王之峰，王吉坤，傅 叢

（1.世紀(jì)華揚環(huán)境工程有限公司，北京100101；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013）

目前國內(nèi)在建和擬建的煤制天然氣項目大多采用加壓固定床氣化技術(shù)[1]。相比流化床氣化及氣流床氣化，加壓固定床氣化合成氣中CH4體積分?jǐn)?shù)約占10%，因而對煤制天然氣裝置而言，相對減少了后續(xù)甲烷化裝置規(guī)模，但固定床氣化技術(shù)易產(chǎn)生大量難以降解的廢水，其水質(zhì)復(fù)雜且含有高濃度酚類、石油類、氰化物、芳香烴及雜環(huán)化合物等物質(zhì)[2]。加壓固定床氣化廢水的傳統(tǒng)處理方法主要為“物化預(yù)處理+生化處理+深度處理”[3]，預(yù)處理后的生化進(jìn)水仍含大量難降解有機物，致使廢水可生化性（BOD/COD，簡稱B/C）較差，B/C低至0.3以下，影響后續(xù)廢水處理的效果。

提高廢水可生化性的方法諸多，具體包括臭氧催化氧化法[4]、厭氧酸化法[5]、芬頓法、電解法、紫外芬頓法[6]等。臭氧催化氧化法依靠生成的羥基自由基降解廢水中小分子有機物，以提高廢水可生化性，而固定床氣化生化進(jìn)水中大分子的難降解有機物占比大，因此該方法不能有效處理固定床氣化廢水；厭氧酸化法主要依靠微生物處理水中的難降解有機物，但由于固定床氣化生化進(jìn)水水質(zhì)復(fù)雜，且有毒物質(zhì)種類多、毒性大，導(dǎo)致微生物難以生存，致使該法也不能奏效；電解法對廢水中難降解有機物的去除效率高，但由于固定床氣化生化進(jìn)水量大，導(dǎo)致電解成本過高，因此也不適用；芬頓試劑法依靠生成羥基自由基的強氧化性去除廢水中的難降解有機物，但單獨的芬頓試劑法存在藥劑投加量大、加藥成本高等問題。相比之下，紫外芬頓氧化法在紫外光的照射下，以FeSO4為催化劑，利用H2O2生成的羥基自由基，可有效去除水中難降解有機物，目前該技術(shù)主要應(yīng)用于廢水的深度處理階段，尚無采用紫外芬頓氧化法處理加壓固定床氣化生化進(jìn)水的相關(guān)研究報道，因此開展此方面的研究，有助于開發(fā)新的提高加壓固定床氣化生化進(jìn)水的處理方法，并延伸紫外芬頓法的應(yīng)用。

實驗采用紫外芬頓氧化裝置處理固定床氣化生化進(jìn)水，考察芬頓試劑中FeSO4和H2O2的投加量及紫外燈功率對廢水中難降解有機物的去除效果，采用正交實驗確定最佳工藝參數(shù)，并在最佳工藝參數(shù)條件下開展連續(xù)可生化性的實驗研究，以期為工程設(shè)計提供參考和借鑒。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

儀器：紅外測油儀、多功能水質(zhì)分析儀、BOD培養(yǎng)箱、pH儀等。試劑：COD試劑、硫酸、硫代硫酸鈉、溴標(biāo)液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的KI溶液、淀粉溶液等。

1.2 實驗流程

采用2 L/h紫外芬頓氧化裝置處理固定床氣化生化進(jìn)水：將固定床氣化生化進(jìn)水置于5 L燒杯中，加濃硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）調(diào)節(jié)pH值為3～4，按比例加入芬頓試劑，在燒杯中混合均勻后，加入到反應(yīng)裝置，打開設(shè)備開關(guān)、曝氣泵及紫外燈，反應(yīng)達(dá)到規(guī)定時間后，取樣分析COD及BOD含量，計算出水的可生化性。

1.3 實驗內(nèi)容

采用單因素實驗法，研究紫外芬頓工藝條件對COD去除率及可生化性的影響規(guī)律；采用正交實驗法優(yōu)化確定最佳的工藝條件；在最佳工藝參數(shù)下開展連續(xù)紫外芬頓氧化實驗，得到最佳條件下的可生化性。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗水樣及水質(zhì)

實驗用廢水采集自某加壓固定床氣化生化進(jìn)水，廢水水質(zhì)見表1。

表1某加壓固定床氣化生化進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

由表1可看出，加壓固定床氣化生化進(jìn)水COD為3 492 mg/L，BOD為716 mg/L，可生化性（B/C）僅為0.205。經(jīng)分析，可生化性低的原因為預(yù)處理后的生化進(jìn)水仍含有大量難降解有機物，不利于生化處理（B/C＞0.3時對生化有利）。

2.2 工藝條件對COD去除率及可生化性的影響

采用單因素及正交實驗法分別研究FeSO4投加量、H2O2投加量及紫外燈功率對生化進(jìn)水可生化性的影響。實驗每10 min取樣1次，即分別在10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min取樣分析BOD及COD含量。

2.2.1 FeSO4投加量對生化進(jìn)水可生化性的影響

在生化進(jìn)水處理量為2 L/h、H2O2投加量為30 mL/L、紫外燈功率為2.5 kW條件下，研究不同F(xiàn)eSO4投加量對生化進(jìn)水可生化性的影響，實驗結(jié)果見表2和圖1。

