芬頓催化氧化技術在化工廢水處理中的應用

摘要：芬頓催化氧化技術生成強氧化性的羥基自由基，有效降解廢水中的有毒或難降解有機污染物，特別是在印染、制藥、焦化及造紙等化工廢水處理中具有顯著效果。探討了該技術面臨的挑戰，如H2O2利用率低和有機物降解不完全等，并展望未來發展方向，包括催化劑改性、反應條件優化以及新型復合工藝的開發。

關鍵詞：芬頓催化氧化技術；化工廢水處理；有機物降解

中圖分類號：X78 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.016

Application of Fenton Catalytic Oxidation Technology in Chemical Wastewater Treatment

DU Chuanyang1， DU Kai2

（1. Jinan Municipal Engineering Design amp; Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Jinan 250000， China;

2. Tengzhou Dingji Engineering Co. ， Ltd.， Zaozhuang 277500， China）

Abstract： Fenton catalytic oxidation technology generates highly oxidizing hydroxyl radicals， effectively degrading toxic or difficult to degrade organic pollutants in wastewater， especially in the treatment of chemical wastewater such as printing and dyeing， pharmaceuticals， coking， and papermaking， which has significant effects. Explored the challenges faced by this technology， such as low utilization of H2O2 and incomplete degradation of organic matter， and looked forward to future development directions， including catalyst modification， optimization of reaction conditions， and development of new composite processes.

Keywords： Fenton catalytic oxidation technology; chemical wastewater treatment; organic degradation

隨著經濟的快速發展，我國化工產業規模不斷擴大，但隨之而來的化工廢水處理問題日益嚴峻。化工廢水具有毒性大、污染物種類多、濃度高、難降解等特點，是水體污染的主要原因。在化工園區廢水處理中，芬頓催化氧化技術作為預處理或深度處理工藝，與生化處理等其他工藝相結合，在化工廢水處理中展現出顯著優勢，能夠顯著提升廢水處理效果，建立統一的污水排放和處理標準，以實現廢水的合理化處理和達標排放。芬頓催化氧化技術的原理是在酸性條件下，通過Fe2+催化H2O2生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH），有效降解大分子量有機物[1]。其具有簡單高效、反應迅速的特點，是去除廢水中有毒或難降解有機污染物的重要手段。

1 芬頓催化氧化技術

芬頓催化氧化技術的起源可追溯至1876年，當時芬頓發現H2O2和Fe2+的混合物能夠去除酒石酸，這一發現為后來的芬頓反應奠定基礎。歷經百余年的發展，已形成包括均相芬頓、非均相芬頓及電芬頓催化氧化技術在內的多種技術形式。芬頓催化氧化技術生成的強氧化性的·OH，能夠迅速降解并礦化有機污染物，最終轉化為無害的CO2和H2O。

芬頓催化氧化技術以其反應速度快、節能減排、工藝簡單及方便管理的顯著優勢，在化工廢水預處理領域展現巨大的應用潛力[2-3]。芬頓催化氧化技術不僅能有效去除污水污泥和模擬廢水中的有毒有害物質，還能在石化廢水處理中達到較高的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率。

2 芬頓催化氧化技術分類

2.1 均相芬頓催化氧化技術

在環境修復領域，針對含油污泥的處理，研究者探索均相芬頓催化氧化技術與固化/穩定化方法相結合的新方法。該方法以芬頓氧化作為預處理步驟，有效降解土壤中的多環芳烴和苯系物，顯著提升后續處理效率，并確保土壤質量達標[4]。在此基礎上，研究構建H2O2和Fe2+均一的添加方式對芬頓氧化效果的影響，逐步添加H2O2相較于一次性投加，能夠顯著提高去除效率。面對傳統芬頓試劑在土壤修復中的挑戰，國外研究者通過引入光、電、超聲等外部能量場發展了新型氧化技術，并改良了均相催化劑，研發出類芬頓試劑，進一步增強氧化能力和應用穩定性，不斷地拓展芬頓氧化技術的應用范圍，為解決復雜環境污染問題提供了更為高效和可靠的方案。

