電芬頓法處理工業(yè)廢水研究進(jìn)展

龔飛銘，李亞峰，邢鎮(zhèn)嵐，高 崇

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

“十三五規(guī)劃”構(gòu)建了中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的宏偉藍(lán)圖。在我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，各行各業(yè)產(chǎn)生了大量的高濃度的工業(yè)廢水?！笆濉逼陂g要加強(qiáng)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使城市污水集中處理率達(dá)到95%。工業(yè)廢水中的污染物種類多且濃度波動(dòng)大。因此傳統(tǒng)的處理工藝難以滿足處理排放的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著相關(guān)研究的深入，高級氧化法在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，通過產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基(·OH)來降解污染物，提高可生化降解性。高級氧化法具有反應(yīng)迅速、氧化效果顯著、不產(chǎn)生新的污染的優(yōu)勢。電芬頓法作為一種新型的高級氧化技術(shù)，能有效地處理印染廢水、垃圾滲濾液和苯酚廢水等各類工業(yè)廢水。

1 電芬頓法的原理

電芬頓反應(yīng)示意圖由圖1 所示[1]。電極產(chǎn)生H2O2和（或）Fe2+, 進(jìn)而產(chǎn)生羥基自由基·OH 通過發(fā)生一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng), 來降解有機(jī)污染物。首先在酸性溶液中溶解氧或者空氣在陰極表面通過氧還原反應(yīng)(ORR)連續(xù)產(chǎn)生H2O2, 如反應(yīng)式(1)所示, 溶液中加入的Fe2+與H2O2反應(yīng)生成強(qiáng)氧化劑羥基自由基·OH,同時(shí)得到Fe3+, 如反應(yīng)式(2)所示。溶液中Fe3+在陰極上得到一個(gè)電子被還原成Fe2+, 如反應(yīng)式(3)所示,又Fe2+與H2O2反應(yīng)生成強(qiáng)氧化劑羥基自由基(·OH),使反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行處理有機(jī)污染物。使其氧化分解為CO2、H2O 和無機(jī)離子, 如反應(yīng)式(4)和(5)所示[2]。

圖1 電芬頓反應(yīng)示意圖

2 電芬頓法在工業(yè)廢水處理中應(yīng)用

2.1 印染廢水

印染行業(yè)屬于重污染、高耗能行業(yè)。不僅造成了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染，也消耗了大量的能源。隨著“十三五”進(jìn)程的推進(jìn)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題被提上日程，國家加強(qiáng)印染行業(yè)的環(huán)保監(jiān)管，對印染行業(yè)的水處理工藝提出了更高的要求，制定了更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。印染廢水作為一種較難處理的工業(yè)廢水，有著污染物組分復(fù)雜、污染物濃度高、處理難度大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的處理工藝占地面積較大，基建費(fèi)用較高，處理印染廢水效率偏低。與之相比，電芬頓法能夠產(chǎn)生氧化性較強(qiáng)的羥基自由基，能高效處理難降解有機(jī)物，操作簡單，易于控制，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。劉薇等[3]利用電解槽的電芬頓法探究印染廢水去除率的影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電解電壓為8 V，電解電流密度為40 mA·cm-2，F(xiàn)eSO4濃度為15 mmol·L-1時(shí)，印染廢水的處理效果最好。石申等[4]利用自制的電芬頓反應(yīng)器對進(jìn)行了處理印染廢水的有關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)pH，曝氣量，反應(yīng)時(shí)間等因素均可以對處理效果產(chǎn)生影響。在pH=3，曝氣量為0.1 m3·h-1，反應(yīng)時(shí)間為40 min 的條件下，COD的去除率可以達(dá)到73.5%，處理效果良好。曾旭等[5]采用正交實(shí)驗(yàn)，探究30%H2O2投加量和殼聚糖絮凝劑投加量對COD 去除效果的影響。在30% H2O2投加量為1.5 g·L-1、殼聚糖絮凝劑投加量為3 mg·L-1的條件下，印染廢水的COD 去除率可達(dá)80%以上。杜鵑山等[6]通過在陰極外加活性炭纖維的方式改良電芬頓法。利用這種方法處理印染廢水中的亞甲基藍(lán)，去除率可達(dá)到95%以上。

