基于Fenton氧化法的垃圾滲濾液處理研究進(jìn)展

摘要：Fenton氧化法是一種高效的污水處理技術(shù)，能夠有效地處理垃圾滲濾液。本文綜述Fenton氧化法處理垃圾滲濾液的研究進(jìn)展，分析Fenton氧化法處理垃圾滲濾液的原理，并探討它們的優(yōu)缺點(diǎn)，展望發(fā)展前景，以更好地將Fenton氧化法應(yīng)用于垃圾滲濾液處理領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：垃圾滲濾液；Fenton氧化法；改進(jìn)Fenton氧化法；組合工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）03-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.029

Abstract： Fenton oxidation method is an efficient wastewater treatment technology that can effectively treat landfill leachate. This paper reviews the research progress of Fenton oxidation method for treating landfill leachate， analyzes the principle of Fenton oxidation method for treating landfill leachate， explores their advantages and disadvantages， and looks forward to its development prospects， in order to better apply Fenton oxidation method to the field of landfill leachate treatment.

Keywords： landfill leachate; Fenton oxidation method; improved Fenton oxidation method; combination process

垃圾滲濾液組分復(fù)雜，污染物濃度高，微生物營(yíng)養(yǎng)元素比例不均衡，可生化性差，不同時(shí)期的水質(zhì)水量波動(dòng)大。通常，垃圾滲濾液采用預(yù)處理+生物處理+深度處理的組合工藝進(jìn)行處理[1]。Fenton氧化法是一種基于羥基自由基（·OH）的高級(jí)氧化法，可高效去除垃圾滲濾液中的多種污染物，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)速率快，設(shè)備成本低，它處于不斷改進(jìn)中。因此，有必要梳理當(dāng)前Fenton氧化法在垃圾滲濾液處理中的研究進(jìn)展。本文結(jié)合Fenton氧化法降解污染物的基本原理，綜述其在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以期為該方法的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 Fenton氧化法

Fenton氧化法的基本原理是在酸性條件下，F(xiàn)e2+與H2O2發(fā)生復(fù)雜鏈反應(yīng)，催化產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的·OH，并催生其他活性氧物質(zhì)。·OH、活性氧物質(zhì)能有效地將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)、CO2和H2O等。該過(guò)程的主要反應(yīng)為

1.1 均相與非均相Fenton氧化法

根據(jù)催化劑的存在形式和反應(yīng)條件，F(xiàn)enton氧化法可以分為均相Fenton氧化法和非均相Fenton氧化法。均相Fenton氧化法的鐵催化劑以溶解狀態(tài)與H2O2、污染物同處于水相，并直接發(fā)生反應(yīng)；在非均相Fenton氧化法中，鐵催化劑或被固定到某種載體上，或以金屬顆粒的形式存在，與H2O2、有機(jī)物分別處于固相和液相，反應(yīng)通過(guò)固-液相界面進(jìn)行。均相Fenton氧化法通常需要在強(qiáng)酸性條件下進(jìn)行，加快Fe2+與H2O2反應(yīng)速率，但pH適用范圍窄，強(qiáng)酸環(huán)境容易造成設(shè)備腐蝕，鐵離子的絮凝作用會(huì)導(dǎo)致大量鐵泥的產(chǎn)生。從非均相Fenton氧化體系中分離并重復(fù)利用已使用過(guò)的固體催化劑，可大大減少鐵泥的生成[2]。非均相Fenton氧化法降解有機(jī)物的反應(yīng)主要發(fā)生在固體催化劑表面，要求催化劑能快速催化H2O2產(chǎn)生大量·OH，僅靠固體催化劑緩慢溶出Fe2+，其處理效果甚至比均相Fenton氧化法差。均相Fenton氧化法存在pH應(yīng)用范圍窄、Fenton試劑消耗量大、鐵污泥量多等缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用受到一定限制；非均相Fenton氧化反應(yīng)對(duì)溶液pH的要求相對(duì)較寬，適應(yīng)更廣泛的廢水處理，同時(shí)減少鐵污泥產(chǎn)生。因此，研究高效、穩(wěn)定、安全、廉價(jià)的非均相催化劑是非均相Fenton氧化法在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域應(yīng)用的焦點(diǎn)之一。

