2010年我國《第一次全國污染源普查公報》上明確指出，在經(jīng)過多年的治理之后，印染行業(yè)仍然以129.60萬t的COD排放量位居行業(yè)COD排放量的第二位。由此可見，印染行業(yè)傳統(tǒng)處理方法仍然存在著未能解決印染行業(yè)水量大、色度高、成分復(fù)雜、難降解、生物毒性大等特點〔1〕，因此急需開發(fā)新型的治理技術(shù)和方法。近年來，環(huán)境領(lǐng)域工作者開始將高級氧化法應(yīng)用于處理印染廢水〔2, 3, 4, 5〕。高級氧化法由W. H. Glaze〔6〕首次提出，泛指氧化過程中有大量羥基自由基參與的深度化學(xué)氧化過程，其特點是：使用范圍廣、處理效率高、反應(yīng)迅速、二次污染小，可回收能量及有用物質(zhì)。它的這些優(yōu)點使其在難處理的印染廢水的深度處理中有比較好的應(yīng)用前景。
1 實驗部分
為比較兩種典型的高級氧化法——紫外（UV）與超聲波（US）在處理同種模擬印染廢水時的深度處理效果及理論能耗，采用Fenton試劑（H2O2+Fe2）分別與UV、US聯(lián)合處理模擬印染廢水，研究Fenton試劑投加量、體系pH、反應(yīng)時間、體系功率等因素對于模擬印染廢水的脫色率的影響，比較此兩種典型的高級氧化法的處理效果及理論能耗。
1.1 藥品與儀器
染料：均為市售商用染料，包括酸性嫩黃（單偶氮，苯環(huán)結(jié)構(gòu)）、直接桃紅（雙偶氮，蒽環(huán)結(jié)構(gòu)）、直接金駝（三偶氮，苯環(huán)結(jié)構(gòu)）。
試劑：30%H2O2，硫酸亞鐵銨等，均為分析純。
儀器：ZXC-D型紫外線燈，40 W；KQ-100DB型數(shù)控超聲波清洗器，頻率40 kHz，功率100 W；722型可見分光光度計；PB-10型pH計；電子天平等。
1.2 實驗方法
以模擬印染廢水（由偶氮染料酸性嫩黃、直接桃紅、直接金駝配制而成）脫色率為評價指標(biāo)，原水初始質(zhì)量濃度均選為100 mg/L，采用單因素實驗法對兩種典型的高級氧化法進行對比，各因素控制量的實驗順序采用正交實驗獲得的影響大小順序，控制量的固定值采用正交實驗中的中間值（H2O2 9 mL/L，F(xiàn)e2 200 mg/L，pH=5，系統(tǒng)輸入功率 40 W，反應(yīng)時間 60 min）。
UV-Fenton法：改變體系H2O2、Fe2投加量、反應(yīng)初始pH、紫外燈管距離、反應(yīng)時間，考察各因素對偶氮染料深度處理的效果。
US-Fenton法：改變體系超聲功率、超聲水浴溫度、反應(yīng)時間、H2O2、Fe2投加量、反應(yīng)初始pH，考察各因素對偶氮染料深度處理的效果。
2 實驗結(jié)果與討論
2.1 H2O2投加量對處理效果的影響
為使UV、US體系的處理效果具有可比性，將體系其他操作條件擬定為一固定值，單獨討論單因素條件影響下兩種高級氧化體系對模擬印染廢水的脫色效果。
兩種體系Fe2投加質(zhì)量濃度均為200 mg/L，初始pH均為5，輸入功率均采用40 W（此時紫外燈管距液面距離為0），反應(yīng)時間60 min時，單純討論H2O2投加量對處理效果的影響，結(jié)果見圖 1。
圖 1 雙氧水投加量對偶氮染料脫色率的影響
由圖 1可見，隨著雙氧水投加量的增加，偶氮染料脫色率在兩種高級氧化法處理時均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當(dāng)采用UV-Fenton法時，雙氧水的投加量在8.0~10.0 mL/L時會使3種不同結(jié)構(gòu)的偶氮染料的脫色率均維持在95%以上。當(dāng)采用US-Fenton法時，雙氧水的投加量在3.5~5.0 mL/L時會使3種不同結(jié)構(gòu)的偶氮染料的脫色率均維持在95%以上。有研究指出〔7, 8〕，雙氧水在高級氧化法中承擔(dān)的作用是向反應(yīng)體系中提供羥基自由基，本研究也發(fā)現(xiàn)，羥基自由基的提供以及增加對偶氮染料的脫色起到了關(guān)鍵性的主導(dǎo)作用，在研究的范圍內(nèi)（雙氧水投加量在2~20 mL/L），雙氧水的存在使得偶氮染料的脫色率均維持在70%以上。本研究同時發(fā)現(xiàn)，由于UV-Fenton系統(tǒng)可向反應(yīng)體系提供的能量（30 W）低于US-Fenton系統(tǒng)（50 W），加之UV-Fenton系統(tǒng)的反應(yīng)溫度（室溫）低于US-Fenton系統(tǒng)（55 ℃），因此UV-Fenton系統(tǒng)較US-Fenton系統(tǒng)所需提供的雙氧水量更高。
2.2 Fe2投加量對處理效果的影響
兩種體系雙氧水（30%）投加量均為9 mL/L，初始pH均為5，輸入功率均采用40 W（此時紫外燈管距液面距離為0），反應(yīng)時間60 min時，單純討論Fe2投加量對處理效果的影響，結(jié)果見圖 2。
圖 2 Fe2投加量對偶氮染料脫色率的影響
