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

高濃度有機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)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(chǎng)中，廢水中的高濃度有機(jī)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(jì)與制造；自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)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(huì)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(gè)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(guó)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?yàn)槲覈?guó)政府已經(jīng)制定了各項(xiàng)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?yàn)樘幚砑夹g(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(huì)停產(chǎn)關(guān)閉。

在此前提下，我們市場(chǎng)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(guó)家相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如：設(shè)備自動(dòng)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(jià)值。

2　技術(shù)方案的確定

2.1技術(shù)方案分析

隨著我國(guó)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(jī)廢水微波催化氧化處理工藝的出發(fā)點(diǎn)是：按照國(guó)家水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)CODcr的原理和方法，找到一種合適的強(qiáng)氧化劑對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行氧化，同時(shí)創(chuàng)造良好的氧化反應(yīng)條件，能夠在短時(shí)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(jī)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(yàn)檢驗(yàn)的前提下，確定了技術(shù)方案：廢水中的有機(jī)物通過Fenton試劑氧化，利用微波來對(duì)氧化反應(yīng)過程進(jìn)行催化，在較短的時(shí)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(zhǎng)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(guó)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(chǎng)的作用下，極性電介質(zhì)的分子的偶極矩在每個(gè)方向的概率都相等，宏觀偶極矩是零。在微波場(chǎng)中，電場(chǎng)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?yàn)槲⒉ㄋa(chǎn)生的交變電場(chǎng)以每秒數(shù)億次的高速變向，偶極轉(zhuǎn)向極化跟不上電場(chǎng)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(duì)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(dòng)頻率相近，微波的電磁作用影響分子中沒有成對(duì)電子的氫鍵締合度和旋轉(zhuǎn)方式，在分子中儲(chǔ)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(dòng)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(chǎng)，微波的作用機(jī)理是：①極性分子吸收微波，吸收微波后分子的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)加劇，尤其是水分子，水分子吸收微波后運(yùn)動(dòng)速度急速加快，使得水中的污染物的分子運(yùn)動(dòng)速度也隨之加快，碰撞接觸的幾率就會(huì)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(duì)氧化反應(yīng)起到強(qiáng)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(dòng)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(jī)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(jī)物。

廢水中難處理的有機(jī)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?jī)?nèi)容

2.3.1工藝技術(shù)的確定和工業(yè)的實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目技術(shù)的原理是應(yīng)用氧化法對(duì)工業(yè)廢水的有機(jī)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(shí)間完成氧化反應(yīng)，以實(shí)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(chǎng)強(qiáng)、頻率的關(guān)系。

氧化反應(yīng)的條件和流程控制：①對(duì)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(chǎng)；④廢水通過微波場(chǎng)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(tái)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(tái)設(shè)備可以一塊運(yùn)行，滿足了處理量大的企業(yè)的需求，進(jìn)而真正意義上實(shí)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。現(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(qiáng)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(qiáng)的氧化性，具有很高的氧化還原電位。實(shí)驗(yàn)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(gè)燒杯內(nèi)；在10個(gè)燒杯中加入不同劑量的Fenton試劑，30min的攪拌時(shí)間，pH調(diào)節(jié)到7～9，靜置120min后，檢測(cè)上清液。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果如表1所示。

表1　Fenton試劑氧化能力實(shí)驗(yàn)

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(diǎn)，具有較強(qiáng)的氧化性。實(shí)驗(yàn)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(shí)間來控制，充分反應(yīng)之后，靜置60min之后，檢測(cè)上清液。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果如表2所示。

表2　O3氧化能力實(shí)驗(yàn)

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(qiáng)的氧化性。實(shí)驗(yàn)過程：把廢水的pH調(diào)節(jié)到8～9；10個(gè)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(cè)上清液。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果如表3所示。

3　技術(shù)特點(diǎn)

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(duì)工業(yè)廢水微波的催化氧化處理裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)及制造；

（3）選擇氧化劑和控制氧化過程；

（4）自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)廢水的快速、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的處理，每臺(tái)設(shè)備的處理能力是5000～50000m3/d。運(yùn)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(shí)間，使運(yùn)行的費(fèi)用降低，處理每噸廢水的費(fèi)用大約在0.5～2.0元之間，進(jìn)而實(shí)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(jī)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(huì)生成絮凝劑，與傳統(tǒng)的比較，節(jié)省了運(yùn)行的費(fèi)用，簡(jiǎn)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(shí)強(qiáng)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(shí)間短、自動(dòng)化程度高等諸多的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟，是一種新型的廢水處理手段，具有市場(chǎng)價(jià)值。

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2095-2066（2016）26-0003-02

2016-9-2