電Fenton法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水工藝優(yōu)化

孫 科，王 萌

徐州生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程系，江蘇 徐州 221006

水稻秸稈可發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸[1]，每生產(chǎn)1 t檸檬酸大約產(chǎn)生30 m3廢水。該發(fā)酵廢水的化學(xué)需氧量（COD）高達(dá)25 g/L，5 d生化需氧量（BOD5）達(dá)13 g/L，pH值大約為2.5。傳統(tǒng)檸檬酸廢水處理方法[2]主要有生物法、光合細(xì)菌法、乳狀液膜法和綜合處理法，其中綜合處理法又有厭氧-好氧生物組合法和厭氧-兼氧-好氧生物組合法等，COD去除率達(dá)到為85%左右。

電Fenton法[3-5]是在Fenton法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其原理是通過電化學(xué)產(chǎn)生的Fenton試劑（Fe2+和H2O2）。陰極由于具有較高的析氫電位，可在表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生H2O2，溶液中Fe2+和H2O2反應(yīng)產(chǎn)生·OH[6-8]；Fe2+被氧化產(chǎn)生Fe3+，F(xiàn)e3+在陰極再次被還原為Fe2+，繼續(xù)作為Fenton試劑使用，從而使Fe2+循環(huán)使用[9]。反應(yīng)中產(chǎn)生的·OH可以與多種有機(jī)物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，最終產(chǎn)生CO2和H2O，達(dá)到去除有機(jī)污染物的目的[10-11]。目前還沒有利用電Fenton方法處理檸檬酸發(fā)酵廢水的文獻(xiàn)報道。本研究采用電Fenton方法進(jìn)行發(fā)酵廢水處理，以期解決大量廢水排放造成的環(huán)境污染問題，同時減少水資源的浪費(fèi)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)廢水

采用黃孢原毛平革菌、里氏木霉和黑曲霉混菌發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸。首先以水稻秸稈中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的降解率為參考指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)和多因素正交實(shí)驗(yàn)考察黃孢原毛平革菌和里氏木霉對水稻秸稈的降解情況，最佳結(jié)果：初始pH值為4.0，黃孢原毛平革菌和里氏木霉的比例為1:5，黃孢原毛平革菌和里氏木霉的復(fù)合接種量為18%，發(fā)酵降解時間為140 h。然后接種黑曲霉，以檸檬酸的產(chǎn)量為參考指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)和多因素正交實(shí)驗(yàn)考察黑曲霉發(fā)酵情況，最佳結(jié)果：初始pH值為4.0，黑曲霉的接種量為15%，發(fā)酵降解時間為140 h，檸檬酸的產(chǎn)量達(dá)到79.83 g/L。得到的混菌發(fā)酵檸檬酸廢水pH值約為2.5、COD為20～25 g/L、BOD5為12～13 g/L、固體懸浮物濃度（SS）為1.6～2.0 g/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

自主設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。長方體容器的容積為2 000 mL，陽極為鈦電極、陰極為石墨電極，陰陽電極為板狀（15.0 cm×25.0 cm），陰陽電極兩端分別連接直流穩(wěn)壓電源的負(fù)極和正極，兩極板中間距離為6 cm，陰陽電極之間固定一塊鐵板（6.0 cm×6.0 cm），裝置的底端有一根環(huán)形曝氣管（50 cm）與小型空壓機(jī)相連。

圖1 電Fenton反應(yīng)器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of electro Fenton reactor 1-anode plate; 2-reaction tank; 3-annular aeration tube;4-power supply; 5-cathode plate

向?qū)嶒?yàn)裝置中注入2 000 mL混菌發(fā)酵檸檬酸廢水，開動恒溫磁力攪拌器，添加NaOH調(diào)節(jié)pH值，加入FeSO4和H2O2，然后打開空壓機(jī)通風(fēng)曝氣。調(diào)節(jié)溫度為25 ℃，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min，定時取樣后用pH計測pH值，150 min后關(guān)閉攪拌器，靜置后取上清液，采用重鉻酸鉀法[12-14]測其COD值。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

以COD值為參照指標(biāo)，對初始pH值、Fe2+添加量、H2O2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%）添加量和反應(yīng)時間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每個因子進(jìn)行三個平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以COD值為響應(yīng)值，進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)[15-17]設(shè)計，數(shù)據(jù)見表1。同時使用軟件Design Expert 8.0.6[18-21]對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

表1 電Fenton法處理檸檬酸廢水工藝條件優(yōu)化Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因子水平設(shè)計Table 1 Optimization of technology conditions for treatment of citric acid wastewater by electric Fenton method

