有機(jī)磷農(nóng)藥廢水處理技術(shù)
有機(jī)磷農(nóng)藥是目前國內(nèi)外廣泛使用的農(nóng)藥類別，但因其濃度高,，成分復(fù)雜,，毒性大，可生化性差,，難治理成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),。當(dāng)前處理有機(jī)磷農(nóng)藥廢水常用技術(shù)方法為生化法。但由于處理工藝預(yù)處理技術(shù)不過關(guān),，該廢水往往需要用大量水稀釋,，造成處理裝置龐大、負(fù)荷低,、運(yùn)行成本高的缺陷〔1,2〕,。因此，急需開發(fā)一種高效預(yù)處理技術(shù),，從而提高有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的可生化性，降低工藝的運(yùn)行成本,。
催化濕式過氧化氫氧化法（CWPO）由于采用廉價(jià)無毒的H2O2為氧化劑,，使其具有了設(shè)備簡單，投資省,，無需嚴(yán)格的高溫高壓條件,，無有毒副產(chǎn)物，反應(yīng)速度快,，氧化徹底,，處理效率高，催化劑便于回收利用,，且不造成二次污染等優(yōu)勢〔3〕,，成為了一種極具開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景的新型農(nóng)藥廢水預(yù)處理技術(shù)。筆者對CWPO預(yù)處理有機(jī)磷農(nóng)藥廢水進(jìn)行研究,，通過正交試驗(yàn)考察各因素對處理效果的影響,，從而優(yōu)化CWPO預(yù)處理有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的工藝運(yùn)行參數(shù)并構(gòu)建動力學(xué)模型,，以期為該類廢水處理的科學(xué)研究及工程實(shí)踐提供理論參考和數(shù)據(jù)支持。
1材料與方法
1.1儀器與試劑
儀器：NRY-2102C型恒溫?fù)u床（上海南榮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司）,；FB224型電子分析天平（上海天平儀器廠）,；pHs-3C型pH計(jì)（上海雷磁儀器廠）；HY-1A型生化培養(yǎng)箱（姜堰市銀河儀器廠）,；970型直讀BOD5測定儀（青島科迪博電子科技有限公司）,。
試劑：模擬有機(jī)磷廢水（40%的氧化樂果乳油溶液和農(nóng)田灌溉水混合，COD2460mg/L,，BOD5220mg/L,，B/C=0.089）；30%雙氧水,；濃硫酸,、氫氧化鈉均為分析純；自制Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3催化劑,。
1.2催化劑的制備
用Fe（NO3）3,、Ce（NO3）3作為制備催化劑的前驅(qū)物，粒徑為2～3mm的γ-Al2O3為載體,，采用等體積分層浸漬法,，經(jīng)過干燥、焙燒等工藝,，最終通過優(yōu)選得到總負(fù)載量為3%,、焙燒溫度為450℃及焙燒時間為4h的固體Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3催化劑。
1.3試驗(yàn)方法
在常壓條件下,，向250mL三角瓶中加入100mL的模擬有機(jī)磷農(nóng)藥廢水,；在30g/L的催化劑的催化作用下，分別調(diào)節(jié)初始pH,、H2O2的投加量,、反應(yīng)溫度和時間，通過正交試驗(yàn),，取樣分析COD,。并在最優(yōu)條件下測定BOD5，考察其可生化性,。
1.4分析方法
COD分析采用重鉻酸鉀法（GB11914289）,，pH采用pH計(jì)測定，BOD5在生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5d后用BOD5測定儀測定,。有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的COD去除率（η）定義如下：
式中：C0——初始時刻有機(jī)磷農(nóng)藥廢水COD測定值,，mg/L；
Ct——降解t時刻有機(jī)磷農(nóng)藥廢水COD測定值,，mg/L,。
2結(jié)果與分析
2.1單因素實(shí)驗(yàn)
2.1.1H2O2投加量的影響
