染料廢水排放量巨大，而且染料廢水中難生物降解有機物種類(lèi)多，具有致畸、致癌和致突變的作用，可生化性差。新的環(huán)保法規對印染廢水的排放有更嚴格的要求，因此印染廢水的深度處理面臨更高的挑戰。當今印染廢水的深度處理方法主要有吸附法、電化學(xué)法、Fenton氧化法以及臭氧氧化法。吸附法中吸附劑再生后性能變差，所以需要不斷更換，費用較高，電化學(xué)法耗電較大、電極消耗較多，產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，Fenton氧化法藥劑成本高，會(huì )產(chǎn)生鐵泥，而臭氧氧化技術(shù)既可以實(shí)現有機物的有效降解，又可以很好地脫色，非常適合印染廢水的深度處理。但是，單純的臭氧氧化技術(shù)氧化效率不高，當加入催化劑構成催化氧化體系后，可以對有機物實(shí)現良好的降解，然而在實(shí)際應用過(guò)程中，均相催化劑組分存在無(wú)法回收的不足。本課題組采用混合法制備非均相催化劑，一方面保證了催化劑的機械強度和硬度，易固液分離，有利于催化劑重復利用，另一方面提高了載體與活性組分之間的結合力，降低活性組分的溶出，提高催化劑穩定性。本研究擬利用自制的催化劑臭氧催化氧化對印染廢水進(jìn)行深度處理，為產(chǎn)業(yè)化應用提供理論支持。

　　1、材料與方法

　　1.1 廢水來(lái)源

　　臭氧催化氧化工藝參數確定時(shí)，采用偶氮染料橙黃G配制的模擬廢水，實(shí)驗所用模擬廢水質(zhì)量濃度為250mg/L.真實(shí)印染廢水來(lái)自四川綿陽(yáng)某染料廠(chǎng)的二沉池出水，該廢水僅為COD和色度不達標，其他水質(zhì)參數均達到GB18918―2002《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》中的一級B標準。本實(shí)驗主要利用臭氧催化氧化技術(shù)進(jìn)行深度處理，實(shí)驗用水水質(zhì)指標見(jiàn)表1。

　　1.2 實(shí)驗裝置

　　臭氧反應裝置如圖1所示。該裝置主要包括NOP10P?C3?C2型臭氧發(fā)生器、臭氧反應柱、氣體流量計、臭氧濃度計、臭氧尾氣吸收瓶。

　　1.3 臭氧投放速率的計算

　　臭氧投放速率為每分鐘通入裝置內的臭氧總量與臭氧利用率之積，而臭氧總量為產(chǎn)生氣體中臭氧的濃度與臭氧流量之積。反應后的剩余臭氧通過(guò)KI吸收法測定，臭氧的利用率為通入的臭氧總量與剩余臭氧量差值與通入的臭氧總量的比值，所以臭氧的實(shí)際投放速率可通過(guò)式(1)求得。

　　式中：v為臭氧投放速率，mg/(L?min)，ρ為產(chǎn)生混合氣體中的臭氧質(zhì)量濃度，mg/L，Q為氣體流量，L/min，η為臭氧利用率，V為廢水體積，L。

　　1.4 檢測方法

　　使用CR2200型消解儀，采用重鉻酸鉀法進(jìn)行COD測定，使用UV?C2550型紫外可見(jiàn)分光光度儀，采用紫外分光光度法進(jìn)行橙黃G濃度測定，采用稀釋倍數法進(jìn)行色度測定，使用STARTER310型pH計進(jìn)行pH測定。

　　2、結果與討論

　　2.1 工藝條件的探索

　　以含橙黃G的模擬廢水為實(shí)驗對象探討廢水pH、臭氧投放速率以及實(shí)驗室自制催化劑的投加量對橙黃G的降解效率的影響，確定臭氧催化氧化的最佳工藝條件。

　　實(shí)驗室自制催化劑通過(guò)將一定量活性炭粉浸漬于質(zhì)量分數為6%的硝酸銅溶液中攪拌2h，過(guò)濾烘干后在氮氣環(huán)境保護下升溫至800℃燒結而成。工藝探索過(guò)程中所使用催化劑均經(jīng)過(guò)吸附飽和處理，即在實(shí)驗前將催化劑在250mg/L的橙黃G模擬廢水浸泡5h，經(jīng)測定本催化劑對COD的飽和吸附量為1.87mg/g。催化劑達到吸附飽和后，再進(jìn)行催化氧化研究，排除催化劑吸附造成的影響。

