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UV/Fenton试剂法+活性炭组合处理微污染水源水的实验研究

文章来源:/  2013年09月26日  点击数:2337

UV/Fenton试剂法+活性炭组合处理微污染水源水的实验研究


任秉雄1 严宝珍1 靳志军2 刘培斌3

(1.北京化工大学理学院,北京100029;2.北京清华永新双益环保有限企业,北京100084;

3.北京水利科学研究所   北京100037)


摘要:UV/Fenton试剂法+活性炭组合处理微污染水源水的实验研究表明:在UV波长为254nm,过氧化氢浓度为15mg/l,水温为25℃,加入少量的Fe2+,照射时间为1h的条件下,单纯UV/Fenton试剂法可使CODMn降解42.3%,UV/Fenton试剂法+活性炭组合可使CODMn降解65.6%.

关键词:UV/Fenton体系;过氧化氢;活性炭;微污染水源水


近年来,饮用水中微量有机物污染问题日益突出,为去除对人体健康有害的有机污染物,必须对饮用水进行深度处理,目前饮用水深度处理的方法主要有:吸附法、膜分离法,化学氧化和光氧化法[1]。

高级氧化法(Advance Oxidation Process,AOPs),是利用在一定条件下产生的具有很强氧化能力的?OH自由基与有机物反应,反应中生成的有机自由基可以继续参加?OH的链式反应,或者通过生成有机过氧化物自由基后,进一步发生氧化分解反应强化分解水中的有机污染物,最终氧化成无害的H2O和CO2[1-3]。该法可用于水源污染较重和水质要求较高的情况。主要包括:湿式空气氧化法、超临界水氧化法、光化学氧化法、声化学氧化法以及相应的催化氧化法。

光化学氧化法是近20年发展起来的一种高级氧化新方法,其是指在可见光或是紫外光作用下进行的光化学、光催化或是光敏化的氧化过程,日前研究的主要工艺包括紫外光-臭氧、紫外光-过氧化氢溶液、紫外光-二氧化钛技术及其相应的组合。

UV/Fenton试剂法作为光化学高级氧化法的一种,与其它的高级氧化法相比,UV/Fenton对过氧化氢具有较高的利用率,同时由于紫外光和亚铁离子对H2O2催化分解存在协同效应,可使有机物矿化更充分[4-5]。而活性炭作为饮用水深度处理的常用手段,对水中存在的小分子有机物有较好的吸附效果.本文的主要目的是对UV/Fenton试剂法+活性炭组合工艺流程在减少水处理成本(与其它高级氧化法相比)和提高饮用水品质方面的有效性和合理性进行一次研究性的探索。

 

1实验部分

1.1微滤水水质指标

表1   实验期间微滤水水质指标

Table.1   Microfiltration water quality during the experiment


水质指标    水温/℃    CODMn/mg/l       浊度/NTU      pH

一般值       0~5        3.14~3.86        0.4~0.7     7.86~8.53

平均值        2           3.52             0.5         8.26


1.2实验工艺流程

                  H2O2  Fe2+

 

微滤水

混合反应器

紫外反应器

活性炭柱

出水


   

本实验采用静态试验法。微滤出水经混合反应器与H2O2和Fe2+充分混合后,通入波长为254nm,功率为30W的紫外反应器中,紫外反应器的容积为3L,在该反应器中停留40~60min,然后将反应器出水通入活性炭柱过滤,活性炭柱高约60cm,停留约4~6min。

1.3仪器及试剂

  UV灯管:常压汞灯,功率为30w,波长为254nm,Philip生产。

  过氧化氢(30%),分析纯,配制成1%浓度备用。硫酸亚铁,分析纯。配制成2mg/l浓度备用。

2 结果与讨论

2.1不同温度条件下过氧化氢剩余浓度与时间的关系

  从图1可知:在前10min内,不管温度条件如何,过氧化氢降解速率基本上相同,但此后,水温较高条件下的过氧化氢降解速率开始加快,在40min处三者差别最大,但随后又趋同一致。主要是因为开始时,过氧化氢浓度较高,在紫外和Fe2+的联合催化下,反应速率较快,但随后由于温度对反应的影响,低温速率变小,高温速率加快。但在后20min内由于紫外长时间照射,低温水反应器内的水温升至一定温度,温度不在是决定因素,浓

