基于臭氧催化氧化工藝的化工園區(qū)污水處理廠提標改造分析

摘要：臭氧催化氧化工藝可以應用于污水處理廠提標改造。為確定臭氧催化氧化工藝的最佳反應條件，本文通過試驗研究了不同臭氧投加量、不同催化劑用量及不同pH下的化學需氧量（COD）及特征污染物的去除率。結(jié)果表明，在化工園區(qū)污水處理廠提標改造中，在pH為7～8的條件下，臭氧投加量為50 mg/L，催化劑用量為50 kg時，COD去除率為39.2%，苯胺去除率為40.2%，揮發(fā)酚去除率為28.4%，甲醛去除率為17.3%。

關(guān)鍵詞：臭氧催化氧化；化工園區(qū)；污水處理廠；提標改造

中圖分類號：X78 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）03-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.03.008

Abstract： The ozone catalytic oxidation process can be applied to the upgrading and reconstruction of wastewater treatment plants. In order to determine the optimal reaction conditions for the ozone catalytic oxidation process， this paper studies the removal rate of the chemical oxygen demand （COD） and characteristic pollutants under different ozone dosage， catalyst dosage， and pH through experiments. The results show that under the conditions of pH 7～8， ozone dosage of 50 mg/L， catalyst dosage of 50 kg， COD removal rate is 39.2%， aniline removal rate is 40.2%， volatile phenol removal rate is 28.4%， and formaldehyde removal rate is 17.3% during the upgrading and reconstruction of the wastewater treatment plant in the chemical industry park.

Keywords： ozone catalytic oxidation; chemical industry park; wastewater treatment plant; upgrading and reconstruction

臭氧氧化技術(shù)首先應用于市政給水工程，主要用于去除藻類、色度與異味，降解水中的高分子有機物，后來應用于污水處理。研究發(fā)現(xiàn)，臭氧氧化系統(tǒng)加入催化劑，可以有效提高臭氧降解水中微量有機污染物的能力[1]。在臭氧催化氧化體系中，催化劑可以促進臭氧分解產(chǎn)生羥基自由基（·OH），·OH氧化降解目標污染物，可有效提升污染物的降解率[2]。朱亞雄等[3]選擇活性炭作為催化劑載體，負載錳鎂雙金屬氧化物，制備催化劑處理印染廢水，污染物去除效果好。何燦等[4]采用臭氧催化氧化對污水進行深度處理，發(fā)現(xiàn)污水處理廠二級生化出水COD為60～90 mg/L時，最佳臭氧投加量為30 mg/L。本研究在連續(xù)流模式下采用臭氧催化氧化工藝處理化工園區(qū)污水處理廠二沉池出水，分析去除COD和特征污染物的最佳條件。

1 試驗流程

1.1 試驗設備

主要試驗設備包括原水箱、臭氧發(fā)生器、催化氧化塔、曝氣系統(tǒng)、尾氣破壞器、氣液混合泵、原水泵、加藥泵、循環(huán)泵、氣體流量計和臭氧濃度檢測儀。其他試驗設備包括紫外可見分光光度計、氣相色譜儀等。原水箱容積為2 m3，材質(zhì)為聚乙烯（PE）。臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)量為0～200 g/h。催化氧化塔直徑為300 mm，高度為4 000 mm，材質(zhì)為聚丙烯（PP），含布氣布水系統(tǒng)。它采用陶粒催化劑，其孔容不小于0.4 mL/g，比表面積不小于280 m2/g，松裝密度為0.7 t/m3，強度不小于150 N/m2，粒徑為4～6 mm。曝氣系統(tǒng)由4套微孔曝氣器組成，總曝氣量為100 L/min。氣液混合泵流量為2 m3/h，循環(huán)泵流量為2～4 m3/h。原水泵采用2臺機械隔膜計量泵，流量為0～200 L/h；加藥泵采用2臺電磁隔膜計量泵，流量為0～50 L/h。

1.2 試驗用水

中間試驗在常州濱江化工園區(qū)污水處理廠進行，該污水處理廠采用“水質(zhì)調(diào)節(jié)+水解酸化+厭氧好氧（AO）+二沉池+混凝物化”組合工藝。取二沉池出水作為試驗用水，水質(zhì)如表1所示。主要監(jiān)測指標有COD、溶解性總固體（TDS）和pH。

1.3 分析項目

為了評價臭氧催化氧化系統(tǒng)的運行性能，對pH、COD、溶解氧（DO）、甲醛、苯胺、揮發(fā)酚、總氮（TN）等參數(shù)進行測定分析。pH的測定采用pH測定計，COD的測定采用重鉻酸鉀滴定法，DO的測定采用在線溶解氧測定儀，甲醛的測定采用乙酰丙酮分光光度法，苯胺的測定采用氣相色譜-質(zhì)譜法，揮發(fā)酚的測定采用4-氨基安替比林分光光度法，TN的測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，水中臭氧濃度的測定采用碘量法[5]。

1.4 試驗方法

采用連續(xù)流模式，優(yōu)化臭氧投加量和催化劑用量，選擇高效的曝氣方式，確定最佳運行參數(shù)，并在最佳參數(shù)下考察系統(tǒng)的穩(wěn)定運行效果。連續(xù)試驗是指持續(xù)進水（流量100 L/h）和持續(xù)通入臭氧，通過調(diào)節(jié)臭氧投加量和催化劑用量等來控制反應，確定進出水COD及部分特征污染物（苯胺、甲醛和揮發(fā)酚）的去除效果。污水處理工藝流程如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氧投加量對污染物去除效果的影響

