電芬頓法處理工業廢水研究進展

龔飛銘，李亞峰，邢鎮嵐，高 崇

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

“十三五規劃”構建了中國經濟社會的宏偉藍圖。在我國經濟快速發展的同時，各行各業產生了大量的高濃度的工業廢水?！笆濉逼陂g要加強環境基礎設施建設，使城市污水集中處理率達到95%。工業廢水中的污染物種類多且濃度波動大。因此傳統的處理工藝難以滿足處理排放的標準。

隨著相關研究的深入，高級氧化法在工業廢水處理領域得到了廣泛的應用，通過產生氧化能力極強的羥基自由基(·OH)來降解污染物，提高可生化降解性。高級氧化法具有反應迅速、氧化效果顯著、不產生新的污染的優勢。電芬頓法作為一種新型的高級氧化技術，能有效地處理印染廢水、垃圾滲濾液和苯酚廢水等各類工業廢水。

1 電芬頓法的原理

電芬頓反應示意圖由圖1 所示[1]。電極產生H2O2和（或）Fe2+, 進而產生羥基自由基·OH 通過發生一系列鏈式反應, 來降解有機污染物。首先在酸性溶液中溶解氧或者空氣在陰極表面通過氧還原反應(ORR)連續產生H2O2, 如反應式(1)所示, 溶液中加入的Fe2+與H2O2反應生成強氧化劑羥基自由基·OH,同時得到Fe3+, 如反應式(2)所示。溶液中Fe3+在陰極上得到一個電子被還原成Fe2+, 如反應式(3)所示,又Fe2+與H2O2反應生成強氧化劑羥基自由基(·OH),使反應循環進行處理有機污染物。使其氧化分解為CO2、H2O 和無機離子, 如反應式(4)和(5)所示[2]。

圖1 電芬頓反應示意圖

2 電芬頓法在工業廢水處理中應用

2.1 印染廢水

印染行業屬于重污染、高耗能行業。不僅造成了較為嚴重的環境污染，也消耗了大量的能源。隨著“十三五”進程的推進，生態環境保護問題被提上日程，國家加強印染行業的環保監管，對印染行業的水處理工藝提出了更高的要求，制定了更嚴格的排放標準。印染廢水作為一種較難處理的工業廢水，有著污染物組分復雜、污染物濃度高、處理難度大的特點。傳統的處理工藝占地面積較大，基建費用較高，處理印染廢水效率偏低。與之相比，電芬頓法能夠產生氧化性較強的羥基自由基，能高效處理難降解有機物，操作簡單，易于控制，不會產生二次污染。劉薇等[3]利用電解槽的電芬頓法探究印染廢水去除率的影響因素。實驗結果表明，當電解電壓為8 V，電解電流密度為40 mA·cm-2，FeSO4濃度為15 mmol·L-1時，印染廢水的處理效果最好。石申等[4]利用自制的電芬頓反應器對進行了處理印染廢水的有關研究，發現pH，曝氣量，反應時間等因素均可以對處理效果產生影響。在pH=3，曝氣量為0.1 m3·h-1，反應時間為40 min 的條件下，COD的去除率可以達到73.5%，處理效果良好。曾旭等[5]采用正交實驗，探究30%H2O2投加量和殼聚糖絮凝劑投加量對COD 去除效果的影響。在30% H2O2投加量為1.5 g·L-1、殼聚糖絮凝劑投加量為3 mg·L-1的條件下，印染廢水的COD 去除率可達80%以上。杜鵑山等[6]通過在陰極外加活性炭纖維的方式改良電芬頓法。利用這種方法處理印染廢水中的亞甲基藍，去除率可達到95%以上。

2.2 垃圾滲濾液

隨著城市面積的增大和人口規模的不斷擴張，我國城市生活垃圾產生量逐年遞增。生活垃圾在堆放和填埋的過程中會產生大量的垃圾滲濾液。垃圾滲濾液主要由降雨和地下水進入垃圾堆體和垃圾自身含有的水分產生。垃圾滲濾液具有COD 和氨氮的含量較高，總磷含量較低，水量和水質波動大的特點。若不進行無害化處理，極易造成水體的富營養化現象。常規的垃圾滲濾液處理技術具有處理周期長，設備的基建和運行費用高，藥劑易殘留等缺點。電芬頓法作為一種環境友好型的新型水處理技術，在室溫條件下，通過外加電場產生羥基自由基或其他氧化性較強的物質。不僅能降解水中的污染物，還能殺滅水中的細菌。Eyüp Atmaca[7]以鑄鐵為電極，通過改變反應條件探究電芬頓法處理垃圾滲濾液的影響因素。在pH=3，外加直流電流3A，H2O2質量濃度為2 000 mg·L-1時，COD 去除率為72%，總磷去除率為87%，氨氮去除率為28%。Zhang H等[8]采用間歇再循環方式的電芬頓法處理垃圾滲濾液。實驗發現，電芬頓法能有效去除垃圾滲濾液中的COD。李莉等[9]通過電芬頓法對老齡垃圾滲濾液進行處理。在最佳實驗條件下，CODr去除率達到96.5%。王春霞等[10]采用外加紫外光的電芬頓法處理垃圾滲濾液。實驗發現電芬頓反應可以明顯改善滲濾液生化性。在最佳的反應條件下，TOC 和COD去除率分別達到78.9%和62.8%。許威等[11]采用改良陰極電芬頓法處理垃圾滲濾液。在pH=4，外加條件14.36 V 的條件下，極板間距1.42 cm 的條件下，COD 的去除率可達到92.5%。

2.3 苯酚廢水

鋼鐵、化工、印染等重工業領域成為衡量我國經濟發展的重要指標。這些行業產生了大量的難降解的有機廢水。酚類及其衍生物是工業廢水中常見的毒性較高而且難被降解的有機物。在酚類化合物中，以苯酚的毒性最高，因此苯酚廢水被認定為優先處理對象，受到我國環境部門的高度重視。苯酚廢水的組成差異較大，因此傳統的處理方法不能徹底地去除廢水的有機物。電芬頓法產生的氧化性較強的羥基自由基既可以無選擇性地降解有機物，又能誘導有機物實現自身氧化。因此電芬頓法逐漸成為處理苯酚廢水的首選方法。朱慧琳等[12]構建電芬頓氧化體系，處理質量濃度為50 mg·L-1的苯酚廢水。實驗表明，在溫度為45℃，pH=3，H2O2濃度為5 mmol·L-1的條件下，酚類可實現完全去除。徐皓[13]采用自制的復合陽極和陰極的電芬頓法處理苯酚廢水。在pH=3，曝氣速率為0.4 L·min-1，電流密度為10.0 mA·cm-2條件下，總酚和COD 的去除率分別為98.7%和85.6%。徐甲慧等[14]采用以石墨電極為陰極的電芬頓法處理苯酚廢水及煤化工廢水。在鐵碳粒子為催化劑，反應時間為1 h 的條件下，苯酚的去除率可達100%。何文妍[15]采用電芬頓法對苯酚廢水進行氧化降解，在最佳條件下，苯酚的去除率可以達到74.09%。

3 結語與展望

本文選取三種典型的工業廢水采用電芬頓法處理，已經驗證電芬頓法是一種極具發展前景的處理技術，具有操作簡易、反應速度快、能耗低、處理效率高等優勢。若能將電芬頓法進行更為深入的研究與探索，既能改進工業廢水處理方法，又能改善生態環境，推進可持續發展。開發石墨電極、三維電極等新型電極材料，研究新型反應器并且優化工藝參數，采用電芬頓法和其他處理工藝的聯合處理將是電芬頓法未來的研究趨勢。