詳解焦化廢水深度處理技術

鋼鐵行業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了大量難處理的工業(yè)廢水，尤其是焦化廢水，含有大量有毒有害、難降解的高濃度有機物，具有成分復雜、水質(zhì)水量變化大等特點，焦化廢水的治理日益引起人們的重視。目前，焦化廢水處理主要是傳統(tǒng)的生物處理法、絮凝混法、吸附法等。焦化廢水可生化性差，需要大量稀釋后再進行生化處理，且存在生化出水后COD(化學需氧量)和氨氮量很難同時標的問題，需要再進行深度處理。而一些深度處理技術處理費用高，對一些有毒有害物質(zhì)也難做到完全降解，并容易產(chǎn)生二次污染。基于目前焦化廢水的處理現(xiàn)狀，研究高效環(huán)保的處理技術是非常必要的。
 
　　高級氧化技術(Advanced Oxidation Process，簡稱AOPs)，利用反應體系中產(chǎn)生的活性強的羥基自由基(·OH)來進攻有機污染物分子，最終將有機污染物氧化為CO2和H2O以及其他無毒的小分子酸，是綠色環(huán)保、高效的廢水處理技術。目前，高級氧化技術主要有化學氧化、光化學氧化、光催化氧化、濕式催化氧化等。由于AOPs具有氧化性強、操作條件易于控制的優(yōu)點，近年來引起越來越多的關注。
 
　　化學氧化法
 
　　該法是用化學氧化劑將液態(tài)或氣態(tài)的無機物或有機物轉(zhuǎn)化成微毒物、無毒物，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成易分離形態(tài)。水處理領域中常用的氧化劑為臭氧、過氧化氫、高錳酸鉀等。在苯酚廢水處理工藝中，臭氧和過氧化氫的應用最為常見。
 
　　目前，世界上已經(jīng)有許多國家使用臭氧消毒，特別是歐洲在自來水廠水處理中多采用臭氧。在臭氧氧化系統(tǒng)中加入固體催化劑，如具有較大表面積的活性炭等，臭氧、活性炭同時使用，起到催化作用，并可以吸附臭氧氧化后的小分子產(chǎn)物，兩者聯(lián)合增加溶液中的OH-，具有協(xié)同效果從而產(chǎn)生更多的羥基自由基。
 
　　過氧化氫是一種強氧化劑，在堿性溶液中氧化反應很快，不會給反應溶液帶來雜質(zhì)離子，因此被很好地應用于多種有機或無機污染物的處理。過氧化氫用于去除工業(yè)廢水中的COD已經(jīng)有很長時間，雖然使用化學氧化法處理廢水的價格比普通的物理和生物方法高，但這種方法具有其他處理方法不可替代的作用，比如有毒有害或不可生物降解廢水的預消化、高濃度/低流量廢水的預處理等。單獨使用過氧化氫降解高濃度的穩(wěn)定型難降解化合物的效果并不好，可以通過使用過渡金屬的鹽類進行改進，最常見的方法是利用鐵鹽來激活，即芬頓試劑法。
 
　　可溶性亞鐵鹽和過氧化氫按一定的比例混合所組成的芬頓試劑，能氧化許多有機分子，且系統(tǒng)不需高溫高壓。試劑中的Fe2 能引發(fā)并促進過氧化氫的分解，從而產(chǎn)生羥基自由基。一些有毒有害物質(zhì)如苯酚、氯酚、氯苯和硝基酚等也能被芬頓試劑和類芬頓試劑所氧化。
 
　　過氧化氫與臭氧聯(lián)合、過氧化氫與紫外線聯(lián)合等方法稱為類芬頓技術，其原理基本與芬頓技術相同。
 
　　光化學氧化法
 
　　該法是在光作用下進行的化學反應，需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激發(fā)產(chǎn)生分子激發(fā)態(tài)，之后才發(fā)生化學變化到另一個穩(wěn)定的狀態(tài)，或者變成引發(fā)熱反應的中間產(chǎn)物。單純紫外光輻射的分解作用較弱，通過向紫外光氧化法中引入適量的氧化劑(如H2O2、O3等)，可以明顯優(yōu)化廢水的處理效果和加快降解速率。有機物的光降解有直接光降解和間接光降解兩個途徑，前者是指有機物分子吸收光能后呈激發(fā)態(tài)與周圍環(huán)境中的物質(zhì)直接進行反應；后者是指有機物環(huán)境中存在的某些物質(zhì)吸收光能呈激發(fā)態(tài)，再誘導有機物、污染物反應的過程。其中，間接光降解有機物更為重要。
 
　　光化學氧化法中可以利用的波長范圍是200nm~700nm，即紫外光與可見光范圍。光化學氧化在大氣污染治理和廢水處理方面都有應用，其根據(jù)氧化劑種類不同可分為UV/O3、UV/H2O2、UV/Fenton等系統(tǒng)。不管哪個系統(tǒng)，光化學反應一般都是通過產(chǎn)生羥基自由基來對有機物進行降解。
 
　　如UV/O3系統(tǒng)，液相臭氧在紫外光輻射下會分解產(chǎn)生羥基自由基，紫外線吸收率在253.7nm處達到最大，可將大多數(shù)有機物氧化成CO2和水，用于處理工業(yè)廢水中的鐵氰酸鹽，有機化合物，氮基酸，醇類，農(nóng)藥，含氮、硫或磷的有機化合物，以及氯代有機物等污染物。
 
