【芬顿高级氧化技术在污水处理技术中的应用9200字（论文）】

芬顿高级氧化技术在污水处理技术中的应用摘要随着城市进程的逐步加速，人们的生活质量不断提高，人口增加，需要大量的水资源。目前中国的水资源已经扩大，现在中国的水资源短缺400亿立方米，年干旱面积200万〜260万平方公里，全国有700万人饮水困难。面对缺水，水循环可以有效缓解这个问题。城市污水深度处理是水资源循环利用中最有效的一部分。城市污水处理的深度是通过物理，化学和生物学方法将人类污水排放到国家标准过程。城市污水处理，同时确保水循环，提高水资源的质量和纯度。水资源天然自然，有利于生态平衡和自然流通。本实验主要基于动态实验，静态单因素试验和理论工程应用，辅以定性分析和定量分析。通过一系列水质检测分析，室内模拟试验，动态对比研究等方法，探索最佳水处理工艺和净化机理，为工程应用提供科技指导。关键词：芬顿；生物活性炭；处理；生活污水AbstractWiththegradualaccelerationoftheurbanprocess,people'squalityoflifecontinuestoincrease,thepopulationincrease,theneedforalotofwaterresources.Atpresent,China'swaterresourceshavebeenwidened,andnowChina'swatershortageof40billioncubicmeters,theannualdroughtareaof2millionto2.6millionsquarekilometers,thecountryhas7millionpeopledrinkingwater.Thefaceofwatershortages,watercyclecaneffectivelyalleviatethisproblem.Thedeeptreatmentofurbansewageisthemosteffectivepartofwaterresourcesrecycling.Thedepthofurbansewagetreatmentisthroughthephysical,chemicalandbiologicalmethodstodischargehumansewagetothenationalstandardprocess.Urbansewagetreatment,whileensuringthewatercycle,improvethequalityandpurityofwaterresources.Waterresourcesnaturalandnatural,isconducivetoecologicalbalanceandnaturalcirculation.Thisexperimentismainlybasedondynamicexperiment,staticsinglefactortestandtheoreticalengineeringapplication,supplementedbyqualitativeanalysisandquantitativeanalysis.Throughaseriesofwaterqualitytestingandanalysis,indoorsimulationtest,dynamiccontrastresearchandothermethodstoexplorethebestwatertreatmentprocessandpurificationmechanismforengineeringapplicationstoprovidescientificandtechnicalguidance.Keywords:Fenton;Biologicalactivatedcarbon;Deal;Domesticsewage目录1引言 芬顿-生物活性炭处理生活污水研究1引言水是人类生活和生产不可缺少的资源，是人类最宝贵的财富。它是世界上的氢和氧的组成，生命进化的最纯净的物质起着最重要的作用。