譚程方，鄭利明，黎宏飛，潘永剛（廣州機械設(shè)計研究所，廣東廣州510000）

高濃度有機廢水微波催化氧化處理工藝探討

譚程方，鄭利明，黎宏飛，潘永剛（廣州機械設(shè)計研究所，廣東廣州510000）

工業(yè)廢水微波催化氧化技術(shù)是將氧化劑和廢水混合之后再送入微波場中，廢水中的高濃度有機污染物在微波的作用下快速發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并使之轉(zhuǎn)化成小分子的物質(zhì)，進(jìn)而氧化為水和二氧化碳，進(jìn)而達(dá)到凈化廢水的目的。工業(yè)廢水微波催化氧化的技術(shù)主要有：氧化劑的選擇和氧化過程的控制；工業(yè)廢水微波催化氧化處理裝置的設(shè)計與制造；自動控制系統(tǒng)的設(shè)計實施；工業(yè)廢水微波催化氧化工藝技術(shù)。

微波；催化氧化；廢水處理

1　引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，目前水資源的污染問題越來越嚴(yán)重，其危害已經(jīng)逐漸滲透到人們的日常生活之中，廢水處理也已經(jīng)不是某一個領(lǐng)域和行業(yè)的任務(wù)，而是人類義不容辭保護(hù)生存環(huán)境的責(zé)任和義務(wù)。

近年來，我國的廢水處理得到了快速的發(fā)展，也較大幅度的改善了地表的水質(zhì)。主要是因為我國政府已經(jīng)制定了各項保護(hù)環(huán)境的政策，要求排污企業(yè)加大環(huán)保投資、建立符合要求的廢水處理系統(tǒng)，但是很多企業(yè)因為處理技術(shù)的局限，廢水的處理效率不高，印染、漿粕、造紙、制藥、焦化等眾多行業(yè)的企業(yè)由于沒有成熟的廢水處理技術(shù)，造成外排水不達(dá)標(biāo)，有可能會停產(chǎn)關(guān)閉。

在此前提下，我們市場調(diào)研和分析了典型企業(yè)的需求，聽取了業(yè)內(nèi)知名專家和技術(shù)人員的意見，制定了總體方案。工業(yè)廢水微波催化氧化技術(shù)可以使處理后的廢水達(dá)到國家相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，具有諸多的優(yōu)點，如：設(shè)備自動化程度高、不受環(huán)境溫度等因素影響、壓力投資少、占地面積小、綜合處理效果好等，具有推廣的應(yīng)用價值。

2　技術(shù)方案的確定

2.1技術(shù)方案分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷的發(fā)展，工業(yè)廢水的污染問題也越來越多，不僅工業(yè)廢水污染物的成分復(fù)雜，而且工業(yè)廢水污染物的濃度高，造成原來的廢水處理方法處理有限，工業(yè)廢水的污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到我們的生態(tài)環(huán)境和人體的健康。所以急需解決工業(yè)廢水的污染問題。

高濃度有機廢水微波催化氧化處理工藝的出發(fā)點是：按照國家水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)檢測CODcr的原理和方法，找到一種合適的強氧化劑對廢水中的有機物進(jìn)行氧化，同時創(chuàng)造良好的氧化反應(yīng)條件，能夠在短時間內(nèi)完成氧化反應(yīng)，以達(dá)到高效、快速、經(jīng)濟(jì)去除有機污染物的目的，進(jìn)而可以解決大部分的難題。

在大量的理論依據(jù)和試驗檢驗的前提下，確定了技術(shù)方案：廢水中的有機物通過Fenton試劑氧化，利用微波來對氧化反應(yīng)過程進(jìn)行催化，在較短的時間內(nèi)完成氧化反應(yīng)，進(jìn)而使廢水得到凈化。廢水經(jīng)過微波催化氧化技術(shù)處理之后，達(dá)到有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，廢水經(jīng)過處理之后效果很好。

2.2工業(yè)廢水微波催化氧化技術(shù)原理

微波是指頻率在0.3～300GHz，波長在100cm～1mm的電磁波，具有穿透性、反射性、直線性、和吸收性等特征?，F(xiàn)在，國家應(yīng)用最多的微波加熱頻率是915MHz和2450MHz。工業(yè)化大生產(chǎn)大多用915MHz，民用一般用2450MHz，所以該技術(shù)選擇的微波頻率是915MHz。

