有機廢水多功能降解裝置的設計及其應用

張瓊丹　劉蕖　封享華　劉皓楠　丁世敏　錢西洋

摘要：指出了現有的有機廢水降解技術存在技術單一、處理效果不好、原料成本高及操作條件要求高的問題，設計了一種集鐵炭微電解與光Fenton技術單用、聯用等多種操作模式的有機廢水多功能降解裝置，并利用該裝置對高濃度的榨菜廢水進行了降解應用，結果表明：該裝置可根據廢水的特點靈活選用不同操作方式實現有機廢水的有效降解。

關鍵詞：多功能降解；裝置；鐵炭微電解；光Fenton技術；有機廢水

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）8004204

1引言

現代城市生活及工廠的生產過程中，會產生大量有機廢水，如焦化廢水、制藥廢水、石油化工廢水等，廢水中COD濃度一般在2000 mg/L以上，對環境水體污染大，且難處理[1～3]。如何有效降低環境廢水中的COD濃度，消除水體中的污染，成為社會關注的重大命題。筆者研究了一種既能實現鐵炭微電解與光Fenton技術單用，又能實現兩者聯用的有機廢水的多功能降解裝置和降解處理方法，來解決現有單獨的鐵炭微電解技術對污染物的處理速率較慢、對難降解有機污染物的處理效果不好且不能充分利用微電解產生的亞鐵離子，以及單獨的光Fenton技術原料成本高、操作條件要求也高的缺點[4] ，提高廢水降解效率和效果。并對鐵炭微電解協同光Fenton技術降解有機榨菜廢水效果進行了初步實驗探究，為應用該裝置控制有機廢水提供科學依據與技術支持。

2工作原理與結構設計

2.1降解技術原理

2.1.1鐵炭微電解技術

鐵炭微電解法是基于電化學中的原電池原理對廢水進行處理，成本低，操作簡便。電解材料一般采用鑄鐵屑和活性炭或焦炭，鑄鐵屑和其周圍的炭粉形成原電池，鐵與炭在水環境中產生電位差[5，6]。這實際上是內部和外部雙重電解的過程，或稱之為存在微觀和宏觀的原電池反應，反應式如下[7]。經微電解產生的新生態H活性較高，與有機廢水中的污染物發生氧化還原反應，從而達到降解的效果。但該技術對污染物的處理速率較慢，對難降解有機污染物的處理效果不好且不能充分利用微電解產生的亞鐵離子。

陽極：Fe -2e-Fe2+

陰極：2H++2e-2H。

2.1.2高級氧化技術（AOPs）

AOPs技術是產生具有強氧化能力的氫氧自由基（·OH），在高溫高壓、電、聲、光、催化劑等反應條件下，使難降解的大分子有機物氧化為低毒或無毒的小分子物質的方法。能將可生化性差、相對分子質量大的物質直接礦化，提高污染物的可生化性，處理難降解有機物。AOPs技術中應用較多的是一種公認高效降解有機污染物的Fenton技術，其原理是通過Fe2+與H2O2的反應生成·OH，·OH具有強氧化性可實現對有機物的氧化降解。Fenton技術中加入強光激發氧化的技術又稱為光Fenton技術，利用光的作用增強體系產生·OH的濃度和速度，從而加快實現有機物的去除[8～10]。反應機理如下[11]，該方法主要適用于酸性條件，由于藥劑的使用，造成其原料成本高，操作條件要求高的缺點。

Fe2++H2O2Fe3++OH-+·OH

Fe2++·OHFe3++OH-

Fe3++H2O2Fe2++HO2·+H+

HO2·+H2O2O2+H2O+·OH

RH+·OHR·+Fe2+

R·+Fe3+R++Fe2+

R·+O2ROO+……CO2+H2O。

2.2實驗裝置設計

本實驗裝置如圖1所示，圖中箭頭表示流體流動方向。

裝置包括廢水存放池及放出廢水的控制開關K1，鐵炭微電解箱，鐵炭微電解箱下端安裝有廢水輸送泵B1，以控制廢水及回流廢水向鐵炭微電解箱的輸送，鐵炭微電解箱的空氣進氣管上安裝有空氣流量計和空氣泵B2，鐵炭微電解箱的上下端連接水位平衡管的兩端，鐵炭微電解箱上有上側和下側兩個出水管，上側出水管上安裝有出水控制開關K2，下側出水管上安裝有出水泵B3，經過開關控制后的上側和下側出水管匯集為單一出水管，單一出水管通過管道連接pH調節箱、過氧化氫加注箱、FeSO4·7H2O加注箱，并設置相應控制開關K3、K4、K5、K6，其中K3用于控制鐵炭微電解箱廢水的pH值，K4用于控制鐵炭微電解箱出水的pH值，單一出水管一部分圍繞光Fenton反應器的光源設置，光源發出的光線能夠照射到出水管內，（光）Fenton反應器上設置有控制開關K7，經過（光）Fenton反應器的出水管分別通過管道連接后處理裝置和鐵炭微電解箱，后處理裝置前的出水管設有控制開關K8，循環廢水的管道上設置有控制開關K9。控制開關K1～K9及泵B1～B3均連接自動控制器控制面板。