表2不同F(xiàn)eSO4投加量對生化進(jìn)水可生化性的影響

圖1不同F(xiàn)eSO4投加量下出水的可生化性

由表2及圖1可知：（1）隨FeSO4投加量增加，出水可生化性先提高后降低。（2）反應(yīng)60 min后，F(xiàn)eSO4投加量≥2.5 g/L時，出水可生化性較大，基本維持在0.42左右；FeSO4投加量為0.5 g/L時，可生化性最小為0.34。綜合考慮兼顧生化進(jìn)水可生化性和藥劑成本，F(xiàn)eSO4投加量選擇在2.5 g/L～3.5 g/L。

2.2.2 H2O2投加量對生化進(jìn)水可生化性的影響

在生化進(jìn)水處理量2 L/h、FeSO4投加量2.5 g/L、紫外燈功率2.5 kW條件下，研究不同H2O2投加量對生化進(jìn)水可生化性的影響，實驗結(jié)果見表3和圖2。

表3不同H2O2投加量對生化進(jìn)水可生化性的影響

圖2不同H2O2投加量下出水的可生化性

由表3及圖2可知：（1）隨著H2O2投加量的增加，出水可生化性先升高后降低。（2）反應(yīng)60 min后，H2O2投加量為10 mL/L的出水，可生化性最小，為0.31；H2O2投加量為50 mL/L的出水可生化性最大，為0.44。兼顧生化進(jìn)水可生化性和藥劑成本，H2O2投加量選擇在25 mL/L～35 mL/L。

2.2.3 紫外燈功率對生化進(jìn)水可生化性的影響

在生化進(jìn)水處理量為2 L/h、H2O2投加量為30 mL/L、FeSO4投加量為2.5 g/L條件下，研究紫外燈功率對生化進(jìn)水可生化性的影響，實驗結(jié)果見表4和圖3。

表4不同紫外燈功率對生化進(jìn)水可生化性的影響

圖3不同紫外燈功率下出水的可生化性

由表4及圖3可知：（1）隨著紫外燈功率的增加出水可生化性逐漸提高。（2）反應(yīng)60 min后，無紫外燈時，出水可生化性最小，為0.32；紫外燈功率為1.5 kW時，出水可生化性為0.33；紫外燈功率為4.5 kW時，出水可生化性最大，為0.44。兼顧生化進(jìn)水可生化性和電費成本，紫外燈功率選擇在2.0 kW～3.0 kW。

2.3 紫外芬頓氧化工藝參數(shù)優(yōu)化

通過單因素實驗法，分析了不同紫外芬頓氧化工藝參數(shù)對生化進(jìn)水可生化性的影響規(guī)律，為獲得最佳的工藝參數(shù)，采用正交實驗法對實驗條件進(jìn)行優(yōu)化分析。選擇3因素3水平的正交實驗設(shè)計L9(34)，實驗設(shè)計方案見表5。根據(jù)實驗設(shè)計方案做正交實驗，實驗結(jié)果見表6。

表5紫外芬頓氧化工藝條件的正交實驗方案

表6紫外芬頓氧化工藝條件的正交實驗結(jié)果分析

由表6可看出：（1）根據(jù)R值，紫外芬頓實驗條件對可生化性影響順序為：H2O2加入量＞紫外燈功率＞FeSO4加入量。原因分析：H2O2投加量直接影響產(chǎn)生羥基自由基的量，H2O2加入量越多，羥基自由基生成量越多，可更加有效去除水中的難降解有機物，提高出水可生化性。（2）通過實驗分析得出最佳反應(yīng)條件：H2O2投加量為30 mL/L，紫外燈功率為2.5 kW，F(xiàn)eSO4投加量為3.5 g/L。

3 最佳工藝參數(shù)下的連續(xù)可生化性實驗研究

在H2O2加入量30 mL/L，紫外燈功率為2.5 kW，F(xiàn)eSO4加入量3.5 g/L的最佳工藝條件下，對生化進(jìn)水開展72 h連續(xù)可生化性實驗研究，每隔4 h取樣分析。實驗結(jié)果見表7。

表7連續(xù)可生化性實驗出水BOD及COD含量

由表7可看出：在最佳實驗條件下，連續(xù)開展可生化性實驗72 h，出水可生化性穩(wěn)定且均高于0.3，能較好地滿足生化處理的要求。因此，將紫外芬頓氧化工藝應(yīng)用到生化處理前段具有一定的可行性和實用性。

4 結(jié) 論

4.1采用單因素實驗法對紫外芬頓氧化法處理固定床氣化生化進(jìn)水條件進(jìn)行研究，得到不同條件對出水可生化性的影響規(guī)律，綜合考慮實驗效果、藥劑或電費成本等因素，得到適宜的工藝參數(shù)范圍：FeSO4加入量2.5 g/L～3.5 g/L，H2O2加入量25 mL/L～35 mL/L，紫外燈功率2.0 kW～3.0 kW。

4.2采用正交實驗法對各工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳的實驗參數(shù)為：FeSO4加入量3.5 g/L、H2O2加入量30 mL/L、紫外燈功率2.5 kW。

4.3在最佳工藝條件下開展連續(xù)可生化性實驗72 h，出水可生化性穩(wěn)定且均高于0.3，較好地滿足了生化處理的進(jìn)水要求。