關于臭氧催化氧化深度處理造紙廢水的研究

邢國娟

(深圳市鑫永盛新材料有限公司 廣州 深圳 518000)

0 引言

新時期,我國堅持貫徹落實可持續發展戰略,節能環保理念深入人心,造紙行業作為污染大戶,想要實現可持續發展目標,就要充分做到與時俱進,采取有效措施處理生產廢水。尤其近年來,我國各種類型的紙張使用量逐漸提升,并且進口數量不斷縮減,在為國內造紙企業創造發展機遇的同時,也在一定程度上增加了造紙廢水排放量。由于造紙廢水中含有大量難分解或不可分解的化合物,所以采用傳統處理工藝很難達到廢水排放標準。而引入臭氧催化氧化法,能夠有效彌補傳統處理技術存在的不足。結合實踐來看,臭氧催化氧化法不僅操作便捷,而且反應迅速,能夠在短時間內完成氧化、催化反應,從而達到造紙廢水深度處理目標。相關專家在臭氧催化氧化研究中發現,使用AL2O3負載ZnO 的催化劑,能夠有效減少造紙廢水中的COD,相對于傳統處理技術,去除率至少能夠提高15%,去除率能夠達到74%。由此可見,本文對臭氧催化氧化技術進行研究,通過實驗方法探索其在造紙廢水深度處理中的應用,不僅能夠為處理技術進一步推廣和應用奠定基礎,還能夠為造紙業可持續發展奠定提供保障。

1 實驗應用的材料和具體方法

1.1 水質及催化劑

本次實驗主要采用某造紙廠內部的廢水處理廠。該處理廠設置了諸多廢水處理裝置,造紙廢水產生后需要經過一系列生物處理工藝進行處理,處理后的廢水從二沉池排出,生化出水每升約189.13mg的有機污染物,每毫升內含有14.45mg氮,其中包括2.23mg氨氮,酸堿值為7.89,廢水主要為黃色。通過混凝過濾后,通過臭氧催化氧化方式對廢水進行處理,整個實驗可以在常溫環境下操作。使用的催化劑有兩種,一種為氧化鋁載體的催化劑,另一種為活性炭載體的催化劑,活性組成均為過渡金屬[1]。

1.2 裝置工藝

在造紙廢水臭氧催化氧化過程中,離不開裝置工藝的支撐,本次實驗的裝置工藝如圖1所示:

圖1 臭氧催化氧化裝置工藝

由圖1分析可以看出,在造紙廢水處理過程中,裝置工藝的需要按照以下步驟進程,廢水先進入緩沖罐,加藥處理后進入砂濾罐,通過臭氧發生器進行催化和氧化,而后進入射流器,最后進入反應器并將處理后的水排出[2]。每個環節的功能不盡相同,其中緩沖罐的主要作用是對造紙廢水的水質進行均勻處理,砂濾罐的主要作用是盡可能減少造紙廢水中的懸浮物,射流器的主要作用是利用微氣泡使汽水充分混合,為臭氧更好地溶解奠定基礎。本次實驗選擇的臭氧發生器,為青島某公司研發的新型設備,能夠通過管路上設置的微調閥等靈活調整臭氧發生器的工作壓力。在實驗過程中臭氧濃度與臭氧的流量計功率有直接關系。在實驗操作過程中,選擇的臭氧反應器共兩個,其中反應器A 的高度約2m,半徑約0.3m,材質為不銹鋼;反應器B的高度約2.3m,半徑為0.1m,材質為PVC。由于造紙廢水在臭氧催化氧化過程中會產生大量尾氣,所以需要通過尾氣破壞器對其進行科學處理[3]。

1.3 合理設計實驗

首先,通過反應器A,分析造紙廢水中A型催化劑的使用量及飛行器相對于空氣的速度,對去除有機污染物產生的一系列影響。其次,通過反應器A,在飛行器相對于空氣速度,及催化劑使用量不變的情況下,研究臭氧用量對有機污染物處理產生的各種影響。最后,聯合使用反應器A 和B,研究臭氧催化氧化和臭氧、過氧化氫催化氧化對有機污染物處理產生的影響。

