微電解-Fenton氧化技術處理草甘膦廢水的研究

李祥，豆靜茹，馬倩鶴，李寧，黃尚順，李華峰

（1.陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安710021；2.北京工商大學，北京102488；3.廣西化工研究院，廣西南寧530001）

微電解-Fenton氧化技術處理草甘膦廢水的研究

李祥1，豆靜茹1，馬倩鶴1，李寧2，黃尚順3，李華峰3

（1.陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安710021；2.北京工商大學，北京102488；3.廣西化工研究院，廣西南寧530001）

根據草甘膦的性質及其產生廢水的特性，提出了草甘膦廢水的適合處理的技術。采用正交實驗法，研究了微電解-Fenton氧化技術對草甘膦廢水中COD、甲醛含量的影響，發現在最佳處理條件下草甘膦廢水的COD、甲醛去除率可達到92.1%、95.3%，達到國家《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）工業二類廢水排放標準，減輕了污水處理企業的壓力。

微電解；Fenton氧化技術；草甘膦廢水

草甘膦是一種非選擇性、無殘留、滅生性除草劑，對多年生根雜草非常有效，主要抑制植物體內的

烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶，從而抑制莽草素向苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的轉化，使蛋白質合成受到干擾，導致植物死亡，可防治除單子葉和雙子葉、一年生和多年生、草本和灌木等40多科的植物。草甘膦是美國Monsanto公司20世紀70年代發現并投入生產的，是世界上產量最大、用途最廣、增長速度最快的除草劑。我國已經成為草甘膦第一生產大國，產量超過130萬t。生產企業主要集中在浙江、江蘇、山東、四川、安徽、廣西等人口密度大、環境容量小的水域省市。每生產1 t草甘膦會產生5~6 t結晶母液，其中含有1%~2%的草甘膦，3%~4%的增甘膦，1%的亞硫酸鹽及其他副產物。這些廢水如不處理，會引起土壤板結和水體污染〔1-2〕。隨著環境意識的增強，人們對草甘膦生產廢水進行了大量的研究工作。曹曉瑩等〔3〕研究了ABR反應器對草甘膦廢水的處理工藝，發現ABR反應器對草甘膦廢水具有良好而穩定的處理效果。王曉星等〔4〕從草甘膦生產區的污泥中經選擇富集、馴化培養、分離純化得到1株好氧條件下對草甘膦廢水有較強降解能力的XF150，并對其降解草甘膦廢水的條件進行了研究，發現在最佳條件下草甘膦廢水COD的去除率可達到84.18%。鄧小輝等〔5-8〕研究了Fenton試劑氧化法處理草甘膦廢水的工藝條件，在最佳條件下，草甘膦廢水中COD去除率可達到90.98%。湯捷等〔1〕采用多維催化降解技術對草甘膦廢水進行處理，COD、總磷去除率平均可達到90%以上，達到廢水排放標準。上述方法都能有效地去除草甘膦廢水的COD，但也存在處理成本高，設備復雜等缺點。

微電解是利用金屬腐蝕原理形成原電池來處理廢水的工藝技術，又稱內電解法，該技術始于20世紀70年代。鐵、炭是一種最常用的微電解材料，是在廢水中加入一定比例的鐵屑、活性炭，由于二者存在電位差，在其內部形成無數微電池，在電子轉移的過程中，廢水中的有機物因氧化還原而得到降解。為了避免鐵、炭因密度差異較大，發生板結和溝流，影響微電解效率，人們按照一定比例通過高溫燒結等手段，將鐵、金屬催化劑與炭包容在一起形成架構式鐵炭結構，即商品鐵炭微電解填料，此填料避免了鐵、炭的分離，降低了原電池的電阻，提高了電子傳遞效率，從而提高了廢水處理效率。

筆者在原研究的基礎上，以草甘膦廢水為原料，采用正交試驗法，研究了廢水與鐵炭填料比例、曝氣量、曝氣時間、雙氧水加量、雙氧水加入時間等對草甘膦廢水中COD去除率、甲醛去除率的影響，確定了最佳反應條件。將鐵炭微電解技術、Fenton氧化技術、絮凝技術有機地結合在一起，并將其應用于草甘膦廢水的處理中，該研究鮮見報道。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

草甘膦廢水，取自廣西化工研究院試驗基地；H2O2，分析純，購于西安化學試劑有限公司；鐵炭微電解填料，購于江西普茵沃潤環保公司。鐵炭微電解填料是將鐵、炭、金屬催化劑按照一定的比例，通過兩次高溫冶煉成型、成孔技術制成的。首先通過高溫冶煉用炭將鐵包裹起來為一次成型，然后利用成空隙材料二次冶煉高溫做空隙，從而形成高孔隙率鐵炭微電解填料，保證了“原電池”效應持續高效。

SB-348A雙管增氧泵，南昌精彩實業有限公司；JC-200A智能COD速測儀，青島聚創環保公司；GC9890E型氣相色譜儀，上海靈華儀器有限公司；BS224S型電子天平，北京賽多利斯有限公司；pHS-3C pH酸度計，上海雷磁公司。