微波的加熱作用是偶極轉(zhuǎn)向極化。在無外電場的作用下，極性電介質(zhì)的分子的偶極矩在每個方向的概率都相等，宏觀偶極矩是零。在微波場中，電場作用和物質(zhì)的偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)矩，宏觀的偶極矩不再是零，進(jìn)而產(chǎn)生了偶極轉(zhuǎn)向極化。因為微波所產(chǎn)生的交變電場以每秒數(shù)億次的高速變向，偶極轉(zhuǎn)向極化跟不上電場的速度，進(jìn)而耗散材料的內(nèi)部功率，一部分的微波轉(zhuǎn)化成熱能，物質(zhì)進(jìn)而升溫。

微波除了有加熱作用外，還對廢水有催化作用，即改變反應(yīng)的歷程，降低反應(yīng)的活化能，加快合成的速度，使平衡轉(zhuǎn)化率提高，減少副產(chǎn)物，改變立體選擇性等效應(yīng)。根據(jù)分析，微波的頻率和分子的轉(zhuǎn)動頻率相近，微波的電磁作用影響分子中沒有成對電子的氫鍵締合度和旋轉(zhuǎn)方式，在分子中儲存微波能量來改變分子間的相互作用及微觀排列等方式來影響化學(xué)反應(yīng)的宏觀熵效應(yīng)，進(jìn)而使活化反應(yīng)能降低，改變反應(yīng)動力學(xué)。

廢水的微波催化氧化技術(shù)是將氧化劑和廢水混合之后再送入微波場，微波的作用機理是：①極性分子吸收微波，吸收微波后分子的運動速度就會加劇，尤其是水分子，水分子吸收微波后運動速度急速加快，使得水中的污染物的分子運動速度也隨之加快，碰撞接觸的幾率就會增加，進(jìn)而迅速完成氧化過程；②微波選擇性加熱廢水中物質(zhì)的分子，對氧化反應(yīng)起到強烈的催化作用，還可以通過催化介質(zhì)把微波能傳給不能直接吸收微波的污染物，使污染物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生振動和變形，改變污染物的熵，使火化自由能降低，氧化反應(yīng)也就更加徹底，明顯提高污染物的降解去除率；③氧化后的氧化礦物中的金屬離子生成聚合類絮凝劑，和部分沒有氧化的有機物結(jié)合，產(chǎn)生絮凝沉淀去除，進(jìn)而進(jìn)一步的去除有機物。

廢水中難處理的有機物通過一系列的物理化學(xué)作用降解、轉(zhuǎn)化、沉淀，進(jìn)而使廢水得到進(jìn)化。

2.3研究內(nèi)容

2.3.1工藝技術(shù)的確定和工業(yè)的實現(xiàn)

項目技術(shù)的原理是應(yīng)用氧化法對工業(yè)廢水的有機污染物進(jìn)行處理，微波可以起到加速氧化反應(yīng)過程的作用，能夠較短的時間完成氧化反應(yīng)，以實現(xiàn)氧化法的工業(yè)化應(yīng)用。

工業(yè)技術(shù)主要包括：氧化反應(yīng)條件和流程的控制；氧化反應(yīng)與微波的場強、頻率的關(guān)系。

氧化反應(yīng)的條件和流程控制：①對廢水的pH值進(jìn)行調(diào)整，pH值控制在3～5；②把氧化劑加入到廢水中，并且攪拌均勻，需要根據(jù)COD的值確定氧化劑的用量。通常情況下，100mg的COD需要加入500mg的氧化劑；③將上述的廢水通過微波場；④廢水通過微波場后再通過氣水分離器使氣液發(fā)生分離，再通過氣浮裝置或者沉淀池使固液分離，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)固、液、氣三者的分離，使水得到精華；⑤將出水的pH值調(diào)節(jié)在6～9之間，頻率為915MHz的微波；微波的功率需要根據(jù)COD的濃度確定，為10～40kW；單臺微波催化氧化裝置的廢水處理能力是5000～50000m3/da，滿足了多數(shù)企業(yè)的需要，多臺設(shè)備可以一塊運行，滿足了處理量大的企業(yè)的需求，進(jìn)而真正意義上實現(xiàn)通過氧化法處理廢水的工業(yè)化應(yīng)用。