1.4 主要分析方法

本次實驗主要使用哈希儀器對造紙廢水中的有機污染物進行處理,通過連華試劑對造紙廢水中的氮和氨氮進行測定[4]。結合大量實踐來看,進水流量和臭氧濃度,會直接決定臭氧投加量,實驗過程需要按照以下公式進行準確計算臭氧投加量:

其中M 代表實驗過程的臭氧投加量,單位為g/t;W 代表實驗過程的臭氧濃度,單位為mg/L;Xg代表臭氧流速,單位為m3/h;NL 代表造紙廢水處理量,單位為m3/h。

2 試驗結果及討論

2.1 確定催化劑的填裝量

當造紙廢水的進水流量達到每小時0.5m3時,需要按照每噸150g的量投加臭氧,在此基礎上,對裝有60 L、136L 以及180 L 催化劑的反應器A 變化情況進行觀察,分析去除廢水有機污染物的效果。結合實驗結果來看,催化劑投加量越大,有機污染物的處理效果越好。其中60 L 的催化劑臭氧與有機污染物的比值為2.22;136L 的催化劑臭氧與有機污染物的比值為1.76;180 L 的催化劑臭氧與有機污染物的比值為2.67。在實驗操作過程中,反應器A 后期的催化劑裝填高度達到0.24m時,有機污染物的處理率大約為30%[5]。主要原因在于,試驗后期的造紙廢水,通常會經過沉淀池、砂濾罐處理后出水,最后才達到臭氧反應器,所以有機污染物成分相對較少。為了盡可能減少資金的不必要消耗和浪費,在實驗后期,試驗人員以0.24m 為標準將A 型催化劑裝填到反應器A 中,體積大概在68 L左右。

2.2 選擇空速

在分析空速對造紙廢水有機污染物處理效果過程中,首先要保證臭氧濃度和流量不變,其中濃度為每升120mg,流量為每小時0.6m3。結合實驗結果來看,在空速為3.98h-1的情況下,臭氧催化氧化對造紙污水中有機污染物的處理效率大概為33.85%,臭氧出水的有機污染物為每升86mg;在空速為7.37h-1的情況下,臭氧催化氧化對造紙污水中有機污染物的處理效率大概為42.12%,臭氧出水的有機污染物為每升79mg;在空速為12.53h-1的情況下,臭氧催化氧化對造紙污水中有機污染物的處理效率大概為37.41%,臭氧出水的有機污染物為每升85mg;其中空速為7.37h-1時,造紙廢水中的有機污染物處理效果最佳。可以看出,在處理時間和廢水體積相同的情況下,空速越高處理的水量越多,并且可以有效減少催化劑的使用量,這對于節約處理成本而言有積極意義[6]。

2.3 選擇臭氧投加量

臭氧本身能夠對造紙廢水中的污染物進行氧化,而加入一定量的催化劑,能夠進一步提高氧化性能,具體來說就是通過催化臭氧,使其生成羥基自由基,而后將造紙廢水中的污染物進行轉化,使其形成小分子污染物。結合實驗來看,臭氧的投加量能夠對羥基自由基數量產生直接影響,關系到臭氧的最終氧化狀況[7]。通過上文分析可以看出,可以將68L的A 型催化劑裝填到反應器A 中,同時將60L的B型催化劑裝填到反應器B中,而后將二者串聯,造紙廢水從沉淀池出水后進入臭氧氧化單元,在空速為7.37h-1的情況下,對不同臭氧投加量對有機污染物的處理效果進行分析,結果如下圖2所示。

