UV光催化濕式氧化處理過氧化物廢水

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會對環(huán)境問題越來越重視。自2015年“水污染防治行動計(jì)劃”(即“水十條”)的提出，全國各行業(yè)大力開展重污染企業(yè)內(nèi)部廢水站提標(biāo)改造項(xiàng)目，其中于2017年7月1日起執(zhí)行新標(biāo)《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB31571-2015將成為行業(yè)企業(yè)廢水站所面臨的新挑戰(zhàn)。

　　1、背景與意義

　　1.1 中試背景

　　浙江寧波某過氧化物工廠內(nèi)有兩條過氧化物生產(chǎn)線PC1、PC2,其每小時水量為20.7m3/h和48.6m3/h，每日需處理過氧化物生產(chǎn)廢水約為1200m3/d。按年生產(chǎn)天數(shù)330d計(jì)算，需外排的過氧化物工藝生產(chǎn)廢水達(dá)39.6萬m3/a。

　　PC1廢水其主要來源為Px14和MPP裝置產(chǎn)生的工藝廢水。廢水主要污染物為硫酸鈉、雙氧水(~1%)、二苯酚、叔丁醇、丙酮、四甲基四氫呋喃。PC2廢水其主要來源為DCP裝置產(chǎn)生的工藝廢水。廢水主要污染物為硫酸鈉、α-甲基苯乙烯、苯酚、甲醇。

　　1.2 中試意義

　　目前工廠對于這兩股廢水的處理方式是在氧化物工廠廠區(qū)內(nèi)初步混合稀釋后與其他廠區(qū)廢水混合進(jìn)入末端生化處理系統(tǒng)，在經(jīng)過緩沖和中和池的初步調(diào)節(jié)之后進(jìn)入二級氧化溝進(jìn)行生化處理，但由于過氧化物混合稀釋廢水B/C仍然較低，鹽度高，可生化性較差，傳統(tǒng)的生化方法難以有效降解，且兩股廢水均含有過氧化物成分，存在安全隱患，故不適用于高溫高壓的物化處理方法。面對現(xiàn)在即將實(shí)行的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的工藝難以確保其在新標(biāo)準(zhǔn)下的達(dá)標(biāo)排放。

　　為解決該廠過氧化物生產(chǎn)廢水處理存在的問題，針對廢水存在的高鹽度、難生物降解的特點(diǎn)，進(jìn)行了利用UV光催化濕式氧化技術(shù)處理過氧化物廢水的研究。UV光催化濕式氧化技術(shù)是在催化濕式過氧化氫氧化基礎(chǔ)上引入UV光解，結(jié)合UV光催化氧化與催化濕式氧化兩種廢水處理工藝。UV光催化氧化與催化濕式氧化均為自由基反應(yīng)機(jī)制，兩者均可通過鏈的引發(fā)期產(chǎn)生足夠的羥基自由基(?OH)，然后進(jìn)入鏈的發(fā)展階段，UV光的引入能減少鏈的引發(fā)期時間，加快反應(yīng)速率，利用它們極強(qiáng)的協(xié)同催化氧化作用降解有機(jī)污染物。相較于傳統(tǒng)催化濕式氧化法需要在高溫高壓條件下進(jìn)行，UV光催化濕式氧化技術(shù)可在常溫下迅速將難降解有機(jī)物徹底分解成CO2、水等無害成分，反應(yīng)過程和溫度可控，安全性好。盡管很多研究者對UV光催化濕式氧化技術(shù)在工業(yè)廢水處理上已有研究，但該工藝應(yīng)用于過氧化物生產(chǎn)廢水處理研究很少。本次試驗(yàn)采用紫外光催化濕式氧化技術(shù)處理過氧化物生產(chǎn)廢水，主要目的是研究在該工藝能否有效降低COD，提高廢水的可生化性，同時控制反應(yīng)溫度在合理范圍內(nèi)保證工藝安全穩(wěn)定運(yùn)行。

