芬頓在污水處理中的應用現狀及發展趨勢

張利強

摘 要：近年來，我國化工行業發展迅速，化工企業生產過程中都會產生大量的有毒有害且難降解的工業廢水，其引起的環境污染問題也越來越嚴重，所以尋找有效的廢水處理方法越來越重要。當今廢水處理方法很多，芬頓在如今污水處理中的應用有著不可取代的地位。文章主要總結了芬頓試劑法在處理煤化工廢水。油田污水等方面中的應用現狀，與其他污水處理方法相比，芬頓試劑法具有明顯的優勢。通過分析研究，筆者認為芬頓在未來廢水處理中有更為廣闊的發展空間和應用前景。

關鍵詞：芬頓試劑；煤化工廢水；油田污水；污水處理

污染問題是全球性的問題。在中國，近年來隨著工農業的迅猛發展，污染與環境保護之間的矛盾日益加深，各類廢棄物的種類呈現出多樣性。廢水的排放量不斷增加，這些廢水中大多含有毒有害且難生物降解的污染物，這些污染物不易去除分離。在油田化工、醫藥化工和煤化工等企業生產過程中也會產生大量的有毒有害且難生物降解的工業廢水，嚴重制約了我國煤炭資源開發的潛力和煤化工產業的發展，所以通過有效技術手段降低實現廢水達標排放，顯得越來越重要[1]。

1 芬頓試劑在工業廢水處理中的應用現狀

法國化學家Fenton HJ 在1893年發現，在酸性條件下，過氧化（H2O2）與二價鐵離子Fe的混合溶液具有強氧化性，2H++C4H6O6+2Fe2++6H2O2→4CO2+10H2O+2Fe3+，后人為了紀念這一發現，將Fe2+/H2O2命名為Fenton試劑（芬頓試劑），芬頓試劑介導的反應稱為芬頓反應[2]。Fenton是反應為數不多的以人名命名的無機化學反應之一。直到進入20世紀70年代，芬頓試劑才在環境化學中找到了它的位置。具有去除難降解有機污染物的高能力的芬頓試劑，在含油廢水、印染廢水、焦化廢水、含酚廢水、二苯胺廢、水含硝基苯廢水等廢水處理中體現了很廣泛的應用。

采用芬頓試劑處理工業廢水既可獨立地進行，直至達到排放標準，也可以在其他方法（如生化法）處理前作預處理，或在處理后進行精處理，最終達到排放標準。綜述文獻[3]可知用芬頓試劑處理工業廢水有許多優點，一是反應在酸性的環境中，常溫常壓下即可反應，芬頓試劑反應啟動快，反應條件溫和；二是反應設備簡單、能耗消耗小，經濟性好。芬頓試劑氧化性強，反應過程中可以將污染物徹底地無害化，環保且無污染，氧化劑H2O2參加反應后的剩余物自行分解，同時芬頓試劑也是良好的絮凝劑。芬頓試劑在處理各種工業廢水中，其反應條件差別很小[3]，這就方便了芬頓試劑在工業中的推廣與應用。

2 芬頓在處理煤化工廢水中的應用

在我國煤化工產業所帶來的環境問題日益嚴峻，環境污染問題已經成為制約我國煤化工行業的瓶頸。在我國，有些地區煤炭資源豐富，然而該地區水資源卻很匱乏，例如有些地區的煤炭占有量超過了我國煤炭資源總量的九成以上，而該地區的水資源總量卻僅為全國水資源總量的五分之一。此外，水資源總體匱乏，使得當地諸多水資源問題的出現，如不合理利用與嚴重污染等。煤炭由很多物質構成，成分十分復雜，含有很多有毒有害物質，如組分中的含S、Cl、N等元素的物質，因此在開發使用煤炭資源時，難免產生許多不利于環境保護的因素。此外，煤化工產業廢水量大，生產環節多。極易產生大量的污染物質，并且很多污染物是有毒有害難降解的物質，極易造成重大的環境安全事故。

2.1 煤化工廢水的來源與國內外處理現狀

煤化工生產工藝流程十分復雜，廢水基本來自各生產環節中產生的廢水，液化廢水、氣化廢水和焦化廢水是廢水的主要來源。目前，國內外煤化工廢水處理主要為三級處理模式。一級物化預處理，主要采用萃取脫芬、水蒸氣脫芬、蒸氨、氣浮、隔油、混凝沉淀等方法。