　　2.1.1 pH的影響

　　取500mL質(zhì)量濃度為250mg/L的橙黃G模擬廢水于反應容器中，實(shí)驗室自制催化劑的一次投加量為300g/L(固液體積比1∶3)，臭氧的投放速率為1.60mg/(L?min)。探討廢水pH為3、5、6.5、9、11對臭氧催化氧化的影響，其中pH=6.5為原水pH。結果如圖2、圖3所示。在對不同pH廢水進(jìn)行降解過(guò)程中，隨著(zhù)溶液pH由3逐漸升高到11，COD的去除率先增大后減小，處理效果最佳為原水pH6.5。反應進(jìn)行25min后，在溶液pH為6.5的條件下，COD去除率達到了83.17%。分析其原因，在較低pH的條件下，有機染料橙黃G的降解原理主要為臭氧的直接接觸氧化，廢水pH由3升高至6.5的過(guò)程中，隨著(zhù)溶液pH的升高，OH的濃度增大，產(chǎn)生羥基自由基的速率變快，逐漸轉變到臭氧的間接氧化，因而能夠提高COD的去除率。但是，隨著(zhù)溶液pH的進(jìn)一步升高，COD的去除率反而下降，產(chǎn)生這一現象的原因可能是當溶液pH過(guò)高，溶液中就會(huì )存在大量的OH-，會(huì )促使臭氧很快分解產(chǎn)生大量羥基自由基，當溶液中的羥基自由基濃度較大時(shí)，羥基自由基之間相互碰撞猝滅的概率將會(huì )顯著(zhù)升高，從而致使羥基自由基數量下降，對橙黃G的降解產(chǎn)生不利影響。由圖3可知：在pH6.5的條件下，橙黃G的降解效率最高，在5min左右基本全部被分解，色度幾乎為0。

　　2.1.2臭氧投放速率的影響

　　取500mL質(zhì)量濃度為250mg/L的橙黃G模擬廢水于反應容器中，實(shí)驗室自制催化劑的一次投加量為300g/L，pH為6.5，控制臭氧的投放速率分別為0.53、1.07、1.60、2.13、2.66mg/(L?min)，確定臭氧催化氧化橙黃G的臭氧最佳投放速率，其實(shí)驗結果如圖4、圖5所示。

　　由圖4可知：當臭氧投放速率不斷增大時(shí)，溶液中COD的去除率明顯提高.這是因為當臭氧投放速率不斷增大時(shí)，氣液兩相中的臭氧濃度差異較大，增強了臭氧在溶液中的傳質(zhì)效果，導致大量臭氧分子溶于水中參與降解有機物，這樣就會(huì )使COD及橙黃G的去除率增大。當臭氧投放速率為0.53mg/(L?min)時(shí)，反應25min后COD的去除率僅為59.4%，當臭氧投放速率為1.60mg/(L?min)時(shí)，25min后COD去除率達到了83.2%，但當臭氧投放速率增大到2.13mg/(L?min)和2.66mg/(L?min)時(shí)，COD的去除效果沒(méi)有顯著(zhù)提高，這是因為在標準狀況下，1體積水溶解0.494體積臭氧，廢水中臭氧的溶解度在一定溫度下達到飽和，即使繼續增大臭氧投加量，廢水中臭氧濃度也不會(huì )進(jìn)一步提升。并且，臭氧再其濃度較大的情況下便會(huì )成為羥基自由基的捕獲劑，從而影響臭氧降解有機物效率。因此，本研究確定臭氧投放速率為1.60mg/(L?min)。

　　2.1.3 催化劑投加量的影響

　　取500mL質(zhì)量濃度為250mg/L的橙黃G模擬廢水，臭氧的投放速率為1.60mg/(L?min)，廢水的初始pH為6.5，實(shí)驗室自制催化劑的一次投加量分別為50、100、200、300、400g/L，探究實(shí)驗室自制催化劑的投加量對臭氧催化氧化橙黃G的影響，其實(shí)驗結果如圖6、圖7所示。

