微波消解-Fenton催化氧化-活性炭吸附組合工藝預(yù)處理實(shí)驗(yàn)室廢水的可行性研究

楊春娣 張誠心

摘? ? ? 要： 實(shí)驗(yàn)廢水具有污染物種類復(fù)雜、污染程度深等特點(diǎn)。多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)室廢水往往經(jīng)過收集和長時間室內(nèi)存放再處理，其中的污染物不能及時得到控制而影響周圍環(huán)境。以校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室廢水為原水，利用微波消解、Fenton催化氧化、活性炭吸附以及三種方法的組合工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水，研究利用實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)藥品和儀器預(yù)處理實(shí)驗(yàn)室廢水可行性。結(jié)果表明：調(diào)節(jié)200 mL實(shí)驗(yàn)廢水使其pH=3～4，微波消解10 min后再投加活性炭0.6 g并用Fenton試劑（0.16 g FeSO4、2 mL 3% H2O2）氧化的組合工藝對實(shí)驗(yàn)室廢水的COD去除效果最佳，去除率可達(dá)50%～65%。

關(guān)? 鍵? 詞：實(shí)驗(yàn)廢水;組合工藝;COD去除

中圖分類號：X703.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-2036-04

Abstract： The experimental wastewater has the characteristics of complex pollutants and deep pollution. Most university laboratory wastewater is often treated after collecting and storing for a long time， so the pollutants in the wastewater will affect the surrounding environment because they cannot be controlled in time. In this paper， taking laboratory wastewater as research object， it was treated by microwave digestion process， Fenton oxidation process， activated carbon adsorption process or their combination process， respectively.The feasibility of pretreating laboratory wastewater by using conventional pharmaceuticals and instruments in the laboratory was studied. The results showed that when the pH of wastewater was 3～4， microwave digestion time was 10 min， dosage of activated carbon was 0.6 g， Fenton agent was 0.16 g FeSO4 and 2 mL 3% H2O2 for 200 mL wastewater， the treatment effect was the best， and the removal rate of COD was 50%～65%.

Key words： Laboratory wastewater; Combined treatment process; Removal of COD

隨著水資源的短缺和水污染問題的不斷加劇，人們對水污染的關(guān)注程度也在持續(xù)上升。實(shí)驗(yàn)室廢水具有排放周期不定、水質(zhì)成分復(fù)雜等特點(diǎn)，單一技術(shù)處理很難得到較好的效果，處理不當(dāng)還會造成比較嚴(yán)重的局部水污染[1-3]。我國最早在2004年即由環(huán)?？偩终较掳l(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室類污染環(huán)境監(jiān)管的通知》，將各類實(shí)驗(yàn)室被納入環(huán)境保護(hù)部門的監(jiān)管范圍。然而大部分教學(xué)、科研單位并沒有妥善處理實(shí)驗(yàn)室廢水的有效方法，往往采用存放后委托處理的方式解決這一問題，使得實(shí)驗(yàn)室廢水污染不能及時得到控制?？缮缘汀㈦y降解物有機(jī)物含量高的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)廢水的二級生化處理技術(shù)很難適用實(shí)驗(yàn)室廢水處理。Fenton催化氧化、活性炭吸附等技術(shù)作為以高級絮凝、氧化等原理的物化技術(shù)，具有取材方便、結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在處理難降解有機(jī)物中應(yīng)用極為廣泛[4-9]。

本文以某高校實(shí)驗(yàn)室廢水為研究對象，探索利用實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)藥品和儀器預(yù)處理實(shí)驗(yàn)室廢水的方法，去除廢水存放過程中最容易出現(xiàn)揮發(fā)、降解而對周圍環(huán)境會產(chǎn)生影響的有機(jī)物類污染物。

1? 實(shí)驗(yàn)室廢水來源和污染物分析

1.1? 實(shí)驗(yàn)廢水的來源

按照廢水產(chǎn)生的場所不同，本次實(shí)驗(yàn)所收集的廢水主要來自于以下幾個環(huán)節(jié)：教學(xué)實(shí)驗(yàn)廢水、科研實(shí)驗(yàn)廢水、實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)衛(wèi)生用水和其他用水等。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)廢水：基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，各高等院校排放的化學(xué)實(shí)驗(yàn)廢水具有相似的成分，如一些有機(jī)溶劑、化學(xué)藥品，洗滌劑等。就目前我院開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程《無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》、《藥物化學(xué)》、《普通生物學(xué)》、《藥理學(xué)》、《環(huán)境化學(xué)》、《生物化學(xué)》、《環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)》等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括物質(zhì)分析與檢測、物質(zhì)及材料制備、天然產(chǎn)物提取分離等。

