基于Fenton氧化法的垃圾滲濾液處理研究進展

摘要：Fenton氧化法是一種高效的污水處理技術，能夠有效地處理垃圾滲濾液。本文綜述Fenton氧化法處理垃圾滲濾液的研究進展，分析Fenton氧化法處理垃圾滲濾液的原理，并探討它們的優缺點，展望發展前景，以更好地將Fenton氧化法應用于垃圾滲濾液處理領域。

關鍵詞：垃圾滲濾液；Fenton氧化法；改進Fenton氧化法；組合工藝

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.029

Abstract： Fenton oxidation method is an efficient wastewater treatment technology that can effectively treat landfill leachate. This paper reviews the research progress of Fenton oxidation method for treating landfill leachate， analyzes the principle of Fenton oxidation method for treating landfill leachate， explores their advantages and disadvantages， and looks forward to its development prospects， in order to better apply Fenton oxidation method to the field of landfill leachate treatment.

Keywords： landfill leachate; Fenton oxidation method; improved Fenton oxidation method; combination process

垃圾滲濾液組分復雜，污染物濃度高，微生物營養元素比例不均衡，可生化性差，不同時期的水質水量波動大。通常，垃圾滲濾液采用預處理+生物處理+深度處理的組合工藝進行處理[1]。Fenton氧化法是一種基于羥基自由基（·OH）的高級氧化法，可高效去除垃圾滲濾液中的多種污染物，反應條件溫和，反應速率快，設備成本低，它處于不斷改進中。因此，有必要梳理當前Fenton氧化法在垃圾滲濾液處理中的研究進展。本文結合Fenton氧化法降解污染物的基本原理，綜述其在垃圾滲濾液處理領域的研究進展，以期為該方法的發展和應用提供參考。

1 Fenton氧化法

Fenton氧化法的基本原理是在酸性條件下，Fe2+與H2O2發生復雜鏈反應，催化產生氧化性極強的·OH，并催生其他活性氧物質。·OH、活性氧物質能有效地將有機物轉化為小分子物質、CO2和H2O等。該過程的主要反應為

1.1 均相與非均相Fenton氧化法

根據催化劑的存在形式和反應條件，Fenton氧化法可以分為均相Fenton氧化法和非均相Fenton氧化法。均相Fenton氧化法的鐵催化劑以溶解狀態與H2O2、污染物同處于水相，并直接發生反應；在非均相Fenton氧化法中，鐵催化劑或被固定到某種載體上，或以金屬顆粒的形式存在，與H2O2、有機物分別處于固相和液相，反應通過固-液相界面進行。均相Fenton氧化法通常需要在強酸性條件下進行，加快Fe2+與H2O2反應速率，但pH適用范圍窄，強酸環境容易造成設備腐蝕，鐵離子的絮凝作用會導致大量鐵泥的產生。從非均相Fenton氧化體系中分離并重復利用已使用過的固體催化劑，可大大減少鐵泥的生成[2]。非均相Fenton氧化法降解有機物的反應主要發生在固體催化劑表面，要求催化劑能快速催化H2O2產生大量·OH，僅靠固體催化劑緩慢溶出Fe2+，其處理效果甚至比均相Fenton氧化法差。均相Fenton氧化法存在pH應用范圍窄、Fenton試劑消耗量大、鐵污泥量多等缺點，實際應用受到一定限制；非均相Fenton氧化反應對溶液pH的要求相對較寬，適應更廣泛的廢水處理，同時減少鐵污泥產生。因此，研究高效、穩定、安全、廉價的非均相催化劑是非均相Fenton氧化法在垃圾滲濾液處理領域應用的焦點之一。

1.2 類Fenton氧化法

除Fe2+以外，Cu2+、Co2+、Ti3+等均相催化劑和一些過渡金屬（Fe、Cu、Ni等）礦物、復合物等非均相催化劑同樣可使H2O2分解產生·OH，或者以次氯酸鹽、過硫酸鹽等替代H2O2，構成類似Fenton試劑的反應體系，其反應過程與Fenton試劑類似，被稱為類Fenton氧化體系。類Fenton氧化法采用不同催化劑，在弱酸或中性條件下也能高效地降解污染物[3]，拓寬方法的應用范圍。使用過硫酸鹽、過碳酸鈉等氧化劑代替H2O2，在Fe2+催化活化下也能有效處理垃圾滲濾液。類Fenton氧化法催化劑、氧化劑種類多，反應條件寬松，擴寬pH的適用范圍，避免傳統Fenton氧化法強酸環境對設備的腐蝕，同時能有效地處理廢水，減少藥劑投加量，降低運行成本。

