杜 虎,韋 葉
(1.南京大學(xué)鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院,江蘇 鹽城 224000;2.鹽城工學(xué)院,江蘇 鹽城 224000)
化工廢水毒性大、難降解化合物含量高,直接生化處理一般很難達(dá)標(biāo),需要進(jìn)一步深度處理。常用的深度處理方法主要有活性炭吸附[2]、膜分離[3]、高級(jí)氧化法[4]等。其中,高級(jí)氧化法包括芬頓氧化、臭氧氧化、二氧化氯氧化等[5]。芬頓氧化法對(duì)大部分有機(jī)污染物具有較好的處理效果,但是該法對(duì)工藝條件要求比較嚴(yán)苛,而且會(huì)產(chǎn)生大量污泥,限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用[6]。二氧化氯氧化法主要用于生活尾水的末端處理,在化工廢水生化尾水處理中應(yīng)用較少。臭氧處理工藝具有操作簡單、氧化效率高、脫色效果好、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),受到國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注,但臭氧氧化具有高選擇性,很難徹底去除水中的TOC和COD,導(dǎo)致臭氧利用率不高,運(yùn)行成本增加[7]。
近年來,人們對(duì)臭氧高級(jí)氧化(AOP)技術(shù)進(jìn)行了大量研究,如活性炭/O3、Mn2+/O3、UV-O3、H2O2/O3、多相催化臭氧氧化等[8]。FeOOH 是環(huán)境處理領(lǐng)域常用的綠色吸附劑和離子交換材料,研究表明,F(xiàn)eOOH/O3工藝可以促進(jìn)羥基自由基的產(chǎn)生[9]。本文將進(jìn)一步考察FeOOH 催化H2O2/O3氧化處理化工廢水生化尾水的效果,為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)用水取自江蘇某化工園區(qū)化工綜合廢水二級(jí)生化尾水,水樣初始COD 為160~180 mg/L,TOC 為35.76 mg/L,UV254為1.520 g·cm-1。
參照文獻(xiàn)方法,將30 mL 飽和Na2CO3溶液滴加至新鮮配制的110 mL 0.3 mol/L 的FeSO4溶液中,隨后加入10 mL 0.015 mol/L 的EDTA,通氧(1 L/min)30 min,溫度控制在20 ℃左右,沉降30 min。將沉淀過濾,并洗滌至無雜質(zhì)離子且溶液為中性,于30 ℃真空烘箱干燥24 h,研磨成細(xì)小粉末,過200 目篩備用,取烘干后的粉末樣品,采用XRD 進(jìn)行表征[10]。
取一定體積的水樣加入到反應(yīng)器中,調(diào)節(jié)水樣pH,同時(shí)投加一定量的催化劑FeOOH 和H2O2,開啟臭氧發(fā)生器,控制臭氧產(chǎn)生量為5 mg/min,每隔一定時(shí)間取樣分析TOC 剩余濃度。
臭氧產(chǎn)生量測(cè)定采用碘量法,TOC 濃度測(cè)定采用美國OATOC 測(cè)定儀,樣品表征采用XRD 分析儀。
實(shí)驗(yàn)制備的固體粉末XRD 圖見圖1。實(shí)驗(yàn)得到的物相為纖鐵礦、氫氧化鐵的混合物,晶型為正交晶系并結(jié)晶成γ 相,為γ-FeOOH,與文獻(xiàn)所得樣品一致。
圖1 實(shí)驗(yàn)制備的催化劑XRD 圖
改變催化劑的投加量,分別為0.5 g/L、1 g/L、1.5 g/L、2 g/L,H2O2為300 mg/L,開啟臭氧發(fā)生裝置,反應(yīng)60 min,反應(yīng)結(jié)束后去上清液測(cè)定TOC濃度,結(jié)果如圖2 所示。