光Fenton反應器包括一個整體豎向設置且兩端封閉的圓筒形的殼體，殼體內腔體積和鐵炭微電解箱內腔體積匹配，反應器的光源上端固定在殼體上端中間位置且下端豎向延伸至殼體內腔靠近底部位置，殼體下端和單一出水管道前端連通，殼體上端連接出水管。

3操作模式

本裝置將鐵炭微電解與（光）Fenton技術聯用，能夠實現有機廢水的單獨鐵炭微電解批式處理、單獨的鐵炭微電解連續處理、單獨的Fenton或光Fenton批式處理、單獨的Fenton或光Fenton連續處理、鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用分段批式處理、鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用連續處理、鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用循環批式處理等多種廢水處理的功能。

3.1單獨的鐵炭微電解批式處理模式

（1）開啟圖1中K1、B1直至鐵炭微電解箱裝滿廢水，然后關閉K1、B1。

（2）開啟K3調節pH值。

（3）關閉K3，開啟B2，其余開關和泵關閉，運行一段時間。

（4）關閉B2，打開K8、B3，輸出處理后的廢水至后處理裝置。

這樣可以將圖1中的裝置改為單獨的鐵炭微電解批式處理裝置，實現單獨的鐵炭微電解批式處理廢水的操作。

3.2單獨的鐵炭微電解連續處理模式

開啟圖1中K1、K2、K3、K8、K9（部分回流），開啟并調節B1、B2控制流速，其余開關和泵關閉，就可以將圖1中的裝置改為單獨的鐵炭微電解連續處理裝置，實現單獨的鐵炭微電解連續處理廢水的操作。

3.3單獨的Fenton或光Fenton批式處理模式

（1）在鐵炭微電解箱中不添加鐵碳的情況下，開啟圖1中K1、B1、B3、其余開關和泵關閉，使（光）Fenton反應器出水管中充滿待處理廢水。

（2）關閉K1、B1、B3，開啟K4、K5、K6調節pH值和Fenton試劑用量，運行一段時間，此為Fenton批式處理；若在該步同時開啟光源K7，即為光Fenton批式處理。

（3）關閉已打開的K4、K5、K6、K7，開啟K8、B3，排出處理后的廢水至后處理裝置。

這就將圖1中的裝置改為單獨的Fenton或光Fenton批式處理裝置，實現單獨的Fenton或光Fenton批式處理廢水的操作。

3.4單獨的Fenton或光Fenton連續處理模式

在鐵炭微電解箱中不添加鐵碳的情況下，開啟K1、K2、K4、K5、K6、K8、K9（部分回流）、B1、B2、（若用光Fenton 則同時開啟光源K7）、其余開關和泵關閉。就可以將圖1中的裝置改為單獨的Fenton或光Fenton連續處理裝置，實現單獨的光Fenton連續處理廢水的操作。

3.5鐵炭微電解和Fenton技術，或鐵炭微電解和光Fenton技術聯用分段批式處理操作模式

（1）開啟圖1中K1、K3、B1，其余開關和泵關閉，使廢水充滿鐵炭微電解箱。

（2）關閉K1、K3、B1，打開B2運行一段時間。

（3）關閉B2，打開B3、K8，將鐵炭微電解箱中廢水輸至Fenton反應器中。

（4）關閉B3，開啟K4、K5、K6、（若用光Fenton 則同時開啟光源K7），運行一段時間。

（5）關閉K4、K5、K6、（K7），開啟B3，排出處理后的廢水至后處理裝置。

這樣可將圖1中的裝置改為鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用分段批式處理裝置，實現鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用分段批式處理廢水的操作。

3.6鐵炭微電解和Fenton技術，或鐵炭微電解和光Fenton技術聯用循環批式處理操作模式

（1）開啟圖1中K1、K2、K3、K5、K6、（K7）、K9、B1，其余開關和泵關閉，使廢水充滿鐵炭微電解箱及整個管道回路。

（2）關閉K1，打開B2運行一段時間。

（3）關閉B2、K2、K3、K5、K6、（K7）、K9、打開K8、B3，排出處理后廢水至后處理裝置。

這樣可將圖1中的裝置改為鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用循環批式處理裝置，實現鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用循環批式處理廢水的操作。

