铁碳微电解及芬顿氧化处理某抗生素废水的研究

白娟莉

（四川景星环境科技有限公司， 四川成都 610037）

抗生素废水因浓度高、水质波动大、废水中含有延缓或完全抑制微生物生长的有毒有害物质、可生化性较差等特点，将其归为生物难降解有机废水。因此，在进入污水处理系统前，需对其进行一定的预处理。铁碳微电解和芬顿氧化法因氧化性强、处理效率高、不产生二次污染，同时，兼具占地面积小、操作简单、管理方便等特点适于抗生素废水的预处理。但这两种处理方法对抗生素废水的处理效果及其适用条件都有待进一步研究。

1 铁碳微电解及芬顿氧化法基本原理

铁碳微电解是利用铁、碳组分自身产生的电位差发生氧化还原反应，对废水进行电解处理［1］，以达到降解有机污染物和脱色的目的。特别是在有氧的情况下，反应生成的Fe（OH）3是活性胶状絮凝剂［2］，其吸附能力很强，可对水中的悬浮物及其他有色物质进行吸附、凝聚共沉淀而除去，从而达到对废水的净化效果。

芬顿氧化法是利用“芬顿试剂”进行化学氧化的废水处理技术。芬顿试剂是Fe2+和H2O2组成的氧化体系，该体系在酸性条件下能生成氧化性极强的羟基自由基（·OH），可有效降解有机污染物［3］。同时，Fe2+被氧化成Fe3+，产生混凝沉淀作用，去除大量有机物。因此，芬顿氧化法在水处理中具有两种作用：混凝和氧化［4］。

废水经过铁碳微电解或芬顿氧化处理后，大分子有机物得以断链开环、污染物在去除的同时废水可生化性得以提高，为废水后续处理提供了良好的基础。

2 实验

2.1 实验水样来源及浓度

实验水样取自某药业公司污水处理站调节池出水口，CODcr约3000～5000mg/L、BOD5约500～1000mg/L、pH约为5。由此可见，废水可生化性较差，废水水质波动较大。

2.2 仪器和药剂

（1）实验仪器：500mL烧杯、曝气装置、溶解氧瓶、CODcr快速测定仪、溶解氧仪、生化培养箱；

（2）实验药剂：硫酸、氢氧化钠、FeSO4﹒7H2O、H2O2（质量分数30%）、重铬酸钾、硫酸-硫酸银、硫酸汞；

2.3 实验材料

本实验使用的材料主要是铁屑及粉末活性炭，为了消除对实验的干扰，在实验前对铁屑及粉末活性炭均进行了预处理，预处理过程如下：

（1）铁屑：首先用碱液（10%）进行浸泡，再用稀硫酸（3%）进行活化，最后用清水洗净待用；

（2）粉末活性炭：用水样反复浸泡至少30min。

2.4 分析方法

pH采用pHS-3CA型酸度计测试，CODcr采用重铬酸钾法测试，BOD5采用稀释接种法测试。

2.5 实验方法

（1）铁碳微电解实验

在500mL烧杯中加入200mL水样与一定量的填料（水样需没过填料），同时，在烧杯底部放入曝气装置进行曝气；待反应结束，把废水倒入另外一个烧杯，调节pH至碱性（约9～10）进行沉淀，静置后取上清液进行检测并记录相关数据。

（2）芬顿氧化实验

在500mL烧杯中加入200mL水样，然后投加一定量的FeSO4·7H2O和双氧水溶液（质量分数30%）。待反应结束，将废水倒入另外一个烧杯，调节pH至碱性（约为9～10）进行沉淀，静置后取上清液进行检测并记录相关数据。

3 实验结果与讨论

3.1 铁碳微电解实验

（1）铁碳体积比对废水CODcr去除率的影响

进水pH调节至4、通过调节铁、碳填料的投加量使其体积比分别为1：0、1：1、2：1、3：1时进行为时120min的实验，实验结果见图1。

图1 铁碳比对CODcr去除率的影响

从图1可以看出，铁碳比的变化对CODcr的去除率有一定的影响。与未加活性炭时相比，当填料中以1：1比例加入活性炭时，其对CODcr的去除率变化不大，但出水色度明显降低，水质变的清澈。当继续提高铁碳比时，铁碳微电解对CODcr的去除率也有所提高，在铁碳比为2：1时，最高可达84.5%。随着铁碳比继续增大，更多的铁没有与碳组成原电池，而是快速溶解从而导致铁的消耗增多，产泥量也相应增加。同时，较多的Fe2+被鼓入的空气氧化成Fe3+导致出水颜色变深。因此综合考虑，铁碳比为1：1时去除效果为最佳。

