超聲、電解與Fenton試劑聯(lián)合處理焦化廢水的試驗研究(一)

1、超聲、電解與Fenton試劑聯(lián)合處理焦化廢水的試驗研究(一)    論文作者：許海燕 劉亞菲 唐文偉 李義久 倪亞明摘要：焦化廢水是一類很難處理的工業(yè)廢水，目前主要采用A/O、A2/O生化方法進行處理，但生化處理后的焦化廢水色度高，含有大量生物難降解有機物，還不能達到國家規(guī)定的排放標準。本文采用Fenton試劑氧化生化處理后的焦化廢水，并輔以超聲、DSA電極電解技術催化反應，確定了合適的Fenton試劑氧化和混凝條件，處理后廢水色度從1000度以上降至50度以下，CODCr去除率超過80，其他污染指標的去除效果明顯。采用超聲、DSA電極催化，不僅對Fen

2、ton試劑的處理效果有明顯的改善，并可以有效降低Fe2+H2O2的用量，縮短反應時間，具有良好的應用前景 關鍵詞：焦化廢水 催化氧化 Fenton 超聲 DSA電極 脫色 焦化廢水種類多，有機組分復雜，目前國內主要采用A/O、A2/O生化方法進行處理，但生化處理后的焦化廢水色度高，含有大量生物難降解有機物，還不能達到國家規(guī)定的排放標準。對生化處理后的焦化廢水，一般采用活性炭吸附來脫色、去除COD，但該工藝設備龐大，且初投資和運行成本均比較高，所以尋找經(jīng)濟有效的處理焦化廢水的方法一直是廢水處理領域的難題之一。李義久等1采用復合氯氧化劑處理焦化廢水，色度從140倍降至60倍以下，其它污染指標亦明顯

3、降低。近二十年來，F(xiàn)enton試劑在廢水處理中的應用在國內外受到普遍重視2，3。研究表明Fenton試劑處理含酚廢水對酚、CODCr、TOC都有較好的去除率4。利用光、電、聲、磁催化氧化技術處理有機廢水，尤其是難于生化降解的"三致"(致癌、致畸、致突)有機污染物，是當前世界水處理技術研究中相當活躍的領域5。本文采用Fenton試劑，并輔以超聲和準穩(wěn)態(tài)陽極（DSA電極）催化，對生化處理后的焦化廢水作進一步的氧化處理，處理后水質達到國家一級排放標準，且大大縮短了反應時間。1 實驗部分1.1 實驗裝置氟離子選擇性電極(上海雷磁儀器廠)；氰離子選擇性電極(上海雷磁儀器廠)；磁力攪拌

4、器(JB一I) (上海雷磁儀器廠)；DSA類電極(SnO2、Sb2O3涂布Ti電極，自制，有效接觸面積為18cm2)；超聲波發(fā)生器(中科院上海聲學實驗室)，功率70W。1.2 樣品來源廢水取自某鋼鐵集團化工公司生化處理后的焦化廢水，主要污染物指標見表1。色度F-/(mg.L-1)CN-1/(mg.L-1)CODCr/(mg.L-1)NH3-N/(mg.L-1)10121.3 實驗方法(1)取水樣500mL，用硫酸調節(jié)pH值，加入一定量的Fe2+和H2O2(Fenton試劑)，置于30恒溫水浴鍋中恒溫一定時間，再用石灰水調節(jié)pH值，加入絮凝劑FeCl3，助凝劑PAM，沉降后，過濾，取樣測定COD

5、Cr、色度、氨氮、CN-、F-。(2)上述實驗中在加入Fenton試劑的同時，導入超聲電極進行實驗，其余步驟相同。(3)上述實驗中在加入Fenton試劑的同時，導入DSA電極進行實驗，其余步驟相同。2 結果與討論2.1 確定Fenton試劑最佳氧化-混凝沉淀條件綜合考慮影響Fenton試劑氧化和混凝沉降效果的因素：pH值、H2O2濃度、Fe2+的濃度、反應溫度、FeCl3的濃度和PAM的濃度，根據(jù)實際的工況條件，對實驗過程做了以下幾方面的限制：(1)考慮實際成本問題，控制H2O2的濃度盡可能低；(2)pH控制在34；6(3)由于實際生化處理出水溫度為30以上，因此試驗溫度定為30；(4)反應時

6、間為2.5小時。為此，設計了以H202的濃度、Fe2+的濃度、FeCl3的濃度和PAM的濃度為變量的4因素3水平的L9(34)正交試驗，如表2所示，試驗結果列于表3。表2 正交試驗因素水平水樣（500ml）H2O2/(mg.L-1)Fe2/(mg.L-1)FeCl3/(mg.L-1)PAM/(mg.L-1)1200802042250160243280200306表3 正交試驗結果水樣(500ml)H2O2/(mg.L-1)Fe2+/(mg.L-1)FeCl3/(mg.L-1)PAM/(mg.L-1)COD/(mg.L-1)COD去除率/%1200802042404322001602432002

7、0030642508024652501603046250200207280803082801602069280200244K1j%K2j%K3j%Rj%從表3可看出，F(xiàn)e2+的投加量對CODCr去除率影響最大，其次是H2O2，再次FeCl3和PAM。最佳反應條件確定為：H2O2=200mg/L，F(xiàn)e2+=160mg/L，F(xiàn)eCl3 =24mg/L，PAM=4.8mg/L。在此條件下處理焦化廢水后水質指標見表4。表4 Fenton試劑氧化混凝沉淀處理結果從表4可以看出，在所確定的反應條件下用Fenton 試劑處理焦化廢水，脫色效果明顯，CODCr去除率達87.10%，NH3-N去除率為74.53

