有机废水多功能降解装置的设计及其应用

张琼丹　刘蕖　封享华　刘皓楠　丁世敏　钱西洋

摘要：指出了现有的有机废水降解技术存在技术单一、处理效果不好、原料成本高及操作条件要求高的问题，设计了一种集铁炭微电解与光Fenton技术单用、联用等多种操作模式的有机废水多功能降解装置，并利用该装置对高浓度的榨菜废水进行了降解应用，结果表明：该装置可根据废水的特点灵活选用不同操作方式实现有机废水的有效降解。

关键词：多功能降解；装置；铁炭微电解；光Fenton技术；有机废水

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8004204

1引言

现代城市生活及工厂的生产过程中，会产生大量有机废水，如焦化废水、制药废水、石油化工废水等，废水中COD浓度一般在2000 mg/L以上，对环境水体污染大，且难处理[1～3]。如何有效降低环境废水中的COD浓度，消除水体中的污染，成为社会关注的重大命题。笔者研究了一种既能实现铁炭微电解与光Fenton技术单用，又能实现两者联用的有机废水的多功能降解装置和降解处理方法，来解决现有单独的铁炭微电解技术对污染物的处理速率较慢、对难降解有机污染物的处理效果不好且不能充分利用微电解产生的亚铁离子，以及单独的光Fenton技术原料成本高、操作条件要求也高的缺点[4] ，提高废水降解效率和效果。并对铁炭微电解协同光Fenton技术降解有机榨菜废水效果进行了初步实验探究，为应用该装置控制有机废水提供科学依据与技术支持。

2工作原理与结构设计

2.1降解技术原理

2.1.1铁炭微电解技术

铁炭微电解法是基于电化学中的原电池原理对废水进行处理，成本低，操作简便。电解材料一般采用铸铁屑和活性炭或焦炭，铸铁屑和其周围的炭粉形成原电池，铁与炭在水环境中产生电位差[5，6]。这实际上是内部和外部双重电解的过程，或称之为存在微观和宏观的原电池反应，反应式如下[7]。经微电解产生的新生态H活性较高，与有机废水中的污染物发生氧化还原反应，从而达到降解的效果。但该技术对污染物的处理速率较慢，对难降解有机污染物的处理效果不好且不能充分利用微电解产生的亚铁离子。

陽极：Fe -2e-Fe2+

阴极：2H++2e-2H。

2.1.2高级氧化技术（AOPs）

AOPs技术是产生具有强氧化能力的氢氧自由基（·OH），在高温高压、电、声、光、催化剂等反应条件下，使难降解的大分子有机物氧化为低毒或无毒的小分子物质的方法。能将可生化性差、相对分子质量大的物质直接矿化，提高污染物的可生化性，处理难降解有机物。AOPs技术中应用较多的是一种公认高效降解有机污染物的Fenton技术，其原理是通过Fe2+与H2O2的反应生成·OH，·OH具有强氧化性可实现对有机物的氧化降解。Fenton技术中加入强光激发氧化的技术又称为光Fenton技术，利用光的作用增强体系产生·OH的浓度和速度，从而加快实现有机物的去除[8～10]。反应机理如下[11]，该方法主要适用于酸性条件，由于药剂的使用，造成其原料成本高，操作条件要求高的缺点。

