基于响应面法的某化工废水高级氧化处理工艺参数优化

一、引言

1.1 研究背景

化工行业排放的废水中，含有芳香族、杂环化合物等难降解物质，不仅 COD 值高，还具有毒性，直接排放会严重威胁水体生态环境与人类健康。目前常用的处理技术中，物理法只能实现污染物的转移，无法彻底降解；生物法对水质要求较高，难以处理高毒性的化工废水。而高级氧化技术能产生具有强氧化性的羟基自由基，可无选择性地分解有机污染物，在化工废水处理领域展现出明显优势。

Fenton 氧化技术作为高级氧化技术的重要类型，因反应条件温和、操作简单，在实际应用中较为广泛。但它的处理效果会受到多种工艺参数的影响，且这些参数之间存在复杂的相互作用。传统的单因素实验方法，无法全面考虑参数间的交互效应，很难找到最优的处理条件，导致处理效率不稳定或成本偏高，因此需要更高效的优化方法来改进。

1.2 研究意义

响应面法是一种结合实验设计与数学建模的优化方法，通过构建响应值与影响因素之间的关系模型，能够直观地分析各因素及其交互作用对结果的影响，同时大幅减少实验次数，提高优化结果的准确性。将这种方法应用到 Fenton 氧化处理化工废水的工艺优化中，不仅能清晰梳理各参数对处理效果的影响规律，还能为实际工程应用提供精准的参数指导，有助于降低处理成本、提升处理效率，具有重要的实践价值。

1.3 研究内容与技术路线

本研究的核心内容的是确定影响 Fenton 氧化处理效果的关键参数，通过响应面法设计实验并收集数据，构建模型后检验其有效性，分析参数的影响规律，最终确定最优工艺参数并验证。

具体技术路线为：先采集化工废水水样并分析基本水质情况，确定需要优化的关键工艺参数；接着基于响应面法的 Box-Behnken 设计制定实验方案，开展 Fenton 氧化实验；然后根据实验结果构建数学模型，检验模型是否可靠；再通过模型分析各参数的影响及交互作用；最后确定最优参数并通过实验验证效果。

二、实验材料与方法

2.1 实验水样

实验所用废水来自某化工企业生产车间的出口，废水外观呈淡黄色，带有刺激性气味，水质具有典型化工废水的特点，后续实验围绕该水样展开。

2.2 实验试剂与仪器

实验中使用的试剂均为分析纯，包括过氧化氢、硫酸亚铁、硫酸、氢氧化钠以及用于 COD 测定的相关试剂，实验用水为超纯水。仪器方面，主要用到恒温水浴锅、精密 pH 计、电动搅拌器、消解器、分光光度计、电子分析天平等常规实验设备，确保实验过程的顺利开展与数据的准确测定。

2.3 实验方法

2.3.1 Fenton 氧化实验

实验时，先取一定量的废水置于烧杯中，用酸碱溶液调节至设定的 pH 值；然后加入定量的硫酸亚铁溶液，搅拌均匀；再加入设定量的过氧化氢，将烧杯放入恒温水浴锅中开始反应并计时；反应结束后，再次调节 pH 值至中性以终止反应；静置一段时间后，取上清液过滤，测定其 COD 值，计算COD 去除率来评价处理效果。

2.3.2 分析方法

COD 的测定采用国家标准的重铬酸钾法，通过消解、分光光度测定等步骤，计算出废水处理前后的 COD 值，进而得到 COD 去除率，以此作为衡量 Fenton 氧化处理效果的核心指标。

2.4 响应面实验设计

基于前期的单因素预实验，筛选出对 COD 去除率影响较大的关键参数，确定各参数的取值范围。

采用 Box-Behnken 设计方案，设置四因素三水平的实验，包含一定数量的析因点和中心点（用于检验实验重复性），每个实验点多次测定后取平均值，确保实验数据的可靠性。

三、结果与分析

3.1 响应面实验结果

按照设计的实验方案，完成了所有实验组的实验，测定了不同参数组合下的 COD 去除率。从实验结果来看，不同参数组合对应的处理效果存在差异，且中心点实验的结果重复性良好，说明实验过程稳定，数据可靠，为后续模型构建提供了有效的基础数据。

3.2 模型构建与检验

利用专业软件对实验数据进行分析，构建了 COD 去除率与各工艺参数之间的数学模型。通过方差分析对模型进行检验，结果显示模型的显著性极强，不存在明显的失拟现象，且模型的决定系数较高，变异系数较小，说明构建的模型能够准确反映各参数与 COD 去除率之间的关系，可靠性高，可以用于后续的参数优化分析。

3.3 参数影响分析

3.3.1 主效应

通过模型分析发现，各参数对 COD 去除率的影响程度不同，其中 pH 值的影响最大，其次是过氧化氢投加量、硫酸亚铁投加量，反应时间的影响相对较小，且所有参数对处理效果的影响都具有显著性。

具体来看，在实验设定的范围内，随着过氧化氢投加量的增加，COD 去除率会逐渐上升，但过量后提升效果会减缓；硫酸亚铁投加量适量增加能促进反应，提升处理效果，过量则会产生负面作用；酸性条件更有利于反应的进行，pH 值升高会导致处理效果下降；反应时间延长能提升降解效果，但达到一定时长后，去除率会趋于稳定，继续延长时间意义不大。

3.3.2 交互效应

参数之间的交互作用也会对处理效果产生影响。例如，过氧化氢与硫酸亚铁的投加量需要适配，在硫酸亚铁用量较低时，增加过氧化氢投加量对处理效果的提升更明显，而硫酸亚铁过量后，过氧化氢的提升作用会减弱；在酸性条件下，增加过氧化氢投加量的效果更显著，当 pH 值偏高时，过氧化氢的利用效率会下降。

3.4 最优参数与验证

通过对构建的模型进行求解，得到了 Fenton 氧化处理该化工废水的最优工艺参数组合。为了验证优化结果的可靠性，按照最优参数开展了验证实验，实际测得的 COD 去除率与模型预测值的偏差很小，说明确定的最优参数准确有效，能够实现较好的处理效果。

四、结论

本研究构建的数学模型，能够准确描述 Fenton 氧化处理化工废水时，工艺参数与 COD 去除率之间的关系，模型的拟合度与可靠性都很高，可用于工艺参数的优化分析。

在影响 Fenton 氧化处理效果的参数中，pH 值的影响最为关键，过氧化氢与硫酸亚铁的投加量需要匹配，反应时间达到一定时长后即可保证处理效果，无需过度延长。

基于响应面法确定的最优工艺参数，能使 COD 去除率达到较好水平，为化工废水 Fenton 氧化工艺的实际工程应用，提供了科学、可行的参数指导。

参考文献：

1]张强,王玉峰.高级氧化组合工艺在废水处理中的应用[J].清洗世界,2025,41(08):152-154.

[2]张重阳.高级氧化工艺在化工废水深度处理中的应用与优化[J].山西化工,2025,45(07):192-193+225.

[3]葛高峰.高级氧化技术在废水处理中的研究进展与展望[J].广东化工,2025,52(11):99-101.