　　由圖6、圖7可知：當實(shí)驗室自制催化劑的投加量不斷增加時(shí)，廢水中COD及橙黃G的去除率逐漸升高。在25min時(shí)，未投加自制催化劑情況下，廢水中COD的去除率為29.3%，自制催化劑投加量分別為50、100、200、300、400g/L時(shí)，廢水中COD的去除率分別為51.9%、67.3%、72.4%、83.2%、84.0%.分析其原因，這主要是由于隨著(zhù)實(shí)驗室自制催化劑投加量的增加，可利用的活性位點(diǎn)也隨著(zhù)增多，臭氧分子、橙黃G和實(shí)驗室自制催化劑碰撞機會(huì )和接觸面積顯著(zhù)增大，臭氧得到更加充分的利用。但當實(shí)驗室自制催化劑投加量從300g/L提高至400g/L時(shí)，COD的去除率并沒(méi)有顯著(zhù)的變化，這可能的原因是，當臭氧濃度一定時(shí)，過(guò)多的實(shí)驗室自制催化劑中活性位點(diǎn)無(wú)法被完全占據，造成了實(shí)驗室自制催化劑的浪費，也有可能是因為實(shí)驗室自制催化劑投加量過(guò)高，產(chǎn)生的過(guò)多的羥基自由基又可以相互作用形成過(guò)氧化氫。實(shí)驗室自制催化劑的一次性臭氧投加量選取300g/L。

　　2.2 臭氧催化氧化的動(dòng)力學(xué)研究

　　對臭氧催化氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，不僅可以得知有機物降解過(guò)程中的一般規律，而且可以明確各工藝條件對污染物降解的貢獻，從而為實(shí)踐應用提供指導.本實(shí)驗分別對不同pH、不同臭氧投放速率以及不同催化劑投加量下COD的降解情況進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸分析，其擬合結果如圖8和表2所示。由此可見(jiàn)，在不同的條件下，臭氧催化氧化降解橙黃G的過(guò)程都能較好地符合一級動(dòng)力學(xué)模型。

　　隨著(zhù)溶液pH的增大，橙黃G的降解速率常數先增大而后減小，pH為6.5時(shí)，降解速率常數最大，此時(shí)橙黃G的降解速率常數為0.035，與前文催化體系最佳pH篩選結果相吻合.隨著(zhù)臭氧投放速率及催化劑投加量的增加，反應速率常數均增加，進(jìn)一步驗證了單因素的實(shí)驗結果。

　　2.3 臭氧催化氧化技術(shù)處理真實(shí)印染廢水

　　對單獨臭氧氧化降解和臭氧催化氧化降解真實(shí)印染廢水進(jìn)行比較，考察催化劑的貢獻，結果見(jiàn)表3和圖9。單獨臭氧氧化反應120min后，出水COD值為64.9mg/L，而《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB18918―2002)中的一級B標準要求COD的最高值為60mg/L，即單獨臭氧氧化處理120min仍達不到排放標準，如若進(jìn)一步延長(cháng)處理時(shí)間來(lái)達到排放標準，則相應的成本會(huì )大大提高。而臭氧催化氧化處理5min后，色度便降為0，處理60min后，出水COD為58.7mg/L，出水BOD5為19.1mg/L。這一結果已經(jīng)達到國家排放標準(GB18918―2002)中的一級B標準。

　　由圖9可見(jiàn)：催化劑的加入使得在相同的反應時(shí)間內，COD的去除率提高了20%～25%。

　　3、結論

　　臭氧催化氧化降解橙黃G廢水的最佳工藝參數：廢水初始pH為6～7、催化劑的投加量為300g/L、臭氧投放速率為1.60mg/(L?min)。動(dòng)力學(xué)分析表明，臭氧催化氧化降解橙黃G過(guò)程符合一級反應動(dòng)力學(xué)模型.對某印染廠(chǎng)廢水二沉池出水的處理結果表明：臭氧催化氧化真實(shí)印染廢水處理效果顯著(zhù)，處理5min后，色度便降為0，處理60min后出水COD為58.7mg/L，出水BOD5為19.1mg/L，已經(jīng)達到國家一級B的排放標準(GB18918―2002)。催化劑的加入使得在相同的反應時(shí)間內，COD的去除率提高了20%～25%。(來(lái)源：天津市海洋環(huán)境保護與修復技術(shù)工程中心，天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院)