近年來(lái)，隨著(zhù)生態(tài)文明的建設不斷推進(jìn)以及環(huán)保法規的不斷完善，能源化工行業(yè)對水處理技術(shù)的需求日趨迫切。煤化工廢水往往呈現水質(zhì)成分復雜、高鹽高COD的特點(diǎn)，總溶解性固體(TDS)普遍達10000~100000mg/L，COD普遍達100~5000mg/L。廢水中的有機物成分復雜，其中鹵代烴、多環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物等不僅會(huì )對環(huán)境具有嚴重危害，而且在處理過(guò)程中還會(huì )造成膜污染、結晶純度下降等現象，因此在膜濃縮和蒸發(fā)結晶單元前須將這些有機物去除。
高級氧化技術(shù)(AOPs)是在光、電、催化劑等條件下生成強氧化性的羥基自由基(OH·)，將大分子有機物逐漸分解為的小分子物質(zhì)，有效降低廢水COD含量，具有反應速率快、應用范圍廣的特點(diǎn)。根據反應條件不同，高級氧化技術(shù)主要分為芬頓氧化法、臭氧氧化法、電催化法、光催化法等。
芬頓氧化是利用過(guò)氧化氫(H2O2)在亞鐵離子(Fe2+)的催化作用下生成OH·，從而實(shí)現對有機物的氧化分解。芬頓氧化的工藝簡(jiǎn)單，H2O2和Fe2+廉價(jià)易得，反應生成的Fe3+同時(shí)起到絮凝作用，常被用于處理制藥廢水、印染廢水和垃圾滲濾液。Jia等人利用芬頓氧化處理COD含量為616mg/L的煤化工廢水，COD去除率最高達到69.8%。Yu利用芬頓氧化處理COD含量為1515mg/L的電鍍廢水，COD去除率最高達到89.3%。然而，芬頓氧化在不同條件下的處理效果波動(dòng)較大，需要對pH和加藥量做精確的控制;其反應的同時(shí)會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的污泥，造成二次污染。為了提高反應效率并降低成本，研究者們將光、電、微波、超聲等能量引入芬頓體系中，使COD去除率得到大幅提升。此外，還可通過(guò)將Fe2+負載到固態(tài)催化劑上，避免污泥的產(chǎn)生。
電催化氧化是利用具有催化活性的電極材料進(jìn)行電解反應，電解池陽(yáng)極可將有機物直接氧化，同時(shí)還能生成OH·、ClO-等強氧化劑，釋放到水中，進(jìn)行間接氧化。電催化氧化的反應條件易于控制，無(wú)需添加藥劑，不會(huì )產(chǎn)生二次污染。電催化陽(yáng)極材料的選擇至關(guān)重要，鈦基金屬氧化物電極相較于Pt等貴金屬電極成本較低，同時(shí)具有良好的催化性能和穩定性，還可以通過(guò)摻雜離子或納米顆粒進(jìn)一步改性。此外，研究者們還通過(guò)顆�；蛩樾纪度胨|(zhì)構成三維電極，增加反應面積的同時(shí)縮短電極間距，顯著(zhù)提升反應效率。
本研究課題以某煤化工企業(yè)產(chǎn)生的三段高鹽高COD廢水為處理對象，探究芬頓氧化和電催化氧化的最優(yōu)條件，對兩種技術(shù)的處理效果和經(jīng)濟性進(jìn)行對比，為高級氧化工藝在高鹽高COD廢水中的應用提供可靠參考。
1、實(shí)驗
1.1 水樣水質(zhì)分析
某煤化工企業(yè)采用納濾-反滲透-結晶工藝處理生化池出水，從而實(shí)現廢水的回用和鹽的資源化利用。廢水中的COD是結晶過(guò)程中重要的影響因素之一，當COD濃度過(guò)高時(shí)會(huì )影響水的粘度、鹽溶解度和結晶鹽純度。為了使結晶鹽品質(zhì)達到工業(yè)鹽標準，需在蒸發(fā)結晶前去除廢水中大部分COD。
如表1所示，實(shí)驗原水來(lái)自煤化工廢水處理工藝中的三個(gè)取樣點(diǎn)，隨著(zhù)濃縮倍率增加，COD含量逐級上升。
1.2 藥品和儀器
實(shí)驗藥品：FeSO4·7H2O、30%H2O2溶液、濃H2SO4、NaOH。
實(shí)驗儀器：六連同步電動(dòng)攪拌器、30V直流電源、鈦+釕銥陽(yáng)極電極10cm×10cm、316L不銹鋼陰極電極10cm×10cm、10cm×10cm×5cm電解槽、COD分析儀。
1.3 實(shí)驗方法
