焦化廢水深度處理催化臭氧氧化技術(shù)

焦化廢水中約含有118種有機(jī)物，其中去除難降解有機(jī)物和NH3-N是焦化廢水處理中的一大難題。焦化廢水中難降解物質(zhì)包括酚類、胺類、萘類、含氮多環(huán)芳烴、氧雜環(huán)化合物、硫雜環(huán)化合物等有機(jī)污染物以及氨類、硫氰酸鹽、氰化物等無機(jī)污染物。經(jīng)過預(yù)處理+生化法處理后，其出水COD一般在200~350mg/L，色度達(dá)1000倍，無法達(dá)到《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16171―2012)的排放要求，需要進(jìn)行深度處理。

焦化廢水的常規(guī)深度處理方法有吸附法、混凝沉淀法、臭氧催化氧化法、電化學(xué)法等。其中，基于?OH的高級氧化法因具有反應(yīng)速率快、選擇性小、處理效率高、無二次污染、適用范圍廣等特點(diǎn)，是處理焦化廢水的有效方法。臭氧催化氧化法通過多相催化，能夠?qū)?/span>O3分子轉(zhuǎn)化為?OH。?OH是自然界中僅次于氟的強(qiáng)氧化劑，其可以無選擇性地與眾多有機(jī)物或官能團(tuán)發(fā)生加合、取代、電子轉(zhuǎn)移、斷鍵等反應(yīng)，最終將難降解的有毒有機(jī)大分子氧化為低毒或無毒的小分子或無機(jī)物質(zhì)CO2和H2O，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。但單獨(dú)使用催化臭氧氧化處理焦化廢水通常會因為較高的臭氧投加量而存在運(yùn)行費(fèi)用高的問題。因此，本研究針對焦化廢水的水質(zhì)特征，將催化臭氧氧化和生物處理結(jié)合，開發(fā)了一級催化臭氧氧化+生物強(qiáng)化MBR+二級催化臭氧氧化的組合工藝處理焦化廢水，重點(diǎn)考察了兩級催化氧化過程廢水O3濃度對COD去除效果的影響，并探究了氧化降解反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制。該項研究可為焦化廢水達(dá)標(biāo)排放提供工藝方案和工程設(shè)計參考。

1、試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗水樣

中試研究所用廢水取自某焦化廢水處理廠二沉池出水，以該廢水作為中試裝置進(jìn)水，其水質(zhì)：COD150~200mg/L，BOD510~20mg/L，SS≤100mg/L，NH3-N5~15mg/L，色度≤1000倍。

出水水質(zhì)要求滿足《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16171―2012)表2中新建企業(yè)水污染物排放限值和《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T31962―2015)B等級要求，同時滿足日照某污水處理廠入網(wǎng)要求。具體指標(biāo)見表1。

1.1.2 臭氧催化劑

試驗所用催化劑為Al2O3負(fù)載Fe型，催化劑制備采用飽和浸漬法。首先以25μm以下的超細(xì)活性Al2O3粉體為載體，經(jīng)滾動成型得到球形顆粒?？刂撇怀^60℃養(yǎng)生熟化后，以6%的鐵作為活性組分通過飽和前驅(qū)液浸漬Al2O3顆粒球體。將浸漬完成的樣品于80℃干燥12h，再經(jīng)450℃焙燒，得到負(fù)載Fe的Al2O3基催化劑。催化劑的活性組分前驅(qū)體均選用該金屬的硝酸鹽，經(jīng)焙燒后得到的金屬氧化物活性較高，且焙燒分解過程中產(chǎn)生大量的氣體，為催化劑留下了豐富的孔道結(jié)構(gòu)，有利于提高催化劑性能。制備的催化劑粒徑4~6mm，晶體的微觀形貌為直徑100~200nm的不規(guī)則納米顆粒的結(jié)合，比表面積160~230m2/g，孔徑分布主要集中在1~10nm，平均孔徑4.06nm。

對催化劑的SEM表征結(jié)果表明，其表面凹凸不平，孔道豐富，有助于水中臭氧及有機(jī)物與催化劑接觸。FTIR表征結(jié)果表明，3200~3700cm-1處存在催化劑中結(jié)合水和表面水合鋁羥基(Al―OH)的羥基特征吸收峰；1637cm-1處存在表面水合鋁羥基(Al―OH)受氫鍵擾動而出現(xiàn)的羥基彎曲振動峰；1390cm-1處存在γ-Al2O3表面的Lewis酸性位與空氣中的氧氣和水分子作用產(chǎn)生少量活性氧自由基所致特征吸收峰；573、810cm-1處分別存在Fe要O和Al要O的拉伸振動峰。FTIR表明，催化劑表面富含羥基，且表面Fe要O和Al要O鍵較為豐富活潑。

