工業(yè)園區(qū)是一個承受高密度經(jīng)濟(jì)活動和高強(qiáng)度資源消耗的特定區(qū)域,其污水排放對周邊水環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[1].工業(yè)園區(qū)污水成分復(fù)雜、 難生物降解和毒性物質(zhì)含量較多,利用傳統(tǒng)生物技術(shù)對其處理后通常難以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)[2, 3],因此需對其進(jìn)行深度處理.常用的深度處理技術(shù)包括Fenton[4]、 臭氧氧化[2]、 光催化氧化[5]及過硫酸鹽氧化[6]等.
過硫酸鈉(PS)易活化產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的硫酸根自由基(SO4 ·-)[7].與其它氧化劑相比,PS常溫下呈固態(tài),容易儲存和運(yùn)輸,適用pH廣泛(約2.5~11),具有高穩(wěn)定性、 高水溶性、 價格低廉等優(yōu)點(diǎn)[8].許多研究者采用Fe(Ⅱ)活化PS去除水中難降解有機(jī)物,均取得了較好效果[6, 9, 10, 11, 12].
本研究采用Fe(Ⅱ)活化PS的高級氧化技術(shù)對太倉某工業(yè)園區(qū)污水處理廠出水進(jìn)行深度處理,分析了PS投加量、 Fe(Ⅱ)/PS及pH對出水化學(xué)需氧量(COD)和總有機(jī)碳(TOC)去除效果的影響.利用響應(yīng)面法(RSM)研究了各因素的交互作用,尋求最佳工藝條件,并利用指紋圖譜手段表征有機(jī)物特性,以期為污水處理廠出水高級氧化技術(shù)提高處理效率、 降低運(yùn)行成本和明確反應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù).
1 材料與方法
1.1 樣品來源
水樣來自太倉某工業(yè)園區(qū)污水處理廠出水,該廠設(shè)計(jì)水量為20 000 m3 ·d-1,進(jìn)水生活污水僅占30%,其余為醫(yī)藥、 石油、 化工、 印染等企業(yè)的工業(yè)廢水.本研究所用出水水質(zhì)指標(biāo)為:pH 7.80,COD 90.0 mg ·L-1,BOD5 5.2 mg ·L-1,TOC 42.2 mg ·L-1,氨氮 3.30 mg ·L-1,TN 29.28 mg ·L-1,TP 0.45 mg ·L-1.
1.2 實(shí)驗(yàn)過程
單因素實(shí)驗(yàn):取100 mL水樣于250 mL錐形瓶中,置于空氣浴恒溫振蕩器(TS-200B,上海),依次迅速加入PS和七水硫酸亞鐵,在轉(zhuǎn)速為180 r ·min-1下振蕩2 h,用0.45 μm濾膜過濾后,測定濾液COD和TOC.
在Fe(Ⅱ)/PS=2.0,pH=7.80的條件下,改變PS/COD分別為0.5、 1.0、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4.0和5.0,分析PS投加量對COD和TOC去除的影響.在PS/COD=3.0 (PS濃度270 mg ·L-1)，pH=7.80條件下,改變Fe(Ⅱ)/PS分別為1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0和4.0,研究Fe(Ⅱ)/PS對COD和TOC去除的影響.在PS=270 mg ·L-1,Fe(Ⅱ)=540 mg ·L-1的條件下,考察pH為5.0、 6.0、 6.5、 7.0、 7.5和8.5條件下的COD和TOC去除效果.
多因素復(fù)合實(shí)驗(yàn):根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇COD和TOC去除率變化顯著的范圍,按照3因素3水平采用Box-Behnken模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).3因素為PS/COD(A:0.5~4.0)、 Fe(Ⅱ)/PS(B:2~4)和pH(C:6.5~8.5),響應(yīng)值為COD(Y1%)和TOC(Y2%)去除率.各因素設(shè)定3水平,-1和1對應(yīng)因素范圍上下限,0則為中心點(diǎn).試驗(yàn)采用Design Expert 8.0軟件設(shè)計(jì),優(yōu)化實(shí)驗(yàn)共需17組.
1.3 水質(zhì)參數(shù)分析測定
pH值采用HQ30d pH計(jì)測定; COD采用重鉻酸鉀法測定; TOC采用Multi N/C 3100 測定; 分子量采用1260型凝膠色譜儀測定; UV-Vis光譜采用UV-2600分光光度計(jì)測定; 三維熒光光譜采用RF-5301型熒光光度計(jì)測定.
2 結(jié)果與討論
2.1 單因素實(shí)驗(yàn)分析
由圖 1(a)知,COD和TOC去除率隨PS/COD的增加呈先升后降的趨勢.在PS/COD為3.0時,COD和TOC去除率達(dá)最高值33.2%和45.0%. PS/COD大于3.0后去除率下降是因?yàn)镻S濃度過高時,瞬間產(chǎn)生的SO4 ·-會彼此反應(yīng)湮滅[式(1)][13],或與S2O82-反應(yīng)消耗[式(2)][14].