Fe2++H2O2Fe3++OH-+·OH

Fe2++·OHFe3++OH-

Fe3++H2O2Fe2++HO2·+H+

HO2·+H2O2O2+H2O+·OH

RH+·OHR·+Fe2+

R·+Fe3+R++Fe2+

R·+O2ROO+……CO2+H2O。

2.2实验装置设计

本实验装置如图1所示，图中箭头表示流体流动方向。

装置包括废水存放池及放出废水的控制开关K1，铁炭微电解箱，铁炭微电解箱下端安装有废水输送泵B1，以控制废水及回流废水向铁炭微电解箱的输送，铁炭微电解箱的空气进气管上安装有空气流量计和空气泵B2，铁炭微电解箱的上下端连接水位平衡管的两端，铁炭微电解箱上有上侧和下侧两个出水管，上侧出水管上安装有出水控制开关K2，下侧出水管上安装有出水泵B3，经过开关控制后的上侧和下侧出水管汇集为单一出水管，单一出水管通过管道连接pH调节箱、过氧化氢加注箱、FeSO4·7H2O加注箱，并设置相应控制开关K3、K4、K5、K6，其中K3用于控制铁炭微电解箱废水的pH值，K4用于控制铁炭微电解箱出水的pH值，单一出水管一部分围绕光Fenton反应器的光源设置，光源发出的光线能够照射到出水管内，（光）Fenton反应器上设置有控制开关K7，经过（光）Fenton反应器的出水管分别通过管道连接后处理装置和铁炭微电解箱，后处理装置前的出水管设有控制开关K8，循环废水的管道上设置有控制开关K9。控制开关K1～K9及泵B1～B3均连接自动控制器控制面板。

光Fenton反应器包括一个整体竖向设置且两端封闭的圆筒形的壳体，壳体内腔体积和铁炭微电解箱内腔体积匹配，反应器的光源上端固定在壳体上端中间位置且下端竖向延伸至壳体内腔靠近底部位置，壳体下端和单一出水管道前端连通，壳体上端连接出水管。

3操作模式

本装置将铁炭微电解与（光）Fenton技术联用，能够实现有机废水的单独铁炭微电解批式处理、单独的铁炭微电解连续处理、单独的Fenton或光Fenton批式处理、单独的Fenton或光Fenton连续处理、铁炭微电解和（光）Fenton技术联用分段批式处理、铁炭微电解和（光）Fenton技术联用连续处理、铁炭微电解和（光）Fenton技术联用循环批式处理等多种废水处理的功能。

3.1单独的铁炭微电解批式处理模式

（1）开启图1中K1、B1直至铁炭微电解箱装满废水，然后关闭K1、B1。

（2）开启K3调节pH值。

（3）关闭K3，开启B2，其余开关和泵关闭，运行一段时间。

（4）关闭B2，打开K8、B3，输出处理后的废水至后处理装置。

這样可以将图1中的装置改为单独的铁炭微电解批式处理装置，实现单独的铁炭微电解批式处理废水的操作。

3.2单独的铁炭微电解连续处理模式

开启图1中K1、K2、K3、K8、K9（部分回流），开启并调节B1、B2控制流速，其余开关和泵关闭，就可以将图1中的装置改为单独的铁炭微电解连续处理装置，实现单独的铁炭微电解连续处理废水的操作。

3.3单独的Fenton或光Fenton批式处理模式

（1）在铁炭微电解箱中不添加铁碳的情况下，开启图1中K1、B1、B3、其余开关和泵关闭，使（光）Fenton反应器出水管中充满待处理废水。

（2）关闭K1、B1、B3，开启K4、K5、K6调节pH值和Fenton试剂用量，运行一段时间，此为Fenton批式处理；若在该步同时开启光源K7，即为光Fenton批式处理。

（3）关闭已打开的K4、K5、K6、K7，开启K8、B3，排出处理后的废水至后处理装置。

这就将图1中的装置改为单独的Fenton或光Fenton批式处理装置，实现单独的Fenton或光Fenton批式处理废水的操作。

3.4单独的Fenton或光Fenton连续处理模式

在铁炭微电解箱中不添加铁碳的情况下，开启K1、K2、K4、K5、K6、K8、K9（部分回流）、B1、B2、（若用光Fenton 则同时开启光源K7）、其余开关和泵关闭。就可以将图1中的装置改为单独的Fenton或光Fenton连续处理装置，实现单独的光Fenton连续处理废水的操作。