图1过氧化氢浓度对COD去除率的影响

Fig.1 Concentration of H2O2changing with irradiation time


度又成为速率控制因素,因此反应在60min后,过氧化氢基本消耗完。浓度又

趋同一致。

2.2过氧化氢浓度对COD去除效果的影响

从图2可知:过氧化氢浓度对COD的去除影响很大,基本上浓度越高去除率越好,但考虑到处理成本和整个工艺组合,反应只要能把水中大分子有机物氧化成小分子有机物,


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以便于继活性炭系统的吸取。过氧化氢的投加量是从整个工艺组合来考虑,而不是单纯对某个具体的环节来进行的

2.3不同温度条件下UV/Fenton试剂法对COD的去除效果(紫外照射时间为60min)

从图3、图4可以看出:温度对高级氧化去除效果影响很大,这主要是因为不同温度条件下反应动力学不一样所致。高温条件下紫外光大部分用来催化过氧化氢反应,而在较低温度条件下,紫外光大部分作为一种热源用于提高反应水温,从而限制了催化反应的进行。

3.4 UV/Fenton试剂法+活性炭组合对COD的去除效果

从图5可知:整个工艺组合对COD的去除率在60%左右,最高可达到65.6%,活性炭出水CODMn在1.0~1.5mg/l之间。

3.5 Fe2+加入量对紫外光照反应的影响

本实验加入Fe2+的目的是为了对紫外光照反应起诱导作用,同时利用Fe2+能与许多反应生成的中间体能络合形成光活性物质,增加反应体系对紫外光的利用率。其加入量一般不超过水质标准允许的最高限值0.3mg/l;在该工艺流程中,由于后继活性炭工艺对Fe2+有一定的去除率,因此不会造成饮用水中Fe2+的污染问题。

3.6同一温度条件下(25℃),不同照射时间工艺组合对COD的去除效果比较


表2  25℃条件下,不同照射时间工艺组合对COD的去除效果

Table.2  Effect of COD-removal by the combined process under differentirradiation time condition at 25℃



进水COD/mg/l 照射时间/min高级氧化出水COD mg/l去除率(%) 活性炭出水COD mg/l 去除率(%)

3.69            60             2.13           42.3           1.27            65.6

3.49            40             2.44           30.0           1.26            63.9

3.50            30             3.34           4.6            2.04            41.7


从表2可知:40min同60min相比,整个工艺组合去除效果基本一致,但二者的高级氧化效果差别很大,主要是因为随着照射时间的延长,有机物的矿化度提高,因此出水COD较低。但二者的活性炭出水CODMn去除率相当,说明大多数大分子化合物经紫外催化氧化后基本上降解为小分子化合物,提高了活性炭的吸附率。而40min与60min相比,其活性炭吸附率较高主要是受到高级氧化光降解速率和传质速率的影响,相比较而言:60min被降解成的小分子化合物矿化率较高,从而导致活性炭吸附率较低。

2.7单独活性炭吸附与UV/Fenton+活性炭组合工艺对有机物去除率的比较



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表3  活性炭直接过滤出水和工艺组合出水的比较

Table.3  Comparison outflow of GAC filter with that of combined process



进水COD/mg/l                  3.49    3.69          处理成本比较

活性炭直接过滤出水COD/mg/     2.03    2.19     相比较而言组合工艺的吨水处

组合工艺出水COD/mg/l          1.22    1.27     理成本(仅考虑加药费、电费)

活性炭直接过滤去除率(%)        41.8    40.6     要比单独地活性炭吸附高约

组合工艺去除率(%)              65.0    65.6     0.2元


   从上表可知:单独地活性炭吸附虽然处理成本较低,但去除率相对较低,而且活性炭吸附对于水中危害较大的卤代烃和大分子有机物吸附效果不太理想,并且活性炭吸附后再生问题一直难以得到满意的解决[6];而组合工艺不仅可去除水中的难降解有机物,而且对水中有害、有毒物质去除效果比较理想,同时由于高级氧化出水中残留有过氧化氢,经活性炭吸附后,可显著地延长活性炭的过滤周期[2]。

