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高濃度含氮含硫有機廢水降解處理技術 哪家效果好?

文章出處:未知發表時間:2021-11-24 16:50:06


 

圖片1 



1、引言

 

  近年來隨著國內電子工業的高速開展,含二甲基亞砜(DMSO)和氫氧化四甲基銨(TMAH)等高濃度消費制程有機廢水日益增加。DMSO以活性污泥處置會合成成二甲基硫(DMS)與硫化氫(H2S)等高臭味硫化物,DMS(0.003μL/L)、H2S(0.00041μL/L)屬惡臭物質,嗅味閾值較氨高(0.037μL/LV/V),在生物處置過程中易形成攪擾;TMAH則屬高堿性、高神經毒性的化學穩定物質,生物處置過程會不時釋放高氨氮,易對生物系統形成沖擊。電子工業廢水因具備「高濃度」和「難降解」等兩大特性,招致常規的生物法或物化法難處置此類廢水,這類廢水COD(化學需氧量)濃度較高(有機物含量COD>10,000mg/L),會對活性污泥系統發作生物抑止現象,同時不同廢水中還含有如硝基苯類、苯胺類、酚類等各種不同的生物毒害物質。所以,此類廢水在生化反響前,必需停止預處置,將廢水中有害于活性污泥微生物的成分氧化轉化,提升廢水的生化可降解性。

 

  在有機物工業廢水處技術中,高級氧化處置程序(Advanced Oxidation Process,AOP)具有反響快速、不受污染物濃度限制之優點,成為近來產業界常用之廢水處置辦法。由此高級氧化處置程序衍生之高級氧化處置技術能夠產生高氧化力之氫氧自在基(OHradical,?OH),氫氧自在基的氧化電位為2.8volts,其氧化力遠高于臭氧,以及其他常用氧化劑(如過氧化氫、次氯酸等)。普通而言,在O3濃度為10mg/L時,碳氫污染物濃度被O3氧化所需之時間約為0.1~20分鐘(min),而氫氧自在基(?OH)與碳氫污染物反響速率約107~109M?1s?1,相對可大幅減少處置設備空間之需求,若能善加應用氫氧自在基的強氧化力,在短時間內將廢水中所含的碳氫化合物轉化成生物可合成性物質,以至進一步礦化成二氧化碳及水,將可輔佐產業以經濟有效的辦法處理高濃度有機廢水處置問題。

 

  但是,單獨運用臭氧氧化,大量氫氧自在基可能因肅清反響(scavenging)與自在基肅清物分離,使自在基被復原,降低氧化效果。采用非均相觸媒催化氧化,應用觸媒外表活性部位和反響中心吸附臭氧和有機分子,堅持固相催化劑外表上高濃度氧化劑和有機分子,確保自在基能有效與有機物于觸媒外表反響,使臭氧及其氫氧自在基不易與溶液中無機鹽自在基肅清物分離,加速氧化反響速率也同時降低氧化反響的活化能。

 

  鐵基非均相臭氧催化氧化處置技術,是運用一種氫氧化鐵為基底觸媒的非均相催化氧化技術。其原理包括臭氧溶解的增加和臭氧合成反響的啟動,分三個階段。首先,臭氧和有機分子都被保送到非極性催化劑外表增加兩者濃度,增強反響效率。接著,經金屬氧化物催化機制,產生了氧自在基或氫氧自在基自在基。接著,在催化劑外表和水相引發自在基鏈反響。氫氧自在基由溶解的臭氧連續生成。最后,當吸附的有機污染物對催化劑的親和力因逐步合成而降低,最終產物從催化劑外表解吸。其反響機制如圖1模仿所示。

 

圖片10 

  2、實驗與辦法

 

  實驗用水采某電子產業面板廠不同廠實踐消費廢水,該廢水的特性是成分復雜、廢水呈深褐色、有機物濃度高,含有大量氮化物(86~87%THAH),可生化性差,具有刺激性氣息,中試實驗分別測試高濃度廢水(組別1,2)與中濃度廢水(組別3,4),理解兩種濃度食不同的催化氧化效果。水質參數如表1所示:

 

圖片11 

  因本次實驗之實面子板廠廢水含高濃度TMAH(87%總氮由TMAH奉獻),以國標法重鉻酸鉀法無法檢測TMAH奉獻之COD(見表2),因而本實驗同時剖析TOC(總有機碳),與COD搭配參考。

 

圖片12 

  臭氧催化氧化中試機臺如圖2所示,停止臭氧催化氧化處置設備可行性評價,臭氧由臭氧發作器產生,氧氣源由高純氧提供.采用批次反響系統,反響在室溫下停止,并在催化槽設置取樣口,定時取樣樣品停止數值剖析。

 

圖片13 

  臭氧發作器采用新大陸臭氧發作器NLO-100g。依據先前測試結果,于最佳操作條件下停止臭氧催化氧化預處置,每小時臭氧注入量13.5g,并以自動加藥泵調控pH值于7.5~8.5之間。

 

  3、結果與討論

 

  3.1.碳氫化物降解

 