随着工业化的进程，水中的水满足了自身的需要，水资源的破坏和滥用也开始了。据“住房和城乡建设部2015”数据显示，中国城市供水总量近500亿立方米，城市污水排放量为360亿立方米。近年来，随着城市化进程的加快，大量未经处理或未经处理的城市污水直接排入江河湖泊，造成水污染。据统计，中国目前的城市污水排放量增加了平均5%的年增长率，在1999首次超过工业废水排放量，已成为一个主要源河流水污染。因此，生活污水的管理成为当务之急。城市污水深度处理技术的发展和应用，对中水回用的发展具有重要意义。经过深水处理后，可以再次回到城市，用于人类生活、生产、节约水资源。人类生产、生活改变的先进废水处理技术。目前的处理技术已经能够满足饮用水处理后的标准，但人类不能克服饮用水的心理障碍。要想重复利用城市污水作为饮用水的深度处理，大部分的水处理工作者还有很长的路要走。2生活污水处理的方法城市污水处理的深度不等于污水三级处理，三级处理只能在二次处理后进行，提高水质的过程。深度处理是根据水处理水平，无论是几个处理过程，只要水质较好的深度处理。吸附法、化学沉淀法、高级氧化法、生物法和人工湿地法可作为城市污水深度的处理工艺。本节重点介绍吸附方法，先进的氧化和生物学方法进行诱导分析。2.1吸附法吸附法是利用吸附剂巨大的表面积和吸附吸附物对吸附表面的吸附过程。吸附剂的孔隙率和比表面积决定了吸附剂的吸附性能。吸附剂的孔隙率差别很大，比表面积也很大。因此，同一吸附剂的外观看起来像吸附性能相差很远。现在越来越多的吸附剂是膨润土，飞灰，绿坡缕石，沸石，钢渣，矿渣，火山岩等材料，原来的吸附剂的修改和处理，高效吸附剂的使用也比较普遍。活性炭作为一种优良的吸附剂，由于其独特的孔结构和表面活性官能团，化学稳定性好，耐酸碱，能承受高温、高压水等，人们在水处理中发挥着越来越重要的作用。然而，活性炭的存在对吸附具有较高的灵敏度和较高的再生成本。因此，微生物降解微生物的作用和活性炭对废水的吸附处理，即生物活性炭法。它包括生物降解和活性炭吸附过程，不仅延长了活性炭的吸附时间，而且提高了活性炭的吸附效果。这已被广泛关注。目前，世界上许多国家都采用了这项新技术，尤其是欧美。公司在中国使用的技术，如北京毛纺厂，采用生物活性炭处理染料废水。吸附方式能耗低，操作方便，操作灵活等优点。活性炭是污水处理中最常见的吸附剂。该方法可有效去除水中的COD和UV254，地下水补给水质标准。加氯消毒的城市污水处理厂尾水，有各种有机氯化物。尾水中有机氯化物活性炭污水处理厂深度处理，粉状活性炭在天然尾水pH范围内具有较高的吸附能力。废水处理氨氮，经过两次处理，即使有些不能满足排放标准，二次氨吸附法的先进处理，一些国家已经应用实践。张青东认为，吸附法是低浓度氨氮废水中的悬浮固体浓度，和之前的吸附去除，排除其他因素。刘乔在合肥两个污水处理厂检测磷，发现磷含量很少达标排放标准。沸石A在合肥的制备，污水处理厂，两个污水处理磷处理深度，沸石磷吸附效果好，可以达到中国污水排放标准。2.2生物法废水中含有大量的无机污染物（如氨氮、磷、重金属离子等）和有机污染物（如COD、BOD、等），这些污染物的微生物，以维持其生理需要，营养物质的摄入。生物方法是利用大量的微生物甚至过量摄入这些营养物质，这些污染物在它们的消费或储存中，从而达到去除水中污染物的目的。2.3活性污泥法活性污泥法是一种基于活性污泥的污水生物处理技术。该法于20世纪90年代初在曼彻斯特市实施，目前国内大部分城市污水处理厂均采用活性污泥生物处理技术。经过近100年的探索和研究，活性污泥法也用于生产各种不同的操作模式的特点，在水处理位置活性污泥的增长。2.4氧化法在北京某水厂采用传统的活性污泥法，沿池内均匀推进曝气。该方法可达到90%以上BOD去除率，并能达到较高的处理水质和明显的脱氮除磷。缺点是法律占地大，不经济。根据传统活性污泥法的原理，氧化是几种活性污泥法。与传统活性污泥法相比，氧化法较传统活性污泥法能更快地提高微生物的生长速率。该方法在国内外发展迅速。吸附生物降解法结合传统的两段活性污泥法和高负荷活性污泥法的优点，是分为两个独立的系统，A和B的方法具有抵抗负荷和pH法可以分阶段为了减轻财政负担能力的变化。