1.2 試驗裝置及工藝流程

試驗裝置及工藝流程見圖1。

試驗廢水用1m3/h取水泵經(jīng)兩級過濾(砂濾和精密過濾)后，送至1m3的中間水箱均質(zhì)水質(zhì)，然后通過計量泵以0.6m3/h的流量泵至3座一級催化臭氧氧化反應(yīng)器(單座反應(yīng)器內(nèi)徑328mm，高度1700mm，有效容積200L，底部放置鈦板曝氣器)。一級催化臭氧氧化出水進(jìn)入清水池，然后以0.5m3/h的流量泵至生物強(qiáng)化MBR工藝段(反應(yīng)器尺寸1.6m×1.6m×1.3m)。接種污泥來自某生活污水處理廠剩余污泥，控制污泥質(zhì)量濃度6000~8000mg/L，加入生物填料(活性炭投加量2g/L)強(qiáng)化生物處理，出水采用浸沒式平板陶瓷膜組件(膜孔徑100nm，設(shè)計通量20LMH，膜面積30m2；出水泵通過時間繼電器控制，產(chǎn)水8min、停止2min，每周進(jìn)行藥洗一次)進(jìn)行泥水分離，實(shí)現(xiàn)COD、BOD5、NH3-N和TN的去除。生物強(qiáng)化處理出水進(jìn)入中間水池后，通過計量泵以0.7m3/h的流量進(jìn)入3座二級催化臭氧氧化反應(yīng)器進(jìn)行深度氧化(單座反應(yīng)器內(nèi)徑328mm，高度1700mm，有效容積350L，底部放置鈦板曝氣器)。

廢水中O3質(zhì)量濃度按臭氧產(chǎn)氣質(zhì)量濃度(mg/L)×氣量(m3/h)×臭氧利用率(%)/進(jìn)水流量(m3/h)進(jìn)行計算。

1.3 分析方法

依據(jù)《水與廢水檢測分析方法》(4版)，COD采用重鉻酸鉀法測定，BOD5采用五日培養(yǎng)法測定，NH3-N采用納氏試劑光度法測定，SS采用重量法測定，色度采用鉑-鈷比色法測定。

2、結(jié)果與討論

2.1 臭氧濃度對COD去除率的影響

臭氧氧化處理廢水過程中，臭氧濃度是控制COD去除率的主要因素。在水力停留時間為60min，進(jìn)水流量為0.6m3/h，催化劑填充量為20%的條件下，考察一級催化臭氧氧化系統(tǒng)O3濃度對COD去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。進(jìn)水COD為142~178mg/L。

由圖2可知，當(dāng)O3質(zhì)量濃度由43mg/L增至57mg/L時，COD去除率有顯著性提高，當(dāng)O3質(zhì)量濃度為57mg/L時，COD去除率為40.44%，此時一級催化臭氧氧化系統(tǒng)出水COD為85.8~105.8mg/L，平均值為95.6mg/L。繼續(xù)增加O3濃度，COD去除率的提高已不顯著，推測此時廢水中的O3和?OH接近飽和，臭氧利用率達(dá)到最大值。綜合考慮處理效果和成本，一級催化臭氧氧化系統(tǒng)選擇O3質(zhì)量濃度為57mg/L。

一級催化臭氧氧化系統(tǒng)O3濃度對廢水B/C和MBR系統(tǒng)COD去除率的影響如圖3所示。

經(jīng)過濾處理后的廢水B/C為0.05。由圖3可知，經(jīng)一級催化臭氧氧化處理之后，其B/C得到顯著提升。當(dāng)O3質(zhì)量濃度為57mg/L時，B/C達(dá)到0.16，此時MBR系統(tǒng)COD去除率為17.6%。一定量的O3可提高廢水B/C，但O3濃度過大，易生物降解有機(jī)物被氧化，B/C會出現(xiàn)下降趨勢。試驗結(jié)果表明，O3濃度與MBR系統(tǒng)的協(xié)同處理效果在拐點(diǎn)處最優(yōu)，選擇O3質(zhì)量濃度為57mg/L，既能提高B/C，又能節(jié)省臭氧用量，并使一級催化臭氧氧化+MBR生化降解系統(tǒng)處理焦化廢水獲得最好的COD去除效果。

在水力停留時間為90min，進(jìn)水流量為0.7m3/h，催化劑填充量為20%，進(jìn)水COD約為80mg/L，不同O3濃度的條件下，二級催化臭氧氧化的COD去除率如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著O3濃度的增加，COD去除率增大，當(dāng)O3質(zhì)量濃度增加到80mg/L時，COD去除率達(dá)到44.3%，此時出水COD為41.6~47.8mg/L，平均值為44.1mg/L，滿足排放要求(<50mg/L)。進(jìn)一步增加O3濃度，COD去除率已無顯著提高。綜合考慮處理效果和成本，二級催化臭氧氧化系統(tǒng)選擇O3質(zhì)量濃度為80mg/L。

表2為兩級催化臭氧氧化系統(tǒng)廢水O3質(zhì)量濃度分別為57、80mg/L條件下的各單元出水水質(zhì)。最終出水各指標(biāo)均達(dá)到出水水質(zhì)要求。