科研實(shí)驗(yàn)廢水：科研實(shí)驗(yàn)具有探索性，多向性，這導(dǎo)致了科研實(shí)驗(yàn)廢水的多樣性，與教學(xué)實(shí)驗(yàn)廢水相比，其不確定性更強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)衛(wèi)生用水和其他用水：一般屬于低濃度廢水，包括實(shí)驗(yàn)器皿的洗滌廢水，用于清潔實(shí)驗(yàn)室的廢水，實(shí)驗(yàn)員清洗手中實(shí)驗(yàn)殘液的廢水等。

1.2? 實(shí)驗(yàn)室廢水的污染物形式

實(shí)驗(yàn)的化學(xué)試劑包括酸、堿、重金屬鹽、酚類及其它有機(jī)物等，其中大多數(shù)都能對環(huán)境產(chǎn)生污染。常見的污染物有以下幾種：

酸堿污染物：實(shí)驗(yàn)室常用的酸有HC1、HNO3、H2SO4等強(qiáng)酸，堿有KOH、NaOH、Na2CO3等強(qiáng)堿，若將其直接排放到水中，可使水的pH值降低或升高。水的pH值>8.5或pH值<6.5，就會導(dǎo)致水中的生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，影響水體的自凈能力。水質(zhì)pH值過低，還對下水管道中的金屬設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕。

重金屬污染物：化學(xué)實(shí)驗(yàn)室所涉及到的重金屬有汞、鎘、鉻、釩、鈷、銅等，其中汞毒性最大，鎘、鉻次之。如汞可由呼吸道、消化道以及皮膚直接吸收而進(jìn)人人體，可造成積累性中毒，損害人的消化系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)，烷基化的汞毒性更大;鎘由呼吸道進(jìn)人人體后，造成積累性中毒，能導(dǎo)致肺氣腫，損害腎功能，使腎小管吸收不全，過多的鈣長期受損失而得不到補(bǔ)充，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和骨骼軟化。

有機(jī)物污染物：實(shí)驗(yàn)室有機(jī)污染物的種類繁多，組成復(fù)雜，主要來自有機(jī)溶劑、有機(jī)試劑和有機(jī)產(chǎn)品共100多種。其中使用量較大的藥品有醇類（甲醇、乙醇、甘油等）、苯、四氯化碳、丙酮、醚類（如乙醚、甲醚）、烴類（烯烴、芳香烴等）、酚類（苯酚、對苯二酚、含氮酚類等）其用量較大。其他用量很小。實(shí)驗(yàn)室有機(jī)物廢液的污染主要是使水體溶解氧濃度降低，水色變深，發(fā)臭。

2? 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1? 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1? ?主要儀器

WG7007L20LI-K6格蘭仕微波爐、數(shù)顯恒溫水浴鍋HH-2、PHS-PH計(jì)、HZQ-X100振蕩培養(yǎng)箱、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵、電子天平、電熱套、酸式滴定管、冷凝管等。

2.1.2? ?試劑

鹽酸、氫氧化鈉、30%H2O2溶液、硫酸亞鐵、活性炭、六水合硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀、鄰啡羅啉、濃硫酸、硫酸銀。

2.2? 試驗(yàn)方法

以該校無機(jī)、有機(jī)和生物實(shí)驗(yàn)室的廢水為原水，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常進(jìn)行期間，持續(xù)收集實(shí)驗(yàn)廢水，再采用隨機(jī)連續(xù)的方式取得實(shí)驗(yàn)水樣，利用微波消解，F(xiàn)enton試劑催化氧化，活性炭吸附組合工藝形式處理廢水，再分別改變水的酸堿性、催化氧化劑和活性炭的投加量等以研究單因素對組合工藝處理效果的影響，以綜合性有機(jī)物指標(biāo)COD的變化情況表示不同實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)驗(yàn)廢水處理效果。根據(jù)持續(xù)收集、混合后測定的原水水質(zhì)：COD初始值為2 642.35 mg/L，廢水呈強(qiáng)酸性，pH=1。

具體步驟如下：

（1）收集實(shí)驗(yàn)廢水，廢水取自學(xué)院實(shí)驗(yàn)室;

（2）取200 mL置于微波爐中，在800 W的輸出功率下，照射10 min;

（3）使用pH計(jì)調(diào)節(jié)廢水pH=3.5;