　　2、材料與方法

　　2.1 水樣及中試裝置

　　中試試驗(yàn)處理對象為過氧化物混合稀釋廢水與過氧化物高濃度廢水。其中過氧化物混合稀釋廢水的廢水來源有兩個，一個是過氧化物高濃度廢水，另一來源是廠區(qū)低濃度雜用廢水。廠區(qū)低濃度雜用廢水來源于廠區(qū)生活用水、雜排水、雨水等，成分復(fù)雜但COD較低。過氧化物高濃度廢水為工藝生產(chǎn)廢水，有PC1廢水和PC2廢水組成，為此類廢水主要污染水。

　　這兩股廢水的水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

　　中試試驗(yàn)裝置占地面積2.5m×4.0m，核心設(shè)備尺寸(長×寬×高)=1200mm×1200mm×2200mm。設(shè)計(jì)規(guī)模：400L/h占地面積(m2)≤20總功率(kW)≤4.0

　　2.2 中試目的與工作計(jì)劃

　　中試試驗(yàn)針對過氧化物混合稀釋水與過氧化物高濃度廢水進(jìn)行研究。UV光催化濕式氧化系統(tǒng)利用廢水自身含有的過氧化物氧化降解廢水中的有機(jī)物為中心，通過考察廢水COD、TOC、過氧化物濃度的去除效果，確定工藝運(yùn)行時間，驗(yàn)證工藝的反應(yīng)機(jī)理，對工藝運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化，同時記錄處理過程中系統(tǒng)溫升確保中試在安全環(huán)境下運(yùn)行，擬為后續(xù)的工程應(yīng)用摸索出一個最佳的運(yùn)行參數(shù)。

　　分別對過氧化物混合稀釋水和過氧化物高濃度廢水進(jìn)行中試試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括了確定運(yùn)行時間、對比光催化濕式氧化和僅添加紫外光條件下處理效果、優(yōu)化運(yùn)行條件、考察運(yùn)行期間總體溫升情況。并討論其處理后的可生化性。

　　2.3 檢測方法

　　本次中試水質(zhì)檢測所用到的檢測方法：pH―玻璃電極法(GB/T6920-86);COD―密封催化消解法(HZ-HJ-SZ-0108);TOC―燃燒氧化非分散紅外吸收法;過氧化物濃度―碘量法;BOD5―稀釋與接種法(GB7488-87)。

　　3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

　　3.1 運(yùn)行時間確定試驗(yàn)

　　采用30%NaOH對過氧化物混合稀釋廢水與過氧化物高濃度廢水兩股廢水進(jìn)行pH調(diào)整，若廢水中的過氧化物不足1%時采用H2O2(70%)進(jìn)行調(diào)整(超過1%不作調(diào)整)?？疾爝\(yùn)行時間對處理效果的影響。

　　調(diào)整后的過氧化物混合稀釋廢水進(jìn)行UV光催化濕式氧化處理，其反應(yīng)時間對處理效果的影響如圖3所示。

　　調(diào)整后的過氧化物高濃度廢水進(jìn)行UV光催化濕式氧化處理，其反應(yīng)時間對處理效果的影響如圖4所示。

　　由圖可知，兩股廢水在不補(bǔ)充氧化劑的前提下，去除率下降主要集中在反應(yīng)初始期的1h內(nèi)，在反應(yīng)2h后去除率保持不變。這說明該工藝對兩股廢水中各類有機(jī)污染物的氧化反應(yīng)幾乎在前2h內(nèi)結(jié)束。故采用2h作為中試設(shè)備運(yùn)行時間。

　　3.2 催化劑條件對比試驗(yàn)

　　為了研究催化劑條件對UV光催化濕式氧化的影響，分別對兩股廢水進(jìn)行一組對比試驗(yàn)，其中第一批廢水加入催化劑采用UV光催化濕式氧化工藝運(yùn)行2h，另一批在相同運(yùn)行條件下不加催化劑僅添加UV光源運(yùn)行2h。兩股廢水均采用30%NaOH進(jìn)行pH調(diào)整，當(dāng)廢水中的過氧化物不足1%時采用H2O2(70%)進(jìn)行調(diào)整(超過1%不作調(diào)整)?？疾齑呋瘎l件對處理效果的影響。