圖2 臭氧投加量對有機污染物處理效果產生的影響

結合上圖來看,當臭氧投加量達到每噸70g時,有機污染物的去除率能夠達到45%左右,處理效果相對較差;當臭氧投加量達到每噸120g 時,有機污染物的去除率能夠達到50%。可以看出,在空速不變的情況下,加大臭氧投加量,能夠提高有機污染物處理效果。同時,還可以發現,反應器A 在有機污染物處理方面的參數變化幅度較小,這也意味著當臭氧投加量超過每噸120g時,反應器A 的有機物去除率已經處于峰值。在此基礎上,如果持續增加臭氧投加量,反應器A 會始終將有機污染物的處理率維持在30%左右,反應器B則維持在22%左右。所以,在后續臭氧投加量增加到每噸120g、140g、160g時,有機污染物處理效果并沒有明顯增強,這是因為自由基鏈的整個反應過程,包括開始、傳遞、終止所有環節,在此過程中,每噸的臭氧投加量控制在120g,即可促進自由基鏈發生反應,所以后續持續增加臭氧并不會對反應過程產生影響,因此有機污染物的處理效果也不明顯,當臭氧投加量為每噸180g時,出水的有機污染物需要達到每升48mg。

2.4 雙氧水在強化臭氧單元方面的效果

在臭氧分解過程中加入雙氧水,能夠產生羥基自由基,通過計算可以得出,雙氧與臭氧的物質量比控制在0.5 最佳。通過不同的實驗論證,在造紙廢水處理工藝中,由于進水成分不盡相同,運行條件存在差異,所以很多專家和學者也提出了其他最佳物質量比,但范圍一般控制在0.5-1.4范圍內。為了盡可能減少廢水處理成本的支出,同時降低臭氧投加量,需要深入分析雙氧水在強化臭氧單元方面發揮的作用,以及達到的效果[8]。

將68L 的A 型催化劑裝填到反應器A中,將60L的B型催化劑裝填到反應器B 中,將空速設置為7.37h-1,每噸投入70g臭氧,在此基礎上,分析臭氧和過氧化氫的量比對臭氧單元有機污染物處理的效果,如圖3所示。

圖3 臭氧和過氧化氫的量比對有機污染物去除效果產生的影響

由上圖分析可以看出,臭氧單元造紙廢水的有機污染物去除率,始終在45%-55%范圍內浮動,Q3:△COD 為1.2 時,臭氧和過氧化氫的量比為0.25;Q3:△COD 為1.5 時,臭氧和過氧化氫的量比為0.5;Q3:△COD 為2.4時,臭氧和過氧化氫的量比為0.75,有機污染物的總處理效果明顯優于沒有添加雙氧水的處理效果。可以看出,當臭氧和過氧化氫的量比為0.5時,有機污染物的處理率一般在51.85左右。此時Q3:△COD下降到1.2,出水有機污染物為每升50mg;當臭氧和過氧化氫的量比超過1是,有機污染物的處理效果相對較低;當臭氧和過氧化氫的量比為1.5 和2.0時,有機污染物的處理效果低于臭氧和過氧化氫的量比為0 時,這是因為在臭氧氧化過程中,加入一定濃度的雙氧水,能夠產生濃度較高的羥基自由基,但如果雙氧水濃度超過一低昂范圍,那么會在生成過程中消耗大量羥基自由基,導致其濃度降低,無法達到理想的有機污染物處理效果。

3 結束語

綜上所述,隨著造紙廠生產規模逐漸擴大,產生的廢水量也不斷增加,引入臭氧催化氧化技術,對廢水進行深度處理,能夠有效提高廢水處理效果,增強有機污染物的去除率。試驗結果表明,造紙廢水處理可以優先選擇臭氧催化氧化技術。結合大量實驗和實踐可以看出,臭氧催化氧化技術在實際操作中不會產生二次污染,能夠充分滿足節能環保要求,是一種效果較好的清潔型污水處理技術。但由于我國相對于發達國家而言,在臭氧催化氧化技術應用方面起步較晚,所以仍然存在很多問題需要解決,主要體現在穩定性不強、投入成本較高、安全隱患較多、氧化效率較低等方面,雖然在科學技術不斷進步的環境下,臭氧催化氧化技術已經得到了一定優化和完善,但仍有很大開發和改良空間,例如通過多種催化、氧化手段提高廢水處理效率。所以,相關專家和學者需要不斷加大研究力度,積極借鑒發達國家成功經驗,進一步優化臭氧催化氧化技術,為造紙廢水深度處理提供技術保障。