高级氧化技术在污水处理中的应用进展分析
中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北武汉 430014
摘要：随着时代的发展,各种行业产生的污水更加复杂,污水处理也更加困难。在大量的待处理污水中,有机污染物的含量大大提高,其含有难以进行生物降解的物质,使得传统污水处理技术需要新的提升。高级氧化技术作为一种以产生羟基自由基来对污染物进行处理的技术,相比普通氧化剂,具有更好的处理效果,在污水处理研究中广为关注。
关键词：高级氧化技术；污水处理；应用
1高级氧化技术的优势
高级氧化技术在有机废水的预处理方面已经获得巨大的关注。高级氧化技术通过产生羟基自由基来达到氧化处理的目的,而羟基自由基比氯气、过氧化氢等一般氧化剂的氧化电位高得多,所以可以产生更好的氧化效果。高级氧化技术进行氧化后,有机物甚至可以被氧化为二氧化碳和水[1]。其具体优势如下:反应产生大量自由基,其氧化能力很强,其氧化电势(2.80V)仅低于氟(2.87V),还可以作为诱发链式反应的中间产物;羟基自由基可以和污水中被氧化的物质直接反应,且不产生新的污染物,无二次污染;其不仅可以独自进行污水处理,还可以串联其他污水处理单元,使得处理效果更佳;操作容易控制,可以针对不同的目标进行处理[2]。
2高级氧化技术在污水处理中的应用
2.1Fenton氧化法
Fenton氧化法主要指的是pH在2～5的酸性环境下,通过Fe2+与H2O2发生链式反应,从而生成·OH(氧化电位为2.8V),对有机物进行氧化降解。其在发生反应过程中,会受到溶液温度、pH值、H2O2浓度、停留时间等因素的影响。Fenton试剂具有强氧化性,可适应大多数的污水处理需求,不仅可以作为预处理和深度处理,同时也能够完成独立污水处理的需求。Fenton氧化法具有成本低、工艺操作简单、反应速度快,氧化效率高等优点。由于Fenton氧化法对pH值的要求较高,如果偏离适宜的pH值范围,则无法保障实际处理效果。其次,Fenton氧化法在污水处理过程中使用过量的Fe2+将产生二次污染。通常情况下只适合用于处理少量、浓度较低的污水,且无法对有机物进行彻底矿化处理,所以通常将其作为预处理,或者可以针对实际情况,与其他处理方法联合使用。随着技术的不断发展与更新,已经有学者将紫外光、可见光引入到Fenton体系当中,被称为类Fenton反应,这样可有效降低处理方法的成本,从而大幅度提升反应效率和处理效果[3]。
2.2高级氧化技术在印染废水处理中的应用
印染行业产生的废水占工业废水的35%,含有大量的色素染料、浆料和碱剂。废水的有机物含量多,碱性强,水质变化多,是一种难以处理的工业废水。传统废水处理方法(如吸附、混凝)操作简单,但对印染废水的处理效果不好,人们需要进行深化处理。高级氧化技术可以有效处理印染废水中的难降解有机物,降低色度,其适用范围广泛、效率高,其在印染废水处理上有着较好的应用前景。
李昊等应用[4]臭氧氧化法处理印染废水,试验发现,臭氧的通气时间大于30min后,继续通气,废水的COD和色度去除率增幅都有减小,最佳的臭氧通气时间为30min;随着废水pH的升高,废水的COD和色度去除率都得到提升,当pH大于10时,去除效果最为明显。
UV/O3法和Fenton法在印染废水深度处理中的应用,结果发现,UV/O3法对印染废水色度的去除效果好,Fenton法对印染废水COD的去除效果好。影响臭氧氧化的因素分别为废水pH、反应器的高径比、臭氧通入量和臭氧产生量,试验结果表明,在废水pH=9,反应器的高径比为12,臭氧通入量为160mg/L,臭氧产生量为8g/h时,COD的去除率为52.87%,色度去除率为98.1%,因此臭氧氧化对印染废水的处理效果较好。当采用Fenton法时,在最佳的试验条件下,COD去除率为71%,色度去除率为97%[4]。
2.3臭氧氧化法