圖 1 PS/COD、 Fe(Ⅱ)/PS和pH對COD和TOC去除效果的影響
催化劑是化學(xué)反應(yīng)的重要控制因素[3].圖 1(b)考察了Fe(Ⅱ)/PS對COD和TOC去除率的影響. 從中可知,當(dāng)Fe(Ⅱ)/PS由1.0增加到3.0時,COD和TOC去除率呈上升趨勢; Fe(Ⅱ)/PS繼續(xù)上升至4.0時,去除率反而有所下降.這是因?yàn)檫^量Fe(Ⅱ)會消耗SO4 ·-[式(3)],使其不能有效攻擊污染物[15].
由圖 1(c)可知,在pH為6.5時,COD和TOC去除率最高,分別為50.8%和59.2%.升高或降低pH均會降低去除率.這是由于酸性條件下H+催化PS[式(4)]增加了SO4 ·-產(chǎn)生量[16],提高了降解效果.而堿性條件下,OH-會捕捉SO4 ·-生成羥基自由基[式(5)],抑制有機(jī)物降解.此外,Fe(Ⅱ)在堿性條件下會轉(zhuǎn)化為不具有催化能力的Fe(OH)3沉淀,降低SO4 ·-產(chǎn)生量[15].
2.2 RSM優(yōu)化Fe(Ⅱ)活化PS降解水中有機(jī)物
采用Box-Behnken模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合,可得Y1%和Y2%的方程[式(6)、 (7)].模型方差分析如表 1所示.
擬合方程(6)、 (7)回歸系數(shù)R2分別為0.963 9和0.936 1,表明預(yù)測值與實(shí)測值相關(guān)性較好; 修正后R2分別為0.971 4和0.854 0,表明響應(yīng)面的97.14%和85.40%是由于所選變量引起,可以利用該回歸方程確定最佳工藝.
由表 1知,本實(shí)驗(yàn)所選模型不同處理間差異極顯著(P<0.01),說明該實(shí)驗(yàn)方法是可靠的.式(6)中Y1模型AC交互作用項(xiàng)系數(shù)為負(fù)數(shù),說明PS/COD和pH間為拮抗作用; 各因素均方值大小可判斷3因素對Y1的影響順序?yàn)镻S/COD>Fe(Ⅱ)/PS>pH,對Y2為pH>Fe(Ⅱ)/PS>PS/COD.
由表 1中回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)知,A、 B對Y1的線性效應(yīng)極顯著; B、 C對Y2的線性效應(yīng)極顯著,A對Y2的線性效應(yīng)顯著.AC和BC交互作用對Y1線性效應(yīng)顯著.A2、 B2對Y1曲面效應(yīng)極顯著; A2、 C2對Y2曲面效應(yīng)顯著.
表 1 回歸方程方差分析及其系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)
由圖 2知,Y1隨PS/COD的增加先升后降,與單因素結(jié)果相吻合; Y1變化速率顯示PS/COD比主效應(yīng)大于Fe(Ⅱ)/PS和pH,與統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符; Y1隨Fe(Ⅱ)/PS的增加先升后降,且Fe(Ⅱ)/P比主效應(yīng)大于pH.PS/COD 2.3~3.4、 Fe(Ⅱ)/PS 2.8~3.6和pH 6.5~7.5時,PS對COD去除率較高.
圖 2 COD和TOC去除率模型方程等高線
由圖 2知,Y2隨PS/COD的增加先降后升; 低PS/COD和高Fe(Ⅱ)/PS亦可提升Y2,這是因?yàn)镕e(Ⅱ)/PS和pH主效應(yīng)大于PS/COD,與統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符; 當(dāng)pH小于7.0時,Y2較高,且隨Fe(Ⅱ)/PS增加緩慢增加; 當(dāng)pH大于7.0時,Y2隨Fe(Ⅱ)/PS增加上升速度較快.當(dāng)PS/COD 2.25,高Fe(Ⅱ)/PS條件下,Y2隨pH增加先降后升,這可能是由于一部分Fe(Ⅱ)消耗OH-使溶液pH下降,降低了pH和Fe(Ⅱ)/PS,導(dǎo)致Y2有所提高.
2.3 Fe(Ⅱ)活化PS優(yōu)化模型及驗(yàn)證
根據(jù)“優(yōu)先/聯(lián)合”優(yōu)化模式[17, 18],結(jié)合Box-Behnken模型分析結(jié)果,優(yōu)化的操作參數(shù)為PS/COD 3.47、 Fe(Ⅱ)/PS 3.32、 pH 6.5,該條件下Y1和Y2 分別為50.7%和60.6%,出水COD和TOC降至41.5 mg ·L-1和17.5 mg ·L-1. 表 2實(shí)驗(yàn)與預(yù)測結(jié)果間誤差較小(<5%),說明模型可信度較高.比較工況1和3知,減小PS/COD Y1和Y2均下降,且其對Y1的影響大于Y2; 而對比工況2和3知,pH對Y2的影響大于Y1,與統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符.