圖2 γ-FeOOH 投加量對(duì)TOC 去除率的影響
如圖2 所示,不投加γ-FeOOH,直接催化氧化,TOC 去除率僅為8.2%;投加γ-FeOOH 后,TOC 去除率明顯提高。當(dāng)γ-FeOOH 投加量為0.5 g/L 時(shí),TOC 去除率達(dá)到40.8%;繼續(xù)增加γ-FeOOH 投加量,TOC 去除率不增大,說明γ-FeOOH改變了臭氧與有機(jī)污染物反應(yīng)的方式,提高了臭氧氧化污染物的能力,在催化劑濃度一定的情況下,有機(jī)污染物的去除效率與臭氧投加量有關(guān)。
改變H2O2的投加量,分別為0 mg/L、50 mg/L、150 mg/L、350 mg/L、750 mg/L,γ-FeOOH 投加量為0.5 g/L,開啟臭氧發(fā)生裝置,反應(yīng)60 min,反應(yīng)結(jié)束后去上清液測(cè)定TOC 濃度,結(jié)果如圖3 所示。
圖3 H2O2投加量對(duì)TOC 去除率的影響
如圖3 所示,不投加H2O2,直接臭氧催化氧化,TOC 去除率為21%;投加H2O2后,TOC 去除率明顯提高,當(dāng)H2O2投加量為50 mg/L 時(shí),TOC去除率提高至44.5%,說明H2O2/O3構(gòu)成的雙氧化體系對(duì)TOC 去除效率更高;繼續(xù)增加H2O2的投加量,TOC 去除率逐漸下降,這是由于當(dāng)過量投加H2O2時(shí),H2O2會(huì)消耗反應(yīng)過程中產(chǎn)生的·OH,從而降低TOC 的去除率。
調(diào)節(jié)溶液pH,分別為3,3.5,4,5,6,7,8,9,10,γ-FeOOH 投加量為0.5 g/L,H2O2投加量為50 mg/L,開啟臭氧發(fā)生裝置,反應(yīng)60 min,反應(yīng)結(jié)束后去上清液測(cè)定TOC 濃度,結(jié)果如圖4 所示。
圖4 pH 對(duì)TOC 去除率的影響
如圖4 所示,TOC 去除率隨著pH 的增加呈現(xiàn)先增長后下降的變化。當(dāng)pH 為8 時(shí),TOC 去除率最高;pH 小于6 或者大于9 時(shí),TOC 去除率均不高,這是由于在pH 小于6 時(shí),不利于O3氧化產(chǎn)生·OH,而pH 大于9 時(shí),H2O2離解速度加快,導(dǎo)致O3/H2O2構(gòu)成的雙氧化體系失效,不利于TOC 的去除。
設(shè)定三個(gè)反應(yīng)體系:A 為直接O3氧化;B 為O3+50 mg/L H2O2+0.5 g/L γ-FeOOH;C 為O3+50 mg/L H2O2+0.5 g/L γ-FeOOH+100 mg/L 叔丁醇。pH 為8,反應(yīng)60 min后,取上清液測(cè)定TOC 濃度,結(jié)果如圖5 所示。
圖5 不同反應(yīng)體系TOC 的去除率
如圖5 所示,投加100 mg/L 的叔丁醇后,C反應(yīng)體系TOC 的去除率與A 反應(yīng)體系基本一致,B 反應(yīng)體系TOC 去除率達(dá)58%。說明γ-FeOOH/O3/H2O2氧化有機(jī)物主要以間接氧化為主,TOC 的去除主要是由反應(yīng)過程中產(chǎn)生的·OH氧化完成的。
(1)γ-FeOOH 可以顯著提高臭氧氧化能力,TOC 去除率隨γ-FeOOH 投加量的增加而增加。
(2)投加H2O2有利于進(jìn)一步提高γ-FeOOH/O3氧化能力,但H2O2投加過量時(shí),氧化能力減弱。
(3)pH 為8 時(shí),γ-FeOOH/ O3/ H2O2構(gòu)成的多元催化氧化體系氧化效率最高,偏酸或偏堿會(huì)導(dǎo)致TOC 去除率下降。TOC 主要是由反應(yīng)過程中產(chǎn)生的·OH 氧化而去除的。