（4）取廢水200 mL置于250 mL的錐形瓶中，加入2 mL 30%H2O2溶液，0.16 g硫酸亞鐵和0.6 g活性炭;

（5）置于50 ℃恒溫振蕩箱120 min，使反應(yīng)充分;

（6）置于50 ℃水浴30 min， 以去除殘余的H2O2;

（7） 冷卻反應(yīng)液至室溫，使用真空抽濾瓶抽濾;

（8）取濾液，測COD。

3? 單因素和組合工藝實(shí)驗(yàn)

3.1? 單因素實(shí)驗(yàn)

3.1.1? 原水pH對去除率的影響

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，在連續(xù)收集廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時，原水的pH均值約為1。

在消解時間不變的條件下，設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件為：活性炭投加量為0.6 g，F(xiàn)eSO4的投加量為0.16 g， 30% H2O2 投加量2 mL，進(jìn)行pH單因素實(shí)驗(yàn)。

由圖1看出，pH=1～2之間，COD去除率不佳，提高緩慢;在pH=2～3的范圍內(nèi)，COD去除率陡然上升，又在pH=4～5陡然下降，而pH=3～4之間去除效果穩(wěn)定，且有最佳去除效果，所以pH=3～4為最佳酸度條件。

3.1.2? 活性炭投加量對去除率的影響

取200 mL水樣，在確定微波消解時間為10 min，pH=4，2mL 30%H2O2 ，0.16 g FeSO4 的基本實(shí)驗(yàn)條件下，改變活性炭的量，測定原水的COD的指標(biāo)變化，獲取活性炭單因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響情況。

由圖2可知，活性炭投加量在0.3～0.5 g，實(shí)驗(yàn)廢水的COD去除率不大于30%。活性炭投加量在0.5～0.6 g，COD去除率大幅度提高，活性炭投加量在0.6～0.7 g，COD去除率略下降。因此活性炭單因素的最佳投加量為0.6 g。

3.1.3? FeSO4 的投加量對去除率的影響

在活性炭投加量為最優(yōu)值，其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，改變Fenton中FeSO4 的投加量以確定其最佳投加量、FeSO4和H2O2的摩爾比。

由圖3可以看出，當(dāng)硫酸亞鐵投加量0.08～0.12 g時組合工藝的COD去除率十分低，低于15%。當(dāng)硫酸亞鐵投加量0.12～0.16 g時組合工藝的COD去除率陡然提高。繼續(xù)增加硫酸亞鐵的投加量，0.16～0.24 g COD的去除率趨于水平，由此確定FeSO4的投加量為0.16 g。

3.2? 組合工藝實(shí)驗(yàn)

隨機(jī)收集5 d的廢水進(jìn)行微波消解、活性炭吸附和Fenton試劑催化氧化以及三種處理方法組合的工藝處理，實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。原水水質(zhì)見表1。

由圖5-7可知，通過連續(xù)5 d水樣收集、處理，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室廢水性質(zhì)所設(shè)計(jì)的組合工藝對COD的去除率分別為51.97%、49.94%、55.30%、64.77%和65.14%，平均去除率達(dá)到57.43%，有顯著的去除效果;

且存在廢水有機(jī)負(fù)荷越高，去除效果越明顯的特點(diǎn);和微波消解、Fenton催化氧化、吸附等單一工藝處理相比，處理效果有明顯的提升，且對廢水水質(zhì)適應(yīng)情況更好。

4? 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)室廢水成分復(fù)雜、排放周期不定等特點(diǎn)使得其可生化性不高，單一的處理技術(shù)很難得到較好的效果，本文根據(jù)其特點(diǎn)針對性的提出用活性炭吸附、Fenton催化氧化和恒溫震蕩微波消解的方法對實(shí)驗(yàn)室廢水進(jìn)行處理，在具體的實(shí)驗(yàn)過程中，此次實(shí)驗(yàn)首先根據(jù)所收集廢水的強(qiáng)酸性質(zhì)調(diào)整了pH值，再分別根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)確定了活性炭投加量、FeSO4、H2O2的比例關(guān)系，最終驗(yàn)證了綜合工藝對不斷變化水質(zhì)的處理效果。

結(jié)果表明，該組合工藝能夠在選用實(shí)驗(yàn)室普通藥劑和實(shí)驗(yàn)條件下對廢水進(jìn)行預(yù)處理是可行的，處理效果比較理想，對改變現(xiàn)階段高校、科研院所的實(shí)驗(yàn)廢水不能及時得到處理、影響周圍環(huán)境的現(xiàn)狀有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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