　　由圖可知兩股廢水在2h內(nèi)紫外光催化濕式氧化作用下廢水中有機(jī)物迅速分解，其廢水中COD、TOC均隨反應(yīng)時間增加而減少，而作為對照組僅添加UV光作用的UV光催化氧化的中試中，僅有COD與氧化劑濃度隨時間的增加而減少，而是TOC濃度下降不明顯，高濃度廢水TOC去除率僅為10.1%，而混合稀釋廢水TOC甚至一度出現(xiàn)了小幅上升。這說明UV光催化氧化雖然可以迅速分解水樣中的大分子有機(jī)物，但是大量的有機(jī)物并沒有完全礦化出來，只是作為氧化中間體存在于水中，氧化效果不徹底。而相同時間內(nèi)UV光催化濕式氧化工藝對COD與TOC去除效果更明顯更高效，有機(jī)物分解更徹底。

　　3.3 優(yōu)化運(yùn)行條件

　　從催化劑條件對比試驗(yàn)的結(jié)果來看，兩股廢水的處理效果均是采用UV光催化濕式氧化工藝更好，根據(jù)中試結(jié)果該工藝既可以去除水體中的氧化劑、COD等指標(biāo)，又可以去除水體中的TOC。相較于單純UV光催化氧化更具優(yōu)勢。故選用UV光催化濕式氧化工藝對兩股廢水運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化。

　　根據(jù)前期中試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)廢水中的污染物去除主要集中于設(shè)備運(yùn)行初期的1h內(nèi)，之后1h內(nèi)去除率略有升高但是增幅不大。對于這種現(xiàn)象，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)中過氧化物消耗情況結(jié)合UV光解濕式氧化工藝反應(yīng)機(jī)理我們推測，這是由于在反應(yīng)最開始的1h內(nèi)，體系通過過氧化物產(chǎn)生了足量的自由基，這些自由基在反應(yīng)的前1h內(nèi)降解了大部分水樣中的污染物。因此通過調(diào)整作為自由基引發(fā)條件的UV光源作用時間，可以達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行條件有效降低單位廢水的處理成本。優(yōu)化試驗(yàn)計(jì)劃先考察UV光源作用0.5h時對兩股廢水的處理效果。

　　由圖可知在UV光源作用0.5h條件下，初期0.5h內(nèi)COD和過氧化物的含量逐漸減少，但在0.5h后隨著UV光源作用停止，COD與氧化劑去除率下降趨于平緩，這說明氧化劑未完全去除。UV光源作用時間0.5h不足以產(chǎn)生足夠的自由基來維持反應(yīng)進(jìn)行。故需要進(jìn)一步延長UV光源作用時長至1h。驗(yàn)證先前廢水中試期間均發(fā)現(xiàn)水中污染物在初期1h反應(yīng)完成可行性，從節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用考慮，優(yōu)化的時間可有效降低單位廢水處理成本。經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，證明其效果與反應(yīng)2h相同，COD去除率均達(dá)到60%以上，過氧化物去除率達(dá)到90%以上。其處理結(jié)果如表2、3所示。

　　3.4 中試溫度控制

　　由于該類廢水中含有過氧化物成分，在高溫高壓的環(huán)境下容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等一系列安全事故。故對于這類廢水的處理過程中要時刻注意處理工藝對水樣溫度的影響，反應(yīng)時的水樣溫度不能過高，不允許發(fā)生突然升溫的現(xiàn)象。

　　根據(jù)工廠所提供的廢水資料，結(jié)合《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》第四版提供的燃燒熱數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

　　根據(jù)上述數(shù)據(jù)，我們?nèi)挝籆OD燃燒熱最大值3.56kcal/gCOD進(jìn)行測算;測算公式如下：Δt=Q/(CM);Q：氧化10gCOD所產(chǎn)生的總熱量;C：水的比熱取1kCAL/Kg，M：加熱水的質(zhì)量;即COD為10000mg/L的廢水其完全氧化溫升的理論值為：3.556kcal/gCOD*10g/1kg≈35.6℃。