2.2 非均相芬頓催化氧化技術

非均相芬頓催化氧化技術作為廢水處理的一項重要創新，通過引入固體催化劑與過氧化氫反應，有效提高·OH的生成效率，拓寬反應pH范圍，并顯著減少污泥產生量。該技術不僅提高了過氧化氫的利用率，還能夠循環使用催化劑，降低了處理成本。利用不同的鐵基、錳基、鈷基、銅基及負載型催化劑各有優勢，而負載型催化劑因其高比表面積、機械強度以及催化活性備受關注[5]。通過優化催化劑制備工藝和反應條件，非均相芬頓催化技術能夠高效降解多種有機污染物，如羅丹明B、環丙沙星、苯酚等。未來，隨著催化劑種類和制備技術的不斷發展，以及與其他修復技術的聯合應用，非均相芬頓催化氧化技術有望在解決復雜水體污染問題中發揮更加重要的作用。

3 芬頓催化氧化技術應用

2015—2020年中國工業廢水排放量如表1所示。芬頓催化氧化技術憑借其高效的催化氧化能力和廣泛的應用前景，成為處理各類復雜工業廢水的重要手段。在印染廢水、制藥廢水、焦化廢水以及造紙廢水處理中，芬頓催化氧化技術的應用較為成熟。

3.1 印染廢水處理

印染廢水作為紡織工業的副產物，主要來自紡織物染色、印花、整理等工序。這些過程使用染料、助劑、漿料等化學物質，導致廢水含有高濃度的染料、表面活性劑、還原漂白劑、纖維雜質等，成分極為復雜。其中，染料未被完全吸附在紡織物上而被沖洗下來，導致廢水含有大量有色物質，大大降低水體的透光率，影響水生生物的生存和繁殖。這些物質多為苯或苯系物，不僅顏色深，而且一般具有較大的毒性和難降解性，對環境造成嚴重影響。投加適量的催化劑，芬頓反應體系能夠在較寬的pH范圍內進行。催化劑表面的鐵離子（Fe2+和Fe3+）能夠催化H2O2分解，生成具有強氧化性的·OH。這些·OH能夠攻擊染料分子中的發色基團和助色基團，破壞其分子結構，從而顯著降低廢水的色度。同時，·OH能夠與廢水中的其他有機污染物發生反應，將其氧化分解為無害的小分子物質，如CO2和H2O，實現廢水的深度凈化。

3.2 制藥廢水處理

隨著現代制藥工業的快速發展，尤其是化學合成制藥領域，制藥廢液的產生量顯著增加。這些廢液含有高濃度的有機物、無機鹽、重金屬等多種復雜成分，而且因其生產工藝的多樣性，廢水成分差異顯著。這類物質成分復雜，難以有效通過傳統的生物或化學方法降解。在制藥廢水處理過程中，芬頓催化氧化技術以其強大的氧化能力生成大量的·OH，能夠破壞有機物分子的化學鍵，使其轉化為易于降解的小分子物質。國內有研究團隊通過精細調控原水pH、反應時間、H2O2與Fe2+的質量比及投加量，確定處理化工廢水的最佳運行條件，通過精準控制芬頓反應的關鍵參數，顯著提高化工廢水的處理效率，為化工廢水處理提供高效可行的技術方案。

3.3 焦化廢水處理

焦化廢水主要包括煤在高溫熱裂解過程中生成的有機廢水和冷卻荒煤氣產生的剩余氨水，煤氣凈化與粗苯洗滌過程中產生的廢水，焦爐煤氣化學品回收精制中的分離水，與煤、焦粉塵直接接觸時產生的污水。焦化廢水作為焦化工藝的副產物，其毒性高、排放量大且污染物濃度極高，富含酚類、氰化物等有害物質，對環境和生物構成嚴重威脅。國內研究者集成應用H2O2-混凝沉淀-芬頓氧化工藝，將焦化廢水中的污染物降解至達標水平，特別是出水COD顯著降低至70 mg/L，彰顯芬頓催化氧化技術的高效與穩定。國內其他研究團隊則進一步探討芬頓氧化過程中各關鍵參數的優化，結合活性炭的吸附作用，COD去除率高達97.74%，進一步驗證該方法的有效性。芬頓催化氧化技術在處理焦化廢水方面展現顯著的優勢，是未來焦化廢水處理領域的重要發展方向。