依據(jù)廢水的初始濃度可知,，H2O2的理論投加量為1.5mL。在常壓下,，初始pH為7,、反應(yīng)溫度30℃、反應(yīng)時間1h,，改變H2O2的投加量,，考察H2O2投加量對COD去除率的影響，結(jié)果如圖1所示,。
圖1H2O2投加量對COD去除率的影響
由圖1可見,，COD去除率隨著H2O2投加量的增加呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)投加量為2.0mL時,，COD的去除率達(dá)到最大值（44.2%）,。根據(jù)CWPO反應(yīng)原理〔4〕，H2O2的增加將產(chǎn)生更多的羥基自由基（HO·）,，其氧化能力不斷增大,，COD的去除率也隨之提高。然而,，當(dāng)H2O2投加量超過2.0mL后,，COD去除率反而隨H2O2投加量的增大而減小。這主要是由于過量的H2O2能與釋放出的HO·作用生成HO2·,，而HO2·會進(jìn)一步與H2O2反應(yīng),，H2O2產(chǎn)生了自耗現(xiàn)象，從而降低了其氧化能力,。此外,，HO2·增多，而HO2·分解產(chǎn)生的H+能導(dǎo)致水樣中pH降低,，導(dǎo)致催化劑上的活性組分鐵離子溶出嚴(yán)重〔5〕,，COD去除率下降。因此,，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度考慮,，H2O2投加量的最佳值為2.0mL,。
2.1.2初始pH的影響
其他反應(yīng)條件不變,，考察不同初始pH對COD去除率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)pH為4～7時,，COD的去除率變化不大,，介于35.6%～36.9%。而當(dāng)pH＜4或pH＞7時,，COD的去除率明顯下降,，如pH為2和10時,，COD的去除率分別為27.4%和18.7%。這是因?yàn)閷τ诖呋瘽袷竭^氧化氫氧化反應(yīng)來說,，溶液的pH直接影響H2O2和催化劑的催化效果,，無論是在強(qiáng)酸性還是在堿性條件下，都不利于廢水中有機(jī)物的降解,。當(dāng)pH較低時,，H+濃度過高，鐵離子的溶出量增大〔6〕,，催化效果減弱,，降低氧化效果。當(dāng)pH較高時,，COD去除率有所下降,，是由于H2O2是一種弱的二元酸，堿性環(huán)境會使H2O2產(chǎn)生無效分解,，降低其利用率〔7〕,。
2.1.3反應(yīng)溫度的影響
在其他反應(yīng)條件不變時，考察不同反應(yīng)溫度對COD去除率的影響,，結(jié)果表明：反應(yīng)溫度對COD去除率的影響較明顯,。當(dāng)20℃時，COD去除率只有13.5%,。隨著反應(yīng)溫度的升高,，COD去除率逐漸加大，當(dāng)溫度增加至80℃時,，COD去除率達(dá)到最大值（77.6%）,，而后，COD去除率隨溫度的增加而降低,。
COD去除率隨反應(yīng)溫度的升高而增大,，這是因?yàn)闇囟刃∮?0℃時以Fe為催化劑的活性中心，與其連接的晶格氧直接參與了對有機(jī)物的氧化,，將有機(jī)大分子降解成小分子,，附著在催化劑表面上。當(dāng)溫度升高,，液相黏度降低,，加快了大分子有機(jī)物附著到催化劑表面的速度，而且使得降解生成的小分子從催化劑表面脫附的速度增大,，加快了活性空位更新速度〔8〕,；也有可能是，催化劑表面的吸附氧遞補(bǔ)了消耗的晶格氧，溫度升高,，O2從液相傳遞至催化劑表面的速度相應(yīng)提高,，有利于吸附氧的形成，加速了降解過程〔9〕,。當(dāng)溫度大于80℃之后,，吸附氧自身的振動動能超過了解吸能，吸附氧從晶格中溢出生成O2,，回到了液相中,，催化劑活性降低〔9〕。同時隨著溫度升高,，鐵離子的溶出量逐漸增大,，不利于催化劑的穩(wěn)定。而且,，氧化劑H2O2在高溫時會自行分解,。因此當(dāng)溫度升高到100℃時COD去除率已下降到了73.7%。
2.1.4反應(yīng)時間的影響
在其他反應(yīng)條件不變時,，改變反應(yīng)時間,，考察反應(yīng)時間對COD去除率的影響，結(jié)果表明：隨著反應(yīng)時間的延長,，COD去除率逐漸增加,，但增加的速率逐漸減緩，尤其是當(dāng)?shù)?0min后去除率的增加趨于穩(wěn)定,。由此可見,，當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到30min后，COD的去除率就已經(jīng)很接近60min時的去除率,；反應(yīng)時間到達(dá)60min后,，再通過增加反應(yīng)時間來提高COD去除率的效果不明顯。
