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芬頓原理及處理方法

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北極星水處理網訊:芬頓氧化法可作為廢水生化處理前的預處理工藝，也可作為廢水生化處理後的深度處理工藝。

芬頓氧化法主要适用于含難降解有機物廢水的處理，如造紙工業廢水、染整工業廢水、煤化工廢水、石油化工廢水、精細化工廢水、發酵工業廢水、垃圾滲濾液等廢水及工業園區集中廢水處理廠廢水等的處理。

一、芬頓反應原理

1893年,化學家Fenton HJ發現，過氧化氫(H2O2)與二價鐵離子的混合溶液具有強氧化性，可以将當時很多已知的有機化合物如羧酸、醇、酯類氧化為無機态，氧化效果十分顯著。但此後半個多世紀中，這種氧化性試劑卻因為氧化性極強沒有被太多重視。但進入20 世紀70 年代，芬頓試劑在環境化學中找到了它的位置，具有去除難降解有機污染物的高能力的芬頓試劑，在印染廢水、含油廢水、含酚廢水、焦化廢水、含硝基苯廢水、二苯胺廢水等廢水處理中體現了很廣泛的應用。當芬頓發現芬頓試劑時，尚不清楚過氧化氫與二價鐵離子反應到底生成了什麼氧化劑具有如此強的氧化能力。二十多年後，有人假設可能反應中産生了羟基自由基，否則，氧化性不會有如此強。因此，以後人們采用了一個較廣泛引用的化學反應方程式來描述芬頓試劑中發生的化學反應：

Fe² H₂O₂→Fe³ （OH）^- OH·

芬頓氧化法是在酸性條件下，H₂O₂在Fe² 存在下生成強氧化能力的羟基自由基(·OH），并引發更多的其他活性氧，以實現對有機物的降解,其氧化過程為鍊式反應。其中以·OH産生為鍊的開始，而其他活性氧和反應中間體構成了鍊的節點，各活性氧被消耗，反應鍊終止。其反應機理較為複雜,這些活性氧僅供有機分子并使其礦化為CO₂和H2O等無機物。從而使Fenton氧化法成為重要的高級氧化技術之一。

二、進水水質要求

1. 芬頓氧化法的進水應符合以下條件：

a）在酸性條件下易産生有毒有害氣體的污染物（如硫離子、氰根離子等）不應進入芬頓氧化工藝單元；

b）進水中懸浮物含量宜小于 200 mg/L；

c）應控制進水中 Cl^-、H₂PO ^-、HCO₃ ^-、油類和其他影響芬頓氧化反應的無機離子或污染物濃度，其限制濃度應根據試驗結果确定。

2. 芬頓氧化法進水不符合條件時

應根據進水水質采取相應的預處理措施：

a）芬頓氧化法用于生化處理預處理時，可設置粗、細格栅、沉砂池、沉澱池或混凝沉澱池，去除漂浮物、砂礫和懸浮物等易去除污染物；芬頓氧化法用于廢水深度處理時，宜設置混凝沉澱或/和過濾工序進行預處理；

b）進水中溶解性磷酸鹽濃度過高時，宜投加熟石灰，通過混凝沉澱去除部分溶解性磷酸鹽；

c）進水中含油類時，宜設置隔油池除油；

d）進水中含硫離子時，應采取化學沉澱或化學氧化法去除；進水中含氰離子時，應采取化學氧化法去除；

e）進水中含有其他影響芬頓氧化反應的物質時，應根據水質采取相應的去除措施，以消除對芬頓氧化反應的影響。

芬頓氧化法用于生化處理的預處理時，若進水水質水量變化較大，芬頓氧化工藝前應設置調節池。

三、芬頓的影響因素

1、溫度

溫度是芬頓反應的重要影響因素之一。一般化學反應随着溫度的升高會加快反應速度，芬頓反應也不例外，溫度升高會加快·OH的生成速度，有助于·OH與有機物反應，提高氧化效果和COD的去除率；但是，對于芬頓試劑這樣複雜的反應體系，溫度升高，不僅加速正反應的進行，也加速副反應，溫度升高也會加速H2O2的分解，分解為O2和H2O，不利于·OH的生成。不同種類工業廢水的芬頓反應适合的溫度，也存在一定差異。處理聚丙烯酰胺水溶液處理時，溫度控制在30℃～50℃。研究洗膠廢水處理時發現溫度為85℃。處理三氯（苯）酚時，當溫度低于60℃時，溫度有助于反應的進行，反之當高于60℃時，不利于反應。