　　光催化氧化法
 
　　該法是光催化劑(也稱光觸媒)在特定波長光源的照射下產(chǎn)生催化作用，使周圍的水分子和氧氣激發(fā)形成極具活性的·OH-和·O2自由離子基。光催化氧化技術使用的催化劑有TiO2、ZnO、WO3、CdS、ZnS、SnO2和Fe3O4等。
 
　　TiO2是最常用的催化劑，在光催化反應中，TiO2的光催化活性主要受晶相、晶粒尺寸和比表面積的影響。當晶相確定后，晶粒尺寸和比表面積成為TiO2在光催化作用中的重要因素，粒徑越小，光生電子和空穴擴散的時間越短，比表面積越大越能有效地吸附水中的污染物質(zhì)，提高光催化性能。當催化劑顆粒尺寸達到納米級時，還可以產(chǎn)生量子效應提高光吸收率和利用率，這是目前催化劑研究的一個重要方向。
 
　　光催化氧化具有無毒、操作條件簡單的特點，紫外光、模擬太陽光和日光均可作為光源，而且可以利用自然條件(如空氣)作為催化促進物，活性高、穩(wěn)定性好，能使有機污染物徹底降解，無二次污染。近年來，為充分利用自然光降解各類污染物，人們在提高催化活性和擴大激發(fā)光波長范圍等方面做了大量的工作，又稱為催化劑的表面修飾。對TiO2進行過渡金屬摻雜，貴金屬沉積可以形成新的修飾能級，從而拓寬了其光響應范圍，對其進行光敏化等改性處理可提高光催化性能。
 
　　光催化氧化應用領域主要有染料廢水、高濃度有機廢水的處理，以及在飲用水深度處理階段去除難降解的微污染物質(zhì)。通常情況下，TiO2光催化氧化多在紫外光的波長范圍內(nèi)才能進行，局限了光催化技術的推廣應用。此外，光催化氧化反應器的開發(fā)還不成熟，很難做到大規(guī)模處理。
 
　　濕式氧化法
 
　　該法是在高溫、高壓下，利用氧化劑將廢水中的有機物氧化成二氧化碳和水，從而去除污染物的一種高級氧化方法。該方法具有適用范圍廣，處理效率高，極少有二次污染，氧化速率快，可回收能量和有用物料等特點。在日本和美國，此類方法己有工程應用，屬于前沿技術，發(fā)展前景廣闊。但是此法也存在問題，那就是濕式氧化一般要求在高溫高壓的條件下進行，其中間產(chǎn)物往往為有機酸，對設備材料要求很高，處理催化劑昂貴，并只適于小流量高濃度的廢水。
 
　　濕式氧化法包括兩種類型：次臨界水氧化和超臨界水氧化。超臨界水氧化技術，是指水在超臨界條件下氧化處理有機污染物的一種新興、高效的廢物處理技術。在一定溫度、壓力下，幾乎所有有機物在很短時間內(nèi)都可氧化分解，大大縮短了廢水處理的時間，處理裝置全封閉，節(jié)約空間且無二次污染。
 
　　在超臨界狀態(tài)下的水，鹽的溶解度明顯降低，而有機物溶解度明顯增大，如苯、己烷、N2、O2等可與水互溶，使其密度、黏度和擴散系數(shù)發(fā)生變化。擴散系數(shù)隨密度增加而減小，由于濕式氧化技術采用較高的溫度和壓力，使水的密度減小，擴散系數(shù)變大，傳質(zhì)速度劇增。
 
　　濕式氧化應用領域主要有農(nóng)藥廢水的處理、含酚廢水處理、印染廢水和污泥處理等。上述廢水經(jīng)濕式氧化處理后，毒性大大降低，可生化性也得到提高，再輔以生化處理，可實現(xiàn)廢水的達標排放。
 
　　高級氧化技術可將有機污染物礦化成二氧化碳和水，是環(huán)境友好型工藝，但其降解污染物時處理成本過高是制約其推廣的“瓶頸”。在我國高級氧化技術中除少數(shù)如芬頓法、臭氧氧化技術等已在實際水處理中有所應用，其余還多處于實驗室研究或小型試驗階段。只有解決了高級氧化技術投資處理成本高、設備腐蝕嚴重、處理水量小等缺點，才能加快其在實際工業(yè)中的應用。高級氧化技術的發(fā)展方向可總結為以下幾點：
 
　　一是部分技術例如光催化氧化技術、臭氧氧化技術能夠提高廢水的可生化性，但單獨處理焦化廢水難度大、成本高，可將其與生化技術結合，降低焦化廢水的生物毒性，提高可生化性，再采用低耗高效的生化法進行處理。
 
　　二是濕式催化氧化、超臨界水氧化等技術對設備要求高，處理成本高，可針對反應器材質(zhì)和低廉催化劑進行專項研發(fā)。在焦化廢水處理中，難處理的廢水如剩余氨水不要混入其他廢水中，增加其廢水量，進而采用上述高級氧化劑進行處理。
 
　　三是設計結構簡單、效率高、能應用自然光并可長期穩(wěn)定運行的反應器，提高光化學氧化、光催化氧化技術的處理效率，并將其與混凝法、吸附法等技術聯(lián)合。