1.2 方法

1.2.1 正交試驗優化反應條件

取250m L的燒杯，將增氧泵、氣泡石置于燒杯底部，其上置帶孔塑料板，塑料板上加入一定量的鐵炭微電解填料，再加入100mL草甘膦廢水中，按照曝氣量分別為0、10~15、20~25、30~35mL/min曝氣處理一定時間后，再按微電解0、10、20、30min后加入一定比例的雙氧水，反應一定的時間，用Ca（OH）2將其中和至pH=7，離心分離，取上清液測定廢水的COD、甲醛含量，并根據處理前COD、甲醛含量變化計算COD、甲醛去除率，確定草甘膦廢水與鐵炭微電解填料比例、曝氣量、雙氧水加量、微電解后加入雙氧水的時間、包括微電解反應在內的總反應時間等條件。具體實驗安排見表1。

表1 正交實驗的因素與水平

1.2.2 驗證試驗

取250m L的燒杯，將增氧泵的流量調節為20~ 25mL/min，將氣泡石置于燒杯底部，其上置帶孔塑

料板，塑料板上加入30 g鐵炭微電解填料，再加入100mL草甘膦廢水中，微電解后30min，向反應體系中加入4m L雙氧水，微電解3 h后用Ca（OH）2將廢水中和至pH=7，離心分離，測定廢水處理后的COD、甲醛含量，計算COD、甲醛除去率，進行5次平行實驗，計算平均值。

2 結果與討論

2．1鐵炭微電解－Fenton氧化條件的優化

按照1．2．1進行正交實驗，實驗結果見表2。

由表2可以看出，對草甘膦廢水COD去除率影響最大的因素依次為：曝氣量、雙氧水加量、廢水與鐵炭微電解填料的比例、微電解后加入雙氧水的時間、總反應時間。其最佳條件：曝氣量為20～25 mL/min，雙氧水的加量為4mL，廢水與鐵炭填料的比例為100∶40，微電解30 min后加入雙氧水，總反應時間為3 h；對草甘膦廢水甲醛去除率來說影響因素依次為：雙氧水加量、曝氣量、廢水與鐵炭填料的比例、總反應時間及微電解后加入雙氧水的時間。其最佳條件：雙氧水的加量為4 mL，曝氣量為30～35 mL/min，廢水與鐵炭填料的比例為100∶30，微電解30min后加入雙氧水，總反應時間為4 h。

表2 草甘膦廢水處理正交試驗結果與分析

由表2還可以看出：

（1）草甘膦廢水的COD、甲醛平均去除率隨曝氣量的增加而增大，除了曝氣量為20～25m L/min時，COD平均去除率為92．13%，略大于曝氣量為30～35mL/min時的COD平均去除率（91．90%）。其原因是：鐵炭微電解填料是鐵和炭按照一定的比例混合、燒結而成的熔融體，在酸性介質中可發生以下的電化學反應：

由反應（3）、（4）可以看出，在無氧的條件下，陰極的電極電位為0，而在有氧、且酸性條件下，陰極電極電位為1．23 V，其氧化性增大，廢水中有機物、甲醛易被氧化，COD、甲醛去除率增加。在陽極上，氯離子失去電子變成氯氣，氯氣溶于水中，變成次氯酸，進一步促進了有機物的降解。

另外，隨著電化學反應的進行，有機物易沉積在鐵炭微電解填料的表面，使電極反應的速度降低。隨著曝氣量的增大，氣體攪拌使有機物、炭不易沉積在鐵炭微電解填料表面，電極反應的速度增大，但曝氣量過大，一方面動力消耗大，另一方面氣泡較多的話使電解效率下降，故本反應最適的曝氣量應為20～25mL/min。

（2）草甘膦廢水COD、甲醛平均去除率隨著雙氧水加量的增加而增大。其原因是：雙氧水與微電解過程產生的Fe2+構成Fenton反應體系，Fenton氧化為游離基鏈式反應，在反應過程中產生大量的羥基自由基（·OH）?！H比其他強氧化劑（高錳酸鉀、次氯酸鈉）具有更高的電極電勢，且電子親和能力較高。故·OH可與廢水中的有機物發生反應，使其分解或改變其電子云密度和結構，有利于絮凝和吸附過程的進行〔9〕。但隨著雙氧水加量的增加，廢水處理的成本也在增加，并且加入過多的雙氧水會導致其自身分解反應的加劇，另一方面H2O2本身也可以消耗·OH，與此同時當H2O2濃度過大時，還會使Fe2+氧化為Fe3+，導致Fenton氧化反應的催化劑Fe2+的量減少，降低了·OH生成效率。故控制雙氧水的加量