圖片14 

  圖3為組別1~4廢水COD、TOC變化情形,其中高濃度廢水(組別1,2)為儉省時間稀釋5倍測試。中濃度廢水(組別3,4)給予定量臭氧108g催化氧化,COD可由600~1,600mg/L降解至100~760mg/L以下,去除率約53%~83%,組別4再持續給予定量臭氧至435g,COD濃度變化由1600mg/L→120mg/L,去除率93%;給予定量臭氧108g,TOC408~643mg/L降低到307~455mg/L去除率約25~30%,組別4再持續給予定量臭氧至435g,TOC濃度變化由643mg/L→148mg/L,去除率77%;高濃度廢水(組別1,2)給予定量臭氧1444~1466g催化氧化,COD可由61,600~92,000mg/L降解至48,000~64,000mg/L,去除率約22~30%,再持續給予定量臭氧至1715~2701g,COD可由61,600~92,000mg/L降解至38,000~53,000mg/L,去除率約38~42%;給予定量臭氧至1715~2701g,TOC也由52,000~53,000mg/L降低到36,000~47,000mg/L,去除效率約11~31%,闡明臭氧催化氧化能有效降解碳氫化合物且與臭氧劑量成正相關,以至能將污染物礦化至二氧化碳。如Zimmer等人的研討,臭氧催化氧化將廢水中的難降解物質合成成生化性較高的小分子物質,提升了廢水的可生化性。且透過非均相催化氧化產生之氫氧自在基,能將吡啶及其同類化合物與直鏈脂肪族化合物氧化斷鏈為小分子態化合物,將國標法重鉻酸鉀法未能檢出的COD檢測出來,充沛反響真實COD,降低將來進入生物系統的潛在風險。此外,透過臭氧催化氧化預處置能增加生物污泥池去除效果,如崔(2012)研討,經過臭氧催化氧化后再進入生物污泥池,生物污泥池COD去除率能再提升10%。依據此特性,工程上可將臭氧催化氧化應用在生物污泥池降解調控,在合理的本錢下到達生物池進水水質請求,降低生物污泥池負荷量,乃至于降低建置本錢。

 

  Cesaro(2013)等人回憶文獻后,也提出與本研討類似的結論,高級氧化法應與生物系統作配合,才干以最小的本錢到達最有效率的有機物降解,而不是單獨運用高級氧化法去除有機物。以本篇研討為例,中濃度廢水透過臭氧觸媒預處置,以生物COD處置負荷F/M~0.2d?1、MLVSS4000mg/L,廢水量6000CMD(/)停止預算,契合本錢的前提下(處置COD的目的濃度),能降低活性污泥池有效容積10,000~23,000m3。高濃度廢水因臭氧催化氧化的主要氧化物(氫氧自在基)不具選擇性,能在高濃度范圍持續降解污染物,在本錢答應的前提下可將COD降至生物系統可允許范圍。搭配生物系統處置,能降低委外清運本錢,也能防止委外廢液處置的關聯性環保義務。

 

  3.2.有機氮轉化

 

圖片15 

圖片16 

 

  由圖4可知,組別1~4有機廢水經過臭氧催化氧化預處置,可將有機氮直接轉化為硝酸鹽氮與少局部氨氮。中濃度廢水(組別3,4):給予定量臭氧108g催化氧化,有機氮濃度變化為93~146mg/L→15~66mg/L去除率約55~83%,組別4再持續給予定量臭氧至435g,有機氮濃度變化為146mg/L→6mg/L,去除率96%;高濃度廢水(組別1,2):給予定量臭氧1444~1466g催化氧化,有機氮濃度變化:3,948~4,192mg/L→1768~1975mg/L去除率約53~55%,再持續給予定量臭氧至1715~2701g,有機氮濃度變化為3948~4192mg/L→560~902mg/L,去除率78~86%,闡明無論是高濃度或是中濃度組別,有機氮濃度皆會隨臭氧劑量增加而有效轉換為氨氮與硝酸鹽氮。此結果與Lim(2019)等人的研討結果相符,其文獻提出1、2、3級胺的催化氧化機制,并提出胺類氧化之最終產物為硝酸鹽氮與少局部氨氮,且氨氮還能持續氧化為硝酸鹽氮,降低生物槽的氨氮負荷,為本中試的結果提出左證。以電子產業廢水常見有機氮–TMAH為例,傳統生物污泥法除氮的程序將TMAH硝化為氨氮后,再硝化為硝酸鹽氮,最后再以反硝化細菌脫硝為氮氣。臭氧非均相催化氧化直接將有機氮轉換成硝酸鹽氮,能降低活性污泥池先將有機氮硝化為氨氮,再硝化為硝酸鹽氮(硝化反響速率Kn3.3×10?5min?1;反硝化反響速率Kden1.6×10?5min?1USEPA硝化作用手冊)的轉換時間。也能降低因高TMAH(有機氮)形成的活性污泥持濃度抑止,與活性污泥池需事前馴養的時間與風險。

 