2.2 垃圾滲濾液

隨著城市面積的增大和人口規(guī)模的不斷擴(kuò)張，我國城市生活垃圾產(chǎn)生量逐年遞增。生活垃圾在堆放和填埋的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的垃圾滲濾液。垃圾滲濾液主要由降雨和地下水進(jìn)入垃圾堆體和垃圾自身含有的水分產(chǎn)生。垃圾滲濾液具有COD 和氨氮的含量較高，總磷含量較低，水量和水質(zhì)波動(dòng)大的特點(diǎn)。若不進(jìn)行無害化處理，極易造成水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。常規(guī)的垃圾滲濾液處理技術(shù)具有處理周期長，設(shè)備的基建和運(yùn)行費(fèi)用高，藥劑易殘留等缺點(diǎn)。電芬頓法作為一種環(huán)境友好型的新型水處理技術(shù)，在室溫條件下，通過外加電場產(chǎn)生羥基自由基或其他氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)。不僅能降解水中的污染物，還能殺滅水中的細(xì)菌。Eyüp Atmaca[7]以鑄鐵為電極，通過改變反應(yīng)條件探究電芬頓法處理垃圾滲濾液的影響因素。在pH=3，外加直流電流3A，H2O2質(zhì)量濃度為2 000 mg·L-1時(shí)，COD 去除率為72%，總磷去除率為87%，氨氮去除率為28%。Zhang H等[8]采用間歇再循環(huán)方式的電芬頓法處理垃圾滲濾液。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電芬頓法能有效去除垃圾滲濾液中的COD。李莉等[9]通過電芬頓法對老齡垃圾滲濾液進(jìn)行處理。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，CODr去除率達(dá)到96.5%。王春霞等[10]采用外加紫外光的電芬頓法處理垃圾滲濾液。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電芬頓反應(yīng)可以明顯改善滲濾液生化性。在最佳的反應(yīng)條件下，TOC 和COD去除率分別達(dá)到78.9%和62.8%。許威等[11]采用改良陰極電芬頓法處理垃圾滲濾液。在pH=4，外加條件14.36 V 的條件下，極板間距1.42 cm 的條件下，COD 的去除率可達(dá)到92.5%。

2.3 苯酚廢水

鋼鐵、化工、印染等重工業(yè)領(lǐng)域成為衡量我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo)。這些行業(yè)產(chǎn)生了大量的難降解的有機(jī)廢水。酚類及其衍生物是工業(yè)廢水中常見的毒性較高而且難被降解的有機(jī)物。在酚類化合物中，以苯酚的毒性最高，因此苯酚廢水被認(rèn)定為優(yōu)先處理對象，受到我國環(huán)境部門的高度重視。苯酚廢水的組成差異較大，因此傳統(tǒng)的處理方法不能徹底地去除廢水的有機(jī)物。電芬頓法產(chǎn)生的氧化性較強(qiáng)的羥基自由基既可以無選擇性地降解有機(jī)物，又能誘導(dǎo)有機(jī)物實(shí)現(xiàn)自身氧化。因此電芬頓法逐漸成為處理苯酚廢水的首選方法。朱慧琳等[12]構(gòu)建電芬頓氧化體系，處理質(zhì)量濃度為50 mg·L-1的苯酚廢水。實(shí)驗(yàn)表明，在溫度為45℃，pH=3，H2O2濃度為5 mmol·L-1的條件下，酚類可實(shí)現(xiàn)完全去除。徐皓[13]采用自制的復(fù)合陽極和陰極的電芬頓法處理苯酚廢水。在pH=3，曝氣速率為0.4 L·min-1，電流密度為10.0 mA·cm-2條件下，總酚和COD 的去除率分別為98.7%和85.6%。徐甲慧等[14]采用以石墨電極為陰極的電芬頓法處理苯酚廢水及煤化工廢水。在鐵碳粒子為催化劑，反應(yīng)時(shí)間為1 h 的條件下，苯酚的去除率可達(dá)100%。何文妍[15]采用電芬頓法對苯酚廢水進(jìn)行氧化降解，在最佳條件下，苯酚的去除率可以達(dá)到74.09%。

3 結(jié)語與展望

本文選取三種典型的工業(yè)廢水采用電芬頓法處理，已經(jīng)驗(yàn)證電芬頓法是一種極具發(fā)展前景的處理技術(shù)，具有操作簡易、反應(yīng)速度快、能耗低、處理效率高等優(yōu)勢。若能將電芬頓法進(jìn)行更為深入的研究與探索，既能改進(jìn)工業(yè)廢水處理方法，又能改善生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。開發(fā)石墨電極、三維電極等新型電極材料，研究新型反應(yīng)器并且優(yōu)化工藝參數(shù)，采用電芬頓法和其他處理工藝的聯(lián)合處理將是電芬頓法未來的研究趨勢。