3结论

(1) UV/Fenton试剂法对微污染水源水有一定的处理能力,单纯的UV/Fenton试剂法,在水温为25℃,照射时间为60min的条件下,其紫外反应器出水CODMn去除率可达到42.3%,而其与活性炭联用,其整个工艺组合的CODMn去除率可达到65.6%。

(2)就UV/Fenton试剂法+活性炭整个工艺组合而言:紫外照射反应时间为40min即可。

(3)加入Fe2+的目的是对紫外反应起诱导作用。其加入量一般不应超过国家标准0.3mg/l。由于后继的活性炭对Fe2+有一定的去除率,因此该工艺不会造成Fe2+对饮用水的污染。

(4)水温对紫外反应速率有一定的影响:温度越高,反应越快,耗氧量的去除率越高。

(5) UV/Fenton试剂法+活性炭工艺组合较单独的活性炭过滤对有机物的去除效果要好,但相对的处理成本也高,有望能应用于家庭、集团或工矿企事业单位的中小型饮用水净化器。


参 考 文 献

[1]王占生,刘文君,微污染水源饮用水处理[M],中国建筑工业出版社,1999:56

     WANG Zhansheng, LIU Wenjun The treatment of light-polluted drinking raw water[M], China Architecture & Building press, 1999:56

[2]许 沁,徐迪民,UV—H2O2技术去除水中微量有机污染物的应用[J].净水技术,2001,20(2):3~6

XU Xin,XU Diming Application of UV-H2O2Technology to remove micro-organic Pollutants in drinking water[J], Water purification technology,2001,20(2):3~6

[3]Fernando J Beltran, Manuel Gonzalez,Juan F Gonzalez. Industrial wastewater advanced oxidation: Part I.UV radiation in the presence and absence of hydrogen peroxide[J].Wat Res,1997,31(10):2405~2414.

[4]张乃东,郑威,Fenton法在水处理中的发展趋势[J].化工进展,2001,20(12):1~3

ZHANG Naidong, ZHENG Wei Development of Fenton method in wastewater treatment[J],Chemical Industry and Engineering progress,2001,20(12):1~3

[5]吴祖成,李伟,UV/ H2O2系统光催化氧化降解苯酚废水[J].化工学报,2001,52(3):277~280



50                             应用基础与工程科学学报                              Vol.11



WU Zucheng, LI Wei Treatment phenol-containing wastewater using UV- H2O2system[J], Journal of Chemical In Industry and Engineering,2001,52(3):277~280

[6]潘海祥,光催化氧化处理饮用水中有机污染物[A].全国给水排水技术情报网技术交流会, 北京,中国建筑工业出版社,2000

PAN Haiyang, Treatment of organic pollutants in Drinking water by photocatalytic oxidation[A], Technology congress for internal Water & Wastewater Engineering technology information , Beijing, China Architecture & Building press,2000


Study on treating light-polluted raw

water by Uv/Fenton+GAC system

REN Bingxiong1,YAN Baozhen1 ,JIN Zhijun2,LIU Peibin3

(1.College of science, Beijing university of chemical Technology, Beijing 100029,China;2.Beijing Tsinghua Novel E&E Environmental Protection CO.LTD , Beijing 100084,China;3、Academe of Water conservancy and Science ,Beijing 100037,China)


Abstract


Study on UV/Fenton+GAC system treating light-polluted raw water showed:on 

condition of wavelength,254nm,hydrogen peroxide concentration,15mg/l,water temperature,25℃,Trace Fe2+is added in this system.The light-polluted raw water that have been added into hydrogen peroxide and Fe2+ is irradiated for an hour.The results showed:only on the UV/Fenton system,the removal ratio of CODMn is 42.3%,and the removal ratio of CODMn is 65.6% on the UV/Fenton+GAC system.

Key words:UV/Fenton system;  hydrogen peroxide;  activated carbon;light-polluted raw water


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