2.2 臭氧催化氧化降解動力學(xué)分析

已有的研究表明，臭氧氧化工業(yè)廢水中COD的宏觀反應(yīng)動力學(xué)符合一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律，其表觀一級反應(yīng)動力學(xué)速率常數(shù)：kobs=[ln(COD0/CODt)]/t。兩級催化臭氧氧化系統(tǒng)中不同O3濃度下焦化廢水COD的反應(yīng)速率常數(shù)如表3所示。

由表3可以看出，二級催化臭氧氧化系統(tǒng)的kobs要整體高于一級催化臭氧氧化系統(tǒng)，同時二級催化臭氧氧化系統(tǒng)的kobs隨著臭氧濃度的增加先增大再有所減小。出現(xiàn)以上結(jié)果的原因如下：首先，臭氧催化氧化為液相反應(yīng)，O3由氣相進(jìn)入液相的氣液傳質(zhì)過程是反應(yīng)的控制步驟，增加氣相中O3濃度會增大氣液界面的傳質(zhì)推動力，從而增大液相中O3濃度，有利于催化劑表面產(chǎn)生?OH和超氧自由基，進(jìn)而使得kobs增大；同時，臭氧催化氧化為表面反應(yīng)，O3和有機(jī)物組分吸附于催化劑表面，隨著O3濃度的提高，催化劑表面吸附的溶液中會形成局部高濃度溶解性臭氧，進(jìn)而產(chǎn)生更多的?OH和超氧自由基，導(dǎo)致更多的COD氧化分解，同樣使得氧化反應(yīng)速率kobs進(jìn)一步增大。然而，若進(jìn)一步增大O3濃度，此時單位時間內(nèi)分解產(chǎn)生的?OH不再增加，而多余的?OH[不能作用于有限量的COD，此時會發(fā)生?OH互相猝滅，進(jìn)而導(dǎo)致?OH濃度降低，不利于反應(yīng)進(jìn)行，最終導(dǎo)致kobs降低。

2.3 臭氧催化氧化降解有機(jī)物的機(jī)理分析

根據(jù)試驗結(jié)果和催化劑的表征結(jié)果，提出臭氧催化氧化降解焦化廢水的機(jī)理。臭氧催化氧化反應(yīng)過程中，催化劑表面的部分Lewis酸位(如六配位的鋁原子)通過固液邊界層與水溶液中的水分子結(jié)合形成表面羥基，再與Bronsted酸位上的末端羥基以及其他羥基種類一起與水中的臭氧和有機(jī)物發(fā)生接觸吸附并反應(yīng)。催化劑活性位吸附臭氧并發(fā)生電子傳遞過程，使臭氧產(chǎn)生分解，并與同樣被吸附在催化劑表面的有機(jī)物分子發(fā)生反應(yīng)，在降解有機(jī)物的同時，使得有機(jī)物分子發(fā)生羥基加成或斷鍵反應(yīng)。被?OH攻擊后的有機(jī)物產(chǎn)物有的繼續(xù)在催化劑表面被?OH氧化形成次級降解產(chǎn)物，有的則從催化劑表面脫附進(jìn)入溶液中，直至下一次吸附至催化劑表面被深度降解。大分子有機(jī)污染物斷鏈產(chǎn)生的小分子含碳有機(jī)物進(jìn)一步和?OH反應(yīng)直至被完全礦化變成CO2從溶液中去除。

2.4 焦化廢水處理技術(shù)比較

為體現(xiàn)本研究工藝處理焦化廢水的優(yōu)勢，對比了不同方法處理焦化廢水的效果，如表4所示。

由表4可以看出，在O3投加量和停留時間方面，與單獨(dú)臭氧氧化相比，臭氧氧化+生化工藝和臭氧催化氧化工藝均使O3投加量降低以及停留時間縮短。在COD去除率方面，臭氧催化氧化工藝COD去除率>臭氧氧化+生化工藝COD去除率>臭氧氧化工藝COD去除率，采用臭氧催化氧化耦合生物處理組合工藝，總的COD去除率基本在70%以上。本研究采用的兩級臭氧催化氧化+生物強(qiáng)化MBR工藝總的COD去除率可達(dá)到77%，得到較大提升。

本研究兩級催化臭氧氧化的O3質(zhì)量濃度分別為57、80mg/L，兩級催化氧化總的COD去除率約為50%，液氧費(fèi)用與電費(fèi)成本合計為1.576~2.106元/t。

3、結(jié)論

采用一級催化臭氧氧化+生物強(qiáng)化MBR+二級催化臭氧氧化工藝對焦化廢水生化出水進(jìn)行深度處理，中試結(jié)果表明，當(dāng)原水COD為150~200mg/L時，在兩級催化臭氧氧化系統(tǒng)臭氧質(zhì)量濃度分別為57、80mg/L，停留時間分別為60、90min；生物強(qiáng)化MBR工藝段停留時間為6h的條件下，處理出水COD可達(dá)到低于50mg/L的要求。臭氧工藝段運(yùn)行費(fèi)用約為1.576~2.106元/t。該組合工藝對焦化廢水COD的去除效果良好，處理成本低廉，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用要求，具有很好的應(yīng)用前景。（來源：陜西省石油化工研究設(shè)計院）