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Fenton芬頓高級氧化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
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原標(biāo)題：Fenton芬頓高級氧化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
Fenton氧化法是一種高效且經(jīng)濟(jì)的廢水高級氧化技術(shù)，過氧化氫和亞鐵離子反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基(˙OH)，氧化降解廢水中污染物。Fenton氧化法具有氧化能力強(qiáng)、設(shè)備簡單、易于操作、操作成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于造紙、印染、制藥等行業(yè)工業(yè)廢水處理。
Fenton(譯為芬頓)是為數(shù)不多的以人名命名的無機(jī)化學(xué)反應(yīng)之一
1893年,化學(xué)家FentonHJ發(fā)現(xiàn)，過氧化氫(H2O2)與二價鐵離子Fe的混合溶液具有強(qiáng)氧化性，可以將當(dāng)時很多已知的有機(jī)化合物如羧酸、醇、酯類氧化為無機(jī)態(tài)，氧化效果十分顯著。
但此后半個多世紀(jì)中，這種氧化性試劑卻因?yàn)檠趸詷O強(qiáng)沒有被太多重視。但進(jìn)入20世紀(jì)70年代，芬頓試劑在環(huán)境化學(xué)中找到了它的位置，具有去除難降解有機(jī)污染物的高能力的芬頓試劑，在印染廢水、含油廢水、含酚廢水、焦化廢水、含硝基苯廢水、二苯胺廢水等廢水處理中體現(xiàn)了很廣泛的應(yīng)用。
當(dāng)芬頓發(fā)現(xiàn)芬頓試劑時，尚不清楚過氧化氫與二價鐵離子反應(yīng)到底生成了什么氧化劑具有如此強(qiáng)的氧化能力。二十多年后，有人假設(shè)可能反應(yīng)中產(chǎn)生了羥基自由基，否則，氧化性不會有如此強(qiáng)。因此，以后人們采用了一個較廣泛引用的化學(xué)反應(yīng)方程式來描述芬頓試劑中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：
Fe+H2O2→Fe+OH+˙OH①
從上式可以看出，1mol的H2O2與1mol的Fe反應(yīng)后生成1mol的Fe，同時伴隨生成1mol的OH外加1mol的羥基自由基。正是羥基自由基的存在，使得芬頓試劑具有強(qiáng)的氧化能力。據(jù)計(jì)算在pH=4的溶液中，OH˙自由基的氧化電勢高達(dá)2.73V。在自然界中，氧化能力在溶液中僅次于氟氣。
因此，持久性有機(jī)物，特別是通常的試劑難以氧化的芳香類化合物及一些雜環(huán)類化合物，在芬頓試劑面前全部被無選擇氧化降解掉。1975年,美國著名環(huán)境化學(xué)家WallingC系統(tǒng)研究了芬頓試劑中各類自由基的種類及Fe在Fenton試劑中扮演的角色，得出如下化學(xué)反應(yīng)方程：
H2O2+Fe→Fe+O2+2H②
O2+Fe→Fe+O2˙③
可以看出,芬頓試劑中除了產(chǎn)生1摩爾的OH˙自由基外,還伴隨著生成1摩爾的過氧自由基O2˙，但是過氧自由基的氧化電勢只有1.3V左右，所以，在芬頓試劑中起主要氧化作用的是OH˙自由基。
芬頓試劑法是針對一些特別難降解的機(jī)有污染物如高COD，利用硫酸亞鐵和雙氧水的強(qiáng)氧化還原性，生成反應(yīng)強(qiáng)氧化性的羥基自由基，與難降解的有機(jī)物生成自由基，最后有效的氧化分解(芬頓(Fenton)試劑反應(yīng)機(jī)理)。芬頓試劑的處理效果受到廢水污染物濃度，反應(yīng)的pH值，硫酸亞鐵與雙氧水的比例，雙氧水的投加濃度的影響。
芬頓氧化加硫酸亞鐵后多久加入雙氧水
芬頓試劑的主要藥劑是硫酸亞鐵與雙氧水與堿。硫酸亞鐵與雙氧水的投加順序會影響到廢水的處理效果。先通過正交實(shí)驗(yàn)將硫酸亞鐵與雙氧水的投加比例得出(一旦控制不好便容易返色)。再按照先調(diào)PH值，投加硫酸亞鐵，再投加雙氧水，再進(jìn)芬頓試劑投加順序與污泥沉降處理行pH值調(diào)節(jié)的順序進(jìn)行投加。在硫酸亞鐵投加后反應(yīng)15分鐘左右，再進(jìn)行雙氧水的投加，反應(yīng)20~40分鐘后再加入堿回調(diào)pH值，處理效果更佳。
芬頓氧化后污泥沉降如何處理