當不使用催化劑，反應體系pH穩(wěn)定在6～9，臭氧投加量分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L、80 mg/L、90 mg/L、100 mg/L時，臭氧投加量對各污染物降解效果的影響如圖2所示。隨著臭氧投加量的增加，COD、苯胺、揮發(fā)酚和甲醛的去除率具有相同的趨勢。當臭氧投加量小于50 mg/L時，各污染物的去除率增長較快；當臭氧投加量為50 mg/L時，COD去除率為15.1%，苯胺去除率為19.2%，揮發(fā)酚去除率為8.6%，甲醛去除率為6.1%；當臭氧投加量大于50 mg/L時，COD、苯胺、揮發(fā)酚和甲醛的去除率開始放緩。因此，確定50 mg/L為最佳臭氧投加量。

2.2 催化劑用量對污染物去除效果的影響

當pH穩(wěn)定在6～9，臭氧投加量為50 mg/L，催化劑用量分別為0 kg、25 kg、50 kg、75 kg、100 kg時，催化劑用量對各污染物降解效果的影響如圖3所示。隨著催化劑用量的增加，臭氧對COD、苯胺、揮發(fā)酚和甲醛的去除率具有相同的趨勢。當催化劑用量為50 kg時，COD去除率為37.1%，苯胺去除率為39.6%，揮發(fā)酚去除率為25.1%，甲醛去除率為20.9%。當催化劑用量大于50 kg時，臭氧對COD、苯胺、揮發(fā)酚和甲醛的去除率增長緩慢。因此，在連續(xù)流條件下，最佳催化劑用量為50 kg。

2.3 pH對污染物去除效果的影響

當臭氧投加量為50 mg/L，催化劑用量為50 kg，pH介于1～14時，不同pH對各污染物降解效果的影響如圖4所示。酸性條件和堿性條件對催化劑活性有一定抑制作用[6]。在酸性條件下，各污染物去除率隨pH的升高而升高；在堿性條件下，各污染物去除率隨pH的降低而升高。當pH小于7或pH大于8時，各污染物去除率大幅度降低；當pH為7～8時，COD及特征污染物去除率均較高，COD去除率為38%，苯胺去除率為40%，揮發(fā)酚去除率為25%，甲醛去除率為21%。因此，最佳pH范圍為7～8。

2.4 不同曝氣方式對臭氧利用率的影響

當催化劑用量為50 kg，臭氧投加量分別為25 mg/L、50 mg/L，pH為7～8時，射流曝氣、曝氣盤曝氣、氣液混合泵曝氣等曝氣方式對臭氧利用率的影響如圖5所示。曝氣方式不同，氣液傳質(zhì)效果會受到影響[7]。3種曝氣方式中，采用氣液混合泵曝氣時，催化氧化塔底部污水的臭氧濃度最高，分別為4.5 mg/L、8.3 mg/L；采用曝氣盤曝氣時，催化氧化塔底部污水的臭氧濃度最低，分別為1.3 mg/L、2.6 mg/L。因此，3種曝氣方式中，氣液混合泵曝氣傳質(zhì)效率最高，為最佳曝氣方式。

2.5 最佳工況下連續(xù)流運行分析

當臭氧投加量為50 mg/L，催化劑用量為50 kg，pH為7～8，采用氣液混合泵曝氣時，系統(tǒng)以連續(xù)流模式穩(wěn)定運行。從圖6可以看出，COD、苯胺、揮發(fā)酚、甲醛和TN基本得到較好的去除。COD去除率達到39.2%，濃度從57.6 mg/L降到35.0 mg/L；苯胺去除率為40.2%，濃度從0.90 mg/L降到0.52 mg/L；揮發(fā)酚去除率為28.4%，濃度從0.30 mg/L降到0.21 mg/L；甲醛去除率為17.3%，濃度從0.60 mg/L降到0.53 mg/L；TN去除率為5.0%，濃度從7.4 mg/L降到7.0 mg/L。系統(tǒng)對COD及特征污染物的去除效果明顯，對TN的去除效果較弱。

3 結(jié)論

中間試驗表明，臭氧催化氧化工藝作為化工園區(qū)污水處理廠的提標改造工藝，具有良好的適應性。試驗用水為常州濱江化工園區(qū)污水處理廠二沉池出水，系統(tǒng)對污染物的去除率與臭氧投加量、催化劑用量正相關(guān)。當臭氧投加量為50 mg/L，催化劑用量為50 kg，pH維持在7～8，采用氣液混合泵曝氣時，處理效果最佳。COD去除率為39.2%，苯胺去除率為40.2%，揮發(fā)酚去除率為28.4%，甲醛去除率為17.3%，TN去除率為5.0%，滿足提標改造的出水要求。因此，在化工園區(qū)污水處理廠提標改造中，臭氧催化氧化工藝對COD及特征污染物的去除效果良好。

參考文獻

1 段標標，隋銘?zhàn)?多相催化臭氧氧化技術(shù)機理研究進展[J].四川環(huán)境，2011（3）：123-127.

2 張林生，盧 永，陶昱明.水的深度處理與回用技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2016：26.

3 朱亞雄，李之鵬，王維業(yè)，等.MnO２-MgO/AC催化劑對印染廢水的臭氧催化氧化深度處理[J].水處理技術(shù)，2017（11）：121-123.

4 何 燦，張忠國，王建兵，等.臭氧催化氧化深度處理工藝模式的對比研究[J].給水排水，2022（9）：64-69.

5 石曉榮，朱天宇，陳家財.水中臭氧濃度的檢測方法[J].河海大學常州分校學報，2007（1）：48-52.

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7 馬友光，白 鵬，余國琮.氣液傳質(zhì)理論研究進展[J].化學工程，1996（6）：7-11.