SBR工艺是间歇式活性污泥法在反应罐中进行水、曝气、反应、沉淀和排水的过程。该方法简单，易于操作。这是一种广泛使用的污水处理方法。然而，活性污泥法是不适合低浓度废水。臭氧生物活性炭的成功应用为水处理研究提供了更多的研究空间，并产生了各种先进的氧化、高效吸附和生物膜组合水处理工艺。该方法具有CODCr去除率高的优点，NH3-N和TP，可用于城市二级污水深度处理。本发明可以解决用双氧水难以制备臭氧的问题，操作更简单。基于臭氧的生物沸石是基于对臭氧-活性炭工艺的深入了解。臭氧生物沸石比臭氧生物活性炭更经济，处理的目标产品不同于臭氧生物活性炭。臭氧生物沸石对水中COD，NH3-N，TP和铁锰去除的影响可以通过富含水中的富营养化和微量污染的金属离子进行有效的处理。3.芬顿高级氧化技术在污水处理技术中的应用3.1芬顿氧化技术机理1894、H.J.H.神经发现使用两价铁和过氧化氢（即芬顿试剂）处理废水和污水中各种有机污染物的氧化。芬顿试剂的强氧化性有效地破坏了有机分子结构，反应过程主要是由于亚铁离子可以催化过氧化氢反应生成强氧化的OH基，三价铁离子具有催化作用，可以催化反应产生强氧化官能团，这些官能团对于有毒物质较难处理，可以达到较好的处理效果。Fe2++H2O2OH-→+OH+Fe3+（1）Fe3++H2O2→Fe-OOH2++H+（2）.OH+H2O2→HO2-+H2O（3）Fe2++H2O→Fe-OOH2+（4）Fe3++O2-→Fe2+O2（5）.OH+HO2→H2O+O2（6）.OH+O2→OH-+O2（7）.OH-+OH→H2O2（8）3.2芬顿氧化技术在污水处理中的应用通过回顾文献，发现芬顿氧化技术广泛应用于生活污水处理。李长军等研究芬顿试剂和活性炭对生活污水的处理，通过改变反应温度，时间，芬顿试剂用量和污水对反应的影响，活性炭吸附过程研究活性炭用量和废水价值等因素。实验结果表明，两种方法的结合对生活污水处理有显着影响，反映了水污染指标颜色，氨氮和COD去除率均在80％甚至90％以上。谢诚等主要研究使用芬顿法对生活污水进行预处理，测量了水污染指标和原水进行比较分析，结果表明：芬顿氧化法可有效去除生活污水中有毒物质如挥发酚和化学需氧量，一些复杂的大分子复合物在功能基团的强氧化下可生物降解处理的中间产物，其次是生物学方法继续清洗。刘浦等第二沉淀池前用芬顿氧化法进行预处理，然后用凝结沉淀深度净化，通过改变芬顿试剂，凝结剂使用量，混合时间和废水pH值对H2O2的用量，采用芬顿试剂氧化-凝结沉淀法研究了Fe2+/H2O2（物质比），PFS（硫酸铁聚合）对焦化废水和生化处理的影响。时间到化学需氧量和消除有机碳的结果，按照实际要求调整适当的试验参数和COD去除效果，并确定适当的反应条件。研究表明，去除污染物符合国家废水排放标准。3.3芬顿氧化技术存在的问题虽然芬顿氧化可以有效去除水中的有机物，但存在一些问题：首先，因为芬顿反应必须在酸性环境和高酸性环境下进行，值越高，调节pH值越高，实际成本。另一点是芬顿在反应结束后，水中仍然存在较高浓度的铁离子需要进一步去除，实际使用成本高。因此，芬顿氧化深度处理技术更适合低浓度污染物，污染水质较差。鉴于上述情况，使用芬顿试剂预处理污水后，使用活性炭继续吸附其余污染物在水中，不仅可以去除水中的污染物，还可以将芬顿氧化过程中过量的铁离子也吸出了。而活性炭也可以增加羟基周围的有机物的浓度，去除水中的污染物质。因此，本文决定研究芬顿与活性炭处理生活污水技术方案的结合，达到理想的治疗效果。4芬顿试剂处理生活污水的研究4.1Fenton试剂最佳反应条件的确定4.1.1反应温度对COD去除率的影响Fe2+的用量为64mgFe2+/L废水，H2O2为300mgH2O2/L反应体系的初始pH值为5，反应时间设定为90min。芬顿试剂降解COD实际上是化学反应过程。对于一般的化学反应，反应物分子的动能增加，反应速率随反应温度的增加而增加。然而，对于一个复杂的化学反应体系，温度的升高不仅会加速主反应或正反应的速度，而且还会加速副作用或不良反应。