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 初始pH值的影響

當(dāng)混菌發(fā)酵廢水COD為21 g/L，F(xiàn)e2+添加量為300 mg/L，H2O2添加量為1.2 mL/L時，初始pH值對發(fā)酵廢水的COD影響如圖2所示。從圖2可以看出，隨著初始pH值的增加，出水COD值呈拋物線狀變化，而COD去除率的變化正好相反，呈倒置拋物線狀。當(dāng)初始pH值為3.5時，出水COD值最低、COD去除率最大。當(dāng)pH值過低時，H+濃度較大，抑制了Fe2+的產(chǎn)生，而Fe2+濃度過低，COD去除率將會降低。當(dāng)pH值較高時，F(xiàn)e2+會形成羥基聚合物，降低了Fe2+濃度，所以COD去除率也會降低。

圖2 初始pH對電Fenton處理廢水的影響Fig.2 Effect of initial pH on electro-Fenton treatment of wastewater

2.1.2 Fe2+添加量的影響

當(dāng)混菌發(fā)酵廢水COD為21g/L，初始pH值為3.5，H2O2添加量為1.2 mL/L時，F(xiàn)e2+添加量對發(fā)酵廢水COD的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著Fe2+添加量的增加，出水COD值逐漸減小，當(dāng)Fe2+添加量達(dá)到300 mg/L時COD降到最低，隨著Fe2+添加量的繼續(xù)增加COD值略有增加；COD去除率則隨著Fe2+添加量的增加而增加，當(dāng)Fe2+添加量達(dá)到300 mg/L時COD去除率達(dá)到最大，隨著Fe2+添加量的繼續(xù)增加COD去除率略有下降。Fe2+是催化H2O2產(chǎn)生·OH的催化劑，隨著Fe2+濃度的提高催化活性增加，COD去除率增加。但當(dāng)Fe2+濃度增加到一定程度，副反應(yīng)（·OH+Fe2+→Fe3++OH-）增加，反而減少了·OH的產(chǎn)生，COD去除率下降。

圖3 Fe2+添加量對電Fenton處理廢水的影響Fig.3 Effect of Fe2+ addition on electro-Fenton treatment of wastewater

2.1.3 H2O2添加量的影響

當(dāng)混菌發(fā)酵廢水COD為21 g/L、初始pH值為3.5、Fe2+添加量為300 mg/L時，H2O2添加量對發(fā)酵廢水的COD影響如圖4所示。從圖4可以看出，出水COD值隨H2O2添加量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的“U”形變化，當(dāng)H2O2添加量達(dá)到1.2 mL/L時出水COD最低；COD去除率隨著H2O2添加量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的倒“U”形變化，當(dāng)H2O2添加量達(dá)到1.2 mL/L時COD去除率最大。電Fenton法降解發(fā)酵廢水主要是由于·OH的產(chǎn)生，當(dāng)H2O2添加量少時，產(chǎn)生少量的·OH，COD去除率就小；但·OH又可以被H2O2消耗掉，所以當(dāng)H2O2添加量過多時，部分·OH會被H2O2消耗掉，從而降低了COD去除率。

圖4 H2O2添加量對電Fenton處理廢水的影響Fig.4 Effect of H2O2 addition on electro Fenton treatment of wastewater

2.1.4 反應(yīng)時間的影響

當(dāng)混菌發(fā)酵廢水COD為21 g/L、初始pH值為3.5、Fe2+添加量為300 mg/L、H2O2添加量為1.2 mL/L時，時間對電Fenton處理廢水結(jié)果的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著處理時間的增加，COD去除率幾乎呈直線增加，直到150 min左右時，COD去除率的增加趨勢開始減緩。所以采用電Fenton方法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的時間應(yīng)控制為150～180 min，時間過短COD去除率過低，達(dá)不到處理效果，時間過長投資和運(yùn)行費(fèi)用過大，造成浪費(fèi)。

圖5 時間對電Fenton處理廢水的影響Fig.5 Effect of time on electro Fenton treatment of wastewater

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 回歸模型建立

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取初始pH值（X1）、Fe2+添加量（X2）、H2O2添加量（X3）和時間（X4）為考察因素，以COD去除率（Y）為響應(yīng)值，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)水平設(shè)計，進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與分析見表2。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of Box-Behnken tests

使用軟件Design Expert 8.0.6對表2結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合[22-23]，得到的二次多項(xiàng)式回歸方程為：