2 改進Fenton氧化法

目前，許多學者嘗試將光、電能、超聲波及微波等外部能源引入Fenton氧化法中，形成光-Fenton氧化法、電-Fenton氧化法、聲-Fenton氧化法及微波-Fenton氧化法等改進Fenton氧化法，并將其應用到垃圾滲濾液處理，處理效果好，運行條件寬松，同時避免二次污染，降低成本。

2.1 光-Fenton氧化法

光-Fenton氧化法是通過紫外光（Ultraviolet，UV）或近紫外光（Near Ultraviolet，NUV）對Fenton氧化體系的作用，改善Fenton氧化體系的處理性能。該方法不僅提高垃圾滲濾液處理效率，而且降低鐵鹽投加量，減少鐵泥量。楊振寧等[4]對比Fenton氧化法和UV-Fenton氧化法處理垃圾滲濾液反滲透膜濃縮液的效果，研究表明，在最優條件下，UV-Fenton氧化法的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率優于Fenton氧化法。光還能使半導體光催化劑的價電子發生躍遷，產生強氧化性的自由電子-空穴對，能氧化降解許多有機物分子，將光催化與光-Fenton氧化耦合，協同降解有機污染物，處理效率顯著提升。光-Fenton氧化法有效提升垃圾滲濾液的處理效果，減少試劑投加量，但要配備高效光源、光-Fenton氧化反應器，光照強度大、持續時間長，相比傳統Fenton氧化法，其處理成本并不低。因此，光-Fenton氧化法鮮有實際應用。

2.2 電-Fenton氧化法

電-Fenton氧化法是指酸性條件下，電-Fenton氧化體系中，溶解氧接受電子，原位產生H2O2，H2O2與體系中Fe2+反應生成Fe3+和·OH，最后Fe3+接受電子又轉化為Fe2+。同時，反應過程的析氫、析鐵現象被限制，能提高H2O2利用率，減少Fenton試劑投加量。因此，電-Fenton氧化法避免試劑運輸與儲存問題，減少鐵泥量，操作簡便。近年來，學者紛紛開展電極材料的選擇、改性以及電解池的結構設計等研究，試圖尋找高效、穩定、環保的電極和反應裝置。朱琳[5]設計出一體式垃圾滲濾液膜電極破絡裝置，以大孔豐富、電化學活性位點多的亞氧化鈦膜為陽極，在一定條件下，銅離子有機絡合物（Cu-DOMs）最佳去除率為47.4%，同時類腐殖酸等疏水性有機物的親水性得到改善。今后應進一步研究高效電極、催化劑，設計新型電解池結構和反應裝置，優化電-Fenton氧化體系工藝參數，提高電流效率、傳質效率與處理效率，降低能耗，減少鐵泥，從而推動電-Fenton氧化法的實際應用。

2.3 聲-Fenton氧化法

超聲波在液體傳播過程中會引起空化效應，催生大量微小氣泡（空化核），這些氣泡在振蕩、生長、收縮和崩潰時會產生局部瞬時高溫高壓，使附近水分子裂解成·OH。空化過程產生的高溫熱解、超臨界水氧化及機械剪切等也起到降解有機污染物的作用。將超聲波與Fenton氧化法結合，使H2O2能快速分解為·OH，提高·OH濃度，提升Fenton氧化體系氧化性能，并降低氧化劑用量。聲-Fenton氧化法提高垃圾滲濾液處理效率，主要影響因素包括超聲波波長、功率、催化劑、氧化劑濃度及摩爾比、反應pH、溫度等。目前，由于能量轉化效率低、反應時間長、設備成本高等，聲-Fenton氧化法在處理垃圾滲濾液上缺乏實際工程案例。設計新型高效聲-Fenton氧化耦合反應器，優化聲-Fenton氧化運行參數，進一步降低能耗和成本，對聲-Fenton氧化法的工業應用有重要意義。

