高级氧化技术在印染废水处理中应用的探讨

Posted 2023-01-12 水处理

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高级氧化技术是近年来备受人们关注的印染废水处理技术，本文分析了印染废水的基本特征，并就高级氧化技术中的超临界水氧化技术、湿式氧化技术、臭氧氧化技术、电化学氧化技术、Fenton 氧化技术、超声波处理技术和光催化氧化技术在印染废水中的应用做了阐述，介绍了各技术的基本原理和应用中优缺点，为高级氧化技术在处理印染废水的实际应用提供了理论依据。
随着我国经济的不断发展，印染行业发展壮大，难生化降解的高浓度有机污染物工业废水日益增多，大量的排放造成严重的环境污染。如今，印染行业已成为我国用水量大、排放量大、废水处理较难的工业部门之一。据不完全统计，我国的纺织印染废水占全国纺织废水排放量的80%。印染废水中含有大量的染料、浆料，处理困难，研究印染废水的处理技术对我国环境保护和纺织行业的发展都具有深远意义。
高级氧化技术高级氧化技术在处理印染废水的应用中具有反应速度快、处理效率高、二次污染小的特点，其原理是运用电、光、催化剂或氧化剂结合，在反应中产生活性极强的羟基自由基(.OH)，.OH 通过电子转移、亲电加成和脱氢等反应矿化废水中的有机污染物，将其降解为H2O、CO2和其他无害物质，或转化为低毒性、易进行生物降解的中间产物。
1.印染废水的特点
印染废水是指印染加工棉、麻、化纤等纺织产品过程中各道工序排出的废水，包括：退浆废水、煮炼废水、漂白废水、丝光废水、染色废水、印花废水、整理工序废水、碱减量废水等。印染废水中含有染料、浆料、纤维杂质、酸碱、无机盐、砂类物质、油剂等，并且随原料和加工工艺的不同而有所差异。总体来看，印染废水具有水量大、色度深、有机物含量高、化学需氧量(COD)高、生化需氧量(BOD5)较低、碱性大的特点。由于印染废水具有独特的难治理性，常规的水处理技术远远不能满足印染废水的处理要求，因此高效的高级氧化技术的研究具有重大意义。
2.处理印染废水的高级氧化技术
2.1 超临界水氧化技术(Supercritical WaterOxidation)
超临界水氧化法(SCWO)是由Modell 等于1982年提出的一种污水处理方法，是指在温度与压力在处于水的临界点(374 ℃，22.1 MPa)以上时彻底破坏水中污染物结构的高级氧化技术。水在临界点以上时，其离子积、介电常数和密度下降，氢键减少，会形成一种具有良好的传递性和高扩散性的非极性介质，能与水中的有机物和气体以任意比例互溶，形成单一均相的体系。超临界水氧化技术处理效率高、节约能源、无二次污染，COD 和有毒物质的去除率分别可以达到98%和99%以上。然而高温高压对设备性能要求较高，使得此技术的推广受到一定阻碍，但随着科技的不断进步，超临界水氧化技术定会得到广泛应用。
2.2 湿式氧化技术(Wet air Oxidation)
湿式氧化技术是在高温(125～320 ℃)、高压(0.5～10 MPa)的条件下采用纯氧或空气作氧化剂，氧化水中悬浮态和溶解态的有机物、还原态的无机物，使其反应生成水和二氧化碳的一种处理技术。该技术能够彻底氧化一些难降解的有机物，降低水中CODCr，还可以提高废水的可生化性能，这也是该技术常与生物处理相结合的原因。湿式氧化技术具有效率高、氧化速度快、不产生二次污染、反应彻底的优点。近年来，在应用上引入另一种氧化剂——液态H2O2 作，使得该技术实现了在常温常压下进行的目标，COD 和色度的去除率分别达到80%和90%以上，极大的扩大了应用范围。但是湿式氧化技术设备要求高、操作条件比较苛刻、运行费用昂贵，使得该技术的推广受到一定限制。
2.3 臭氧氧化技术(Ozone Oxidation)
臭氧氧化技术是近几年广泛应用于印染废水处理的一种高级氧化技术。臭氧既可以具有选择性的直接而缓慢的氧化水中有机物，还可以在碱的作用下O3 分解产生活泼的羟基自由基OH-与有机物反应，促使染料发色基团中的不饱和键断裂，生成无色、质量分子小的醛和有机酸等，以达到降解有机物和脱色的目的。臭氧氧化技术具有占地少、反应器简单、容易实现自动化控制、不产生二次污染的优点，并且脱色效率和有机物去除率较高。近期有研究表明，O3 与H2O2 结合的复合氧化剂可以提高O3 的分解速率，增强处理水平。但是臭氧在水中的溶解度较小，利用率低，使得其消耗量大，处理成本偏高，不太适用于大流量废水的处理。