芬顿试剂对反应温度和COD降解的影响如图4.1所示。在低温阶段，芬顿试剂在一段时间内对COD的降解率有积极的影响。然而，当温度超过70℃时，升温不利于COD的降解。对于芬顿系统，适当的温度可以加速反应，激活自由基，过高的温度会迅速分解与H2O2和失去芬顿氧化。图4.1反应温度对COD去除率的影响较高的温度对去除有机物非常有利，但对于实际的污水处理，温度不容易达到，所以这个实验将在30摄氏度或摄氏20度的温度下使用。4.1.2初始pH值对COD去除率的影响反应温度为30℃，H2反应温度为30℃，H2O2用量为300mgH2O2/L废水，Fe2+用量为64mgFe2+/L废水，反应时间设定为90min。芬顿试剂在酸性条件下是有活性的。在中性或碱性条件下，Fe2+不能催化H2O2产生•OH，因为Fe2+在溶液中水解：Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+(9)通过影响溶液中Fe2+的存在，PH值影响芬顿试剂的氧化降解。pH对COD去除的影响如图4.2所示。可以看出，在pH4左右，芬顿试剂的COD去除率最高。根据经典的芬顿试剂反应理论，pH值的增加不仅抑制了OH的产生，而且还使一些Fe2+和Fe3+以氢氧化物的形式沉淀，并丧失了催化能力。当pH值太低时，Fe3+不能成功还原成Fe2+，催化反应也被阻断。因此，pH值实际上受Fe2+，Fe3+复合平衡体系的影响，从而影响芬顿试剂氧化COD的能力。图4.2pH值对COD去除率的影响但研究发现，即使初始系统pH值为7，反应时间一定，反应体系发现pH值下降，这与Fe2+的水解有关。在H2O2氧化后，Fe3+的水解可以降低Fe3+形成后的pH值。使用铁离子来降低pH值的水解，可以减少酸的用量，具有非常重要的经济意义。尽管最佳初始pH为4，但考虑到铁离子的水解，最适pH为5。此外，实验观察发现，在反应过程中，导致大量絮凝沉淀，pH值越高，沉淀越多，当pH值降至2时，降水基本全部消失。这与铁离子的絮凝有关。4.1.3反应时间对COD去除率的影响反应温度为30℃，Fe2+为64mgFe2+/L废水，H2O2用量为300mgH2O2/L废水，反应体系初始pH值为5.芬顿氧化为化学反应过程中，反应时间和温度互补，会影响化学反应的程度。反应时间对芬顿试剂COD降解率的影响如图1所示。90分钟前COD去除率逐渐升高，基本呈线性关系；90分钟后，COD去除率提高，速度和振幅相对较小。一段时间后，大部分H2O2被消耗，OH产生量减少。同时可以生产难以被OH氧化的中间体，这使得难以进一步提高COD去除率。如果COD进一步降解，则必须通过改变反应条件，引入催化剂或其它效果来实现。图4.3反应时间对COD去除率的影响通过上述实验，使用芬顿试剂处理生活污水的二次污水。当Fe2+用量为64mgFe2+/L废水时，H2O2的用量为300mgH2O2/L废水，反应体系的初始pH值为5，反应时间为30℃时90min，COD去除率可达50％。4.1.4Fe2+投加量对COD去除率的影响反应温度为30℃，H2O2用量为300mgH2O2/L废水，反应体系的初始pH值为5，反应时间设定为90min。•OH是芬顿系统中有机物氧化降解的关键，Fe2+是催化OH形成的必要条件。在没有Fe2+的情况下，H2O2难以分解生成OH；当Fe2+浓度低时，氧化速度极慢，生产量非常低。芬顿试剂的氧化有限。当Fe2+过量时，H2O2迅速氧化成Fe3+，同时消耗，增加了水的颜色。去除率没有增加。从图3-4可以看出，当Fe2+的用量约为64mgFe2+/L废水时，芬顿试剂的COD去除率最高。此外，随着Fe2+用量的增加，反应体系和流出物的p值和H值也降低，这是由Fe2+和Fe3+的水解引起的。由于NaOH的价格远远高于Fe2+的价格，如果Fe2+的用量增加可以降低反应体系的pH值，并确保一定的COD去除率，则可以节省添加NaOH大大降低污水处理成本。图4.4Fe2+投加量对COD去除率的影响4.1.5H2O2投加量对COD去除率的影响使用芬顿试剂处理废水的有效性和经济性主要由加入过氧化氢的量决定。