超导磁强化Fenton工艺在印染废水处理中的研究与应用

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超导磁强化Fenton工艺在印染废水处理中的研究与应用（DOI: 10.3390/w17182686）

印染废水是我国工业废水治理的重点和难点之一，其高色度、高COD、难生物降解等特性对传统处理工艺提出了严峻挑战。本文基于超导磁技术，提出一种磁强化Fenton工艺，通过外加磁场调控反应体系微观结构，提升羟基自由基生成效率，实现印染废水的高效降解。实验结果表明，在磁场强度1.5T、磁化时间5min、pH=5、Fe²⁺=2.0mmol/L、H₂O₂=2.0mmol/L、反应时间40min的条件下，COD去除率可达60%，且催化剂和氧化剂用量减少33.3%。本研究为印染废水绿色低碳处理提供了新思路，具备良好的工程应用前景。

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一、引言
随着印染行业的快速发展，印染废水已成为我国水环境污染的重要来源之一。其排放量占工业废水总量的11%，年排放量高达20–23亿吨。印染废水具有高色度、高COD、成分复杂、可生化性差等特点，若未经有效处理直接排放，将严重破坏水生态系统，甚至通过地下水迁移造成更大范围污染。
目前，深度处理技术主要包括混凝沉淀、吸附、膜分离和高级氧化工艺（AOPs）。其中，Fenton法因操作简单、反应迅速、矿化彻底而被广泛应用。然而，传统Fenton法存在pH适应范围窄（pH 2.5–3.5）、铁泥产量大（1.5–3.0kg/m³）、H₂O₂储存风险高等问题，限制了其工程化推广。
近年来，外加物理场（如磁场、电场、超声）强化Fenton反应成为研究热点。磁场可通过改变水分子团簇结构、促进Fe²⁺/Fe³⁺循环、增强自由基生成等机制，显著提升氧化效率。本文基于超导磁技术，系统研究了磁强化Fenton工艺对印染废水的处理效果及其作用机制，并通过中试验证其工程可行性。

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二、实验与方法
2.1 废水来源与水质特征
实验用水取自浙江某印染园区污水处理厂生化出水，pH为7.89，COD为90–100mg/L，氨氮≤1mg/L，总磷≤0.55mg/L，属于低盐、低氮、低磷废水，主要处理目标为COD降解。
2.2 实验装置与流程
采用超导磁设备（磁场强度1.5–3T）对废水进行预处理，随后进行Fenton反应。实验流程包括：调节pH → 加入FeSO₄·7H₂O → 磁化处理 → 加入H₂O₂ → 搅拌反应 → 中和沉淀 → 测定COD。
通过单因素实验考察了pH、Fe²⁺浓度、H₂O₂浓度、反应时间、磁场强度及磁化时间对COD去除率的影响，并与传统Fenton工艺进行对比。

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三、结果与讨论
3.1 磁场对水体结构与有机物分布的影响
磁化处理后，废水表面张力由78.03mN/m降至71.78mN/m，降幅达8.02%，表明磁场可削弱水分子间氢键作用力，促使大分子团簇裂解为小分子结构，增强反应物扩散与接触效率。
进一步通过超滤分析发现，磁化处理后，<3kDa小分子有机物比例由38.8%提升至45.6%，而30–100kDa大分子比例由25.3%降至19.1%，说明磁场可有效断裂大分子有机物，提升其可降解性。
3.2 反应条件优化

• pH影响： 磁Fenton在pH=5时COD去除率为49.7%，比传统Fenton提升10%，表现出更宽的pH适应范围。
• Fe²⁺浓度： 在pH=5、Fe²⁺=2mmol/L时，磁Fenton COD去除率达60%，而传统Fenton需3mmol/L才能达到相近效果，催化剂节约33.3%。
• H₂O₂浓度： 磁Fenton在2mmol/L条件下即可实现60%去除率，传统Fenton需3mmol/L，氧化剂用量同样节约33.3%。
• 反应时间： 40min后反应趋于平衡，磁Fenton在更短时间内达到更高效率。
• 磁场参数： 磁场强度1.5T、磁化时间5min为最佳条件，进一步提升磁场强度或延长时间无明显增益。
  

3.3 反应动力学与机制分析
磁Fenton与常规Fenton均符合伪一级动力学模型（R²>0.98），在更温和条件下（pH 5、低剂量试剂）实现相近反应速率常数（k≈0.023min⁻¹），表明磁场通过提升有机物可及性与自由基利用效率，显著增强反应动力学。
结合Langmuir–Hinshelwood模型分析，磁场通过降低表面张力、裂解大分子有机物，提升其在反应位点的“有效浓度”，从而增强自由基攻击效率，降低对传统高酸性环境的依赖。

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四、工程应用与经济效益分析
在中试规模（处理能力1000L/h）条件下，磁Fenton与传统流化床Fenton进行对比：

• 出水水质： 磁Fenton出水COD稳定在35–47mg/L，去除率39.7–48.7%，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准。
• 运行成本： 磁Fenton药剂成本为0.482元/m³，低于流化床Fenton的0.853元/m³，节约43.5%。
• 能耗与维护： 磁Fenton无需载体、无需曝气循环，减少电耗0.05元/m³，铁泥产量降低，污泥处置费用减少0.019元/m³，设备无堵塞、无二次污染，维护简便。
• 长期稳定性： 12个月连续运行数据显示，磁Fenton系统运行稳定，出水COD平均为40mg/L，波动小，具备良好工程适应性。
  

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五、结论与展望

• 磁场可有效改变水体微观结构，降低表面张力，裂解大分子有机物，提升其可降解性，为后续Fenton反应创造有利条件。
• 磁强化Fenton工艺在更温和条件下实现高效COD去除（60%），pH适应范围拓宽至中性附近，催化剂与氧化剂用量减少33.3%，显著降低运行成本。
• 中试验证表明，磁Fenton工艺在处理印染废水方面具备技术可行性和经济优势，适用于现有污水处理厂的升级改造。
• 未来研究可进一步探索磁场与其他AOPs（如光Fenton、电Fenton）的耦合机制，优化磁场施加方式与反应器结构设计，推动该技术的规模化应用。