芬頓法處理難降解有機廢水的研究與應用

詹樂音等

摘要：芬頓法是一種高級的氧化技術， 具有較高的去除難降解有機污染物的能力。本文介紹了芬頓法的由來，芬頓法的發(fā)展概況，以及典型的三種芬頓具體實施工藝：普通芬頓法、光-芬頓法以及電-芬頓法的氧化機理，并概述了芬頓法在有機廢水處理中的應用進展。

關鍵詞：芬頓法 氧化機理 有機廢水

1 芬頓處理法概述

1894年，化學家FentonHJ發(fā)現(xiàn)，過氧化氫（H2O2）與亞鐵離子Fe2+的混合溶液具有強氧化性，可以將諸多有機物，如醇酚醚醛銅羧酸以及其衍生物氧化成簡單的無機小分子物質(zhì)，如二氧化碳，硝酸根等等，氧化效果相當徹底。氧化徹底也就意味著選擇性不強，在正常的生產(chǎn)工藝中，人們總是使用選擇性較好的氧化劑，這樣才能夠得到目標的高分子有機合成產(chǎn)物，從這一點看，芬頓的應用范圍不大。直到1970年之后，隨著環(huán)境保護的研究日益深入，污水中難降解有機物的存在成了讓人頭疼的問題，也是水污染控制技術中研究的重難點。驀然回首，環(huán)境學者們發(fā)現(xiàn)，芬頓的這種無選擇的徹底氧化特性正好給難降解有機物的處理與處置帶來福音。至此深度氧化-芬頓處理技術越來越被人廣泛關注。

2 芬頓試劑的氧化機理

芬頓試劑具有很強的氧化能力在于其中含有Fe2+和H2O2。其反應機理為：

Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-

Fe3++H2O2→Fe2++·HO2+H+

Fe2++·OH→Fe3++OH-

Fe3++·HO2→Fe2++O2+H+

芬頓試劑的反應機理較為復雜，能夠發(fā)生多個自由基反應，現(xiàn)在普遍認為，芬頓實際反映的關鍵是雙氧水在亞鐵離子催化下生成的羥基自由基（·OH），其氧化能力強于臭氧，僅次于氟，高達2.80V。此外，·OH具有很高的電負性，具有很強的加成反應特性。正因為如此，在難降解有機物的處理中，芬頓試劑的優(yōu)越性就體現(xiàn)了出來。人們常用芬頓試劑來處理工業(yè)尾水，或者通過物理化學方法難以處理的污水。

3 芬頓處理廢水的類型

3.1 普通Fenton法

雙氧水在亞鐵離子的催化作用下分解產(chǎn)生羥基自由基，其氧化性極強，可將有機物分子轉(zhuǎn)化為無機物。于此同時，亞鐵離子作為催化劑會被氧化成為三價鐵離子，若溶液pH值為中性或堿性可生成Fe（OH）3膠體出現(xiàn)，眾所周知的膠體絮凝吸附作用，可大規(guī)模地去除污水中的微小懸浮顆粒及膠體，大大提高水質(zhì)。普通Fenton試劑法即使沒有光照也能分解氧化有機物，因此具有設備簡單一次性投入較低的優(yōu)點。但也有兩點不足：其一是不能充分礦化有機物，初始物質(zhì)部分轉(zhuǎn)化為某些中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物或與Fe3+形成絡合物，或與羥基自由基·OH的生成路線發(fā)生競爭，并可能對環(huán)境的危害更大；二是H2O2的利用率不高。為此人們把紫外線引入Fenton體系，形成了UV/Fenton法。

3.2 光-芬頓法

普通芬頓法過氧化氫的利用率低，有機物礦化不充分，如果把光照（紫外光或可見光）引入標準芬頓體系，可以大大提高其對有機物處理效率及對有機物的降解程度，這種紫外或可見光照射下的Fenton試劑體系被稱為光-Fenton試劑。但光-芬頓試劑的缺點是處理費用較高。詳細的反應機理如下：

Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-

[Fe（OH）]2+■Fe2++HO·

[Fe（OOC-R）]2+■Fe2++R·+CO2

HO·+RH→R·+H2O

Fe2++HO·→Fe3++OH-

3.3 電-芬頓法

電-芬頓試劑就是在電解槽中通過電解反應生成H2O2或Fe2+，從而形成芬頓試劑，并讓廢水流入電解槽，由于電化學作用，使反應機制得到改善，從而提高了試劑的處理效果。該法綜合了電化學反應和芬頓氧化，充分利用了二者的氧化能力。它與光-芬頓法相比自動產(chǎn)生H2O2的機制較完善。導致有機物降解的因素較多，除·OH的氧化作用外，還有陽極氧化、電吸附等。

4 案例

河北滄州某地工業(yè)園區(qū)污水處理升級改造，一期工程里污水處理工藝采用“懸鏈曝氣+微絮凝過濾”工藝，該項目的污水要求進行二級生化處理。進水BOD5/COD<0.25，可生化性較差，因此，宜通過適當技術措施增強污水的可生化性。

此污水處理廠的進水含有大量制藥、纖維素等廢水，水質(zhì)復雜，并且變化較大，這部分工業(yè)廢水在出廠前已經(jīng)經(jīng)過一道生化處理系統(tǒng)，出水中的COD為大分子鏈不易降解的污染物增加調(diào)節(jié)池及水解酸化池。調(diào)節(jié)池的作用主要是調(diào)節(jié)水量水質(zhì)，水解酸化的作用主要是使成分復雜的大分子、不溶性有機物在細胞外酶和兼氧菌的生化作用下水解為小分子和可溶性有機物，進行“粗糧細作”，為后續(xù)的生化處理提供合適的營養(yǎng)物質(zhì)。

根據(jù)工程經(jīng)驗，進廠污水經(jīng)水解酸化+懸掛鏈生化工藝處理后，部分水質(zhì)指標（COD）仍達不到排放標準，且再經(jīng)常規(guī)的混凝沉淀+過濾的深度處理工序處理后依然難以穩(wěn)定達標排放，必須對深度處理部分進行強化。在此情況下，該污水處理廠使用了芬頓處理工藝，使出水COD由原來的80mg/L降至42mg/L，符合國家污水排放一級A的標準，從而使水質(zhì)達標，減少了對該地區(qū)環(huán)境的污染，提高了環(huán)境質(zhì)量。故此芬頓法在處理難降解有機廢水的工程實踐中，由于它的諸多優(yōu)勢，如分解徹底，投資省，造價低，易于操作等，成為了首選方案。

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