由圖 2可見，隨著Fe2投加量的增加，偶氮染料脫色率在兩種高級氧化法處理時均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這是由于Fe2是Fenton體系催化產(chǎn)生羥基自由基的催化劑，適當(dāng)?shù)耐都恿靠梢员ＷC該實驗快速有效地進行，但投加量過大，也會由于H2O2消耗過快而降低利用率〔9, 10〕。Fe2的投加質(zhì)量濃度在150~250 mg/L時會使3種不同結(jié)構(gòu)的偶氮染料的脫色率均維持在90%以上。
2.3 體系初始pH對處理效果的影響
眾多研究結(jié)果〔11, 12, 13, 14〕表明，高級氧化法大多數(shù)在較低的pH區(qū)域內(nèi)才能夠取得較好的處理率，本研究兩種體系雙氧水（30%）投加量固定為9 mL/L，F(xiàn)e2投加質(zhì)量濃度固定為200 mg/L，輸入功率均采用40 W（此時紫外燈管距液面距離為0），反應(yīng)時間60 min時，對體系初始pH對處理效果的影響做出分析，結(jié)果見圖 3。
圖 3 體系初始pH對偶氮染料脫色率的影響
由圖 3可見，無論UV-Fenton還是US-Fenton，高級氧化法仍然在酸性范圍內(nèi)取得最佳脫色率，UV-Fenton在體系初始pH=5附近取得3種結(jié)構(gòu)偶氮染料的最佳脫色率；而US-Fenton在體系初始pH=3.5附近取得3種結(jié)構(gòu)偶氮染料的最佳脫色率。US-Fenton對體系的初始pH要求更嚴(yán)格。
2.4 反應(yīng)時間對處理效果的影響
兩種體系雙氧水（30%）投加量固定為9 mL/L，F(xiàn)e2投加質(zhì)量濃度固定為200 mg/L，體系初始pH為5，輸入功率均采用40 W（此時紫外燈管距液面距離為0）時，體系作用于偶氮染料溶液的時間對處理效果的影響見圖 4。
圖 4 反應(yīng)時間對偶氮染料脫色率的影響
由圖 4可以看出，隨著反應(yīng)時間的增加，3種結(jié)構(gòu)偶氮染料的脫色率呈線性上升，對于US-Fenton系統(tǒng)來說，當(dāng)達(dá)到較高的脫色率（98.5%）后再延長反應(yīng)時間，偶氮染料的脫色率也不會得到大幅度的提高。US-Fenton系統(tǒng)相對UV-Fenton系統(tǒng)達(dá)到95%以上脫色率所需反應(yīng)時間更短，30 min就可實現(xiàn)對3種結(jié)構(gòu)偶氮染料的脫色。而UV-Fenton系統(tǒng)實現(xiàn)95%左右的脫色率則需130 min，因此，當(dāng)僅考慮反應(yīng)時間所耗的能量時，US-Fenton的應(yīng)用范圍更廣。
2.5 系統(tǒng)功率對處理效果的影響
兩種體系雙氧水（30%）投加量固定為9 mL/L，F(xiàn)e2投加質(zhì)量濃度固定為200 mg/L，體系初始pH為5時，反應(yīng)時間60 min，改變US系統(tǒng)超聲波發(fā)生儀的輸出功率，改變UV系統(tǒng)待處理溶液距紫外燈管的距離，使系統(tǒng)輸出功率隨之改變，考察系統(tǒng)輸出功率對處理效果的影響，結(jié)果見圖 5。
圖 5 功率對偶氮染料脫色率的影響
由圖 5可以看出，由于待處理溶液距紫外燈管距離可調(diào)性有限，UV-Fenton系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的輸出功率變化范圍不大，因此各種結(jié)構(gòu)的偶氮染料脫色率變化也不大，在98.0%~99.5%范圍內(nèi)波動。而US-Fenton系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的輸出功率范圍變化較大（40~80 W），但3種結(jié)構(gòu)的偶氮染料脫色率變化仍不明顯，集中在95.5%~99.8%，也能取得較高的脫色效果。因此，系統(tǒng)輸入功率不必要求過高，只需維持體系能量正常供給，便可實現(xiàn)對偶氮染料的脫色。
2.6 溫度對處理效果的影響
UV系統(tǒng)的脫色率均在室溫下獲得，改變US系統(tǒng)超聲波發(fā)生儀的水浴溫度，考察US-Fenton系統(tǒng)溫度對處理效果的影響，結(jié)果表明，體系溫度對偶氮染料的處理率影響甚微，無論在室溫下反應(yīng)還是升高系統(tǒng)溫度，偶氮染料的脫色率均能達(dá)到96%以上，雖然3種結(jié)構(gòu)的偶氮染料均在35~40 ℃附近取得最佳脫色率，但如果原始廢水溫度并不高，也沒有必要另輸入能量提高待處理廢水溫度。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
UV-Fenton與US-Fenton均可產(chǎn)生大量活性粒子，氧化水體中難降解有機污染物，對于典型印染廢水——偶氮染料均可取得95%以上的脫色率；綜合理論試劑投加費用、耗電量以及反應(yīng)時間等因素，US-Fenton擁有更好的應(yīng)用前景。