依照臭氧和污染物之间的不同反应方式，臭氧氧化法可以分为两种，一种是臭氧间接反应，另外一种是臭氧直接反应。臭氧反应主要对有机物当中的双键结构进行破坏，让有机物逐步转化为小分子，在应用过程中可以有效打破有机物的双键结构。臭氧直接氧化反应，在应用过程中，具有一定的选择性，而且反应的速率较低，无法有效对污水进行净化，因此主要在工业废水预处理阶段使用，可以让废水的B/C比增加，而臭氧间接反应主要是臭氧在水中首先分解产生羟基自由基，接着羟基自由基对有机物进行氧化。这种反应不具有选择性，在应用的过程中氧化程度较高，而且反应速度快，优点较多，广泛应用于工业废水处理当中。臭氧间接反应的时候，臭氧在水中生成羟基自由基的条件有三种，即金属催化物条件，紫外线条件以及碱性条件。目前相关研究报道，自制的负载型二氧化钛作为催化剂来对臭氧催化使其对水溶性腐殖质进行氧化，能够提高氧化的效果。通过实验分析发现，利用二氧化钛作为氧化剂进行臭氧的水处理，可以让效率提高28.8%，能够将腐殖酸氧化去除率提高到85%，具有很好的应用效果。
2.4电催化氧化法
电催化氧化是通过直接氧化和间接氧化两种方式对污染物进行氧化。直接氧化一般经过扩散和降解两个步骤，溶液中具有还原性的污染物向阳极板的表面扩散，吸附在阳极板表面，经过电子转移直接失去电子生成毒性较低或无害的产物的过程。间接氧化通过在电解过程中电极表面产生·OH、活性氯(reactivechlorinespecies,RCS)等强氧化剂氧化水中的有机污染物，使污染物最终氧化产物为CO2、H2O或盐类。谢实涛等人[5]以自制Ti基RuO2-IrO2镀层形稳电极为阳极，采用电催化技术处理偶氮染料甲基橙模拟废水。在以浓度20g/l的硫酸钠溶液为电解质时，自然pH，电极间距为1.0cm，电流密度为30.0mA/cm2，电解1h时，甲基橙的去除效率高达90%以上。
电催化氧化法的处理工艺操作简便、安全、适应性强同时产生的二次污染较少，但存在电催化氧化反应时电流效率较低并且能耗较高，以及电极材料是电化学氧化技术中最重要的部分，在反应过程中电极容易失活，电极寿命较短，稳定性不高的问题，这些问题限制了电催化氧化法处理废水的大规模应用，今后电化学氧化领域的研究将着重解决以上问题。
2.5超声波氧化法
超声波氧化法主要采用的是16kHz～1MHz波段范围内的超声波。水溶液中的污染物在超声波辐射的条件下,会出现高压超声空化、局部高温、水蒸气出现分裂等现象,继而产生高浓度的H2O2以及·OH等氧化物质,最终能够快速降解水中的污染物。超声波氧化法主要包括自由基氧化反应以及高温高压热解反应等类型,再结合焚烧、自由基氧化等相关水处理技术,具有操作简单方便、氧化效率高、无污染或少污染的特点,适用范围非常广,具有广阔的发展前景。超声波氧化法是一种新兴的绿色水处理技术,可以单独使用,也可以与UV、H2O2、O3、电化学氧化等技术联合应用,可以显示出更大的优越性[6]。
3 结论
高级氧化技术目前仍处于发展阶段,其中部分技术在实施过程中,因为成本较高,且无法大规模应用与实践,因此,当前高级氧化技术大多都是和传统生物处理技术联合使用,从而提升其自身实际处理效率,节省成本。只有不断深入研究,加大研发力度,才能够进一步完善高级氧化技术,为我国社会经济可持续发展奠定良好的基础。
参考文献：
[1]张旋,王启山.高级氧化技术在废水处理中的应用[J].水处理技术,2019(3):24-28.
[2]钟理,詹怀宇.高级氧化技术在废水处理中的应用研究进展[J].上海环境科学,2020(12):568-571.
[3]许立华,夏玉霞,陆志鸿,等.试论高级氧化技术在废水处理中的应用[J].中国化工贸易,2019,11(9):158.
[4] 李昊,周律,李涛,等.臭氧氧化法深度处理印染废水生化处理出水[J].化工环保,2012,(1):30-34.
[5] 谢实涛,孙南南,张传雷,等.RuO2-IrO2/Ti阳极电催化降解偶氮染料甲基橙模拟废水[J].环境工程学报,2015,9(04):1659-1662.
[6]马迅,殷艳飞,王浩雅,等.超声波协同Fenton氧化法去除造纸法再造烟叶废水COD[J].环境工程学报,2014,8(11):4752-4756.
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