學習 | 芬頓-污水高級氧化技術

Fenton氧化法是一種高 效 且經(jīng)濟的廢水高級氧化技術，過氧化氫和亞鐵離子反應產生強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、設備簡單、易于操作、操作成本低等優(yōu)點，廣泛應用于造紙、印染、制藥等行業(yè)工業(yè)廢水處理。

1、Fenton（中文譯為芬頓）是為數(shù)不多的以人名命名的無機化學反應之一。

       1893年,化學家Fenton HJ 發(fā)現(xiàn)，過氧化氫(H2O2) 與二價鐵離子Fe的混合溶液具有強氧化性，可以將當時很多已知的有機化合物如羧酸、醇、酯類氧化為無機態(tài)，氧化效果十分顯著。但此后半個多世紀中，這種氧化性試劑卻因為氧化性極強沒有被太多重視。但進入20 世紀70 年代，芬頓試劑在環(huán)境化學中找到了它的位置，具有去除難降解有機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)了很廣泛的應用。當芬頓發(fā)現(xiàn)芬頓試劑時，尚不清楚過氧化氫與二價鐵離子反應到底生成了什么氧化劑具有如此強的氧化能力。二十多年后，有人假設可能反應中產生了羥基自由基，否則，氧化性不會有如此強。因此，以后人們采用了一個較廣泛引用的化學反應方程式來描述芬頓試劑中發(fā)生的化學反應：

Fe+H2O2→Fe+OH+ ·OH ①

       從上式可以看出，1mol的H2O2與1mol的Fe反應后生成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的氧化能力。據(jù)計算在pH= 4 的溶液中，OH·自由基的氧化電勢高達2. 73 V。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，得出如下化學反應方程：

H2O2 + Fe→ Fe + O2 + 2H ②

O2 + Fe→ Fe + O2· ③

       可以看出,芬頓試劑中除了產生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1.3 V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有污染物如高COD，利用硫酸亞鐵和雙氧水的強氧化還原性，生成反應強氧化性的羥基自由基，與難降解的有機物生成自由基，zui后有效的氧化分解（芬頓（Fenton）試劑反應機理）。芬頓試劑的處理效果受到廢水污染物濃度，反應的pH值，硫酸亞鐵與雙氧水的比例，雙氧水的投加濃度的影響。

2、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。硫酸亞鐵與雙氧水的投加順序會影響到廢水的處理效果。先通過正交實驗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PH值，投加硫酸亞鐵，再投加雙氧水，再進芬頓試劑投加順序與污泥沉降處理行pH值調節(jié)的順序進行投加。在硫酸亞鐵投加后反應15分鐘左右，再進行雙氧水的投加，反應20~40分鐘后再加入堿回調pH值，處理效果更佳。

3、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，產了大量的鐵泥。甚至會造成大量的污泥懸浮物在廢水中難以沉降。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、反應不徹底導致。出現(xiàn)這種情況后可以通過投加絮凝劑（聚丙烯酰胺）進行強化絮凝沉淀?；蛘咄ㄟ^投加石灰粉進行PH值調節(jié)及助凝對懸浮物進行凝聚沉淀。

       一般在污水處理工程上，采用芬頓都有特殊的反應條件和足夠的反應時間，如果確定芬頓反應進行徹底，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到90%-95%。

4、芬頓（Fenton）法作為廢水高級處理技術，利用Fe2+和H2O2之間的鏈反應催化生成具有強氧化性的羥基自由基(·OH)，可氧化各種有毒和難降解的有機化合物，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，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。

5、芬頓流化床反應器，又稱為芬頓氧化塔、芬頓反應塔，是進行芬頓反應對廢水進行高級氧化的必要設備。水博網(wǎng)技術管理中心在傳統(tǒng)芬頓反應塔的基礎上，研發(fā)了具有獨特技術的芬頓流化床反應器，本設備利用流體化床方式使芬頓法所產生的Fe3+大部分以結晶或沉淀附著在流化床芬頓載體表面，可大幅減少傳統(tǒng)芬頓法的加藥量產生的化學污泥量（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%）。

6、處理焦化廢水

       煉焦廢水含有數(shù)十種無機和有機化合物，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。

實驗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88.9%. H202如分3批加入(總量不變)，COD去除率可提高至92%。實驗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。結果表明，經(jīng)此處理后，出水可達國家二級排放標準。如后續(xù)再經(jīng)生物處理，zui后出水將可穩(wěn)定地達到國家一級排放標準。研究試驗中，還通過分析相對分子質量分布和小分子有機物組成，揭示了焦化廢水生物處理后出水的物質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。

7、處理垃圾滲濾液

      城市垃圾滲濾液是一種組成成分復雜的污水，將會污染地下水，對城市環(huán)境構成嚴重威脅。由于其含有多種有毒有害的難降解有機物，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，實驗人員研究主要是從降低COD和去除的混合物中有機物分子量來考察。

      垃圾滲透液中的應用，進行了用芬頓法處理垃圾滲濾液的中型試驗，反應在連續(xù)的攪拌發(fā)生器中進行，當試劑加入量適當時，COD的去除率可達67.5%，從而提高了可生化性，有利于進一步的處理。

      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，一是反應啟動快，反應在酸性的環(huán)境中，常溫常壓，條件溫和；二是不需要設計復雜的反應系統(tǒng)，設備簡單、能耗小。實驗人員認為芬頓試劑氧化性強，反應過程中可以將污染物徹底地無害化，而且氧化劑H2O2，參加反應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，其反應條件差別不大，這就方便了Fenton試劑的工業(yè)化應用。

絮凝反應沉淀池

      催化氧化池處理后的廢水自流進入絮凝反應沉淀池；廢水在進入絮凝反應沉淀池前，設計投加堿NaOH/混凝劑PAC/凝聚劑PAM（由加藥裝置計量投加）進行絮凝反應沉淀去除廢水中的部分膠狀體有機污染物、懸浮物, 其原理為絮凝反應沉淀分離，絮凝反應采用機械攪拌的型式。

      絮凝反應沉淀池設計為重力式高 效 斜管沉淀池，采用重力分離原理進行的沉淀澄清處理。重力式高 效 斜管沉淀池相對于一般的沉淀池加裝了高 效 的斜管填料，具有占地面積小，處理效率好，停留時間短等特點。絮凝反應沉淀池沉淀分離后的污泥由排泥泵提升進入污泥濃縮池進行濃縮處理。

      絮凝反應沉淀池主體結構為Q235-A碳鋼（內襯玻璃鋼防腐）。絮凝反應沉淀池配套機械攪拌裝置采用軸裝式，具有反應時間短，反應效果好等特點。絮凝反應沉淀池內設置斜管填料、填料支架、出水堰板等附件。內部斜管填料為六角蜂窩填料，斜管填料主要用于工業(yè)和廢水的沉淀工藝，其主要特點為濕周大、水力半徑小、層流狀態(tài)好、顆粒沉淀不受絮流干擾。斜管填料采用FRP材質，具有韌性強、組裝剛度好、不變形、不脆裂、抗老化、使用壽命長。填料支架為網(wǎng)格型，為Q235-A碳鋼材質（襯玻璃鋼防腐）。出水堰板為Q235-A碳鋼材質（襯玻璃鋼防腐）。