是必要的，本實驗雙氧水加量宜為100mL廢水加入4mL雙氧水。

（3）草甘膦廢水COD去除率隨著鐵炭微電解填料與廢水比例的增大而增大，草甘膦廢水的甲醛去除率除廢水與鐵炭微電解填料比例100∶40外，隨鐵炭微電解填料的增加而增大，其原因是：鐵炭填料越多，電極反應發生的幾率越大，體系中Fe2+越多，與雙氧水反應生成的·OH越多，氧化還原反應越劇烈，COD、甲醛的去除率越大。但鐵炭微電解填料與廢水的比例過高，廢水中Fe2+濃度過高，利用分光光度計測定時，顏色影響測定結果，故本試驗廢水與鐵炭填料的比例宜為100∶30。

（4）雙氧水加入的時間對COD、甲醛去除率也有一定的影響，其原因是：微電解反應發生時就加入雙氧水，因體系還沒有生成Fe2+，就不可能構成Fenton反應體系，由于雙氧水的氧化能力遠差于·OH的氧化能力，雙氧水沒有發揮應有的作用。隨著微電解反應的進行，體系中Fe2+越來越多，加入雙氧水時，能迅速構成Fenton反應體系，體系中·OH濃度增大，氧化反應的速度增加。但隨著微電解反應的進行，體系中Fe2+被氧化成Fe3+，Fe3+抑制Fenton氧化反應的進行，從而抑制微電解反應的發生，本試驗在微電解發生30min后加入雙氧水比較適合。

（5）微電解時間對COD、甲醛去除率也有一定的影響，這是因為任何化學反應都有隨時間的延長反應速度減慢的趨勢，微電解、Fenton試劑氧化反應也不例外，隨著反應時間的延長，產物對反應產生抑制作用，本試驗宜為3 h。

2.2 驗證實驗結果

按照1.2.2進行實驗，在草甘膦廢水與鐵炭微電解填料的比例為100∶30，曝氣量為20~25m L/min，總反應時間為3 h，微電解發生30min后加入4mL雙氧水的條件下進行5次平行試驗，結果COD、甲醛分別由處理前的1 500、1.78 mg/L降到118.5、0.084mg/L，pH由處理前的2.0提高到6.9。

草甘膦廢水COD、甲醛含量較高，BOD/COD= 0.27〔10〕，是一種較難生化處理的制藥廢水，經微電解-Fenton氧化、中和絮凝后，廢水中COD、甲醛含量明顯降低，COD、甲醛去除率分別為92.1%、95.3%，優于正交試驗結果，說明正交試驗優化成功。草甘膦廢水經以上處理可達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）工業二類廢水排放標準。如再經生物處理就可達到一類廢水排放標準，大大減輕污水企業的處理壓力。

3 結論

筆者將鐵炭微電解技術、Fenton試劑氧化技術有機地結合在一起，用于草甘膦廢水處理中，草甘膦廢水COD、甲醛除去率分別達到92.1%、95.3%，廢水達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）工業二類廢水排放標準。該技術減少了雙氧水的用量，降低了廢水處理的成本。減輕了后續廢水處理裝置的壓力。

Ca（OH）2中和的過程中，Fe2+/Fe3+變成Fe（OH）2/ Fe（OH）3，Fe（OH）2/Fe（OH）3為絮狀物，表面積大，具有很強的吸附作用，可吸附草甘膦廢水中未降解的有機物，從而使廢水的COD下降。Ca2+還與草甘膦廢水中的PO43+作用形成沉淀，可降低廢水中有機磷的含量，發揮了絮凝在廢水處理中的作用。

該技術是一種行之有效的草甘膦廢水處理技術。

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Research onm icro electrolysis-Fenton oxidation technology for the treatmentofglyphosate wastewater

LiXiang1，Dou Jingru1，MaQianhe1，LiNing2，Huang Shangshun3，LiHuafeng3
（1.Collegeof Chemistry and Chemical Engineering，ShaanxiUniversity ofScienceand Technology，Xi'an 710021，China；2.Beijing Industry and Commerce University，Beijing 102488，China；3.GuangxiResearch InstituteofChemical Industry，Nanning530001，China）

According to the characteristics ofglyphosate and thewastewater itproduced，an appropriate technology for the treatmentof glyphosatewastewater has been put forward.By orthogonal testmethod，the influences ofmicro electrolysis-Fenton oxidation technology on the contents of COD and formaldehyde in glyphosate wastewater are studied.It is found that under optimum treatment conditions，the removing rates of COD and formaldehyde in glyphosatewastewaterare 92.1%and 95.3%，respectively，reaching the industrialsecond classwastewater discharge standard specified in the national Integrated Wastewater Discharge Standard（GB 8978—1996）and reducing the stress in wastewater treatmententerprises.

microelectrolysis；Fenton oxidation technology；glyphosatewastewater

X703.1

A

1005-829X（2016）11-0057-04

李祥（1963—），博士，碩士生導師，主要從事天然產物化學的教學與研究工作。通信作者：黃尚順，電話：15619100921，E-mail：453538831@qq.com。

2016-08-29（修改稿）

廣西自然科學基金（2015GXNSFBA139036，2011GXNSFA018047）；西安市未央區科技項目（201411）