电芬顿-混凝协同处理印染废水技术研究

孙秀君

(唐山学院 环境与化学工程系，河北 唐山 063000)

印染废水是较难处理的工业废水之一，具有难生物降解、成分复杂、水量和水质变化大、COD 及色度高等特点。近年来随着纺织和印染工业的发展，染料的种类和成分的复杂程度都逐渐的增加，排放到水体的印染废水越来越多并且越来越难以处理，因此研究开发高效的印染废水处理技术成为水处理的热点问题。电芬顿技术是目前难生物降解有机废水处理技术中研究较多的一种高效的高级氧化技术，它是借助电化学反应直接生成Fe2+和H2O2，作为芬顿试剂的持续来源，芬顿反应生成具有强氧化性的羟基自由基·OH，利用羟基自由基的无选择性的强氧化能力达到脱色以及去除难降解有机物的目的［1］。该方法具有设备简单、氧化速率快、对污染物的去除率高等优点而倍受人们的亲睐［2-4］。另外，反应过程中生成的Fe2+、Fe3+可以与氢氧根反应生成Fe(OH)2、Fe(OH)3，这两种物质都带有吸附效果，从而吸附废水中的不溶颗粒和胶体物质，形成絮体沉淀，使废水水质进一步得到改善。研究通过电芬顿-混凝协同处理印染废水。在印染废水的处理当中具有良好的推广价值。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验用原水，取自某印染厂调节池，原水水质:COD 6 000 ～8 000 mg/L，色度1 ～10 万，pH 8.5 ～9.5;亚甲基蓝、浓硫酸、无水硫酸钠、硫酸亚铁、重铬酸钾、硫酸银、邻菲罗啉、硫酸亚铁铵均为分析纯。

KL035 防水型袖珍pH 测试笔;APS12-600-02低压大电流稳压器;SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵;FA1004B 电子天平;DK-98-Ⅲ万用电炉;EP-900 曝气泵;HJ-3 恒温磁力搅拌器。

1.2 实验方法

电芬顿-混凝协同处理印染废水技术研究实验包括5 个单因素实验和一组正交实验。单因素包括pH、电解电压、电解时间、电解质浓度、FeSO4投加量。正交实验为5 因素4 水平，通过方差分析最终确定最佳处理条件。

1.3 分析项目及方法

COD 采用重铬酸钾法，色度采用比色法［5］。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验分析

2.1.1 FeSO4投加量的影响 见图1。

图1 不同FeSO4 投加量对COD 和色度去除率的影响Fig.1 Effect of FeSO4 on removal rate

由图1 可知，随着FeSO4投加量的增加，COD、色度的去除率都是先增大后减小，在FeSO4投加量为180 mg/L 时COD、色度的去除率最高，分别为69.4%和96.88%。之所以会出现先增后减的现象是因为FeSO4主要通过吸附电中和作用使胶体颗粒脱稳，当加入FeSO4量较少时，FeSO4通过吸附电中和作用吸附胶体颗粒，混凝效果较好。随着投加量的不断上升，混凝效果达到最大值。当投加量超过该峰值时，胶体颗粒带上相反电荷，就会发生再稳定现象，混凝效果下降。

2.1.2 pH 的影响 见图2。

图2 不同pH 对COD 和色度去除率的影响Fig.2 Effect of pH on removal rate

由图2 可知，色度的去除率在pH 为2 ～6 时比较稳定，都接近100%，在pH=6 时色度去除率达到99.95%，此时色度去除效果最好。COD 的去除率随着pH 的变化先增大后减小，并在pH =3 时COD去除率最大，为87.4%。电芬顿反应需要有足够的H+，才能在阴极生成H2O2，所以电芬顿反应必须在酸性条件下进行。但当pH 过低时，废水中的H+过量，H+与自由电子生成氢气，影响阴极H2O2的生成，从而影响了芬顿试剂的氧化效果。当pH 较高时，废水中的OH－与废水中的Fe2+反应生成氢氧化物，同样影响芬顿试剂的氧化反应［6-7］。

2.1.3 Na2SO4浓度的影响 见图3。

图3 不同电解质投加量对COD 和色度去除率的影响Fig.3 Effect of Na2SO4 on removal rate

由图3 可知，色度和COD 的去除率都是随着Na2SO4浓度先增大后减小，当Na2SO4浓度为1.8 g/L时两者的去除率分别为99.90%和64.7%。这是因为随着电解质浓度的增加，导电离子的数目不断增加，印染废水的导电性增强，从而加强了电芬顿的氧化效果。而当浓度继续增大时COD 去除效率开始下降是因为废水中的有机物、支持电解质以及废水中的其他离子共同承担电流。当电解质的浓度过大时，有机物及其反应中间体到达两极的比例就会降低，从而降低了COD 去除率。