由于芬頓氧化過程中硫酸亞鐵的大量投加，使得硫酸亞鐵中鐵離子的大量沉淀，產(chǎn)了大量的鐵泥。甚至?xí)斐纱罅康奈勰鄳腋∥镌趶U水中難以沉降。出現(xiàn)這種情況的原因大多數(shù)是因硫酸亞鐵與雙氧水的投加比例沒有控制好，或雙氧水投加過量、反應(yīng)不徹底導(dǎo)致。出現(xiàn)這種情況后可以通過投加絮凝劑(聚丙烯酰胺)進(jìn)行強(qiáng)化絮凝沉淀?；蛘咄ㄟ^投加石灰粉進(jìn)行PH值調(diào)節(jié)及助凝對懸浮物進(jìn)行凝聚沉淀。
一般在污水處理工程上，采用芬頓都有特殊的反應(yīng)條件和足夠的反應(yīng)時間，如果確定芬頓反應(yīng)進(jìn)行徹底，可在水中投加非離子型的聚丙烯酰胺，它可以幫助污泥加速沉降。利用硫酸亞鐵芬頓對一些高色度與高COD廢水的去除率都可以達(dá)到90%-95%。
芬頓(Fenton)法作為廢水高級處理技術(shù)，利用Fe2+和H2O2之間的鏈反應(yīng)催化生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基(˙OH)，可氧化各種有毒和難降解的有機(jī)化合物，針對高濃度難生物降解廢水處理，可作為生物前處理以改善水質(zhì)，提升廢水的可生化性，為后續(xù)的深度處理創(chuàng)造有利條件。
芬頓流化床反應(yīng)器，又稱為芬頓氧化塔、芬頓反應(yīng)塔，是進(jìn)行芬頓反應(yīng)對廢水進(jìn)行高級氧化的必要設(shè)備。水博網(wǎng)技術(shù)管理中心在傳統(tǒng)芬頓反應(yīng)塔的基礎(chǔ)上，研發(fā)了具有獨(dú)特技術(shù)的芬頓流化床反應(yīng)器，本設(shè)備利用流體化床方式使芬頓法所產(chǎn)生的Fe3+大部分以結(jié)晶或沉淀附著在流化床芬頓載體表面，可大幅減少傳統(tǒng)芬頓法的加藥量產(chǎn)生的化學(xué)污泥量(H2O2加入量減少10%～20%，F(xiàn)e2+加入量減少50%～70%，污泥量減少40%～50%)。
處理焦化廢水
煉焦廢水含有數(shù)十種無機(jī)和有機(jī)化合物，包括氨氮、硫氰化物、硫化物、氰化物、酚、苯胺、苯并比等，其中一些是高致癌物，屬于高污染難治理的工業(yè)廢水。
實(shí)驗(yàn)人員研究了用芬頓法處理焦化廢水。探討了影響COD去除率的因素，確定了適宜的操作條件。在此條件下，焦化廢水COD去除率達(dá)88.9%.H202如分3批加入(總量不變)，COD去除率可提高至92%。實(shí)驗(yàn)人員研究了芬頓氧化/混凝協(xié)同處理焦化廢水經(jīng)生物處理后的出水。
結(jié)果表明，經(jīng)此處理后，出水可達(dá)國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)。如后續(xù)再經(jīng)生物處理，最后出水將可穩(wěn)定地達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。研究試驗(yàn)中，還通過分析相對分子質(zhì)量分布和小分子有機(jī)物組成，揭示了焦化廢水生物處理后出水的物質(zhì)組成及其在芬頓氧化/混凝協(xié)同處理后的污染物變化規(guī)律。
處理垃圾滲濾液
城市垃圾滲濾液是一種組成成分復(fù)雜的污水，將會污染地下水，對城市環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。由于其含有多種有毒有害的難降解有機(jī)物，不易用傳統(tǒng)的生化法來處理。不同的填埋場的垃圾滲濾液的組成、濃度不同。
因此，對垃圾滲濾液的處理效率，實(shí)驗(yàn)人員研究主要是從降低COD和去除的混合物中有機(jī)物分子量來考察。
垃圾滲透液中的應(yīng)用，進(jìn)行了用芬頓法處理垃圾滲濾液的中型試驗(yàn)，反應(yīng)在連續(xù)的攪拌發(fā)生器中進(jìn)行，當(dāng)試劑加入量適當(dāng)時，COD的去除率可達(dá)67.5%，從而提高了可生化性，有利于進(jìn)一步的處理。
由以上對各種廢水的研究可知用芬頓試劑處理廢水的特點(diǎn)，一是反應(yīng)啟動快，反應(yīng)在酸性的環(huán)境中，常溫常壓，條件溫和;二是不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)備簡單、能耗小。實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)為芬頓試劑氧化性強(qiáng)，反應(yīng)過程中可以將污染物徹底地?zé)o害化，而且氧化劑H2O2，參加反應(yīng)后的剩余物可以自行分解掉，不留殘余，同時也是良好的絮凝劑，效果好。
Fenton試劑在處理各種廢水的時候，其反應(yīng)條件差別不大，這就方便了Fenton試劑的工業(yè)化應(yīng)用。
圖片來源：視覺中國
參考資料：水博網(wǎng)
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