光催化-好氧生物降解处理染料废水试验研究

Posted 2023-01-14 生物降解

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摘要:考察了pH值、催化剂用量、酸性大红(GR)染料初始浓度、曝气量对染料去除率的影响,确定了GR染料去除的较佳反应条件: pH值为3,催化剂投加量为0. 6 mg/L,GR染料进水浓度为20 mg/L,曝气量为60 mL/min。在较佳反应条件下,对光催化工艺、好氧生物降解工艺和光催化-好氧生物降解组合工艺处理单一染料废水效果进行了比较,并考察了组合工艺处理混合染料废水的效果,结果表明:反应5 h时,组合工艺对单一染料废水中活性墨绿(B-4BLN)和GR 染料的去除率分别为85. 66%和76. 93%,去除效果明显高于单一工艺;组合工艺对混合染料废水中B-4BLN和GR染料的去除率分别为83. 76%和71. 84%。

关键词:光催化;好氧生物降解;酸性大红;活性墨绿;试验研究

我国每年约有6亿～7亿t印染废水排入水环境中,是最主要的水体污染源之一[1]。印染废水处理方法可分为物理法、化学法、生物法3大类,由于印染废水成分复杂,单一处理方法往往不能达到理想的效果,因此在实际应用中印染废水处理大多采用几种方法的组合[2]。笔者对光催化-好氧生物降解组合工艺处理印染废水进行了试验研究。

1 试验方法与内容

1.1 仪器与试剂

仪器:自制光催化-好氧生物降解反应器, ZK-82A型真空干燥箱, pHS-2C酸度计,VIS-7220分光光度计, 800B台式离心机。试剂:酸性大红(GR),活性墨绿(B-4BLN),钛白粉等。

1.2 试验方法

采用重铬酸钾标准法测定COD浓度;使用pHS-2C酸度计测定pH值;使用分光光度计测出废水出水的吸光度值,然后对照该染料废水的标准曲线得出废水染料的含量[3]。

1.3 试验内容

(1)用GR染料自配一定浓度废水,以锐钛矿型TiO2作为光催化剂,反应器在40 W普通日光灯照射下运行100 min,考察溶液pH值、催化剂用量、溶液初始浓度、曝气量等因素对染料去除率的影响,确定较佳的反应条件。

(2)在较佳反应条件下,考察单一染料B-4BLN(浓度为 30 mg/L)、GR(浓度为20 mg/L)废水分别在光催化、好氧生物降解、光催化-好氧生物降解工艺处理后的染料去除效果及 COD去除效果。

(3)在较佳反应条件下,考察光催化-好氧生物降解组合工艺对混合染料(B-4BLN浓度为30 mg/L, GR浓度为20 mg/L)废水的染料及COD去除效果。

2 结果分析

2.1 单因素分析

(1)pH值(如图1)。GR染料的去除率随着pH值的升高而降低, pH=12时去除率仅为0. 47%, pH=1. 5时去除率为 11. 06%。产生这种现象的原因为:①HO?具有强氧化性,在光催化氧化反应中起主要作用;②可能与GR染料的分子结构有关。

(2)催化剂TiO2用量(如图2)。TiO2用量为0. 10～0. 6 g/L时,GR染料的去除率随着TiO2用量的增加而缓慢增大; TiO2用量为0. 65 g/L时,去除率达到最高,为8. 28%;TiO2用量大于0. 65 g/L时,去除率随着TiO2用量的增加而有减小趋势。产生这种现象的原因:①当TiO2投加量过少时,光子不能被完全转化为化学能;②适当增加TiO投加量能产生更多的活性物质,增大固-液接触面,加快反应速率;③当TiO2投加量过多时会减小溶液的透光率。

(3)初始GR染料浓度(如图3)。GR染料的去除率随着初始浓度的升高明显降低,且低浓度条件下去除率降低的趋势比较明显。产生这种现象的原因:①GR染料低浓度条件下,染料分子比较少,而催化剂受激发产生的强性基团相对比较多; ②高浓度的废水会影响水体透明度,催化剂受激发产生的强性基团较少。

(4)曝气量(如图4)。GR染料的去除率随着曝气量的增加而提高,当曝气量为60 mL/min时去除率最高为30. 59%,继续增加曝气量则去除率开始缓慢下降。适当的曝气能显著提高光催化效率,过量的曝气则会阻抑反应的进行。产生这种现象的原因:①液相光催化反应是多相的,氧的吸附影响比较复杂;②不断供给氧气时,可认为TiO2表面吸附的氧气是恒定的,其速率常数与氧的吸附有关[4],当TiO2表面吸附的氧气不再增加,过量的气泡会导致光的散射,阻碍催化剂对光的吸收。

对以上单因素试验结果进行正交分析,确定较佳的反应条件: pH值为3,催化剂投加量为0. 6mg/L,GR进水浓度为20 mg/L,曝气量为60 mL/min;确定影响光催化降解去除率的4个因素的主次顺序依次为初始染料浓度、曝气量、pH值、催化剂投加量。

2.2 各工艺处理单一染料废水效果比较

光催化-好氧生物降解组合工艺对B-4BLN、GR染料的去除效果比单一的光催化工艺、好氧生物降解工艺好组合工艺对COD去除效果比单一光催化工艺好。反应5 h时,组合工艺、光催化工艺、好氧生物降解工艺对B- 4BLN染料的去除率分别为85. 66%、45. 78%、51. 36%,对GR 染料去除率分别为76. 93%、36. 54%、43. 88%;反应5 h时组合工艺对单一染料B-4BLN、GR废水中的COD去除率分别为 90. 67%、83. 33%,而光催化工艺相应的去除率分别为 44. 18%、28. 41%。由此可见,组合工艺处理单一染料废水效果要比单一工艺效果好很多。

2.3 光催化-好氧生物工艺处理混合染料废水效果

混合染料废水中的B-4BLN和GR染料去除率随着反应时间的延长而增加,反应5 h时去除率分别为83. 76%和 71. 84%;混合染料的COD去除率也随着反应时间的延长而增加,反应5 h时去除率为85. 03% (如图7)。由此可见,光催化-好氧生物降解工艺对混合染料废水的处理效果是比较好的。

3 结语

试验结果表明,光催化-好氧生物降解组合工艺对染料和COD的去除效果较好,其成本低、投资少、工艺简单,具有较好的应用价值。

参考文献:
[1] 赵宜江,张艳,嵇鸣,等.印染废水吸附脱色技术的研究进展[J].水处理技术, 2000, 26(6): 315-319.
[2] 李家珍.染料染色工业废水处理[M].北京:化学工业出版社, 1997.
[3] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社, 2002.
[4] JM Herrmann.Heterogeneous photocatalysis: fundamentals and applications to the removal of various types of aqueous pollutants [J]. Catalysis Today, 1999, 53: 115-129.来源：邵坚翟鸿飞