（2）反应停留时间对废水CODcr去除率的影响

其他条件不变，改变反应停留时间进行实验，实验结果见图2。

从图2可以看出，CODcr去除率随着反应停留时间的增加而逐渐增大。但以120min为时间节点，在此之前增加趋势明显，在此之后增加趋势趋于平缓。此外，实验时发现，当停留时间大于150min时，出水颜色有加深的趋势，这可能是因为过多的铁溶解进入废水中所致。所以综合考虑，停留时间控制在120min最好。

图2 反应停留时间对CODcr去除率的影响

（3）进水pH对废水CODcr去除率的影响

其他条件不变，改变进水pH分别进行实验，试验结果见图3。

图3 进水pH值变化对CODcr去除率的影响

由图3可知，CODcr的去除率随着进水pH增大而明显下降。当进水pH调至8时，相比初始进水pH，废水CODcr去除率由48.8%降低至14.7%，降低了34.1%，变化幅度之大。但考虑到实际工程应用中，降低pH要消耗大量的酸，而且pH过低，铁碳反应过快，大量的铁溶解，不但增加了铁用量，且产泥量也增加，为了尽可能的节约加酸费用及耗铁量，进水pH以4为宜。

3.2 芬顿氧化实验

（1）FeSO4·7H2O投加量对CODcr去除率的影响

调节进水pH至4、在水样中投加10mLH2O2，通过改变FeSO4·7H2O投加量进行为时120min的实验，结果见图4。

图4 FeSO4·7H2O投加量对CODcr去除率的影响

从图4可以看出，FeSO4·7H2O投加过多或过少，废水CODcr去除率均不高，整个曲线呈抛物线状。这一现象主要是由Fe2+浓度的变化引起，浓度过低，不利于氧化反应的进行，单位H2O2产生的·OH较少，氧化效果差，废水处理效果自然不好；而Fe2+浓度过高时，水样中就会残留有部分未参与反应的Fe2+，不仅使出水色度增加，而且过量的Fe2+本身对CODcr就有贡献，则废水处理效果反而下降。因此，FeSO4·7H2O投加量控制在1.05g较为合适。

（2）H2O2投加量对CODcr去除率的影响

图5 H2O2投加量对CODcr去除率的影响

其他条件不变，改变H2O2的投加量，使其分别为2、4、10、16、20mL进行实验，结果见图5。

从图5可以看出，废水CODcr去除率随着H2O2投加量的不断增加而提高。以10mL为节点，在此之前CODcr去除率增加趋势明显，在此之后，变化幅度已不是很明显甚至还有下降的趋势。究其原因主要是：H2O2投加量过大，快速地将氧化体系中的Fe2+氧化成了Fe3+，抑制了·OH的产生，对污染物的去除效果自然下降，同时，由于过多Fe3+的存在，还会使出水的色度增加。因此，H2O2的投加量选择10mL较为合适。

（3）进水pH变化对CODcr去除率的影响

其他条件不变，将进水pH分别调节至2、4、6、8时进行实验，结果见图6。

图6 进水pH值变化对CODcr去除率的影响

从图6明显看出，随着进水pH的变化，CODcr的去除率呈现出不规则的变化。当进水pH由2增加到4时，CODcr的去除率也随之增加，而进水pH调节至6时则明显下降，当进水pH调至8时，CODcr的去除率又有所增加。所以，进水pH以4为宜。

（4）停留时间CODcr去除率的影响

其他条件保持不变，改变停留时间（T=30、60、90、120、150、180、210、240、270、300min）分别进行实验，结果见图7。

图7 停留时间对CODcr去除效果的影响

从图7可以看出，在反应进行30min后，已表现出很好的去除效果，CODcr的去除率可达到61.4%。但实验结束，将出水调至碱性后，生成的沉淀却很难下沉，至少需1h才能完全沉降，且出水颜色偏黄，究其原因主要是反应不彻底造成的。之后在反应停留时间为60min时出现拐点，即CODcr的去除率急剧下降，而当停留时间超过60min后，CODcr的去除率又呈现出逐渐增加的趋势，直至反应进行到180min，再延长停留时间，去除率已不再变化。考虑到实际工程应用，芬顿反应停留时间选择120min为最佳。

4 结论

采用铁碳微电解及芬顿氧化法对该药业公司抗生素废水进行处理，通过调节进水pH、控制反应停留时间、合理投加物料或调节物料配比，均可取得良好的去除效果。在相同的反应时间下，芬顿氧化法的去除效率稍优于铁碳微电解法，但前者的运行成本更高。本次实验确定了两种处理方法的最佳反应参数，可为实际处理工程提供一定的依据，在实际处理工程中，也可考虑将两种方法联用，发挥各自的优势，取得更好的废水处理效果。