旭日（rì）東為您解析油墨廢水處理

印刷油墨廢水成分複雜，色度大，有機物含（hán）量高（COD 可達20 g/L 左（zuǒ）右，有的高達300 g/L），生物降解性很低，大多具有潛在毒性，是極難處（chù）理的工業廢（fèi）水（shuǐ）之一。直（zhí）接（jiē）排放會破壞水生生態環境，造成水（shuǐ）體嚴重汙染。目前我國對油墨廢水的處理方法主要有（yǒu）物理、化學和生物處理或（huò）者幾種處理技術組合（hé）以強化處理效果，以上常規（guī）的（de）水處理方（fāng）法已不能（néng）滿足（zú）處理要求。研發高效新（xīn）型的油墨廢水（預）處理方法和技術（shù），是此（cǐ）類廢水處理的難點之一（yī）。高級氧化技術作為一種新環境淨化（huà）技術受到越來越多的關注。其中，Fenton氧化技術能夠有效去除廢水（shuǐ）的COD，能使許（xǔ）多結構穩定、甚至很難被生（shēng）物降解的有機物轉化為無毒無（wú）害可生物降解的低分子物質（zhì），可提高生物處理有效性（xìng）和經濟可行性，同時具有設備簡單、反應條件溫（wēn）和、高效（xiào）等優點，在印（yìn）染廢水的深度處理中有較好的（de）應用前景。響應曲麵法是一種綜合實驗設計和數學建模的優化方法，是一種可靠（kào）的研究（jiū）廢水處理過程的（de）分（fèn）析方法，可以有效地分（fèn）析過程參數（shù）單獨的及相互作（zuò）用對響應量的影響（xiǎng）。利（lì）用響應曲（qǔ）麵法對有限的實（shí）驗點進行分析得到模型，可預測目（mù）標值的具（jù）體工藝條件，能大大地減少（shǎo）實（shí）驗的次數和時間。本文（wén）以油墨（mò）廢水為研究對象，采用Fenton 試劑氧化降解廢水中的有機汙染物，利用Box-Behnken 分析（xī）法，以廢水（shuǐ）的COD 去除率為響應值，對（duì）影（yǐng）響其降解的關鍵因素（sù）（初始pH 值、H2O2投加量及FeSO4 投加（jiā）量）進行優化並得到最佳條件。
1實驗材料與方（fāng）法
 
1.1 實驗材料
1.1.1實驗水樣和藥品
實（shí）驗水樣（yàng）：水樣取自河（hé）北省某廠實際油墨廢（fèi）水，經分析原始廢水COD 高達200~250 g/L，pH 值為8.2，色度約為15 000 倍（稀釋倍數（shù）法），渾濁，墨綠色，有較濃臭味。由於原始COD 太高，直接處理原廢水，COD去除率不理想，經試驗確定采用將（jiāng）原水水樣（yàng）稀釋500倍之後進行（háng）研究。
 
藥品：FeSO4·7H2O，H2O2（質量分數為30%），濃H2SO4 和NaOH，均（jun1）為分析純。
 
1.1.2所用儀器
PHS -3C 數字酸度計、JB -1A 磁力攪拌器（qì）、JA2003N 分析天平、紫外燈（20 W 低壓汞燈）、5B-C型COD 快速測定儀及常（cháng）用玻璃器皿若幹。
 
1.2 方（fāng）法
1.2.1實驗方法
量取100 mL 水樣（COD 值約（yuē）為487.6 mg/L，色（sè）度約為26，pH 值為8.4）於燒杯中（zhōng），向溶（róng）液中加入一定量FeSO4，調節pH 值為一定值，再加入一定量的H2O2，在室溫下，置於磁力攪拌器上進行攪拌反（fǎn）應一定時間後，將溶液pH 調節至10 左右。靜置一段時間後（hòu）過濾，取濾液進行分析，考察初始（shǐ）pH 值、H2O2投加量、FeSO4投加（jiā）量對油墨廢水COD 的影響規（guī）律。
 