(1)芬頓氧化法：取500mL水樣于燒杯中，滴加濃硫酸調節pH(誤差不超過(guò)0.05)，攪拌槳開(kāi)始攪拌，加入一定量的硫酸亞鐵(固狀)，待完全溶解后加入雙氧水，反應一段時(shí)間后停止攪拌，滴加氫氧化鈉溶液調節至pH大于7，攪拌5min使鐵離子完全沉淀，靜置2h(或離心1min)，取上清液測COD。
(2)電催化法：取500mL水樣于電解槽中，插入電極(電極間距5cm)后通電，控制電源為恒流模式，調節電流恒定，每15min取上清液測COD。
2、結果與討論
2.1 芬頓氧化處理高鹽高COD廢水影響因素
2.1.1 H2O2和Fe2+加量與摩爾比
在芬頓氧化過(guò)程中，H2O2和Fe2+的加藥量和摩爾比是影響COD去除率的主要因素。理論上1gCOD完全被氧化需要1gO2，而1molH2O2可生成0.5molO2，據此可計算出H2O2所需用量的理論值。而在實(shí)際反應中Fe2+和自身分解會(huì )額外消耗H2O2，因此H2O2的實(shí)際用量遠大于理論值。Fe2+在溶液中起到催化H2O2生成OH·從而分解有機物的關(guān)鍵作用，但當Fe2+濃度過(guò)高時(shí)，會(huì )導致大量鐵泥的產(chǎn)生，加重二次污染。為探究H2O2投加量的影響，取3號水樣500mL(COD=916mg/L)為原水，滴加硫酸調節至pH=4，固定n(H2O2)：n(Fe2+)=15，分別投加1、2、3、4、5和6mL30%H2O2(對應投加0.164g、0.328g、0.492g、0.656g、0.820g和0.984gFeSO4·7H2O)。反應過(guò)程中，會(huì )迅速生成大量泡沫和棕紅色沉淀，這是由于部分Fe2+被氧化為Fe3+，并水解沉淀。如圖1所示，COD去除率隨H2O2投加量增加而上升，當H2O2投加量達到4mL時(shí)，COD去除率達到31.0%，計算得到去除1gCOD需投加8.45gH2O2。為探究n(H2O2)∶n(Fe2+)的影響，固定FeSO4·7H2O投加量為0.492mg，分別投加1、2、3、4、5和6mL30%H2O2(對應n(H2O2)∶n(Fe2+)為5、10、15、20、25和30)。如圖2所示，COD去除率隨n(H2O2)∶n(Fe2+)的增加先上升后下降，當n(H2O2)∶n(Fe2+)=15時(shí)達到最大值42.8%。
2.1.2 pH
pH是芬頓氧化的另一關(guān)鍵因素。當pH大于2時(shí)，Fe2+開(kāi)始沉淀為Fe(OH)2，對生成OH·具有更高的催化活性。但pH過(guò)高會(huì )使Fe3+開(kāi)始沉淀，芬頓反應終止，逐漸消耗Fe2+。為探究pH的影響，將6組水樣的pH分別調至2、3、4、5、6和7，投加0.492gFeSO4·7H2O和4mLH2O2(n(H2O2)∶n(Fe2+)=15)。如圖3所示，COD去除率隨pH的升高先上升后下降，當pH=5時(shí)達到最大值21.4%。
2.1.3 反應時(shí)間
為探究反應時(shí)間的影響，將水樣調至pH=5，投加0.492gFeSO4·7H2O和4mLH2O2(n(H2O2)∶n(Fe2+)=15)，每0.5h測一次COD。如圖4所示，反應0.5h后COD去除率達到25.8%，反應1h后達到27.3%，之后不再發(fā)生明顯變化。結果表明在最初的0.5h中，芬頓氧化反應快速進(jìn)行，并在1h內完全反應。
為探究最佳反應條件，設計了L9(34)正交實(shí)驗，實(shí)驗條件如表2所示，實(shí)驗結果如表3所示。通過(guò)極差大小的比較，各因素對COD去除率的影響大小依次為pH>n(H2O2)∶n(Fe2+)>H2O2加藥量。綜合考慮芬頓氧化的最優(yōu)條件：n(H2O2)∶n(Fe2+)為5~15，H2O2加藥量為3~5mL，pH為4~5。此外，還測定了反應前后水樣的Fe含量和濁度，結果如表4所示，反應后Fe含量和濁度均有所下降，表明Fe2+和Fe3+完全沉淀，且澄清效果好。
2.2 電催化氧化處理高鹽高COD廢水
2.2.1 電流密度