2.4 电化学氧化技术(Electrochemical Oxidation)
电化学氧化技术是在特定的反应器内，在外加电场的作用下，通过阳极反应生成具有强氧化性的氧化基团来破坏有机物的稳定结构，从而降解水中的污染物。该技术对处理印染废水的COD、BOD、色度具有很好的效果。具有生物毒性的有机污染物的电化学氧化技术去除的主要对象，去除率可以达到70%以上，利用该技术特有的电催化功能，能够使有机物选择性地降解到某一阶段。电化学氧化技术设备简单、易于控制、无污染或少污染，可与光化学氧化、超声波及生物法联合作用。但是电化学氧化技术消耗电极过多，在反应物浓度较低时电流效率降低、处理时间偏长，故在反应器、电极和电极结构方面有待提高。
2.5 Fenton 氧化技术(Fenton Oxidation)
Fenton 氧化技术是由H.J.Fenton 于1894 年做的一项科学研究而得名。该技术是在酸性条件下，以Fe2+为催化剂，H2O2在铁盐存在时分解生成具有强氧化性的羟基自由基(.OH)，破坏印染废水中的发色基团，Fe2+还会反应生成具有絮凝作用的Fe(OH)3胶体，两者共同作用降低COD 和色度。Fenton 氧化技术操作工艺简单、对设备要求低、反应条件温和、氧化速率高、目标污染物范围广、COD 和色度去除率较高，对废水中染料的去除非常有效。但是该反应需要在pH<3 的条件下进行，需要消耗大量的酸，还可能引起酸污染，对设备造成腐蚀；并且Fe2+会促使H2O2分解，双氧水的用量大，需进行后续处理回收催化剂，成本偏高。
2.6 超声波处理技术(Ultrasonic Oxidation)
超声波是频率高于20 kHz 的声波，具有一定频率和压强的超声波在声波的负压相作?a href='http://www.baiven.com/baike/224/271348.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>孟禄嵩谒胁栈荩闷菰谛纬珊推屏训墓?ns～μs)中会瞬时引起局部升温，产生高温高压的热解反应，并且生成羟基自由基(.OH)，达到降解有机物的目的。有研究表明，超声波处理技术可加快母体染料的降解，其降解速率比同等条件下的光催化氧化技术要高2 倍。但是由于印染废水中的有机物结构相当复杂，而目前超声波技术研究的对象多为单组分模拟体系，对印染废水的处理想过不很理想。因此，目前单独使用该技术处理废水的研究尚少，主要是将超声波处理技术与其他技术相结合，经超声波处理后废水的B/C明显提高，更有利于进行后续处理。
2.7 光催化氧化技术(Photocatalytic Oxidation)
光催化氧化技术常用的氧化剂或催化剂为TiO2、SnO2、WO3、ZnS，将光照条件下产生的能量使其发生能级跃迁，从而产生具有强还原性的光生电子和强氧化性的空穴，空穴进一步与水反应生成强氧化性的羟基自由基(.OH)，自由基再与有机污染物之间进行加合、取代、电子转移等过程将有机污染物降解为H2O、CO2 和无机盐等物质。光催化氧化技术因其无污染、高活性、安全、价廉等优点在近几年取得迅速发展，但对于具有大量悬浮物和色度较深的印染废水而言，该技术需要解决透光度的问题。目前，光催化氧化技术在处理印染废水的应用上并不太理想，主要是光源和催化剂的利用效率问题，而纳米TiO2 光催化氧化技术在彻底降解水中有机污染物和利用太阳能等方面有着突出的进展，相信在不久的将来，光催化氧化技术处理印染废水的工业化发展将成为可能。
3.结论
以上讨论了七种不同类型的高级氧化技术，高级氧化过程能产生具有强氧化性的羟基自由基(.OH)，.OH 与各种有机污染物发生氧化反应，直至将其降解为无害物或易于生物降解的中间产物。高级氧化技术具有高效性、彻底性和普适性的特点，但由于印染废水的特殊性，目前为止，单一的使用这些技术处理印染废水的话，成本偏高，要实现工业化、产业化还需要一定的研究。如果将高级氧化技术与生物降解技术相结合，不但易于将难以降解的有机物降解，生物处理又可将几乎全部的中间产物分解，既可以提高废水处理效率，还可以达到经济高效的目的。