1.2 類(lèi)Fenton氧化法

除Fe2+以外，Cu2+、Co2+、Ti3+等均相催化劑和一些過(guò)渡金屬（Fe、Cu、Ni等）礦物、復(fù)合物等非均相催化劑同樣可使H2O2分解產(chǎn)生·OH，或者以次氯酸鹽、過(guò)硫酸鹽等替代H2O2，構(gòu)成類(lèi)似Fenton試劑的反應(yīng)體系，其反應(yīng)過(guò)程與Fenton試劑類(lèi)似，被稱(chēng)為類(lèi)Fenton氧化體系。類(lèi)Fenton氧化法采用不同催化劑，在弱酸或中性條件下也能高效地降解污染物[3]，拓寬方法的應(yīng)用范圍。使用過(guò)硫酸鹽、過(guò)碳酸鈉等氧化劑代替H2O2，在Fe2+催化活化下也能有效處理垃圾滲濾液。類(lèi)Fenton氧化法催化劑、氧化劑種類(lèi)多，反應(yīng)條件寬松，擴(kuò)寬pH的適用范圍，避免傳統(tǒng)Fenton氧化法強(qiáng)酸環(huán)境對(duì)設(shè)備的腐蝕，同時(shí)能有效地處理廢水，減少藥劑投加量，降低運(yùn)行成本。

2 改進(jìn)Fenton氧化法

目前，許多學(xué)者嘗試將光、電能、超聲波及微波等外部能源引入Fenton氧化法中，形成光-Fenton氧化法、電-Fenton氧化法、聲-Fenton氧化法及微波-Fenton氧化法等改進(jìn)Fenton氧化法，并將其應(yīng)用到垃圾滲濾液處理，處理效果好，運(yùn)行條件寬松，同時(shí)避免二次污染，降低成本。

2.1 光-Fenton氧化法

光-Fenton氧化法是通過(guò)紫外光（Ultraviolet，UV）或近紫外光（Near Ultraviolet，NUV）對(duì)Fenton氧化體系的作用，改善Fenton氧化體系的處理性能。該方法不僅提高垃圾滲濾液處理效率，而且降低鐵鹽投加量，減少鐵泥量。楊振寧等[4]對(duì)比Fenton氧化法和UV-Fenton氧化法處理垃圾滲濾液反滲透膜濃縮液的效果，研究表明，在最優(yōu)條件下，UV-Fenton氧化法的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率優(yōu)于Fenton氧化法。光還能使半導(dǎo)體光催化劑的價(jià)電子發(fā)生躍遷，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由電子-空穴對(duì)，能氧化降解許多有機(jī)物分子，將光催化與光-Fenton氧化耦合，協(xié)同降解有機(jī)污染物，處理效率顯著提升。光-Fenton氧化法有效提升垃圾滲濾液的處理效果，減少試劑投加量，但要配備高效光源、光-Fenton氧化反應(yīng)器，光照強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，相比傳統(tǒng)Fenton氧化法，其處理成本并不低。因此，光-Fenton氧化法鮮有實(shí)際應(yīng)用。

