有机工业废水处理实验.docx
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有机工业废水处理实验
有机工业废水处理实验
1.背景与方向
很多种类的工业废水中含有难生物降解有机物。
难生物降解有机物也称持久性有机物。
近四十年来，人工合成的化学品大量生产和使用，造成危害性很大的大量难以生物降解的化学品以废水形式排入环境。
难降解有机污染物主要来自制药、酒精、农药、染料、塑料、合成橡胶、化纤等工业废水及农田废水排放，如有机氯化物、多氯联苯、部分染料、高分子聚合物以及多环有机化合物等。
这些难降解污染物进入水体后，能长时间残留在水体中，且大多具有较强的毒性和致癌、致畸、致突变作用，并通过食物链不断积累、富集、最终进入动物或人体内产生毒性或其他危害。
由于难降解有机物具有上述特点，它们对环境的污染是全球性的，例如非洲施用的农药可以在美洲出现，甚至在荒无人烟的南极也能找到。
无论从水中的浮游生物到鱼类、贝类、从家禽、家畜到野生动物，几乎在所有生物体内都可以找到难降解有机物。
可见，难降解有机物对生态环境的影响和破坏是极其严重的。
另外，某些难降解有机物具有很强的毒性和致癌、致畸、致突变作用，排入水体后通过食物链进入人体，对人类的健康构成很大的威胁。
降解工业废水成分较为复杂，污染物成分、浓度的变化与波动频繁，可生化性较差，处理难度较高，其CODcr和色度往往成为该类工业废水处理达标的主要障碍，是对水环境构成严重污染威胁的工业废水污染源之一。
因此，采用技术上可行、经济上合理的难降解工业废水处理工艺，使各种类型的难降解有机物能得到有效处理，达到国家和地方的排放标准，对社会效益、经济效益、环境效益的统一，实现可持续发展有着重要的意义。
在难降解工业废水的处理技术中，微电解技术正日益受到重视，并已在工程实际中得到了成功的应用。
其处理机理简述如下：
在偏酸性的条件下（pH=3～5）,废水经微电解反应后产生了大量的新生态[H]和Fe2+，能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，破坏某些有机物质的分子结构，使某些难生化降解的物质转变成易生化处理的物质，提高废水的可生化性。
同时，使废水中某些不饱和发色基团的双键断裂使发色基团破坏而去除色度。
如制药废水中的硝基（NO2－），不但难以被生物降解，而且对微生物有抑制作用，但在微电解池内硝基可转化为氨基（NH2－），这样为进一步的生物处理创造了条件。
另一方面，由于Fe2+的不断生成，能有效地克服阳极的极化作用，从而促进铁的电化学腐蚀，使Fe2+大量溶入溶液。
废水经微电解池处理后进入中和反应池，加入石灰乳液，调节pH至8～9，同时在曝气作用下，使溶液中Fe2+形成Fe（OH）2和Fe（OH）3胶体，并进一步水解成铁的单核络合物沉淀。
这种络合物具有较高的吸附絮凝活性，能有效地吸附制药废水中的有机物质，另外，在微原电池周围电场作用下，废水中以胶体状态存在的污染物质可在极短时间内完成电泳沉积过程。
因此，铁屑微电解预处理难降解工业废水可起到吸附絮凝、氧化还原及络合等多种作用，能有效地去除废水中的色度，SS及CODcr。
据有关资料以及本课题组的实验室试验，微电解处理难降解制药废水的CODcr去除率可达27.5～55.2％。
色度去除率为70％。
1.1微电解法基本原理
微电解法是利用工业废料铁屑及焦炭来处理工业废水。
该法成本低廉，效果好，具有以废治废的意义。
在20世纪90年代的工业废水治理工程中得到广泛应用。
（1）、铁的还原性铁的还原能力很强，能使某些有机物还原成还原态，甚至断裂。
（2）、电化学性质微电解采用的填料一般为铸铁屑及焦炭，铸铁使铁碳合金，当把铸铁屑放入电解质溶液中时发生如下电极反应：
阳极（Fe）：
2Fe→2Fe2＋＋4e-EΘFe2+,Fe=0.44V
（1）
阴极（C）：
4H++4e-→[4H]→2H2EΘH+,H2=0.00V
（2）
当水中有溶解氧时，O2+2H2O+4e-→4OH-EΘO2,OH-=0.40V
由上述反应可知，在偏酸性有氧的电解质溶液中，电位差最大，反应速度快，大量的Fe2＋进入溶液中。
电极反应生成的产物具有较高的化学活性。
（3）、铁离子的絮凝作用电极反应产生
，在有氧存在时，部分Fe2＋转变为Fe3＋。
新生的Fe2＋和Fe3＋是良好的絮凝剂，具有较高的吸附絮凝活性。
当把废水的pH值提高到适宜的值时，会形成氢氧化亚铁和氢氧化铁的絮状沉淀，进一步去除了污染物。
总之，微电解处理废水时具有氧化还原，絮凝，电沉积，吸附等综合效应，因此处理工业废水尤其是染料废水具有良好的效果。
1.2Fenton试剂催化氧化作用原理
过氧化氢与亚铁离子结合形成得Fenton试剂，具有极强的氧化能力，对于许多种类得有机物都是一种有效的氧化剂。
Fenton试剂特别适用于生物难降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水的氧化处理。
Fenton试剂之所以具有非常强的氧化能力，是由于过氧化氢在催化剂铁等存在时，能生成氢氧自由基·OH。