　　紫外燈的功率按10kw/t計(jì)算，紫外燈有30%的光效益用于分解化學(xué)物產(chǎn)生的熱能，其余70%損耗效率作用于水體發(fā)熱，以最大損耗70%功率計(jì)，其導(dǎo)致的水體溫升為：Δt=Q/(CM)=10*70%*3600/(4.18*1000)≈6.03℃。

　　對于混合稀釋廢水，設(shè)COD在4000~16000mg/L按照COD去除率60%來計(jì)算，其2h后理論溫升為：15℃~40℃。由于其過氧化物含量相對較少，故試驗(yàn)過程中無需加開冷卻水。通過反應(yīng)器溫度計(jì)得到的數(shù)據(jù)，在pH調(diào)整階段溫升為：5℃~7℃;紫外光催化濕式氧化階段升溫為：18℃~25℃。實(shí)際反應(yīng)2h后總溫升為23℃~26℃。

　　對高濃度廢水，設(shè)COD在17000~20000mg/L按照COD去除率60%來計(jì)算，其2h后理論溫升為：42℃~49℃。由于其過氧化物含量較高，僅pH調(diào)整階段溫升已達(dá)到9℃~13℃，故考慮到之后的反應(yīng)產(chǎn)熱必須在紫外光催化濕式氧化中開啟冷卻水循環(huán)裝置來控制溫度。在開啟冷卻水之后，紫外光催化濕式氧化階段的溫升在18℃~25℃。

　　3.5 對末端可生化性意義

　　對經(jīng)過2hUV光催化濕式氧化處理的混合稀釋廢水與高濃度廢水進(jìn)行BOD測試，結(jié)果表明，經(jīng)過紫外光催化濕式氧化處理后，廢水可生化性從0.11~0.15之間升至0.35~0.40，證明廢水可生化性得到大幅度提升，出水適合進(jìn)入末端生化系統(tǒng)處理。

　　4、結(jié)論

　　中試試驗(yàn)期間，過氧化物混合稀釋水進(jìn)水COD在4000mg/L~16000mg/L之間，過氧化物含量在0.9%~1%(不足1%加H2O2補(bǔ)充至1%。超過不調(diào)整);過氧化物高濃度進(jìn)水COD在17000mg/L~20000mg/L之間，過氧化物含量在2%~2.4%之間。兩股廢水經(jīng)過2h的處理，均能達(dá)到出水COD去除率60%以上，過氧化物去除率90%以上。

　　UV光催化濕式氧化相較于單一UV光催化氧化對兩股廢水的去除效果更加理想，通過優(yōu)化運(yùn)行條件試驗(yàn)，確定了系統(tǒng)運(yùn)行2h、UV光源作用1h，可在水中產(chǎn)生充足的自由基用以降解有機(jī)物，同時確保過氧化物的去除率達(dá)到90%以上，降低運(yùn)行成本。

　　對于混合稀釋廢水，在不開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)情況下，系統(tǒng)總體溫升控制在23℃~26℃。系統(tǒng)反應(yīng)溫度在可控范圍內(nèi)，總體溫升在理論值15℃~40℃以內(nèi)。對于高濃度廢水，在開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)情況下，系統(tǒng)總體溫升控制在18℃~25℃。系統(tǒng)反應(yīng)溫度在可控范圍內(nèi)，總體溫升在理論值42℃~49℃(不開冷卻水)以內(nèi)?？梢员ＷC處理工藝安全運(yùn)行。

　　完成UV光催化濕式氧化處理的兩股廢水出水B/C比達(dá)到0.35~0.40，具有良好的可生化性。

　　中試結(jié)果表明，UV光催化濕式氧化作為過氧化物廢水的預(yù)處理手段，技術(shù)上具有可行性，能有效解決廢水中過氧化物殘留的問題,去除率在90%以上，同時確保COD去除率在60%以上。為后續(xù)脫鹽和生化創(chuàng)造了條件，從而提高末端生化系統(tǒng)的處理效果。同時合理優(yōu)化了運(yùn)行條件，降低了運(yùn)行成本，提升該工藝的經(jīng)濟(jì)性，使其具有工程投資價值。(來源：浙江永峰環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?