8、%，F(xiàn)-的去除率為15.48%，CN-的去除率為72.43%。2.2 超聲與Fenton試劑聯(lián)合處理焦化廢水由于單純使用Fenton試劑所需反應時間過長，所以在體系中引入超聲波發(fā)生器，利用超聲對Fenton反應進行催化，反應0.5小時后焦化廢水的主要污染指標見表5。表5 超聲-Fenton試劑處理后焦化廢水的水質指標水樣H2O2/(mg.L-1)Fe2+/(mg.L-1)色度CODCr/(mg.L-1)CODCr去除率/(%)1001602200020032001601641501201851008060從表5可以看出，在相同時間內，單獨使用超聲處理或超聲+H2O2處理，有一定的脫色效果，但C

9、ODCr去除率只有2左右。采用超聲與Fenton試劑聯(lián)合處理效果明顯，色度可降到16度，CODCr降到37.8mg/L ，同時，在保持Fe2+與H2O2的比例不變時，適當降低Fe2+和H2O2用量，也取得較滿意的處理效果。本文確定的超聲與Fenton試劑聯(lián)合處理的反應條件為：超聲功率為70瓦，H2O2 =200mg/L，F(xiàn)e2+=160mg/L ，F(xiàn)eCl3 =24 mg/L，PAM=4.8 mg/L。2.3 DSA電極與Fenton試劑聯(lián)合處理焦化廢水用特殊工藝制造的準穩(wěn)態(tài)陽極(Dimensionally Stable Anode，簡稱DSA)對有機物有極強的催化降解效果6。實驗采用DSA電

10、極與Fenton試劑聯(lián)合氧化處理焦化廢水，反應時間0.5小時結果見表6。表6表明，單獨使用電極或電極+H2O2氧化處理，CODCr的去除效果較好，但色度不能達到排放要求。采用DSA電極與Fenton試劑聯(lián)合處理，色度明顯降低，且在降低H2O2和Fe2+的用量時，亦可得到較好的處理效果。本文確定的DSA電極與Fenton試劑聯(lián)合處理的反應條件為：DSA電極的有效接觸面積為18cm2 ，H2O2=200mg/L，F(xiàn)e2+=160 mg/L ，F(xiàn)eCl3 =24 mg/L，PAM=4.8 mg/L表6 DSA電極+Fenton試劑處理后焦化廢水的水質指標水樣H2O2/(mg.L-1)Fe2+/(mg

11、.L-1)色度CODCr/(mg.L-1)CODCr去除率/(%)10024022000160320016035415012035510080902.4 三種方法處理焦化廢水的時間和效果比較實驗還發(fā)現(xiàn)用超聲+Fenton和電極+Fenton兩種方法處理焦化廢水比單獨使用Fenton試劑來處理，反應時間大大縮短，表7列出了三種方法處理廢水的時間和效果比較。從表7可以看出，單獨使用Fenton試劑來處理焦化廢水，反應0.5小時后，CODCr的去除率僅為23.85%，而加入超聲和電極后，反應0.5小時，CODCr去除率明顯增大，分別達到83.16%和82.78%。實際工業(yè)水處理中，廢水在反應池中的停

12、留時間比較短，通常只有0.5小時，因此縮短反應時間對于該工藝在實際工程中的推廣應用具有重要意義。3 結 論（1） 單獨采用Fenton試劑處理，：H2O2=200mg/L，F(xiàn)e2+=160 mg/L ，F(xiàn)eCl3=24 mg/L，PAM=4.8 mg/L。處理后廢水色度從1012降至45，CODCr從223.9 mg/L降至43.3 mg/L，其它污染指標也有所下降。Fenton反應作為一種高級氧化方法，對一些生物難降解有機物質的處理取得了顯著的效果。 （2） 采用超聲+Fenton試劑聯(lián)合處理，色度降至16，CODCr降至37.8，脫色效果十分顯著，藥品投加量降低，反應時間明顯縮短。當具有一

13、定功率的超聲波輻射水溶液,與Fenton試劑共同作用于生物難降解的有機物質，加速了Fenton的進行。超聲的空化效應以及其引起的溫度的升高和充分攪拌接觸，促使OH·大量迅速的產(chǎn)生，使得Fenton充分進行，從而使生物難降解有機物的處理效果更好。（3） 采用DSA+Fenton試劑聯(lián)合處理，色度降至35，CODCr降至38.6，藥品投加量降低，時間縮短至0.5小時，脫色效果和CODCr去除有一定程度提高，反應時間明顯減少。電解催化氧化技術的實質是當直流電通過陽極和陰極時，在陰極和陽極表面將發(fā)生電子得失，這促進OH·的產(chǎn)生，有效利用了Fenton試劑，在焦化廢水的處理中也取得了一定的效果。參考文獻1 李義久，錢君律，周瑋等.催化氧化法處理焦化廢水的研究.上?；ぃ?000，25(13)：482 Walling C,Amarnath K.Oxidation Of mandelic acid by Fenton's reagent.J. Am. Chem. Soc.,1992,104:108510893 劉勇弟，徐壽昌.幾種類Fenton試劑的氧化特性及