实验室废气吸收尾液两种预处理工艺的效果比较

翁华猛 何茂林 张 键

(扬州大学环境科学与工程学院 江苏 扬州 225009)

引言

随着液体吸收法广泛运用到实验室废气处理中，产生了大量的需要处理的吸收液尾液[1]。且吸收液尾液具有有机物含量高、B/C比低、有生物毒性难降解、pH变化大等特点[2]，是一种难降解的高浓度有机废液。研究此废水的处理方法和技术具有较高社会意义和科研价值。

芬顿法产生的羟基自由基具有极高的氧化还原电位，对有机物去除效果明显，大量研究表面芬顿和其他工艺组合而成的UV-Fenton、微电解-Fenton适用于高浓度难降解废水的处理[3][4][5]。

本文对比UV-Fenton、微电解-Fenton对某高校实验室废气吸收尾液的处理效果，探究两种工艺的最佳反应条件，比选出较优的方法作为预处理工艺。其中某高校实验室废气吸收尾液水质如表1所示。

表1 某高校实验室废气吸收尾液水质表

一、实验部分

(一)试剂及分析方法

1.试剂

H2O2、FeSO4·7H2O、KH2PO4等皆用分析纯试剂。

2.CODcr测定

重铬酸钾法；BOD5：稀释接种法，可生化性：BOD5/CODcr，pH值：电极法；铁离子浓度：分光光度法

(二)实验方法

1.最佳反应条件确定

(1)UV芬顿：将吸收液尾液置于反应器中，本实验以COD去除率和B/C比提高为为指标，分别在不同的双氧水投加量、初始pH、催化剂投加量和紫外灯功率下测定处理效率，确定反应体系最佳条件。

(2)微电解芬顿：依次在填Fe/C为3：1填料的微电解反应器和芬顿反应器中分别进行微电解和芬顿反应，先用微电解研究不同初始pH和反应时间研究微电解效率，再研究微电解反应时间和双氧水投加量对微电解芬顿COD的处理效率影响，确定体系最佳条件。

2.对比效果

分别将吸收液尾液经过UV芬顿最佳反应条件(pH为4、H2O2投加量4.46g/L，H2O2:Fe2+摩尔比为10:1、紫外灯光15W)和微电解芬顿最佳反应条件(pH为3、H2O2投加量6.6g/L，Fe/C为3:1的铁碳投加量100g/L，微电解30min、Fenton反应40min)下反应70min，每隔10min取样测其COD浓度。

二、讨论与实验结果对比

(一)H2O2浓度的影响

对于UV芬顿系统，固定的pH值为4，考察投加量按理论值0.5倍至1.5倍变化，变化梯度0.25倍，即2.97g/L、4.46g/L、5.94g/L、7.43g/L、8.92g/L的H2O2，在H2O2:Fe2+摩尔比为10:1和紫外灯光15W下反应50min，其结果见如图1。

图1 H2O2浓度对UV芬顿COD去除率和时间的影响

由图1可见，在双氧水理论投加量以下，UV芬顿的预处理效果随着双氧水投加量增加而增加，超过此值的投加量会引发副反应[6]，降低去除率，考虑到UV芬顿的耦合作用，最终确定双氧水投加量为4.46g/L。

对于微电解芬顿系统，固定的pH值为3，考察30%双氧水投加量为10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L，微电解40min，芬顿反应30min，其结果见图2。

图2 H2O2浓度对微电解芬顿COD去除率和时间的影响

由图2可见，双氧水投加量为20mg/L时，COD去除率最高，低于该值时·OH浓度不足，氧化能力下降，高于该值，过多的H2O2会将Fe2+氧化成Fe3+，减弱催化作用[6]，最终确定最佳双氧水投加量5.45g/L。

(二)初始pH的影响

对于UV芬顿系统，固定双氧水和Fe2+投加，调节初始pH分别为3、4、5、6，间隔10min取样测定COD去除率，结果见图3。

图3 初始pH值对UV芬顿COD去除率的影响

由图3可见，pH值为4时反应速度最快，COD去除率最佳达到32%。pH小于4时，产生较多带负电荷的OH-，pH大于4时，氢离子减少，反应氧化性降低[7]。最终确定UV芬顿最佳pH值为4。