3.5铁炭微电解和Fenton技术，或铁炭微电解和光Fenton技术联用分段批式处理操作模式

（1）开启图1中K1、K3、B1，其余开关和泵关闭，使废水充满铁炭微电解箱。

（2）关闭K1、K3、B1，打开B2运行一段时间。

（3）关闭B2，打开B3、K8，将铁炭微电解箱中废水输至Fenton反应器中。

（4）关闭B3，开启K4、K5、K6、（若用光Fenton 则同时开启光源K7），运行一段时间。

（5）关闭K4、K5、K6、（K7），开启B3，排出处理后的废水至后处理装置。

这样可将图1中的装置改为铁炭微电解和（光）Fenton技术联用分段批式处理装置，实现铁炭微电解和（光）Fenton技术联用分段批式处理废水的操作。

3.6铁炭微电解和Fenton技术，或铁炭微电解和光Fenton技术联用循环批式处理操作模式

（1）开启图1中K1、K2、K3、K5、K6、（K7）、K9、B1，其余开关和泵关闭，使废水充满铁炭微电解箱及整个管道回路。

（2）关闭K1，打开B2运行一段时间。

（3）关闭B2、K2、K3、K5、K6、（K7）、K9、打开K8、B3，排出处理后废水至后处理装置。

这样可将图1中的装置改为铁炭微电解和（光）Fenton技术联用循环批式处理装置，实现铁炭微电解和（光）Fenton技术联用循环批式处理废水的操作。

3.7铁炭微电解和Fenton技术，或铁炭微电解和光Fenton技术联用连续处理模式

开启图1中K1、K2、K3、K5、K6、（K7）、K8、K9（部分回流）、B1、B2，其余开关和泵关闭，就可以将图1中的装置改为铁炭微电解和（光）Fenton技术联用连续处理装置，实现铁炭微电解和（光）Fenton技术联用连续处理废水的操作。

4降解装置的应用

为验证有机废水多功能降解装置对有机废水的降解效果，直接采用对高浓度榨菜废水的处理实验来验证此降解装置和降解技术的优点。以废水中COD的去除率作为指标来检验此装置对废水的处理效果。

取某榨菜厂的综合性排出废水作为水样，测定pH值、COD等各项指标后，加入硫酸使水样pH值为2左右，置于4℃下保存。取某机械加工厂的铁屑，用15%氢氧化钠溶液浸泡40 min除去铁屑表面的油污，用5%稀盐酸浸泡40 min除去铁屑表面的氧化物，再用蒸馏水冲洗干净，烘干待用。炭粒采用圆柱型颗粒活性炭，使用前必须用实验的废水浸泡24 h左右，让活性炭的吸附达到饱和，以消除活性炭的吸附作用对铁炭微电解的降解作用的影响。

实验条件：空气流量为100 L/h，光强为50000 lx；铁炭微电解∶铁炭体积比为1∶1；光Fenton技术反应：pH=3.0，H2O2投加量为3.5mL，亚铁离子浓度为70 mmol/L。榨菜废水在进入废水水箱前先用氧化钙（700 mg/L）和聚丙烯酰胺PAM（0.1%）进行混凝处理。

经过多种模式处理实验，结果表明，单独的铁炭微电解批式处理模式下，90 min的降解时间，榨菜废水的 COD 的去除率达到38.73 %，增加时间，去除率略有升高。单独的光Fenton批式处理模式下，120 min 的降解时间， COD去除率达到58.08%，增加处理时间，去除率增加不明显。铁炭微电解和光Fenton技术联用分段批式处理操作模式下，处理时间150 min，COD的去除率达到83.10 %，增加光Fenton处理时间，去除优率可达88.15%。铁炭微电解和光Fenton技术联用循环批式处理操作模式下，循环处理时间150 min，COD的去除率达到85.10 %，增加处理时间，去除率可达92.25%。

从上述数据可以看出，单纯的混凝、铁炭微电解和光Fenton对榨菜废水的处理都有一定的效果，但是将铁炭微电解和光Fenton技术联用后处理的效果最佳。

5发展与展望

本降解装置在实际操作中，可通过改变操作条件，如改变空气流量、光照强度、铁炭比例、pH值的大小、H2O2投加量、亚铁盐投加量等提高废水的降解率，且此装置中铁炭微电解和光Fenton技术联用对有机废水COD的去除效果最佳，将来，该联用技术会愈益普遍用于处理有机废水。同时可以看出该处理装置不仅适用于榨菜废水，还适用于一些高浓度有机物的废水，且可对被测废水进行单一或联用模式的处理。

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