3.4 造紙廢水處理

造紙廢液是制漿造紙過程中產生的復雜廢水，從備料階段的原料預處理開始，到制漿、洗滌、漂白、造紙及可能涉及的印染等多個環節，都因工藝需求而產生大量廢水。這些廢水不僅含有大量懸浮固體、有機物、化學藥劑，而且可能包含重金屬離子等污染物。其富含纖維素、木質素等難以降解的大分子有機物，還有高COD的特性，是廢水處理領域的一大挑戰。非均相芬頓催化氧化技術憑借其獨特的處理機制能夠有效應對這一挑戰。芬頓催化氧化技術在造紙廢水深度處理中的應用，實現了廢水色度顯著去除和COD值大幅下降的優異效果。芬頓催化氧化技術生成的·OH能夠精準地攻擊造紙廢水中木質素、纖維素等復雜有機物的分子鏈，通過氧化分解作用，將其拆解為小分子物質，不僅降低了廢水的COD和生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD），還顯著提升了廢水的可生化性。

4 展望

芬頓催化氧化技術作為一種高級氧化技術，在廢水處理、環境治理等領域展現出強大的應用潛力。在實際應用過程中，芬頓催化氧化技術仍面臨諸多挑戰，主要包括H2O2利用率低、有機物降解不完全、鐵泥產生量大以及催化劑回收困難等問題。H2O2作為芬頓反應中的核心氧化劑，其利用率受多種條件制約，包括pH值、溫度、濃度等，合理的反應條件可以提高利用率。同樣的反應體系中，過量的亞鐵離子（Fe2+）會加速H2O2的分解，進一步減少其有效利用。盡管芬頓反應能有效降解多種有機污染物，但面對復雜廢水中的特定有機物時，常因反應條件控制不當或有機物特性差異導致降解不完全。反應過程形成大量鐵泥，提升后續處理難度和成本，還可能引發二次污染，且鐵泥的回收與利用技術尚待完善。至于催化劑回收，傳統均相芬頓反應中的亞鐵離子難以回收再利用，增加了成本并可能帶來環境風險。

為克服芬頓催化氧化技術面臨的挑戰，未來的發展方向聚焦于多個關鍵領域。一是對催化劑改性技術引入多金屬組分，或利用納米技術制備高比表面積的新型催化劑，旨在提高催化劑的催化效率和穩定性，并探索催化劑再生技術以實現其循環利用。二是優化反應條件，包括對溫度、pH值和反應時間的精確控制，以最大化H2O2的利用率和有機物的降解效率，這需要針對不同廢水類型進行定制化實驗，以確定最佳反應條件。三是開發新型復合工藝，將芬頓反應與生物處理、膜分離等技術相結合，形成綜合效能更高的廢水處理系統。四是探索光芬頓、電芬頓等新型芬頓反應體系，進一步拓展其應用范圍和效果。

5 結論

在化工廢水處理領域，芬頓催化氧化技術憑借其高效、環保的特性，展現出廣泛的應用前景。通過生成強氧化性的·OH，有效降解難降解有機物，對印染廢水、制藥廢水、焦化廢水以及造紙廢水等復雜工業廢水均具有顯著的處理效果。芬頓催化氧化技術在實際應用中仍面臨H2O2利用率低、有機物降解不完全等難題。為克服這些難題，未來的研究將聚焦于催化劑改性、反應條件優化以及新型復合工藝的開發。通過技術創新和工藝優化，芬頓催化氧化技術有望為化工廢水處理提供更加高效、穩定、環保的解決方案。

參考文獻

1 李俊生，李嘉慧，車春波，等.光催化氧化技術處理廢水中抗生素的研究進展[J].水處理技術，2024（2）：14-19.

2 王鑫瑤，阮 洋，張 偉.非均相芬頓法處理廢水的研究進展[J].遼寧化工，2023（10）：1517-1519.

3 李 琦，縱瑞耘.高級氧化技術處理有機廢水的研究進展[J].山東化工，2023（13）：114-116.

4 黃 華.化工園區工業廢水深度處理高級氧化工藝選擇[J].廣州化工，2020（10）：127-129.

5 毛立波，焦 陽，高 雅，等.預還原-多相催化氧化芬頓工藝處理煤化工廢水工程工藝設計[J].凈水技術，2022（9）：110-116.