在实验开始时，通过理论计算没有经验来粗略地确定剂量。H2O2分子在真实氧化中只有一个O原子，而废水CODcr相当量的H2O2（H2O2的理论当量E）可以由（10）计算。通常实际使用量比理论量多得多，但我们可以先估计一个范围。E=×（10）反应温度为30℃，Fe2+用量为64mgFe2+/L废水，反应体系的初始pH值为5，反应时间设定为90min。H2O2给药对COD去除的影响如图4.5所示。随着H2O2用量的增加，COD去除率先增加后基本不变，略有下降。当H2O2浓度低时，产生的OH量随其用量的增加而增加，Fenton试剂的氧化降解能力提高。当H2O2处于高浓度时，过量的H2O2不能使Fenton反应。体系产生大量的OH，但一开始它被快速氧化成Fe2+（κ2=53L（mol·s）-1）。氧化反应在Fe3+的氧化下进行，其消耗了H2O2，OH的产生降低了Fenton系统的氧化降解。同时，在一定程度上减少过量H2O2也会影响污水的COD值。最佳H2O2用量为300mg/L废水。图4.5H2O2投加量对COD去除率的影响4.2Fenton-活性炭最佳反应条件的确定根据以前的研究，可以看出，单独的芬顿试剂对废水进行氧化，最高COD去除率为67.8％，处理COD为74mg/L，《污水综合排放标准》（GB8978-1996））二级标准反应条件如下：pH值为5，H2O2用量为300mgH2O2/L废水，Fe2+用量为64mgFe2+/L废水，30℃反应5小时（或70℃以上）1.5小时）。芬顿试剂最大化氧化作用，pH值和温度等外部条件是必需的，部分酸度和适当的高温有利于芬顿试剂的降解。但是，在实际的废水处理过程中，难以改变废水的温度，因为污水处理成本过高;由于停留时间直接决定了废水处理设施的尺寸，所以也不太可能使用更长的反应时间。我们希望在芬顿试剂的情况下确保污染物的降解率在这种情况下，反应可以在温和的条件下进行，而越短越好，也就是在不利条件下可能会污染物的降解。然而，在常温条件下，即在20℃下，pH值为5，H2O2的用量为300mgH2O2/L废水，Fe2+的用量为64mgFe2+/L废水，COD废水反应2h后为133mg/L，去除率约42％。不符合《污水综合排放标准》（GB8978-1996）的主要排放标准。因此，后者主要研究将其他催化剂引入芬顿系统，或与其他技术相结合，在不利条件下将污染物降解到一定程度。活性炭具有很多优点，在废水处理的深度方面受到众多专家学者的青睐。在芬顿试剂反应体系中，引入粉状活性炭，可用作催化剂进行氧化反应，还可通过吸附除去部分COD，还可增强Fe3+的絮凝。4.2.1同时进行活性炭吸附和Fenton试剂氧化反应开始时，投入活性炭和芬顿试剂，使吸附和氧化同时，充分利用活性炭吸附，催化作用。pH值为7，Fe2+用量为80mgFe2+/L废水，H2O2用量为180,300,420mgH2O2/L废水，一定量粉末活性炭为50mg/L，100mg/L，150mg/L，200mg/L，250mg/L，300mg/L，反应在20℃的温度下进行2小时。测量水中的COD，结果如图4.6所示。图4.6活性炭投加量对COD去除率的影响(同时氧化吸附)总体而言，这种COD去除率高于前两种方式。当H2O2的用量为180mgH2O2/L废水时，活性炭的添加量为150mg/L，废水中的COD可降至79mg/L，去除率为65.8％。当H2O2的用量为300mgH2O2/L时，活性炭用量为50mg/L，废水中的COD可降至72mg/L，去除率为68.5％，符合《污水综合排放标准》排放标准。此外，随着活性炭用量的增加，COD去除率也提高。在这样一个复杂的反应体系中，芬顿试剂可以产生以下两个方面的作用：①氧化作用这种氧化从反应开始到结束都会持续，但随着反应的进行，有机物的浓度降低，氧化速率降低。氧化将一些有机物氧化成水和二氧化碳，或将一些大分子分解成小分子。②絮凝作用在反应过程中，部分Fe2+被氧化成Fe3+。Fe3+可以形成单体Fe（OH）2+，Fe（OH）2+和多核成分Fe2（OH）24+，Fe3（OH）45+等复合物或复合物，使Fe（OH）3沉淀。