1.2.2分析方（fāng）法
COD 采用化學需氧量速測儀測定。
 
2結果與討論
2.1 響應曲麵設計與分析
2.1.1響應曲麵分析方案與結果
依據前（qián）期單因素的研（yán）究結果，得到明顯影（yǐng）響Fenton 氧化油墨廢水的因（yīn）素有：初始pH 值，H2O2投加量，FeSO4 投加量，對3 因素及（jí）其水平進行設計。利用Design Expert 8.0 軟（ruǎn）件，采用Box-Behnken 設計方（fāng）案，設計響應曲麵，對Fenton 氧化處理油墨廢水的COD 去除率進行優化，確定（dìng）最優工藝。以COD 去除率為響應值，初始pH 值、H2O2投加量及（jí）FeSO4 投（tóu）加量為自變量。其（qí）中x1，x2 和x3 分別為初始pH 值，H2O2投加量，FeSO4 投加量，並以-1，0，+1 代（dài）表（biǎo）3 因（yīn）素的水平，按方（fāng）程Xi=（xi-x0）/Δx 對自變量進行編碼。其中（zhōng），Xi為變量的編碼值；xi 為變量的真實值；x0 為實驗中（zhōng）心點（diǎn）處變（biàn）量的真實值；Δx 為變量的變化步長。自變量因素（sù）編碼（mǎ）及水平見表1。
 

 
 2.1.2響應曲麵法設計實驗結（jié）果
響（xiǎng）應曲（qǔ）麵（miàn）法設計實驗，利用（yòng）統計（jì）軟件Design Expert8.0 中的（de）ANOVA（analysis of variance，方（fāng）差分析）進行分析。結果列於表2。
 

 
 2.1.3模型方程及顯著性檢驗
應用統（tǒng）計軟件（jiàn）Design Expert 8.0 對表2 中的數據（jù）進行多元回歸擬合，得到（dào）Fenton試劑氧（yǎng）化油墨廢水的二元多項式（shì）回歸方程：
 
η=82.72+6.48X1-2.19X2+0.69X3-0.35X1X2-0.15X1X3+0.17X2X3-8.00X12-9.67X22-5.42X32
 
式中，η為（wéi）COD 去除率的預測值，X1、X2 和X3 分別（bié）為初始（shǐ）pH 值、H2O2投加量（mg/L）、FeSO4 投加量（mg/L）。對該回歸方程進行（háng）的方差分析見表3。
 

 
由表3 回（huí）歸方程的方差分析（ANOVA）可知，該模型（xíng）顯著性高，X1，X2，X12，X22 和（hé）X32 的（de）Prob>F 值均小（xiǎo）於（yú）0.000 1，為極顯著性影響因素，X3 的P 值為0.005小於0.05，說明（míng）其是顯著性影響因素。其中初始（shǐ）pH 值對油墨廢水COD 降解率的影響最大，其次是H2O2投加量，FeSO4 投加量。由表3 得出，模型的適應性（xìng）非常顯著（F 值為1 399.36，P＜0.000 1），模型的失擬項不顯（xiǎn）著（P=0.307 9＞0.05），說明回歸方程描述各因子與響應值之間的非線性方程關係是顯著的，也（yě）就是說明這種實驗（yàn）方法是可靠的（de）；並且多元相關係數R2= 0.999 4，說明該模型能解釋99.94% 響應值（zhí）的變化，即該模型與實際實驗擬合良好，R2Adj-R2Pred=0.998 7-0.994 7=0.004 0＜0.2；CV=0.44%＜10%，表明模型（xíng）的可信度和精（jīng）密度高（gāo）。綜上所述，說明（míng）在研究（jiū）區域內該回歸方程能（néng）夠很好（hǎo）地模擬（nǐ）真實的曲麵，模型的（de）精密（mì）度、可信度和精（jīng）確度均在可（kě）行的範圍內，因此可用該回歸模型（xíng）對Fenton 氧化（huà）油墨廢水中的（de）COD 優化實驗條件進行分析、預（yù）測。
 