2.2正交試驗(yàn)
2.2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
確定影響COD去除率的主要正交試驗(yàn)變量為初始pH（A）,、H2O2投加量（B）,、反應(yīng)時間（C）、反應(yīng)溫度（D）為因素,。根據(jù)初步單因素試驗(yàn)結(jié)果,，選取各因素水平，按照L9（34）,，進(jìn)行正交試驗(yàn),。因素水平如表1所示。
2.2.2正交試驗(yàn)結(jié)果
以Fe2O2-CeO3/γ-Al2O3催化劑催化氧化的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,。
由表2可見,，影響COD去除率的因素主次順序依次為：反應(yīng)溫度＞H2O2投加量＞pH＞反應(yīng)時間，最優(yōu)水平組合為A1B1C3D2,。而直接從表中看到最好水平組合為（即第7號試驗(yàn)）A3B1C3D2,，可與極差分析找到的最優(yōu)水平組合A1B1C3D2做對比試驗(yàn)，經(jīng)測定A1B1C3D2的COD的去除率為85.8%,。因此最終優(yōu)化處理?xiàng)l件為：反應(yīng)溫度為80℃,，H2O2投加量為2mL，pH為5,，反應(yīng)時間為40min,，且測得BOD5為146mg/L，B/C=0.43,。在此優(yōu)化條件下,，可生化性也大大提高。
2.3反應(yīng)動力學(xué)
由上文可知,，廢水在50~80℃時COD去除率與溫度成線性關(guān)系,。因此可在優(yōu)化反應(yīng)條件下，考察預(yù)處理體系中,，溫度對催化氧化反應(yīng)COD去除率的影響,，建立有機(jī)磷農(nóng)藥廢水氧化降解的反應(yīng)動力學(xué)方程，結(jié)果如表3所示,。
由表3可見,，COD去除率與以COD表示的有機(jī)物濃度成一次關(guān)系。因此,，采用一級動力學(xué)模型〔10,11〕,，其基本形式為：
積分得：
式中：k——反應(yīng)速率常數(shù)，min-1,；
C——t時刻以COD表示的有機(jī)物質(zhì)量濃度,，mg/L。
C0——初始時刻以COD表示的有機(jī)物質(zhì)量濃度,，mg/L,。
不同溫度下的反應(yīng)常數(shù)如表4所示。
Arrhenius經(jīng)驗(yàn)方程k=Aexp（-Ea/RT）,，積分得：
式中：A——指前因子,，min-1；
Ea——活化能,，kJ/mol,。
將表4中的溫度和k帶入該式進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如圖2所示,。
圖2lnK與1/T的關(guān)系
得到該反應(yīng)的活化能：Ea=14.761kJ/mol,，A=7.336min-1。
由此可得到濕法過氧化物氧化有機(jī)磷農(nóng)藥廢水表觀動力學(xué)方程為：
3結(jié)論
（1）以自制Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3為催化劑的濕式催化氧化預(yù)處理有機(jī)磷農(nóng)藥廢水中影響COD去除率的因素主次順序依次為：反應(yīng)溫度＞H2O2投加量＞pH＞反應(yīng)時間，優(yōu)化條件為：反應(yīng)溫度為80℃,，H2O2投加量為2mL,，pH為5，反應(yīng)時間為40min,。此條件下COD的去除率可達(dá)85.8%,，B/C由0.089提高到0.43，可生化性有所提高,?？梢姶朔椒ㄊ且环N有效的預(yù)處理有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的方法，為以后進(jìn)一步的生化處理提供了條件,。
（2）以Fe2O3-CeO2/γ-Al2O3為催化劑濕式催化氧化有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的反應(yīng)符合一級動力學(xué)方程,。
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