2.4 微波-Fenton氧化法

將微波與Fenton氧化法結合，利用微波的熱效應和非熱效應，直接作用于反應物分子，降低物質分子化學鍵強度和反應活化能，并加快·OH的形成，增強Fenton氧化體系反應活性，從而高效去除污染物，它具有加熱快速均勻、易于控制等優點。選擇吸波性強、表面位點豐富的物質（如活性炭、金屬及其氧化物）作為載體，負載催化劑構造非均相類Fenton氧化體系，在微波強化下，處理效果顯著。但是，微波-Fenton氧化法微波利用率低，能耗大，設備要求高，其在垃圾滲濾液處理上并未得到廣泛應用。未來，隨著研究深入和方法改進，微波-Fenton氧化法有望進行工業化應用。

2.5 復合Fenton氧化法

除了光、電、聲、微波等單一能量強化Fenton氧化外，近年來，人們也開展多種能量同時與Fenton氧化法結合進行垃圾滲濾液處理的研究，以克服單一能源的缺陷，它表現出較好的協同效應，不僅提升處理效果，而且擴大Fenton氧化法的應用范圍，具有廣闊的應用前景。復合Fenton氧化法的組合方式多種多樣，有光-電-Fenton氧化、超聲-光-Fenton氧化、微波-光-Fenton氧化等，在能量協同作用加持下，不同組合方式的復合Fenton氧化法處理效率均比單一能源下的Fenton氧化法高。

3 組合工藝

Fenton氧化法可以與其他工藝聯合，協同處理垃圾滲濾液，它可明顯改善廢水可生化性，降低毒性，去除多種污染物，Fe3+發揮絮凝沉淀作用，組合工藝的總體效率有效提升，應用價值很高。對于成分復雜、有機物濃度高、生化性較差且含一定金屬離子的濃縮液，Fenton氧化法與其他工藝組合的處理效果穩定。李華英等[6]利用UV-Fenton催化氧化+生物脫氮組合工藝對垃圾滲濾液膜濃縮液進行處理，開展連續120 d的中間試驗，結果表明，COD、總氮和氨氮的去除率均超過90%，廢水的可生化性明顯提高。

Fenton氧化法與其他工藝組合可實現污水達標排放和資源化利用，可根據廢水性質、出水要求、場地限制等情況，靈活調整工藝組合方式，以適應不同污水的處理要求，擴大組合工藝的應用范圍。盡管組合工藝系統相對龐大，對各處理單元間的協同控制要求也高，操作相對復雜，但隨著智能化控制技術的發展，工藝全系統優化和綜合能效診斷也變得更加準確、簡便，Fenton氧化法與其他工藝的組合應用仍表現出很大的應用前景。

4 結論

Fenton氧化法能有效處理工業廢水，受到廣泛關注和研究，技術優勢獨特，應用前景廣闊。但是，現有方法難以兼顧效率和成本，實際應用存在諸多問題。未來，可研究新型Fenton催化劑，進行物化改性，拓寬pH適用范圍，提升各類污染物的處理效率，避免二次污染；將新材料、新技術及新能源與Fenton氧化法結合，如金屬有機框架材料、鐵碳微電解、磁感應技術等，研究反應機理，提升反應活性和多污染物的協同處理能力；系統分析Fenton氧化法與生物法、膜法等組合工藝的實際綜合效能和協調關系，優化系統運行參數，減少污泥量，簡化操作，降低成本，促進技術的產業化。

參考文獻

1 王 凱，武道吉，彭永臻，等.垃圾滲濾液處理工藝研究及應用現狀淺析[J].北京工業大學學報，2018（1）：1-12.

2 郭小熙，田鵬飛，孫 楊，等.工業有機廢水深度處理：非均相Fenton催化劑研究進展[J].化工進展，2021（2）：605-620.

3 Korvayan W J.銅芬頓法處理垃圾滲濾液膜濃縮液[D].長沙：中南大學，2022：14-15.

4 楊振寧，衛 威.UV-Fenton、Fenton和O3氧化法處理垃圾滲濾液反滲透膜濃縮液的對比研究[J].環境工程學報，2016（7）：3853-3858.

5 朱 琳.滲濾液生化出水中Cu-DOMs的電氧化破絡效果與機制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2022：8-9.

6 李華英，肖 雄，趙建樹，等.紫外光芬頓+EM菌高效脫氮組合工藝在垃圾滲濾液膜濃縮液處理的中試應用[J].環境工程學報，2023（4）：1377-1386.

收稿日期：2024-01-24

基金項目：廣西電力職業技術學院2022年度科研能力提升項目（2022ZKZ02）；2023年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2023KY1360）。

作者簡介：黃修行（1988—），男，廣西玉林人，碩士，講師。研究方向：水處理技術。