对于铁碳微系统，先确定微电解最佳pH，调节pH值为1、2、3、4、5、6的吸收液尾液微电解40min，测定cod去除率，结果见图4。

图4 pH值对微电解COD去除的影响

由图4可见，COD去除率随着微电解系统pH值的增大先上升后下降，pH为3时微电解效果最佳，pH>3.7时，铁离子沉淀，微电解效果减弱，pH<3时，微电解的电位差增大，污泥量增加，提高处理成本。最终确定微电解最佳pH值为3。

确定芬顿系统的最佳pH，固定双氧水投加，考察微电解出水在pH值为2、2.5、3.、3.5、4、4.5时，芬顿反应30min的COD测定去除率，结果如图5。

图5 初始pH对芬顿COD去除率的影响

由图5可见，COD去除效果随pH值的增加呈先升高后下降的趋势，pH为3时达到最大值，去除效率为44%。芬顿反应中，过高pH会使铁离子形成胶体或沉淀，过低不易于羟基自由基的产生[8]。最终确定铁碳微电解芬顿反应最佳pH值为3。

(三)紫外灯功率对UV芬顿的影响

固定pH、双氧水和Fe2+投加量，考察了紫外灯功率从0W、6W、8W、15W、20W依次变化时OCD去除率的影响，结果如图6。

图6 紫外灯功率对UV芬顿COD去除率的影响

由图6可见，紫外灯的照射能促进COD的去除，主要因为紫外光能够促使H2O2生产具有强氧化性的羟基自由基，降解H2O2不能直接降解的有机物[9]。最终确定功率为15W的紫外灯为最佳条件。

(四)Fe2+的影响

作为芬顿反应的主要组分，Fe2+的投加决定了控制了体系催化双氧水分解的活性点位数量从而控制反应体系处理效果。UV芬顿中，考察H2O2:Fe2+分别为0、5:1、10:1、15:1、20:1的投加比，在固定pH、紫外灯功率下反应间隔为10min的COD去除率，结果如图7。

图7 Fe2+投加量对UV芬顿COD去除率和时间的影响

由图7可见，H2O2：Fe2+投加摩尔比=10：1时COD去除率最佳，因为Fe2+过低不利于羟基自由基产生，过高会成为羟基自由基的捕捉剂，过量H2O2分解消耗。最终确定H2O2：Fe2+投加摩尔比=10：1。

在微电解芬顿体系中，首先微电解进程中Fe2+溶出的速度和COD去除率变化，结果如图8，再考察纯芬顿体系中Fe2+浓度对吸收尾液的处理效果，结果如图9。

图8 微电解反应时间对COD去除率、Fe2+溶出量影响

图9 纯Fenton反应Fe2+浓度对COD去除影响

从图9可见，芬顿反应中Fe2+浓度为250-300mg/L时，COD去除率高，该浓度在图8中需要反应40min以上，但微电解30min后Fe2+溶出速度变缓，COD去除率基本保持在25%左右，可以认为微电解30min可以达到Fenton反应所需Fe2+含量。故选定微电解反应30min。

(五)最佳反应条件下B/C提高对比

对比考察UV芬顿在最佳反应条件即：pH为4、H2O2投加量4.46g/L，H2O2:Fe2+摩尔比为10:1、紫外灯光15W下反应70min，和微电解芬顿最佳条件即：pH为3、H2O2投加量5.45g/L，Fe/C为3:1的铁碳投加量100g/L下微电解30min、Fenton反应40min对废水生化性的影响，结果如图10。

图10 UV芬顿和铁碳微电解芬顿预处理出水B/C变化图

由图10可见，在最优实验条件下，微电解芬顿对吸收尾液处理效果优于UV芬顿，且出水B/C达到35%。

三、结论

(1)uv芬顿体系具有比传统芬顿反应更高的氧化效率。

(2)在pH为4、H2O2投加量4.46g/L，H2O2:Fe2+摩尔比为10:1、紫外灯光15W、反应时间30min的最佳反应条件下，UV芬顿对废气吸收尾液COD去除率达到34.83%，B/C比提高至25%。

(3)在pH为3、H2O2投加量5.45g/L，Fe/C为3:1的铁碳投加量100g/L下微电解30min、Fenton反应40min的最佳条件下，微电解芬顿对废气吸收尾液COD去除率48%，B/C从0.13提升到0.35。

(4)针对废气吸收尾液的处理上，微电解芬顿比UV芬顿更适合作为预处理工艺。