超臨界水氧化法處理抗生素廢水影響因素分析

申麗霞

(長治市屯留縣環境保護局，山西 長治 046100)

引 言

超臨界水氧化技術(SCWO)是一種新興的有機廢物和廢水處理技術，是在水的超臨界狀態下，有機物發生強烈氧化反應的過程。超臨界水氧化法具能使有機污染物徹底降解并且可以回收利用熱能等特點[1]，已在廢水或廢液治理、廢物處理、環境監測及污染物分析[2-6]等方面的應用取得了重大進展，并已逐步開始工業化應用。因此提出用超臨界水氧化法處理抗生素廢水。實驗主要研究停留時間、溫度、壓力、氧化劑濃度對超臨界水氧化處理效果的影響。

1 實驗方法

實驗由課題組自行設計，該裝置主要由進料裝置、預熱裝置、反應與冷卻降壓裝置、氣液分離等組成。主要流程如圖1所示，主要設備如圖2所示。本次實驗選用某抗生素制藥廠的抗生素廢水，原水水質指標如表1所示。主要步驟為:將抗生廢水與氧化劑(H2O2)均勻混合由計量泵進入預熱器，同時加入清水，待溫度達到預熱與反應溫度時進行反應，并調整壓力系統，穩定反應40 min。

2 實驗結果及討論

2.1 停留時間對氧化效果的影響

有機物去除率與停留時間有關，停留時間越長去除率越高。但是延長停留時間會增加處理成本。因此，綜合考慮停留時間對去除效率的影響，操作溫度為653 K～683 K(380 ℃～410 ℃)進水濃度COD約為500 mg/L、H2O2濃度為7 000 mg/L，本文實驗結果如圖3所示。

圖1 流程圖

圖2 實驗設備圖

表1 抗生素廢水水質指標

圖3 COD去除率與停留時間的關系

由圖3可以知，在20 s～60 s的停留時間內，隨著停留時間的增加COD去除率逐漸升高。而在40 s～60 s停留時間內COD的去除率增速明顯減緩。主要是由于隨著反應的進行，液體中本底濃度逐漸降低，因此反應速率逐漸降低，停留時間對COD的去除率的影響也逐漸減弱。

2.2 溫度對氧化效果的影響

在停留時間為20 s～60 s范圍內，水質、H2O2濃度相同的情況下，同時考慮了溫度對COD去除率的影響，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著溫度的升高，COD去除率與溫度基本呈線性關系。

圖4 COD去除率與溫度的關系

2.3 壓力對氧化效果的影響

停留時間為40 s、溫度為673 K(400 ℃)，水質、H2O2濃度相同的情況下，考察壓力對COD去除效率的影響，結果如圖5所示。

圖5 COD去除率與壓力的關系

由圖5可知，在溫度為673 K(400 ℃)時，隨著壓力的上升COD去除率明顯的增加，當壓力為20 MPa～22 MPa時，隨著壓力升高COD去除率增加較慢。主要原因是由于隨著壓力升高，有機物和水的濃度增大，增加了反應速度，同時壓力接近臨界壓力(22.1 MPa)，水的性質發生了一定的變化，廢水中有機分子產生的籠效應[7]，壓力在 22 MPa～23 MPa時，隨壓力升高COD去除率增加較快，主要是因為實驗過程中壓力大于臨界壓力，水變為超臨界狀態使得不利于反應籠效應減弱。當壓力為23 MPa～29 MPa時，隨壓力的升高COD去除率變得緩慢。Thornton等人[8]研究了在臨界溫度附近，壓力對水氧化苯酚反應速率的影響，結果表明，隨著水密度的增加反應速率逐漸增加。Koo等人[9]研究了苯酚的超臨界水氧化反應，結果表明：當密度相同時，隨著壓力的增加，反應速率變化相對較小；但是壓力相同時，密度的變化對對反應速率的影響相對較大。研究結果表明，壓力對反應速率的影響主要是對密度變化的影響。實驗結果與Koo等人的研究結果相一致。

2.4 氧化劑用量對氧化效果的影響

選用H2O2為氧化劑研究其對去除效率的影響，實驗溫度為673 K(400 ℃)、壓力為25 MPa、停留時間為40 s、初始進水濃度COD約為500 mg/L。H2O2用量在5種計量下進行實驗，分別為0.0(0%)，0.5(50%)，1.0(100%)，1.5(150%)，2.0(200%)條件下進行，結果如圖6所示。

圖6 COD去除率與過氧量的關系

由圖6可以看出，隨著H2O2量的增加，COD去除率逐漸增加。當過氧量在0.0～1.0(0%～100%)范圍內，隨著過氧量的增加，COD去除率呈線性增加。當H2O2量大于1.0(100%)時，隨過氧量的增加COD的去除率增加速率變慢。Arslan-Alaton等人[10]研究表明，適量的H2O2量對超臨界水氧化反應較為有利，而無限的增加H2O2量對去除效率促進作用不大，反而增大了成本。本文研究結果與之相同。

3 結論

在實驗停留時間范圍內(20 s～60 s)COD去除率隨停留時間的增加而增大，不同時間段增速顯注不同，主要是由于隨著反應的進行，液體中本底濃度逐漸降低。在溫度為653 K～683 K(380 ℃～410 ℃)內，隨著溫度的升高COD去除率增大。H2O2量在0.0～1.0(0%～100%)范圍內，隨著H2O2量的增加，COD去除率顯著增大；當H2O2量大于1.0(100%)時，COD去除率變化不大。