  因生物硝化負荷較低(生物硝化負荷F/M~0.01d?1),經臭氧催化氧化預處置,以生物氨氮硝化負荷F/M~0.01d?1、MLVSS4000mg/L,廢水量6000CMD(/)停止預算,契合本錢的前提下(處置有機氮的目的濃度)能降低活性污泥池有效容積9,800~20,000m3。關于接納臭氧催化氧化預處置廢水的生物池來說,臭氧催化氧化預處置能持續控制氨氮濃度,防止AOB菌群受過高的氨氮沖擊,對短氨氮去除才能的提升有所協助。且預處置廢水已將長鏈有機物氧化斷鏈成短直鏈碳源,而短直鏈碳源因單位克數下可提供較多電子,有助于反硝化異營菌脫硝反響,加速兼氧生物槽的碳源應用率。且因有機氮氧化的過程中氨氮及亞硝酸鹽氮不易累積,可防止兼氧生物槽微生物抑止與除氮效率降落的現象。

 

  3.3.含硫化物降解

 

  由圖5可知,含硫廢水有機氮轉化與碳氫化物降解與中濃度組別類似。在給予定量的臭氧下(271g),能將有機氮轉化為氨氮與硝酸鹽氮,同時氨氮也能持續氧化為硝酸鹽氮降低生物系負荷,碳氫化物的降解也可由COD、TOC數值降低解釋。同時將DMSO委外以GCMS剖析,在給予定量臭氧271g下,DMSO271mg/L降解為38.8mg/L,有效降解含硫廢水。

 

圖片17 

  生物活性污泥法將DMSO反響為中間化合物二甲基硫(DMS)和甲烷硫醇(MT),最后轉變為硫化氫停止生物降解,生物降解途徑產生的二甲基硫(DMS)與硫化氫(H2S)為含硫廢水處置主要的惡臭來源。以鐵基觸媒臭氧催化氧化降解DMSO含硫廢水則不產生惡臭物質。DMSO在鐵基觸媒催化氧化的降解可分為兩種途徑。其一,DMSO經過構成甲亞磺酸鹽(CH3SO2)降解為硫酸鹽(SO42?)和甲磺酸(CH3SO3)作為含硫的降解產物。其次,經過構成甲醛(HCHO)和甲酸鹽(HCO2),再降解為二氧化碳(CO2)作為不含硫的降解產物。透過鐵基觸媒催化氧化,DMSO降解途徑中的中間產物與最終產物都不含有惡臭化合物二甲基硫(DMS)與硫化氫(H2S),因而能處理活性污泥法處置DMSO易形成環境影響的氣息問題。

 

  3.4.電子面板高濃度含氮含硫有機廢水倡議處置流程經臭氧催化氧化預處置后含氮含硫廢水,不只將高生物毒性TMAH降解為低生物毒性的氨氮與硝酸鹽氮同時將硫化物降解為不具臭味的甲磺酸鹽,還能有效轉換有機氮為硝酸鹽氮,降低活性污泥池有效容積,減少活性污泥池建立本錢。因而,電子面板高濃度含氮含硫有機廢水倡議在合理的建立本錢下,以鐵基觸媒臭氧催化氧化預處置,將復雜、高毒性、難降解有機廢水預處置為小分子易降解產物,再搭配活性污泥法處置至排放規范,以最小的建立本錢到達最有效率的有機物降解,而不是單獨運用高級氧化法去除有機物,此倡議與Cesaro(2013)等人的文獻回憶結論類似。

 

  4、結論

 

  鐵基觸媒非均相臭氧催化氧化技術可去除水中的有機物。在每小時臭氧注入量13.5g,pH=7.5~8.5的最佳工藝參數下,COD去除率約38~93%,有機氮去除率78~96%,以碳化物來看,生物COD處置負荷F/M~0.2d?1、MLVSS4000mg/L,中濃度廢水6,000CMD(/)停止預算,能降低活性污泥池有效容積10,000~23,000m3。碳氫化合物與有機氮廢水透過預處置,能揭顯露真實COD降低潛在風險,且能將COD降至生物系統可允許范圍,再搭配生物系統處置處理原需委外清運廢水的本錢與風險。以氮化物來看,生物氨氮硝化負荷F/M~0.01d?1、MLVSS4000mg/L停止預算,廢水量6000CMD(/),能降低活性污泥池有效容積9,800~20,000m3,且同時將有機氮氧化為硝酸鹽氮與氨氮,氧化過程中控制氨氮濃度并將長鏈有機物氧化成短鏈易處置有機物。不只降低好氧生物槽硝化反響時氨氮對系統沖擊,亦能在兼氧生物槽協助反硝化菌應用碳源,有利于反硝化反響脫氮。此外,含硫化物DMSO透過臭氧催化氧化處置,直接將DMSO氧化為甲磺酸鹽及甲醛,最后氧化成硫酸鹽與二氧化碳,因而能防止降解過程產生DMSH2S等惡臭中間產物。

 

  臭氧催化氧化處置技術特征為反響速率快,設備體積小,相對占地空間不大,無土木建立的問題,而臭氧催化劑可反復運用,催化劑流失率低,具有減少二次污染、廢棄物處置費用與降低活性污泥池建立面積等優點,整套設備操作便當,維護容易,可落實環保與經濟雙贏場面,值得相關產業參考與應用。

 


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