對于煤化工廢水的二級生化處理，目前國內外主要采用多級好氧生物工藝或缺氧-好氧生物工藝處理，主要方法有三種，分別為好氧生物處理法、厭氧生物處理法和厭氧-好氧聯合處理法。由于水中含有某些難生物降解物質，所以生化處理污水的效果并不理想。

2.2 芬頓氧化處理煤化工廢水

芬頓氧化反應即為H2O2/Fe2+誘導產生羥基自由基的反應。此高級氧化反 應應用較為廣泛，芬頓氧化法具有吸附性好，反應簡單快速、可與雜質物質絮凝等特點，對芳烴類、酚類、芳胺類等難降解的有機廢水效果較好。H2O2/Fe2+體系氧化主要依靠鏈反應催化生成的羥基自由基，在當前污水處理中，已知應用最強的氧化劑是OH·。芬頓試劑反應產生的OH·自由基具有重要性質，OH·自由基反應氧化性強，OH·自由基反應選擇性小，H2O2分解成OH·自由基的反應極為迅速，可以氧化多數有機物。與傳統污水處理方法相比，OH·自由基能夠氧化絕大多數有機物，并且可以使整個鏈反應順利進行，因此芬頓氧化法對去除傳統煤化工廢水中難以去除的難降解有機物具有明顯的優勢。此外芬頓試劑也是十分常見的試劑，因此更易操作從而良好的經濟效益。

芬頓氧化法具有獨特優勢，OH·自由基同時還可以發生加成反應。反應機理復雜，羥基自由基與有機物反應生成游離基，并進一步氧化生成CO2和H2O，煤化工污水中的COD含量可以得到有效的降低。芬頓試劑一般在酸性條件下使用，所以Fe（OH）3以膠體形態存在，故具有較好的吸附與凝聚的能力，因而對去除水中部分懸浮物及雜質有良好的效果。

結合國內外對煤化工廢水深度處理的方法以及我國煤化工廢水生化出水的特點，經過比較混凝沉淀法、芬頓氧化法等[1]對煤化工廢水的處理效果，韓洪軍等人[1]普遍認為芬頓氧化對于煤化工污水中COD有更為顯著的作用和良好的去除效果。芬頓試劑在深度處理煤化工廢水物的實際工程應用中有待于進一步的詳細深入的研究反應機理，芬頓氧化對廢水的處理仍需進一步實驗。

3 芬頓試劑法在處理油田污水中的應用

自1960年大慶油田開發建設以來，原油產量第一，累計生產原油19.1億噸，占全國同期陸上原油總產量的40%以上。隨著采出油產量的減少，采出油中含水量不斷增加，聚合物驅油技術已經成為采油的關健技術。聚合物驅油在大慶油田中得到較為廣泛的應用。與以往的水驅相比，聚合物驅油在油田采油技術中取得了良好的效果，但是聚合物驅油注水量很大，大量外排含聚合物的污水，勢必造成嚴重的環境污染，含聚合物的污水的回注造成油井附近油層的污染，產油量不斷下降，聚合物驅油技術面臨著日益嚴重的問題。

目前聚合物驅油一般采用聚丙烯酰胺，產生的含聚丙烯酰胺的污水粘度大、固體懸浮物及水中油滴在聚丙烯酰胺及其水解產物的作用下乳化穩定性強，處理極其困難。去除污水中的聚丙烯酰胺是處理油田污水中聚合物的關鍵，有效降低污水粘度后更利于后續處理的深入。所以找到合適的試劑與方法以去除污水中的聚丙烯酰胺顯得尤為重要。近年來，隨著中國石油化工行業的發展，現有的油田污水處理設備和技術已不能滿足國家環保法規的要求。嘗試使用芬頓試劑處理高濃度油田污水是一個新的課題。

3.1 芬頓試劑高級氧化技術處理油田污水中的聚丙烯酰胺

不同油田污水的成分不盡相同，所需的最佳操作條件也有一定的差異，所以處理含聚丙烯酰胺的油田污水首先要確定最佳反應條件。

邵強[4]等人采用在含聚污水處理中采用了較少使用的芬頓試劑氧化技術，文章研究了芬頓試劑在H2O2濃度、pH值、反應時間和Fe2+濃度等不同條件下的污水處理聚丙烯酰胺污水的效果，并通過正交試驗確定了芬頓試劑各反應因素的影響權重，結果表明權重從大到小的次序為H2O2濃度>反應時間>Fe2+濃度>反應溫度，H2O2濃度作為反應的核心試劑是Fenton氧化反應的主要影響因素。采用芬頓試劑處理聚丙烯酰胺污水取得了良好的效果。