2.1.4雙因子交互效應分析
根據回歸方（fāng）程，各因素之間兩兩作等高線圖以及3D 圖，圖1、2、3 顯示了初始pH 值、H2O2投加量、FeSO4 投（tóu）加量之間兩（liǎng）兩（liǎng）因素對COD 去除率的交互效應。
 

 

 

 
圖1 顯示了H2O2投加量和初（chū）始pH 值對COD 去除率的影響。由響應曲麵圖可以明顯得出，COD 去除率隨初（chū）始pH 值（zhí）和H2O2投加量的增大，先增大到一定程度後開始降低，而（ér）在H2O2投加量362~972 mg/L，初始pH 值2.35~3.00 的不規則區域，COD 的去除率均在80.0%以上；其中COD 去除（chú）率（lǜ）對初（chū）始pH 的變化比對H2O2投加量的變（biàn）化更為敏感。圖2 顯示了（le）FeSO4投加量和（hé）初始pH 值交互（hù）影響（xiǎng），在FeSO4 投加量717~888 mg/L，初始pH 值2.35~3.00 的不規（guī）則區域，COD的（de）去除率均在（zài）80.0%以上；其中COD 去除（chú）率對初始pH的變化比對FeSO4投加量的變化更為敏感。圖 3顯示了H2O2投加量和FeSO4 投加量交互作用對COD去除率的影響，在H2O2投加量362~972 mg/L，FeSO4投（tóu）加量717~888 mg/L，COD 的去除率均在80.0%以上；其中COD 去除率對H2O2投加量的變化比對FeSO4投加量的變化更為敏感。因此初始pH 值、H2O2投加量，FeSO4 投加量對COD 去除率的影響大小為：初始pH 值＞H2O2投加量＞FeSO4 投加量。
 
2.2 模型的驗證
為了（le）求解獲得COD 去除率最大（dà）時的參（cān）數值，根據響應曲麵模型求解帶入約束條件的最大值MaximizeCOD。在油墨廢水處理的（de）各種影響因素中，初始pH 值對COD 去除率影（yǐng）響最為顯著，其次是H2O2投加量和FeSO4 投加量。因此在此約束條件內求（qiú）得最大值為COD 為84.2%，其中X1=2.7，X2=779，X3=806。為此對預測結果進行驗證，采用在最優（yōu）條件下進行實驗，實驗進行了3 組，得到油（yóu）墨廢水COD 去除率平均值為（wéi）82.8%，與回歸方程得到的預測值（zhí）相比偏（piān）差僅為1.66%，說（shuō）明實驗值與預測值之間（jiān）的擬合性良好，證明該模型對（duì）Fenton 氧化處理（lǐ）油墨廢水的（de）條件進行分析和預測較為準確可靠，精密度高、預（yù）測性好，對工程實際有（yǒu）一定的實（shí）踐意義，具有實用價值。
 
3結論
（1）采用響應曲（qǔ）麵法的Box-Behnken 模型設計研究Fenton 氧化處理油墨廢水的（de）優化實驗條件，以油墨廢水的COD 去除率為響應值建立二次多項式回歸方程具有高度顯著性（P<0.000 1），R2=0.999 4，且失擬（nǐ）項不顯著，回歸方程與實際情況擬合良好，可選用該模型（xíng）對油墨廢水COD 去（qù）除率優化實驗條件進行分（fèn）析、預（yù）測。
 
（2）Fenton 氧化處理油墨廢水的3 個參數對COD去（qù）除率的影響兩兩之間有一定的交互作用，其中初始（shǐ）pH 值，H2O2投加量，FeSO4 投加量對COD 去除率的影響大小為：初始pH 值＞H2O2投加量＞FeSO4 投加量。
 
（3）按（àn）照數據處理獲得的優化（huà）參數：初始pH 值2.7，H2O2投加量779 mg/L，FeSO4 投加量806 mg/L，該條件下的預測（cè）值（zhí）為84.2%，在最（zuì）優條件進行實驗，對預測值進行驗證，得到油墨廢水（shuǐ）COD 去除率為82.8%，實（shí）驗結論和模擬（nǐ）值擬合性良好，偏（piān）差僅為1.66%。