该氢氧自由基比其他一些常用的强氧化剂具有更高的氧化电极电位（·OH+H++e-＝H2O,E=2.8V），因此·OH是一种很强的氧化剂，另外氢氧自由基具有很高的电负性或亲电性，其电子亲和能力为569.3kJ，容易进攻高电子云密度点，这就决定了·OH的进攻具有一定的选择性。
氢氧自由基还具有加成作用。
在H2O2+Fe2＋系统中过氧化氢的分解机理为：
该系统的优点是过氧化氢分解速度快，因而氧化速率也较高。
但该系统也存在许多问题，由于该系统Fe2＋浓度大，处理后的水可能带有颜色；Fe2＋与过氧化氢反应降低了过氧化氢的利用率及该系统要求在较低pH值范围内进行等，因而影响了该系统的应用。
近年来人们把紫外光（UV）、氧气引入Fenton试剂，增强了Fenton试剂的氧化能力，节约了过氧化氢的用量。
由于过氧化氢分解机理与Fenton试剂极其相似，均产生氢氧自由基，因此将各种改进的Fenton试剂称为类Fenton试剂。
2.实验的基础与内容
本实验取用某制药企业的实际生产废水（或按生产企业的实际生产工艺配方配制废水）作为实验对象，按环境实验规范（试行）和实验要求进行实验，要求治理后的废水有机物指标、色度指标、悬浮物达到国家综合污水排放二级标准，治理工艺技术上可行，经济上合理，具可操作性。
2.1铁屑来源及预处理
铁屑取于学校金工实习基地，废铁屑用10%碱液浸泡并小火加热5～10分钟除油，然后用3%的稀盐酸浸泡30分钟去除表面氧化物，用清水冲净备用。
2.2废水来源及水质
试验废水取自江苏某化工研究所实验工厂，为喹吖啶酮颜料废水。
2.3铁屑微电解试验方法
取50ml水样于100ml烧杯中，调节pH值为一定值后加入定量的铁屑，曝气反应一定时间后，将铁与水分离。
向反应后的水中加氧化钙调节pH值使铁离子沉淀，过滤，测滤液的COD值，计算COD去除率。
2.4Fenton试剂催化氧化试验方法
取25ml水样于100ml烧杯中，调节pH值为一定值后加入定量的硫酸亚铁、双氧水，反应一定时间；调节反应出水pH为8～9，过滤，测滤液COD值，计算COD去除率。
3.实验设计
3.1铁屑微电解正交试验影响因素和水平设计
本试验对铁屑投加量（铁/水比V/V）、反应pH值，原水COD浓度、曝气和反应时间五个因素，按照L9（34）正交表进行三水平正交试验。
各因素水平表见表1。
表1微电解正交试验水平因素表
水平编号
曝气情况
铁屑投加量
pH
反应时间
（min）
原水COD浓度
（mg/L）
1
曝气
1/8
3
30
2
不曝气
1/4
5
45
3
1/2
7
60
为减少试验误差，每组试验组合均重复试验2～3次。
微电解静态试验结果和极差分析见表2。
表2微电解正交试验结果和极差分析
试验编号与数据处理项目
曝气
情况
铁屑投加量（V/V）
pH
反应时间（min）
原水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
1
曝气
1/8
3
30
2
曝气
1/8
5
45
3
曝气
1/8
7
60
4
曝气
1/4
3
45
5
曝气
1/4
5
60
6
不曝气
1/4
7
30
7
不曝气
1/2
3
60
8
不曝气
1/2
5
30
9
不曝气
1/2
7
45
Rj
3.2铁屑微电解单因素影响试验与结果分析
本文主要研究了铁屑投加量、pH、反应时间、原水COD浓度4个影响因素对废水处理效果的影响。
3.2.1铁屑投加量对处理效果的影响
取50ml稀释5倍的原水,调节原水pH＝5，曝气反应30min，考察铁/水比（铁屑投加量）对COD去除率的影响，结果见表3。
表3铁屑投加量的影响
铁/水比（V/V）
1/10
1/8
1/4
3/8
1/2
5/8
3/4
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.2.2反应pH值对处理效果的影响
取50ml稀释5倍的原水，固定铁/水比为0.375，曝气反应30min，调节反应pH值，考察pH值对COD去除率的影响，结果见表4。
表4反应pH值的影响
pH值
2
3
5
7
9
10
11
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.2.3反应时间对处理效果的影响
取50ml稀释5倍的原水，固定铁/水比为0.375，调节原水pH值为5，曝气反应不同时间，考察反应时间对COD去除率的影响，试验结果见表5。
表5反应时间的影响
反应时间（min）
10
30
60
90
100
120
150
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.2.4原水COD浓度对处理效果的影响
在上述试验所得的最佳条件下，考察原水COD浓度对处理效果的影响，试验结果见表6。
表6原水浓度的影响
原水稀释倍数
1
2
4
5
8
20
原水COD浓度（mg/L）
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.3Fenton正交试验影响因素和水平设计
主要考虑了反应pH、Fe2+（10g/L）投加量、H2C2O4（1mol/L）投加量及H2O2（30％）投加量四个因素，按照L9（34）正交表进行三水平正交试验。