2.2.2 回歸模型方差分析

回歸模型的方差分析結(jié)果見表3。由表3可知，模型為極顯著（P<0.01），失擬項(xiàng)為不顯著（P>0.05），表明回歸模型的擬合度較好。模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.957 3，校正相關(guān)系數(shù)R2adj為0.924 1，表明所建模型和實(shí)際情況擬合程度高，可以用于電Fenton法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水處理的預(yù)測。一次項(xiàng)X1、X2、X3、交互項(xiàng)X2X3和二次項(xiàng)X12、X32對結(jié)果影響極其顯著（P<0.01）；交互項(xiàng)X2X4、二次項(xiàng)X22對結(jié)果影響顯著（P<0.05）；其他相對結(jié)果影響不顯著（P>0.05）。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

2.2.3 響應(yīng)面圖的分析

初始pH值、Fe2+添加量、H2O2添加量和處理時間交互作用對混菌發(fā)酵檸檬酸廢水處理影響的響應(yīng)面及等高線見圖6。從圖6A可以看出：隨著pH值的增加，COD去除率先迅速增加，然后增加緩慢，最后又迅速下降；隨著Fe2+添加量增加，COD去除率迅速增加，然后趨于恒定。所以，初始pH值和Fe2+添加量兩個因子交互性不顯著。但是，從圖6A仍可以得知，初始pH值對COD去除率影響較大，COD去除率最大值在初始pH值3.5左右。

圖6 各因素交互作用對COD去除率的響應(yīng)面及等高線Fig.6 Response surface and contour of COD removal by the interaction of various factors

由圖6B可知：隨著pH值的增加，COD去除率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；隨著H2O2添加量的增加，COD去除率也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。所以，H2O2添加量和初始pH值兩個因子交互作用極顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

圖6C表明：隨著pH值的增加，COD去除率先迅速增加，然后增加緩慢，最后又迅速下降；隨著反應(yīng)時間的增加，COD去除率一直呈現(xiàn)增加的趨勢，但是后期增加緩慢。所以，初始pH值和反應(yīng)時間兩個因子交互作用不顯著。

從圖6D可以看出：隨著Fe2+添加量的增加，COD去除率前期先迅速增加后期增加緩慢；隨著H2O2添加量的增加，COD去除率呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，但整體增加趨勢較緩慢。從圖6D中仍可以看出Fe2+添加量對COD去除率的影響較大。

圖6E顯示：隨著Fe2+添加量的增加，COD去除率前期先迅速增加后期增加緩慢；隨著時間增長，COD去除率也呈現(xiàn)前期先迅速增加后期增加緩慢的趨勢。所以，F(xiàn)e2+添加量和反應(yīng)時間兩個因子交互作用極顯著，這和方差分析結(jié)果一致。

從圖6F可以看出：隨著H2O2添加量的增加，COD去除率幾乎不發(fā)生變化；隨著時間反應(yīng)增長，COD去除率呈現(xiàn)前期先迅速增加后期增加緩慢的趨勢。所以，H2O2添加量和反應(yīng)時間兩個因子交互作用不顯著。

響應(yīng)面坡度越陡峭，表明COD去除率對于操作條件的改變越敏感，該因素對COD去除率的影響越大。在交互項(xiàng)對COD去除率的影響中，F(xiàn)e2+添加量與H2O2添加量之間以及Fe2+添加量與反應(yīng)時間之間的交互作用明顯，其他因素之間交互作用不明顯，這與方差分析的結(jié)果一致。

2.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

使用軟件Design Expert 8.0.6對二次多項(xiàng)式回歸方程求解，求得了電Fenton法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的優(yōu)化條件：初始pH值為3.68、Fe2+添加量為242.37 mg/mL、H2O2添加量為1.06 mg/mL以及反應(yīng)時間為142.24 min，預(yù)測COD去除率為97%。考慮實(shí)際成本及技術(shù)情況，確定實(shí)際的優(yōu)化處理?xiàng)l件是：初始pH值為3.6、Fe2+添加量為245 mg/mL、H2O2添加量為1.1 mg/mL、反應(yīng)時間為145 min，在此條件下實(shí)驗(yàn)得到的COD去除率為96.67%，與預(yù)測值接近，說明回歸模型能較好地預(yù)測實(shí)際處理情況。

3 結(jié) 論

通過單因素及響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化確定電Fenton法處理混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的工藝條件：初始pH值為3.6、Fe2+添加量為245 mg/mL、H2O2添加量為1.1 mg/mL、反應(yīng)時間為145 min。在此優(yōu)化工藝條件下，實(shí)驗(yàn)得到的COD去除率為96.67%。本研究建立的模型可較好地反映各種因素對混菌發(fā)酵檸檬酸廢水的COD去除率的影響。