这些物质可以使剩余的大分子胶体材料凝结并沉淀在废水中。活性炭有以下四方面的作用：①吸附作用活性炭使用其各种孔，特别是微孔，在废水中产生有机物质的物理吸附。②催化作用据报道，活性炭对芬顿试剂的氧化具有催化作用。③载体作用提供Fenton试剂的氧化载体，类似于生物膜过程中的填料。④助凝作用我们已经提到，凝结效应受到水中悬浮固体浓度的影响。添加粉末状活性炭可增加凝结水解液的凝固中心，提高颗粒碰撞的可能性，增加絮体密度。芬顿试剂和活性炭同时添加到废水中，这些效应将同时发生，比批量给药更强。如果废水中的大部分大分子被氧化成小分子物质，则必须削弱Fe3+的凝结。如果首先吸附再氧化，废水中有机物的浓度会降低，这将不可避免地影响氧化速率。还会削弱Fe3+的凝血作用。综合比较，采用同时氧化，吸附法不仅对COD具有良好的去除效果，而且可以节省剂量的用量。由于这些条件下COD去除率相对较高，我们希望缩短污水处理设施规模的时间。（30分钟，40分钟，60分钟，80分钟，100分钟，130分钟）；30分钟，40分钟，80分钟，100分钟，130分钟，其中），然后加入一定量的活性炭50mg/L，100mg/L测量COD在水中，结果如图4.7所示。活性炭COD去除率为50mg/L，反应时间为120min时COD去除率为68.5％。如果活性炭用量增加到100mg/L，80分钟COD去除率可达62.7％，综合排放标准“排放标准”可以看出，活性炭的增加量可以减小废水处理设施，但由于活性炭成本高，运营成本将会上升，最终应以废水的具体规模为依据，经济比较可能是对于特别紧张的土地的工厂通过增加活性炭的数量可以减少污水处理设施的规模，对于土地资源相对较丰富的工厂，可以增加处理设施的规模，减少活性炭用量，节约运营成本。图4.7反应时间对COD去除率的影响(先氧化再吸附)4.2.2单纯活性炭吸附对废水的处理我们知道活性炭具有很强的吸附效果，广泛应用于水处理，只有其吸附常常能够满足要求。为了说明芬顿试剂和活性炭的组合效果优于芬顿试剂或单独的活性炭，实施了活性炭吸附实验。添加0.1g/L，0.2g/L，0.3g/L，0.5g/L，0.8g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L活性炭等相同量的废水，反应30分钟后过滤，测定COD的COD值，结果如图4.8所示。对于相同量的废水，当活性炭用量达到1.5g/L时，COD去除率可以达到65％，但当芬顿试剂和活性炭组合使用时，活性炭用量为0.1g/L，80mgFe2+/L废水，H2O2用量为300mgH2O2/L废水，反应100min，COD去除率可达63％，故芬顿试剂与活性炭结合药物用量的优点简单活性炭吸附不能比较，但组合使用的反应时间较长。图4.8活性炭吸附实验图4.9氧化、吸附作用的对比芬顿试剂和活性炭的组合并不是它们的氧化和吸附的简单组合，也就是说，去除COD不是简单的添加氧化和吸附去除速率，如图4.9所示。将芬顿试剂废水添加到活性炭处理废水的COD去除率和COD去除率与组合处理废水进行比较。前者比后者小，这表明芬顿试剂和活性炭联合过程中，不仅氧化和吸附简单加成，它们相互促进和影响，使COD的去除更加明显，而且还表明反应体系中，除了Fenton试剂的氧化和活性炭吸附外，还有一些其他的影响（如絮凝）。结论(1)研究了各种反应条件对工业废水二次污水COD去除率的影响。最佳反应条件如下：pH值为5，Fe2+用量为64mgFe2+/L废水，300mgH2O2/L污水量，反应温度为70℃，反应时间为2h。如在实际污水处理过程中，改变污水温度的成本太高，使用不方便，所以主要研究在30℃。当初始pH值为5时，Fe2+的用量为64mgFe2+/L废水，H2O2的用量为300mgH2O2/L废水。当反应温度为30℃时，COD去除率为50％，出水COD为约140mg/L，但不符合《污水综合排放标准》排放标准。(2)在芬顿试剂反应体系中，引入活性炭，将反应条件控制在室温。废水的p值未调整。添加F