图4 不同电解电压对COD 和色度去除率的影响Fig.4 Effect of electrolytic voltage on removal rate

2.1.4 电解电压的影响 见图4。由图4 可知，色度去除率受电解电压的变化影响不大。而COD 的去除率随着电解电压的变化较为明显，随电压的变化先增大后减小，当电解电压为6 V 时高达83.80%。这是因为随着电压的升高，电流密度也相应的变大，与此同时，·OH 和H2O2的产生量也随之提高，促进了芬顿氧化反应的进行，因此随着电解电压的升高，COD 的去除率也得到了提高。而当电解电压增加到一定的程度，电极的极化作用也会不断增强，从而造成了电解液温度的升高，电能大部分被用于提供热量，从而导致了印染废水中电流导电效率的降低。与此同时，当温度升高时，也促进了H2O2的分解，从而减少了废水中的芬顿试剂，影响氧化反应的进行。

2.1.5 电解时间的影响 见图5。

图5 不同电解时间对COD 和色度去除率的影响Fig.5 Effect of reaction time on removal rate

由图5 可知，随着反应时间的变化，色度的去除率变化不大。而COD 的去除率随时间变化先上升后趋于平缓，电解20 min 时达到最大去除率64.7%。这是由于当反应时间较短时，时间越长，反应越充分，而当反应时间足够长时，反应已经得到了充分进行，污染物浓度和H2O2都很低，羟基自由基生成量较少，反应速率降低，导致随着时间的增加，处理效果趋于平稳。

2.2 正交实验分析

进行正交实验，因素水平见表1，实验结果和方差分析见表2。

表1 正交实验因素和水平设计Table 1 The orthogonal experiment design of L

表1 正交实验因素和水平设计Table 1 The orthogonal experiment design of L

水平A B C D E pH 值 电解电压/V电解质浓度/(g·L －1)反应时间/min FeSO4 投加量/(mg·L －1)1 2 4 1.4 15 140 2 3 6 1.6 20 160 3 4 8 1.8 25 180 4 5 10 2.0 30 200

表2 正交实验结果Table 2 The orthogonal experiment result

电芬顿-混凝协同处理印染废水的正交实验表明，对于印染废水的COD 去除效果影响因素的大小依次为:电解质浓度＞pH 值＞反应时间＞电解电压＞FeSO4投加量。实验结果表明，电芬顿-混凝协同处理印染废水的最佳实验条件为A3B2C4D3E4，即pH 值为4，电压6 V，反应时间25 min，支持电解质Na2SO4浓度2.0 g/L，FeSO4投加量200 mg/L，在此条件下色度及COD 的去除率可达到99. 9% 和87.4%。此方法具有高效、去除效果好、经济适用等优点，在印染废水的处理领域具有广阔的应用前景。

3 结论

(1)在酸性条件下，印染废水的处理效果优于碱性条件下的处理效果。

(2)电芬顿-混凝协同处理印染废水影响因素的主次顺序为:电解质浓度＞pH 值＞反应时间＞电解电压＞FeSO4投加量。

(3)通过单因素实验及正交实验确定电芬顿-混凝协同处理印染废水的最佳实验条件为pH 值为4，电压6 V，反应时间25 min，支持电解质Na2SO4浓度2.0 g/L，FeSO4投加量200 mg/L，色度的去除率可达到99.9%，COD 去除率可达到87.4%。

［1］ 周蕾，周明华. 电芬顿技术的研究进展［J］. 水处理技术，2013，39(10):1-2.

［2］ 谷威，鲍建国，洪军.可见光-芬顿降解甲基橙效果的正交试验研究［J］.安全与环境工程，2009，16(5):65-68.

［3］ 何文妍，马红竹，余婕，等. 电Fenton 方法在甲基橙染料废水中的试验研究［J］. 水处理技术，2013，39(7):17-22.

［4］ 吴玉清，任洪艳，阮文权，等.Fenton 法深度处理木糖废水及显色物质的研究［J］. 工业水处理，2014，34(3):22-25.

［5］ 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法［M］.2版.北京:中国环境科学出版社，2002:211-213.

［6］ 孙秀君.电-Fenton 法处理染料废水的实验研究［J］.唐山学院学报，2013，26(6):68-70.

［7］ 杨伟，袁珊珊，宋震宇，等.Fenton 氧化与活性炭吸附深度处理高含盐难降解海上采油废水的研究［J］.应用化工，2014，43(11):2060-2064.