值为4，控制每个烧杯FeSO4·7H2O投加量为7 g／L，H2O2投 加 量 分 别 为 42.5、85、127.5、170、212.5和255 g／L，反应时间为30 min，过滤后测定滤液COD值。结果如图2。

图2 H2O2投加量对COD去除率的影响

由图2可知，COD去除率初始随着H2O2投加量的增加而增大，当H2O2为170 g／L时，COD的去除率最高达86.09%，此后COD去除率随H2O2浓度的增加呈下降趋势。H2O2投加量大，能提高反应产生的初始HO·自由基浓度，加速有机物氧化，但过高浓度H2O2能和有机物形成竞争，与HO·自由基反应，对HO·自由基消耗作用强烈［3］。 因此 H2O2超过 170 g／L 后，COD 去除率逐渐下降。此外，H2O2浓度越大，在链反应过程中消耗、再生达到平衡的时间越长。

2.2.3 FeSO4·7H2O 投加量对 COD 去除率的影响

取200 mL皂素废水6份，用生石灰调节pH为4，控制H2O2投加量为170 g／L，在每个烧杯中分 别 加 入 FeSO4·7H2O 3.5、5.25、7、8.75、10.5、12.25 g／L，反应时间为 30 min，过滤后测定滤液COD值。实验结果见图3。

图3 FeSO4·7H2O投加量对COD去除率的影响

由图3可知，随FeSO4·7H2O投加量的增加，COD的去除率增大，当FeSO4·7H2O的投加量超过7 g／L时，COD的去除率随FeSO4·7H2O的增加而逐渐降低。因为FeSO4·7H2O的加入量大于一定量时，H2O2分解速度加快，生成的HO·自由基来不及与有机物分子进行反应，就转变成O2而释放出来［4］。因而使部分氧化剂无效分解，在实验中表现为有大量的气泡溢出，使COD去除率下降。

2.2.4 反应时间对COD去除率的影响

取7份皂素废水各200 mL，用生石灰调节pH均为4，控制每个烧杯H2O2投加量为170 g／L，FeSO4·7H2O 投加量为 7 g／L，反应时间分别为10、30、50、70、90、110 min， 过滤后测定滤液 COD值。结果见图4。当反应时间为50 min时，COD的去除率为最大，达77.35%，50 min后曲线基本趋于平缓，变化量很小，说明Fenton反应在50 min时已基本完成。

图4 反应时间对COD去除率的影响

2.3 正交试验设计

根据单因素实验结果，选取FeSO4·7H2O投加量、H2O2投加量和pH值三个因素取三个水平，套用L9（43）正交表，考察COD去除率。正交试验因素及水平设计和正交试验分析结果分别如表3和表4所示。

表3 正交试验因素及水平设计

表4 正交试验结果

根据正交试验结果可以看出，3个因素对COD去除率影响的强弱顺序为：H2O2投加量＞FeSO4·7H2O投加量＞pH值。从COD去除率看，处理效果最好的为试验7，其次是试验5，试验7所选条件中的pH值为1，考虑到实际生产中调节pH耗酸，且pH对处理效果影响较小，选用试验5，对 H2O2和 FeSO4·7H2O 消耗较试验 7少，节约成本。

3 结论

①单因素实验和正交试验结果表明：Fenton试剂处理皂素废水，H2O2最佳投加量为170 g／L，FeSO4·7H2O 最佳投加量为 7 g／L，pH 值最佳为4，反应时间最佳为50 min。在此条件下，COD去除率可高达88.23% 。

②通过正交试验结果分析可知：对COD去除率影响的强弱顺序为：H2O2投加量＞FeSO4·7H2O投加量＞pH值。

［1］刘智峰，宋凤敏，刘瑾.粉煤灰在皂素废水处理中的应用［J］.陕西理工学院学报，2010，3（26）：78－80.

［2］国家环境保护总局，《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法（第4版）［M］.北京：中国环境科学出版社，1989：368－370.

［3］任昭，孟伊倩，张涛，等.Fenton试剂预处理皂素废水的研究［J］.环境保护与循环经济，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