臭氧-微電解組合工藝處理高濃度船舶污水的研究

陸靜怡 潘 琨

（揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225100）

0 引言

隨著石油資源在能源中的地位逐漸上升，社會(huì)對(duì)其需求量也日益增大，需要處理運(yùn)送石油的船舶洗艙廢水量也急劇增多。此類廢水具有成分復(fù)雜、COD 濃度高、可生化性差等特點(diǎn)，很難直接使用傳統(tǒng)生化法處理。該文以某高濃度船舶污水（COD 為32 000 mg/L 左右）為研究對(duì)象，對(duì)傳統(tǒng)微電解工藝進(jìn)行強(qiáng)化，加入臭氧曝氣組合為臭氧-微電解處理工藝。

1 臭氧氧化技術(shù)

1.1 機(jī)理

臭氧氧化技術(shù)是一種高級(jí)氧化技術(shù)，可以較大地提高廢水的可生化性，對(duì)處理有機(jī)廢水具有較好的效果，因此在水處理中的應(yīng)用愈加廣泛[1]。臭氧是由3 個(gè)氧原子組成的氧單質(zhì)，具有極強(qiáng)的氧化能力，能分解有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物。臭氧氧化一般被認(rèn)為存在2 種機(jī)理——直接氧化和間接氧化。直接氧化是指臭氧本身具有極強(qiáng)的氧化性，水中的O3分子直接和水體中有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)[2]；間接氧化是指臭氧溶于水后產(chǎn)生具有更強(qiáng)氧化性的羥基自由基，對(duì)水中有機(jī)物進(jìn)行氧化作用[3]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

臭氧氧化實(shí)驗(yàn)裝置由空氣泵、臭氧發(fā)生器（5 g/h）、反應(yīng)柱（有效容積3 L）、尾氣收集裝置等組成，采用COD 標(biāo)準(zhǔn)消解法（重鉻酸鉀消解、硫酸亞鐵銨滴定）進(jìn)行測(cè)定COD，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定UV254。UV254 是水中有機(jī)物在254 nm 波長(zhǎng)紫外光下的吸光度，一定程度上可以反映水中大分子有機(jī)物的含量。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)小試實(shí)驗(yàn)確定反應(yīng)初始pH 為8.5，臭氧投加速率3 mg/（L·min），設(shè)計(jì)臭氧氧化反應(yīng)時(shí)間為6 h，每隔1 h 取樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

由圖1 可知，反應(yīng)前4 h，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，COD 去除率逐漸增大；當(dāng)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到4 h 時(shí)，臭氧氧化對(duì)COD 處理效果最佳，去除率達(dá)42.1%；4 h 后COD 去除率基本不變。前2 h UV254 降低顯著，后4 h 趨于平緩，由此可知，臭氧能較好的分解大分子有機(jī)物。

圖1 臭氧氧化時(shí)長(zhǎng)對(duì)COD 去除率及UV254 的影響

2 微電解工藝

2.1 機(jī)理

微電解又稱內(nèi)電解，主要是利用鐵、碳在廢水中產(chǎn)生電位差后形成原電池，產(chǎn)生物理吸附、氧化還原以及絮凝沉淀等反應(yīng)[4]。由電極反應(yīng)和其引發(fā)的一系列反應(yīng)共同作用，達(dá)到水中污染物的去除。

陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)如下：

Fe-2e-=Fe2+

陰極在酸性充氧條件下發(fā)生的反應(yīng)如下：

O2+4H++4e-=2H2O

在電極反應(yīng)過(guò)程中，陽(yáng)極產(chǎn)生的Fe2+和陰極產(chǎn)生的[H]都具有還原性，化學(xué)活性高，可與多種污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)[5]。如通過(guò)反應(yīng)使含硝基的有機(jī)物還原為胺基，使偶氮鍵斷裂，打破有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，使環(huán)狀物質(zhì)開(kāi)環(huán)、鏈狀大分子物質(zhì)斷鏈，提高廢水的可生化性。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

微電解實(shí)驗(yàn)裝置由空氣泵、反應(yīng)柱（有效容積3 L）以及鐵碳球等組成，采用COD 標(biāo)準(zhǔn)消解法（重鉻酸鉀消解、硫酸亞鐵銨滴定）進(jìn)行測(cè)定COD。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)小試實(shí)驗(yàn)確定微電解反應(yīng)初始pH 為3，設(shè)計(jì)微電解反應(yīng)時(shí)間為5 h，每隔1 h 取樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 微電解反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)COD 去除率的影響

由圖2 可知，反應(yīng)前2 h，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，COD 去除率逐漸增大；當(dāng)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到2 h 時(shí)，微電解對(duì)COD 處理效果最佳，去除率達(dá)45.8%；2 h 后COD 去除率變化不大。

3 臭氧-微電解組合工藝

3.1 機(jī)理

臭氧-微電解組合工藝是指臭氧氧化和微電解反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，臭氧氧化可以對(duì)微電解提供曝氣，微電解填料對(duì)臭氧氧化有催化的作用。在臭氧氧化過(guò)程中，不斷消耗中的氫氧根產(chǎn)生·OH，隨著溶液pH 逐漸降低，臭氧氧化產(chǎn)生的·OH逐漸減少，COD 處理效率逐漸降低；當(dāng)pH 降低后微電解起主要作用，反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化物有一定的絮凝沉淀作用。

微電解過(guò)程中，陽(yáng)極反應(yīng)生成的Fe2+及部分Fe2+氧化生成的Fe3+，反應(yīng)過(guò)后調(diào)整pH 至8 左右，生成Fe（OH）2和Fe（OH）3絮凝沉淀，能較好的吸附絮凝廢水中原有的懸浮物以及微電解反應(yīng)產(chǎn)生的不溶物。廢水中的微電場(chǎng)環(huán)境使Fe（OH）3的吸附絮凝能力高于一般混凝劑水解得到的Fe（OH）3的吸附絮凝能力。此外，F(xiàn)e2+和 Fe3+還能與廢水中的、S2-等無(wú)機(jī)離子反應(yīng)生成沉淀而將其去除，降低其對(duì)后續(xù)生化系統(tǒng)的毒害性。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

臭氧-微電解實(shí)驗(yàn)裝置由空氣泵、臭氧發(fā)生器（5 g/h）、反應(yīng)柱（有效容積3 L）、尾氣收集裝置、鐵碳球等組成，采用COD 標(biāo)準(zhǔn)消解法（重鉻酸鉀消解、硫酸亞鐵銨滴定）進(jìn)行測(cè)定COD。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)小試實(shí)驗(yàn)確定臭氧-微電解反應(yīng)初始pH 為8，臭氧投加速率3 mg/（L·min），設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)間5 h，每隔1 h 取樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，臭氧+微電解組合工藝對(duì)COD 去除效果良好，在4 h 時(shí)達(dá)到最佳處理效果去除率59.7%。

圖3 臭氧-微電解反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)COD 去除率的影響

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，采用臭氧-微電解組合工藝處理高濃度船舶污水處理操作靈活、效果穩(wěn)定、運(yùn)行可靠。該工藝對(duì)濃度船舶污水COD 的總?cè)コ蔬_(dá)到59.7%，優(yōu)于傳統(tǒng)的臭氧氧化及微電解工藝。