各因素水平表见表7。
表7Fenton试剂正交试验水平因素表
水平编号
pH值
Fe2+投加量（g/L）
H2C2O4投加量（mol/L）
H2O2投加量（ml/L）
1
3
2
0.04
160
2
5
4
0.08
240
3
7
6
0.16
400
为减少试验误差，每组试验组合均重复试验2～3次。
微电解静态试验结果和极差分析见表4-2。
表8Fenton试剂正交试验结果和极差分析
试验编号与数据处理项目
pH值
Fe2+投加量
（g/L）
H2C2O4投加量
（mol/L）
H2O2投加量
（ml/L）
COD去除率（％）
1
3
2
0.04
160
2
3
4
0.08
240
3
3
6
0.16
400
4
5
2
0.16
240
5
5
4
0.04
400
6
5
6
0.08
160
7
7
2
0.08
400
8
7
4
0.04
160
9
7
6
0.16
240
Rj
3.4光助Fenton单因素影响试验
3.4.1反应时间对处理效果的影响
取25ml原水，固定Fe2+投加量为4g/L，H2C2O4投加量为0.04mol/L，H2O2投加量为400ml/L，调节原水pH值为5，在太阳光下光照反应不同时间，考察反应时间对COD去除率的影响，试验结果见表9。
表9反应时间的影响
反应时间（min）
10
30
60
90
150
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.4.2H2O2投加量对处理效果的影响
取25ml原水，Fe2+投加量为4g/L，H2C2O4投加量为0.04mol/L，调节原水pH值为5，在太阳光下光照反应10min。
H2O2（30%）分别加80、240、400、600、800ml/L。
试验结果见表10。
表10H2O2投加量的影响
H2O2投加量（ml/L）
80
240
400
600
800
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.4.3Fe2+投加量对处理效果的影响
取25ml原水，固定H2C2O4投加量为0.04mol/L，H2O2投加量为800ml/L，调节原水pH值为5，在太阳光下光照反应10min。
Fe2+投加量分别加0、2、4、8、10g/L。
试验结果见表11。
表11Fe2+投加量的影响
Fe2+投加量（g/L）
0
2
4
8
10
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.4.4H2C2O4投加量对处理效果的影响
取25ml原水，固定Fe2+投加量为4g/L，H2O2投加量为800ml/L，调节原水pH值为5，在太阳光下光照反应10min。
H2C2O4投加量分别加0.02、0.04、0.12、0.20、0.28mol/L。
试验结果见表12。
表12H2C2O4投加量的影响
H2C2O4投加量（mol/L）
0.02
0.04
0.12
0.20
0.28
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率（％）
3.4.5反应pH值对处理效果的影响
取25ml原水，固定Fe2+投加量为4g/L，H2C2O4投加量为0.04mol/L，H2O2投加量为800ml/L，调节原水，在太阳光下光照反应10min。
pH值分别加2、3、5、7、9。
试验结果见表13。
表13反应pH值的影响
pH值
2
3
5
7
9
出水COD浓度（mg/L）
COD去除率％
4实验要求
通过本实验要求达到下述目的：
（1）学习和掌握文献资料的检索和应用；
（2）巩固实验操作技能，学习运用微电解、混凝沉淀等处理技术。
熟练并灵活使用检测COD、色度、悬浮物等指标的方法。
（3）经过对试验结果的分析评价和理论探讨，巩固所学的化学，物理等学科的基础知识和有关的专业知识，培养和提高科学研究能力。
（4）通过整个实验过程，培养和锻炼发现问题、分析问题和解决问题的综合能力，主观能动性和创新思维得到启发和提高。
5.学生应具备的基础知识
（1）化学方面的基础知识；
（2）电化学方面的基础知识；
（3）水质分析实验基础
（4）废水物理化学处理专业知识
6.实验过程
第一阶段：
学生通过检索和查阅有关文献资料，设计出试验方案，包括实验目的，原理，装置构思，所需设备仪器、试剂，操作步骤。
第二阶段：
指导教师审查学生提交的实验设计方案后，根据实验室环境条件等具体情况，与学生讨论并修正设计方案，确定试验计划，提供相关装置设备。
第三阶段：
学生按自己设计的方案进行全过程操作（包括溶液配制，安装试验装置，试验等），试验完成后整理实验数据，对试验结果进行分析评价，提交正式试验报告。
第四阶段：
教师对实验报告进行评价，并将评价意见反馈给学生。
7实验人数：
每组实验学生数为3－5人
孔峰
张帆
豆银凤
蒋骁阳
袁艳
张成
潘静
孙菊花
张茜
桑菁
梅益柔
戴雅
蒋乃君
冯一泓
印霞棐
邵静怡
阙婷
赵洁
徐旭
殷洁
王崇任
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