表 2 “優(yōu)先/聯(lián)合”優(yōu)化模式的驗(yàn)證結(jié)果
2.4 Fe(Ⅱ)-PS降解產(chǎn)物的光譜學(xué)分析
2.4.1 紫外-可見及分子量分布的分析
UV-Vis光譜能夠反映分子結(jié)構(gòu)中發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)的特征,也能表征物質(zhì)的芳香性等特性[19].由圖 3(a)可知,不同工況的水樣呈相似波形,λ>450 nm時,吸光度趨近于零; 在210 nm附近有明顯的吸收峰,表明組分中含有單環(huán)芳香族或共軛雙鍵類化合物. E254/E365能夠反映溶解性有機(jī)物(DOM)分子大小的比例,比值越大,水樣中小分子比例越高[20]. E300/E400的比值越大,腐殖質(zhì)的腐殖化程度越低[21]. 275~295 nm與350~400 nm波段斜率之比(SR)可用于表征DOM的結(jié)構(gòu)變化,SR值越高,DOM分子量越低,表明DOM被微生物降解的反應(yīng)活性降低[22].由表 3可知,PS處理后出水E254/E365和E300/E400比原水大得多,說明PS產(chǎn)生的SO4 ·-能夠攻擊芳環(huán)或雙鍵,通過開環(huán)或斷鍵等將大分子有機(jī)物打碎成小分子[2].且最優(yōu)工況3腐殖化程度最低.RSM優(yōu)化后的SR值明顯高于原水,說明優(yōu)化后大分子含量降低,小分子物質(zhì)所占比例明顯升高,與E254/E365結(jié)果相一致.
圖 3 Fe(Ⅱ)-PS氧化前后的UV-Vis光譜與分子量分布
從圖 3(b)可知,PS氧化后DOM相對分子質(zhì)量有減小的趨勢.最優(yōu)工況3中高于1.0×108的物質(zhì)所占比例由44.2%降至3.0%,2.5×107~1.0×108所占比例由19.0%降至1.7%.低于3.0×106的小分子所占比例排序?yàn)楣r3>2>1,與E254/E365及SR的結(jié)果相符. 這說明減少PS投加量和改變pH均會惡化降解效果,也說明PS對Y1的影響大于pH.
表 3 Fe(Ⅱ)-PS處理前后出水的UV-Vis吸收值
2.4.2 三維熒光分析
Fe(Ⅱ)-PS處理前后出水的三維熒光光譜和熒光強(qiáng)度(FI)削減率如圖 4和表 4所示.各水樣均有A、 B、 C、 D共4個峰,位置分別為280/(310~320)、 (235~240)/(335~340)、 (245~250)/(405~425)和(250~255)/(445~455)nm,代表色氨酸類蛋白質(zhì)、 芳香族類蛋白質(zhì)、 類腐殖酸及類富里酸類物質(zhì)[23]. 從熒光峰位置看,PS氧化后B峰藍(lán)移5~15 nm,這是因?yàn)镻S氧化使稠環(huán)芳烴分解為小分子,芳香環(huán)和共軛基團(tuán)數(shù)量減少,羰基、 羥基和胺基等官能團(tuán)消失[24]. 由表 4可知,經(jīng)PS氧化后各峰FI均有所削減.與污水中易生物降解組分密切相關(guān)的A峰[24]FI削減率較低.改變PS對熒光峰B、 C和D的削減率影響大于pH.優(yōu)化工況3各峰FI的削減率最高,這與COD和TOC去除效果一致.Lee等[25]研究也發(fā)現(xiàn)廢水COD、 TOC與FI具有良好的線性關(guān)系.PS氧化后A/B升高,意味著出水中易降解組分增加,小分子物質(zhì)所占比例提高,與UV-Vis光譜和分子量分布結(jié)果相吻合.具體參見污水寶商城資料或http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 4 Fe(Ⅱ)-PS深度處理前后出水的三維熒光光譜
表 4 Fe(Ⅱ)-PS處理前后的FI削減率
3 結(jié)論
(1) 采用RSM模型優(yōu)化Fe(Ⅱ)-PS體系,確定各操作條件對COD和TOC去除率影響的貢獻(xiàn)大小為PS/COD>Fe(Ⅱ)/PS>pH和pH>Fe(Ⅱ)/PS>PS/COD.
(2) RSM優(yōu)化后的最佳工藝條件為PS/COD為3.47、 Fe2+/PS為3.32、 pH 6.5,COD和TOC分別降至41.5 mg ·L-1和17.5mg ·L-1.
(3) PS氧化能將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子,削減類蛋白質(zhì)、 類富里酸和類腐殖酸等熒光類物質(zhì)的含量,并改變其分子結(jié)構(gòu).（來源及作者：上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 朱松梅 周振 顧凌云 長江流域水資源保護(hù)局上海局 蔣海濤 任佳慜）