2.2 電-Fenton氧化法

電-Fenton氧化法是指酸性條件下，電-Fenton氧化體系中，溶解氧接受電子，原位產(chǎn)生H2O2，H2O2與體系中Fe2+反應(yīng)生成Fe3+和·OH，最后Fe3+接受電子又轉(zhuǎn)化為Fe2+。同時(shí)，反應(yīng)過(guò)程的析氫、析鐵現(xiàn)象被限制，能提高H2O2利用率，減少Fenton試劑投加量。因此，電-Fenton氧化法避免試劑運(yùn)輸與儲(chǔ)存問(wèn)題，減少鐵泥量，操作簡(jiǎn)便。近年來(lái)，學(xué)者紛紛開(kāi)展電極材料的選擇、改性以及電解池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等研究，試圖尋找高效、穩(wěn)定、環(huán)保的電極和反應(yīng)裝置。朱琳[5]設(shè)計(jì)出一體式垃圾滲濾液膜電極破絡(luò)裝置，以大孔豐富、電化學(xué)活性位點(diǎn)多的亞氧化鈦膜為陽(yáng)極，在一定條件下，銅離子有機(jī)絡(luò)合物（Cu-DOMs）最佳去除率為47.4%，同時(shí)類(lèi)腐殖酸等疏水性有機(jī)物的親水性得到改善。今后應(yīng)進(jìn)一步研究高效電極、催化劑，設(shè)計(jì)新型電解池結(jié)構(gòu)和反應(yīng)裝置，優(yōu)化電-Fenton氧化體系工藝參數(shù)，提高電流效率、傳質(zhì)效率與處理效率，降低能耗，減少鐵泥，從而推動(dòng)電-Fenton氧化法的實(shí)際應(yīng)用。

2.3 聲-Fenton氧化法

超聲波在液體傳播過(guò)程中會(huì)引起空化效應(yīng)，催生大量微小氣泡（空化核），這些氣泡在振蕩、生長(zhǎng)、收縮和崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部瞬時(shí)高溫高壓，使附近水分子裂解成·OH。空化過(guò)程產(chǎn)生的高溫?zé)峤狻⒊R界水氧化及機(jī)械剪切等也起到降解有機(jī)污染物的作用。將超聲波與Fenton氧化法結(jié)合，使H2O2能快速分解為·OH，提高·OH濃度，提升Fenton氧化體系氧化性能，并降低氧化劑用量。聲-Fenton氧化法提高垃圾滲濾液處理效率，主要影響因素包括超聲波波長(zhǎng)、功率、催化劑、氧化劑濃度及摩爾比、反應(yīng)pH、溫度等。目前，由于能量轉(zhuǎn)化效率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備成本高等，聲-Fenton氧化法在處理垃圾滲濾液上缺乏實(shí)際工程案例。設(shè)計(jì)新型高效聲-Fenton氧化耦合反應(yīng)器，優(yōu)化聲-Fenton氧化運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步降低能耗和成本，對(duì)聲-Fenton氧化法的工業(yè)應(yīng)用有重要意義。

2.4 微波-Fenton氧化法

將微波與Fenton氧化法結(jié)合，利用微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，直接作用于反應(yīng)物分子，降低物質(zhì)分子化學(xué)鍵強(qiáng)度和反應(yīng)活化能，并加快·OH的形成，增強(qiáng)Fenton氧化體系反應(yīng)活性，從而高效去除污染物，它具有加熱快速均勻、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。選擇吸波性強(qiáng)、表面位點(diǎn)豐富的物質(zhì)（如活性炭、金屬及其氧化物）作為載體，負(fù)載催化劑構(gòu)造非均相類(lèi)Fenton氧化體系，在微波強(qiáng)化下，處理效果顯著。但是，微波-Fenton氧化法微波利用率低，能耗大，設(shè)備要求高，其在垃圾滲濾液處理上并未得到廣泛應(yīng)用。未來(lái)，隨著研究深入和方法改進(jìn)，微波-Fenton氧化法有望進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。

2.5 復(fù)合Fenton氧化法

除了光、電、聲、微波等單一能量強(qiáng)化Fenton氧化外，近年來(lái)，人們也開(kāi)展多種能量同時(shí)與Fenton氧化法結(jié)合進(jìn)行垃圾滲濾液處理的研究，以克服單一能源的缺陷，它表現(xiàn)出較好的協(xié)同效應(yīng)，不僅提升處理效果，而且擴(kuò)大Fenton氧化法的應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用前景。復(fù)合Fenton氧化法的組合方式多種多樣，有光-電-Fenton氧化、超聲-光-Fenton氧化、微波-光-Fenton氧化等，在能量協(xié)同作用加持下，不同組合方式的復(fù)合Fenton氧化法處理效率均比單一能源下的Fenton氧化法高。