3.2 芬頓試劑法降解油田污水COD的技術

李濤等人[5]通過正交試驗考察了反應時間、pH值和H2O2的濃度對COD去除率的影響，試驗結果表明影響COD去除率的主要因素是H2O2/COD（g/g），在H2O2/COD（g/g）=1.5，pH值為3時，靜置氧化3h后，COD去除率高達94.9%。說明芬頓試劑對油田污水中難降解的高濃度COD有較好的處理效果。

通過技術經濟可行性分析，芬頓試劑氧化法相比于其他方法[6]有很多優勢條件，同時也說明芬頓在去除油田污水COD的技術上有較廣闊的工程應用前景，但在酸性條件下運行，機理上還需進一步的研究，工藝上需要進一步優化。

4 前景展望

當今污染問題嚴重制約了我國經濟的發展，況且我國水資源匱乏，國家大力提倡循環經濟和綠色經濟的發展模式，現在國內的大型化工園區，大多采用單一的污水處理方式來處理園區內所有的有毒廢水，希望能達到廢水凈化后循環利用的目的。廢水中含量復雜，成分巨多，用單一的處理模式遠遠不能達到國家污水排放標準。芬頓反應作為一種非常有效的廢水處理手段，既可以在廢水處理的中段提高廢水的可生化性，同時又可以在系統的末端對污水進行深度處理，再配合其他處理技術以達到中水回用，可以實現循環利用的目標。

本文主要闡述了芬頓試劑法在處理油田污水和煤化工廢水等方面的應用，與其他污水處理方法相比，芬頓試劑法具有明顯的優勢。芬頓反應在有毒有機污染物處理、實驗室研究和實際的工業生產過程中均具有良好的降解效果和較大的應用范圍。芬頓試劑反應啟動快，反應條件溫和，芬頓試劑氧化性強，反應過程中可以將污染物徹底地無害化，綠色環保且無污染，氧化劑H2O2參加反應后的剩余物自行分解，同時芬頓試劑也是良好的絮凝劑。芬頓試劑在處理各種工業廢水中，其反應條件差別很小[3]，這就方便了芬頓試劑在工業化中的推廣與應用，所以在污水處理方面具有廣闊的發展前景。芬頓試劑應用在深度處理煤化工廢水的實際工程仍需做大量工作，針對具體情況作經濟考慮，應進行深入的試驗及論證。

目前我國已有幾例典型的處理高濃度含油乳化廢水的成功案例，并確定了一系列工藝參數，在實際工程中取得了良好的成效。但由于目前研究方法和手段的限制，仍有幾個方面需要進一步改進：廢水有機物的轉化機理尚不明確，今后研究的重點方向應深入研究廢水有機物的轉化機理和廢水有機物降解動力學，從而為提高芬頓氧化效率打下理論基礎。

廢水處理過程中使用芬頓氧化引入了較高濃度的硫酸鹽，因此在生化階段厭氧效果會有所影響。關注高濃度難降解廢水芬頓預處理后，硫酸鹽對生化處理效果的影響及機理是今后一段時間的主要研究方向。實際廢水處理工程運行中，廢水中的部分成分雖已有效的分離，但是后續的精制提純仍需要技術攻關。

參考文獻

[1]李志遠，韓洪軍.芬頓氧化混凝沉淀處理煤化工廢水生化出水試驗研究[J].給水排水，2013.

[2]林紅巖，王春財，楊鴻偉，等.芬頓試劑在廢水處理中的應用[J].化工科技市場，2009，10.

[3]鄧小暉，張海濤，曹國民，等.芬頓試劑處理廢水的研究與應用進展[J].上海化工，2007，8.

[4]邵強，閆光緒，郭紹輝.Fenton試劑處理油田含聚污水中聚丙烯酰胺的試驗研究[J].能源環境保護，2007，3.

[5]李濤，李凡修，胡三清.Fenton試劑法降解油田污水CODCr的技術研究[J].化學與生物工程，2004，45-46，53.

[6]趙豫北.電芬頓在廢水處理方面的發展現狀和研究[J].科技傳播，2013，12.