铁碳微电解协同过硫酸盐深度处理焦化废水

苏赛赛，刘 原，赵新路，孟 悦

（太原工业学院，山西 太原 063008）

焦化废水生化处理后出水仍然含有大量的COD、氨氮，且出水色度也较高，无法满足排放标准，必须经过更为深层次的处理[1]。目前国内及国外比较常用的更深度的处理工艺包括物理化学法、生物化学法以及高级氧化法等[2]。其中高级氧化法具有氧化能力更强、反应更彻底、反应时间较短、占地面积较小的优点，因而得到广泛应用[3]。

由于硫酸根自由基（SO4-·）的高级氧化技术在近年来发展迅速，且过渡金属能够激活过硫酸盐（PS），产生有氧化能力极强的硫酸根自由基（SO4-·）[4]，零价铁（Fe0）是一种很好的活化剂[5]。本实验采用铁碳微电解协同过硫酸盐深度处理焦化废水，基于原电池氧化还原反应的铁碳微电解法为过硫酸盐的活化提供了活化剂，减少了铁和碳的使用量，避免铁屑结块、反应器堵塞等各种问题的同时，还可以促进生成更多的硫酸根自由基，使有机物得到高效率的降解[6]。

1 材料与方法

1.1 实验水样

实验水样取自清徐某焦化厂生化段出水，水质主要指标的测定结果见表1。

表1 主要水质指标

1.2 实验仪器

六联搅拌器JJ-4、电子天平、双光束紫外可见分光光度计TU-1901、pH 计、快速消解仪、离心机。

1.3 实验方法

1.3.1 样品的预处理

零价铁粉用乙醇冲洗10 min，再用蒸馏水洗涤，接着用硫酸和蒸馏水再次冲洗。活性炭在焦化废水中浸泡24 h 以上，达到吸附饱和状态，以减少吸附作用对实验过程的影响。

1.3.2 实验过程

在100 ml 废水中依次加入活性炭、零价铁粉、过硫酸钠，将其置于六联搅拌器上，调节转速为240 r/min，反应温度为室温，溶液pH 由0.1 mol/L 硫酸和0.1 mol/L氢氧化钠调节，反应一定时间后，静置一段时间，取静置后水样的上清液进行检测。

1.4 分析方法

COD 采取国标法中的快速消解分光光度法进行测定，色度采取稀释倍数法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 过硫酸盐投加量对处理效果的影响

将反应条件控制为150 min 的反应时间、6.0 的pH 指数、3：2 的铁碳质量比、0.125 g 的铁碳总投加量，改变过硫酸盐的投加量，考察此因素对处理焦化废水的效果的影响，实验结果见图1。

图1 过硫酸盐投加量的影响

由图1 可知，过硫酸盐投加量的改变对焦化废水的COD 去除率有很大的影响，当过硫酸盐投加量逐渐增大时，COD 去除率呈现出先降后升再降的总趋势，当过硫酸盐投加量从5.0 mmol/L 增加至10.0 mmol/L时，COD 去除率从33.33%提高至54.68%。分析原因认为过硫酸盐的投加量低于10.0 mmol/L 时，反应过程中完全消耗了过硫酸盐，所产生的硫酸根自由基（SO4－·）的量无法达到氧化有机物的条件，但当过硫酸盐的投加量高于10.0 mmol/L 时，过硫酸盐的浓度很高，足以在短时间内产生过多的硫酸根自由基（SO4－·），从而导致自身发生湮灭，导致处理效率降低。因此，最佳过硫酸盐投加量为10.00 mmol/L。

2.2 铁碳质量比对处理效果的影响

将反应条件控制为150 min 的反应时间、6.0 的pH 指数、10 mmol/L 的过硫酸盐投加量、0.125 g 的铁碳总投加量，改变铁碳质量比，考察此因素对处理焦化废水的效果的影响，实验结果见图2。

图2 铁碳质量比的影响

由图2 可知，当增加铁碳质量比时，COD 去除率呈增加趋势，当m（Fe0）：m（AC）为3：2 时，COD 去除率较高，达41.33%，之后随着铁碳质量比的增加，COD去除率是呈下降趋势，使用的Fe0量越多，处理所需的成本也随之提高，且反应后溶液中存留的铁的含量也越多，同时也会导致水色度的增加，因此，最佳铁碳质量比确定为3：2。

2.3 铁碳总投加量对处理效果的影响

将反应条件控制为150 min 的反应时间、6.0 的pH 指数、3：2 的铁碳质量比、10 mmol/L 的过硫酸盐投加量，改变铁碳总投加量，考察此因素对处理焦化废水的效果的影响，实验结果见图3。

图3 铁碳总投加量的影响

由图3 可知，当增加铁碳总投加量时，COD 去除率先渐渐上升然后趋于平缓，在铁碳总投加量为0.125 g 的条件下，COD 去除率最高为64%，分析原因认为随着铁碳总投加量增加，导致高活性的亚铁离子（Fe2+）、还原氢（[H]）和强氧化性的硫酸根自由基（SO4－·）也随之增多，因此COD 去除率也越高，但当铁碳总投加量增加到一定量之后，即便再继续增加，COD 去除率也不会再提高，反而由于过硫酸盐被消耗完全后，COD 去除率还会有所降低，因此，最佳铁碳总投加量确定为0.125 g。

2.4 反应时间对处理效果的影响

将反应条件中pH 值控制为6.0、铁碳质量比为3：2、铁碳总投加量0.125 g、过硫酸盐投加量为10 mmol/L，改变反应时间，考察此因素对处理焦化废水的效果的影响，实验结果见图4。

图4 反应时间的影响

由图4 可以看出，在增加反应时间的同时，COD去除率先缓慢增长至最高然后开始降低。在反应时间为150 min 时，COD 去除率最大达到60%。伴随着反应时间的不断增长，反应体系中一直有硫酸根自由基（SO4-·）的产生，因此表现出了COD 去除率不断上升的现象；当反应时间＞150 min 后，COD 去除率开始不断下降，下降的原因是因为反应体系中消耗完了过硫酸盐（PS），因此确定最佳反应时间为150 min。

2.5 初始pH 对处理效果的影响

将反应条件控制为150 min 的反应时间、3：2 的铁碳质量比、0.125 g 的铁碳总投加量、10 mmol/L 的过硫酸盐投加量，改变初始pH，考察此因素对处理焦化废水的效果的影响，实验结果见图5。

图5 初始pH 值的影响

由图5 可以看出，随着pH 的不断升高，COD 去除率也不断提高。当pH＜7 时，随着pH 的不断提高，COD 去除率从37.33%提高到69.33%，效果较明显，当pH＞7 时，COD 去除率虽有提高但效果不明显，且随着pH 的增大会有Fe（OH）3絮体生成，因此最佳反应pH 确定为6～7 左右。

3 结论

铁碳微电解协同过硫酸盐能够有效地实现焦化废水的深度处理，在处理条件为反应时间150 min，PS投加量10 mmol/L，m（Fe0）∶m（AC）=3∶2，铁碳总投加量0.125 g，pH 6-7 的条件下，COD 的去除效果较好，最大去除率可达78.68%。