响应面法优化Fenton预处理干法腈纶废水
摘要：采用Fenton法预处理难降解干法腈纶废水,选取H2O2用量、Fe2+用量、初始pH和反应温度4个因素为变量,COD去除率为响应值进行中心组合设计。利用响应面法对实验结果进行分析,建立了以COD去除率为响应值的二次多项式模型并进行了显著性检验,分析了各因素单独及交互作用对COD去除率的影响,确定了最佳反应条件,并考察了最佳条件下处理前后废水可生化性和毒性变化。结果表明,所选取的4个因素影响COD去除率的主次顺序依次为:H2O2用量、Fe2+用量、初始pH和反应温度;在H2O2浓度为90.0 mmol/L、Fe2+浓度为23.9 mmol/L、初始pH值为3.4、温度为38.5℃的最佳条件下,COD去除率为53.8%,与模型预测值51.9%吻合度较高,偏差仅为3.66%;最佳条件下处理后废水可生化性显著提高,生物毒性明显降低,适宜于后续的生化处理。
腈纶是一种重要的石油化工产品，广泛应用于服装加工、装饰品生产和新型材料的制备等领域。根据纺丝溶剂的不同，腈纶生产工艺可以分为干法和湿法两大类。其中，干法腈纶产品因性能优良倍受市场青睐，但其生产过程中需要加入丙烯腈(AN)二甲基甲酰胺(DMF)、壬基酚聚氧乙烯醚(NPEO)和EDTA等20多种化工原料和有机助剂，且这些原料和助剂在聚合反应中又生成不同分子量的聚丙烯腈和其他副产物，导致产生的废水中污染物含量高、组分复杂并且难以生物降解。
目前，国内几家大型干法腈纶厂均采用”厌氧-好氧-活性炭”的生化处理工艺，由于废水中难降解污染物含量高并且预处理不足，导致生化处理工艺效能受到严重抑制，处理出水COD和氨氮远高于国家排放标准。
因此，在生化处理之前，需要对该废水进行强化预处理以降低污染负荷、改善废水的可生化性。
Fenton法是一种典型的高级氧化技术，通过Fe2+催化H2O2产生强氧化性.OH，使废水中难降解有毒有机物迅速氧化为可生化性较好的小分子有机物或者CO2和H2O，能有效降低废水污染负荷，改善废水的可生化性。由于操作简单、反应条件温和，并且对废水中难降解有毒污染物去除效果好，Fenton法已广泛用于石化、印染以及垃圾渗滤液等难降解有毒有害废水的处理或预处理，但用于干法腈纶废水处理的研究还鲜有报道。
响应面法 (RSM)是一种综合实验设计和数学建模的优化方法，通过在具有代表性的局部各点进行实验，回归拟合各因素与实验结果之间的函数关系，建立连续变量曲面模型，确定实验因素及其交互作用在工艺过程中对响应值的影响并对工艺条件进行优化。同传统的单因素实验和正交实验相比，响应面法因具有实验数据少、准确率高、直观性强和预测性能好等优点，得到广泛的关注和应用。
本实验采用响应面法优化Fenton预处理干法腈纶废水，考察了H2O2投加量、Fe2+投加量、初始PH和反应温度4个因素单独及其交互作用对废水COD去除率的影响，通过建立响应曲面模型对反应条件进行了优化，确定了Fenton预处理干法腈纶废水的最佳反应条件，并分析了最优条件下处理前后废水可生化性和毒性的变化，以期为干法腈纶废水处理新工艺的开发提供参考依据。
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