3 組合工藝

Fenton氧化法可以與其他工藝聯(lián)合，協(xié)同處理垃圾滲濾液，它可明顯改善廢水可生化性，降低毒性，去除多種污染物，F(xiàn)e3+發(fā)揮絮凝沉淀作用，組合工藝的總體效率有效提升，應(yīng)用價(jià)值很高。對(duì)于成分復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、生化性較差且含一定金屬離子的濃縮液，F(xiàn)enton氧化法與其他工藝組合的處理效果穩(wěn)定。李華英等[6]利用UV-Fenton催化氧化+生物脫氮組合工藝對(duì)垃圾滲濾液膜濃縮液進(jìn)行處理，開(kāi)展連續(xù)120 d的中間試驗(yàn)，結(jié)果表明，COD、總氮和氨氮的去除率均超過(guò)90%，廢水的可生化性明顯提高。

Fenton氧化法與其他工藝組合可實(shí)現(xiàn)污水達(dá)標(biāo)排放和資源化利用，可根據(jù)廢水性質(zhì)、出水要求、場(chǎng)地限制等情況，靈活調(diào)整工藝組合方式，以適應(yīng)不同污水的處理要求，擴(kuò)大組合工藝的應(yīng)用范圍。盡管組合工藝系統(tǒng)相對(duì)龐大，對(duì)各處理單元間的協(xié)同控制要求也高，操作相對(duì)復(fù)雜，但隨著智能化控制技術(shù)的發(fā)展，工藝全系統(tǒng)優(yōu)化和綜合能效診斷也變得更加準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便，F(xiàn)enton氧化法與其他工藝的組合應(yīng)用仍表現(xiàn)出很大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

Fenton氧化法能有效處理工業(yè)廢水，受到廣泛關(guān)注和研究，技術(shù)優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，應(yīng)用前景廣闊。但是，現(xiàn)有方法難以兼顧效率和成本，實(shí)際應(yīng)用存在諸多問(wèn)題。未來(lái)，可研究新型Fenton催化劑，進(jìn)行物化改性，拓寬pH適用范圍，提升各類(lèi)污染物的處理效率，避免二次污染；將新材料、新技術(shù)及新能源與Fenton氧化法結(jié)合，如金屬有機(jī)框架材料、鐵碳微電解、磁感應(yīng)技術(shù)等，研究反應(yīng)機(jī)理，提升反應(yīng)活性和多污染物的協(xié)同處理能力；系統(tǒng)分析Fenton氧化法與生物法、膜法等組合工藝的實(shí)際綜合效能和協(xié)調(diào)關(guān)系，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，減少污泥量，簡(jiǎn)化操作，降低成本，促進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

參考文獻(xiàn)

1 王 凱，武道吉，彭永臻，等.垃圾滲濾液處理工藝研究及應(yīng)用現(xiàn)狀淺析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（1）：1-12.

2 郭小熙，田鵬飛，孫 楊，等.工業(yè)有機(jī)廢水深度處理：非均相Fenton催化劑研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2021（2）：605-620.

3 Korvayan W J.銅芬頓法處理垃圾滲濾液膜濃縮液[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2022：14-15.

4 楊振寧，衛(wèi) 威.UV-Fenton、Fenton和O3氧化法處理垃圾滲濾液反滲透膜濃縮液的對(duì)比研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016（7）：3853-3858.

5 朱 琳.滲濾液生化出水中Cu-DOMs的電氧化破絡(luò)效果與機(jī)制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2022：8-9.

6 李華英，肖 雄，趙建樹(shù)，等.紫外光芬頓+EM菌高效脫氮組合工藝在垃圾滲濾液膜濃縮液處理的中試應(yīng)用[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2023（4）：1377-1386.

收稿日期：2024-01-24

基金項(xiàng)目：廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院2022年度科研能力提升項(xiàng)目（2022ZKZ02）；2023年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2023KY1360）。

作者簡(jiǎn)介：黃修行（1988—），男，廣西玉林人，碩士，講師。研究方向：水處理技術(shù)。