電催化的電流密度是影響COD去除率的關(guān)鍵因素。電流密度過(guò)小反應速率慢，電流密度過(guò)大則會(huì )增大處理成本。為探究不同電流密度下的電催化氧化效果，取3號水樣分別在電流密度為10mA/cm2、20mA/cm2、30mA/cm2、40mA/cm2和50mA/cm2的條件下進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗過(guò)程中，液體生成大量泡沫，并有刺激性氣體逸出，這是由于部分氯離子在陽(yáng)極被氧化為氯氣(Cl2)。實(shí)驗結果如圖5所示，COD去除率與電流密度的大小呈顯著(zhù)正相關(guān)。在電流密度為10~20mA/cm2的條件下，COD去除率隨時(shí)間緩慢上升，反應60min仍呈上升趨勢。在電流密度為30~40mA/cm2的條件下，反應45min后COD去除率上升速度明顯減緩。在電流密度為50mA/cm2的條件下，反應45min后COD去除率達到99.9%。
2.2.2 pH
水樣的pH影響Cl-在反應過(guò)程中的形態(tài)，從而影響間接氧化的反應效率。為探究pH對反應的影響，取3號水樣分別將pH調至4、5、6、7和8，在電流密度為30mA/cm2的條件下進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗結果如圖6所示，COD去除率隨著(zhù)pH的降低先上升后下降，在pH=5時(shí)達到最大值。這是由于Cl-在陽(yáng)極被氧化生成ClO-，而ClO-在酸性條件下氧化性更強。但當pH過(guò)低時(shí)，ClO-將轉化為氯氣從水中逸出，從而降低反應效率。
2.2.3 水樣和催化劑
為探究不同水樣的電催化氧化效果，分別取1、2和3號水樣在30mA/cm2的電流密度下反應60min。實(shí)驗結果如圖7所示，1號水樣的COD去除率在30min內達到99.9%，這是由于該水樣COD較低，在較短時(shí)間內即可完全反應。2號水樣的COD比3號水樣較低，且Cl-濃度較高，因此COD去除率略高于3號水樣。此外，還將用于臭氧催化氧化的兩種顆粒狀催化劑投入反應槽中，由于該催化劑均為絕緣體，加入反應池后使電極間的電阻增大，在反應過(guò)程中大量放熱，水體溫度顯著(zhù)升高，短時(shí)間內能夠加快反應速率，但對反應無(wú)明顯催化作用，且增加大量能耗。此外，經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(總計約20h)后，3號水樣在電流密度為30mA/cm2條件下的COD去除率由80.4%降至67.8%，電極老化現象顯著(zhù)。
3、兩種高級氧化技術(shù)的對比
如表5所示，通過(guò)兩種高級氧化技術(shù)的對比可以看出，芬頓氧化工藝中廢水需要經(jīng)過(guò)調節、反應、中和、沉淀等步驟，并依次投加多種藥劑，反應條件不易控制，COD去除率有限，酸性條件下對設備腐蝕較為嚴重，且生成大量鐵泥難以利用，作為危廢處理需額外增加成本。電催化氧化工藝僅反應一項步驟，除調節pH所需少量硫酸外無(wú)需投加藥劑，COD去除率可根據出水要求靈活控制，生成氯氣可用于配置消毒劑實(shí)現資源化利用。在處理成本方面，芬頓氧化的處理成本顯著(zhù)低于電催化氧化，且工藝成熟，已實(shí)現大規模工業(yè)應用。而電催化氧化電耗成本較高，且陽(yáng)極電極易腐蝕老化，尚無(wú)大規模工業(yè)應用。
4、結論與討論
(1)芬頓氧化的最優(yōu)n(H2O2)∶n(Fe2+)為5~15，每0.5L廢水的H2O2加藥量為3~5mL，pH為4~5，COD去除率最高達到42.8%。
(2)電催化氧化的最優(yōu)pH為5~6，COD去除率與電流密度的大小呈顯著(zhù)正相關(guān)，最高可達99.9%。
(3)與芬頓氧化相比，電催化氧化具有工藝流程短，消耗藥劑少，COD去除率可調控等優(yōu)點(diǎn)，但電耗成本高，尚無(wú)成熟應用。
(4)針對COD含量高、成分復雜的高鹽廢水，單一的高級氧化技術(shù)很難高效降解有機物。芬頓氧化的技術(shù)成熟度高，處理成本低，但H2O2的利用率低，COD去除率有限，且生成鐵泥難以利用，仍有很大的發(fā)展空間。光-芬頓、電-芬頓等耦合技術(shù)以及非均相復合催化劑的研發(fā)成為芬頓氧化的發(fā)展方向。電催化氧化的操作簡(jiǎn)單、COD去除率高且無(wú)二次污染，但高昂的處理成本使其難以大規模應用，延長(cháng)電極壽命、提高電流效率成為電催化電極的研究方向。（來(lái)源：內蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，北京低碳清潔能源研究院）