3.7鐵炭微電解和Fenton技術，或鐵炭微電解和光Fenton技術聯用連續處理模式

開啟圖1中K1、K2、K3、K5、K6、（K7）、K8、K9（部分回流）、B1、B2，其余開關和泵關閉，就可以將圖1中的裝置改為鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用連續處理裝置，實現鐵炭微電解和（光）Fenton技術聯用連續處理廢水的操作。

4降解裝置的應用

為驗證有機廢水多功能降解裝置對有機廢水的降解效果，直接采用對高濃度榨菜廢水的處理實驗來驗證此降解裝置和降解技術的優點。以廢水中COD的去除率作為指標來檢驗此裝置對廢水的處理效果。

取某榨菜廠的綜合性排出廢水作為水樣，測定pH值、COD等各項指標后，加入硫酸使水樣pH值為2左右，置于4℃下保存。取某機械加工廠的鐵屑，用15%氫氧化鈉溶液浸泡40 min除去鐵屑表面的油污，用5%稀鹽酸浸泡40 min除去鐵屑表面的氧化物，再用蒸餾水沖洗干凈，烘干待用。炭粒采用圓柱型顆粒活性炭，使用前必須用實驗的廢水浸泡24 h左右，讓活性炭的吸附達到飽和，以消除活性炭的吸附作用對鐵炭微電解的降解作用的影響。

實驗條件：空氣流量為100 L/h，光強為50000 lx；鐵炭微電解∶鐵炭體積比為1∶1；光Fenton技術反應：pH=3.0，H2O2投加量為3.5mL，亞鐵離子濃度為70 mmol/L。榨菜廢水在進入廢水水箱前先用氧化鈣（700 mg/L）和聚丙烯酰胺PAM（0.1%）進行混凝處理。

經過多種模式處理實驗，結果表明，單獨的鐵炭微電解批式處理模式下，90 min的降解時間，榨菜廢水的 COD 的去除率達到38.73 %，增加時間，去除率略有升高。單獨的光Fenton批式處理模式下，120 min 的降解時間， COD去除率達到58.08%，增加處理時間，去除率增加不明顯。鐵炭微電解和光Fenton技術聯用分段批式處理操作模式下，處理時間150 min，COD的去除率達到83.10 %，增加光Fenton處理時間，去除優率可達88.15%。鐵炭微電解和光Fenton技術聯用循環批式處理操作模式下，循環處理時間150 min，COD的去除率達到85.10 %，增加處理時間，去除率可達92.25%。

從上述數據可以看出，單純的混凝、鐵炭微電解和光Fenton對榨菜廢水的處理都有一定的效果，但是將鐵炭微電解和光Fenton技術聯用后處理的效果最佳。

5發展與展望

本降解裝置在實際操作中，可通過改變操作條件，如改變空氣流量、光照強度、鐵炭比例、pH值的大小、H2O2投加量、亞鐵鹽投加量等提高廢水的降解率，且此裝置中鐵炭微電解和光Fenton技術聯用對有機廢水COD的去除效果最佳，將來，該聯用技術會愈益普遍用于處理有機廢水。同時可以看出該處理裝置不僅適用于榨菜廢水，還適用于一些高濃度有機物的廢水，且可對被測廢水進行單一或聯用模式的處理。

參考文獻：

[1]

毛紹春， 姚文華， 方華，等. 高濃度有機廢水處理技術的研究進展[J]. 云南化工， 2004， 31（3）：27～30.

[2]陳旭東， 李朝霞， 孟令堯. 高濃度有機廢水處理技術研究進展[J]. 河北化工， 2008， 31（12）：71～73.

[3]趙月龍， 祁佩時， 楊云龍. 高濃度難降解有機廢水處理技術綜述[J]. 四川環境， 2006， 25（4）：98～103.

[4]蔡彩虹. 檳榔廢水處理方法的實驗研究[D].長沙：湖南大學， 2011.

[5]張春永. 鐵炭微電解法廢水處理技術研究[D].南京：東南大學， 2004.

[6]宋宇超. 鐵碳微電解法處理季銨鹽生產廢水的研究[D].太原：中北大學， 2015.

[7]李德生，王寶山.曝氣鐵炭微電解工藝預處理高濃度有機化工廢水[J].中國給排水， 2003， 10（19）： 58～60.

[8]魏令勇， 郭紹輝， 閻光緒. 高級氧化法提高難降解有機污水生物降解性能的研究進展[J]. 水處理技術， 2011， 37（1）：14～19.

[9]李文書，李詠梅，顧國維.高級氧化技術在持久性有機污染物處理中的應用[J].工業水處理，2004，24（11）： 9～12.

[10]Haber F， Weiss J.The catalytic decomposition of hydrogen perox-ide by iron salts [J]. Proceedings of the Royal Society of London（Series A），1934，147（51）：332～345.

[11]馮柏林， 梁繼美， 杜婷，等. Fenton法的反應機理及類Fenton法的應用研究[J]. 廣東化工， 2012， 39（15）：21～22.