2.3.2氧化劑的選擇

氧化劑的種類非常多，根據(jù)污染物和水質(zhì)的不同選擇不同的氧化劑?，F(xiàn)在最為常用的是Fenton試劑、臭氧O3、次氯酸鈉。

Fenton試劑是由Fe2+與H2O2混合所得到的強氧化劑，過氧化氫在氫氧化劑的作用下，可以生成羥基自由基（OH·），羥基自由基具有很強的氧化性，具有很高的氧化還原電位。實驗的過程：把廢水的pH調(diào)整到3～5，；將1000L的廢水平均分到10個燒杯內(nèi)；在10個燒杯中加入不同劑量的Fenton試劑，30min的攪拌時間，pH調(diào)節(jié)到7～9，靜置120min后，檢測上清液。

經(jīng)過多次實驗得出結(jié)果如表1所示。

表1　Fenton試劑氧化能力實驗

利用高壓放電所得到的高濃度的臭氧，具有脫色、除臭的優(yōu)點，具有較強的氧化性。實驗的過程：把廢水的pH值調(diào)整到8～9；氣體混合器中放入1000mL的棉漿粕廢水，將臭氧通入氣水混合器中，臭氧的投入量需要通過臭氧發(fā)生器的反應(yīng)時間來控制，充分反應(yīng)之后，靜置60min之后，檢測上清液。

經(jīng)過多次實驗得出結(jié)果如表2所示。

表2　O3氧化能力實驗

次氯酸鈉的氧化原理是水解生成次氯酸，再經(jīng)過進(jìn)一步的分解得到新生態(tài)氧［O］，新生態(tài)氧有較強的氧化性。實驗過程：把廢水的pH調(diào)節(jié)到8～9；10個燒杯中加入不同劑量的次氯酸鈉，經(jīng)過30min的攪拌，再靜置60min，檢測上清液。

經(jīng)過多次實驗得出結(jié)果如表3所示。

3　技術(shù)特點

3.1關(guān)鍵技術(shù)

（1）確定工業(yè)廢水的微波催化氧化技術(shù)工藝及技術(shù)參數(shù)；

（2）對工業(yè)廢水微波的催化氧化處理裝置進(jìn)行設(shè)計及制造；

（3）選擇氧化劑和控制氧化過程；

（4）自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施。

3.2創(chuàng)新性

3.2.1廢水微波催化氧化處理技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

實現(xiàn)廢水的快速、動態(tài)、連續(xù)的處理，每臺設(shè)備的處理能力是5000～50000m3/d。運行需要在常溫常壓的條件下進(jìn)行，不需要增溫。

表3

微波是一種催化的手段，可以加速反應(yīng)的過程，減少反應(yīng)的時間，使運行的費用降低，處理每噸廢水的費用大約在0.5～2.0元之間，進(jìn)而實現(xiàn)氧化物的工業(yè)化應(yīng)用。

3.2.2伴生絮凝脫色

原來的工業(yè)廢水處理要在處理過程中加入絮凝劑，使廢水中絮凝劑、懸浮物和大分子物質(zhì)結(jié)合，進(jìn)而去除沉淀。但是高濃度有機廢水微波催化氧化處理技術(shù)不需要再加絮凝劑，而是氧化過程中就會生成絮凝劑，與傳統(tǒng)的比較，節(jié)省了運行的費用，簡化了工藝，減少投資。通?？梢栽?0min完成80%的沉淀，1h完成95%的沉淀，6h就可以完成99.9%沉淀。

同時強氧化劑在微波催化作用下分解廢水中影響色度的物質(zhì)，主要是應(yīng)用在較難生化降解的染料類物質(zhì)的發(fā)色基團(tuán)，進(jìn)而失去發(fā)色的能力，從而起到脫色的作用。

4　結(jié)語

該技術(shù)具有處理廢水達(dá)標(biāo)排放的能力、并且反應(yīng)時間短、自動化程度高等諸多的優(yōu)點，技術(shù)成熟，是一種新型的廢水處理手段，具有市場價值。

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2095-2066（2016）26-0003-02

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