2、pH

一般來說，芬頓試劑是在酸性條件下發生反應的，在中性和堿性的環境中Fe² 不能催化氧化H₂O₂産生·OH，而且會産生氫氧化鐵沉澱而失去催化能力。當溶液中的H 濃度過高，Fe³ 不能順利的被還原為Fe² ，催化反應受阻。多項研究結果表明芬頓試劑在酸性條件下，特别是pH在3～5時氧化能力很強，此時的有機物降解速率快，能夠在短短幾分鐘内降解。此時有機物的反應速率常數正比于Fe2 和過氧化氫的初始濃度。因此，在工程上采用芬頓工藝時，建議将廢水調節到=2～4，理論上在為3.5時為佳。

3、有機底物

針對不同種類的廢水，芬頓試劑的投加量、氧化效果是不同的。這是因為不同類型的廢水，有機物的種類是不同的。對于醇類（甘油）及糖類等碳水化合物，在羟基自由基作用下，分子發生脫氫反應，然後C-C鍵的斷鍊；對于大分子的糖類，羟基自由基使糖分子鍊中的糖苷鍵發生斷裂，降解生成小分子物質；對于水溶性的高分子及乙烯化合物，羟基自由基使得C=C鍵斷裂；并且羟基自由基可以使得芳香族化合物的開環，形成脂肪類化合物，從而消除降低該種類廢水的生物毒性，改善其可生化性；針對染料類，羟基自由基可以打開染料中官能團的不飽和鍵，使染料氧化分解，達到脫色和降低COD的目的。用芬頓試劑降解殼聚糖的實驗表明當介質pH值3～5，聚糖、 H2O2及催化劑的摩爾比在240:12～24:1～2時，芬頓反應可以使殼聚糖分子鍊中的糖苷鍵發生斷裂，從而生成小分子的産物。

4、過氧化氫與催化劑投加量

芬頓工藝在處理廢水時需要判斷藥劑投加量及經濟性。H₂O₂的投加量大， 廢水COD的去除率會有所提高，但是當H₂O₂投加量增加到一定程度後， COD的去除率會慢慢下降。因為在芬頓反應中H₂O₂投加量增加，·OH的産量會增加，則COD的去除率會升高，但是當H2O2的濃度過高時，雙氧水會發生分解，并不産生羟基自由基。催化劑的投加量也有與雙氧水投加量相同的情況，一般情況下，增加Fe2 的用量，廢水COD的去除率會增大， 當Fe² 增加到一定程度後。COD的去除率開始下降。原因是因為 當Fe2 濃度低時，随着Fe2 濃度升高，H₂O₂産生的·OH增加；當Fe2 的濃度過高時， 也會導緻H2O2發生無效分解，釋放出O₂。

四、工藝操作及設計

芬頓氧化法廢水處理工程工藝流程主要包括調酸、催化劑混合、氧化反應、中和、固液分離、藥劑投配及污泥處理系統，工藝流程示意圖見圖。

1、調酸

根據氧化反應池最佳pH值條件要求，應通過投加濃硫酸或稀硫酸來調整廢水的 pH值，pH 值宜控制在3.0～4.0。

調酸池宜采用水力攪拌、機械攪拌或空氣攪拌，混合時間不宜小于2min。

濃硫酸或稀硫酸宜采用計量泵投加，采用在線 pH值控制儀等自控系統自動調節投加量。

2、催化劑混合

催化劑可采用硫酸亞鐵，在催化劑混合池完成混合過程，催化劑混合池宜采用水力攪拌、機械攪拌或空氣攪拌，混合時間不宜小于2min。硫酸亞鐵溶液質量百分濃度宜小于 30%，宜采用計量泵定量投加。

3、氧化反應

應投加過氧化氫溶液，在氧化反應池中完成氧化反應，氧化反應池可采用完全混合式或推流式，完全混合式氧化反應池不宜少于2段，通過溢流或穿孔牆連接。

氧化反應池池型應根據廢水處理規模、占地面積和經濟性等因素綜合确定，氧化反應池采用塔式時，宜采用升流式反應器，鋼結構塔體應采用不鏽鋼 316L材質和塗襯玻璃鱗片防腐處理。塔式反應器包含芬頓試劑混合區、布水區和反應區。混合區混合速度梯度 G值應不小于 500s-1，布水區應配水均勻，配水孔出口流速應為 1.0m/s～1.5m/s，回流比應不低于 100%。塔式反應器高徑比宜在 1.0～5.0 之間，高度應不高于 15 m。

氧化反應池池體有效容積可按下式計算：

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