芬頓氧化法主要適用于含難降解有機(jī)物廢水的處理，如造紙工業(yè)廢水、染整工業(yè)廢水、煤化工廢水、石油化工廢水、精細(xì)化工廢水、發(fā)酵工業(yè)廢水、垃圾滲濾液等廢水及工業(yè)園區(qū)集中廢水處理廠廢水等的處理。
一、芬頓反應(yīng)原理
1893年,化學(xué)家Fenton HJ發(fā)現(xiàn)，過氧化氫(H2O2)與二價(jià)鐵離子的混合溶液具有強(qiáng)氧化性，可以將當(dāng)時(shí)很多已知的有機(jī)化合物如羧酸、醇、酯類氧化為無機(jī)態(tài)，氧化效果十分顯著。但此后半個(gè)多世紀(jì)中，這種氧化性試劑卻因?yàn)檠趸詷O強(qiáng)沒有被太多重視。但進(jìn)入20 世紀(jì)70 年代，芬頓試劑在環(huán)境化學(xué)中找到了它的位置，具有去除難降解有機(jī)污染物的高能力的芬頓試劑，在印染廢水、含油廢水、含酚廢水、焦化廢水、含硝基苯廢水、二苯胺廢水等廢水處理中體現(xiàn)了很廣泛的應(yīng)用。當(dāng)芬頓發(fā)現(xiàn)芬頓試劑時(shí)，尚不清楚過氧化氫與二價(jià)鐵離子反應(yīng)到底生成了什么氧化劑具有如此強(qiáng)的氧化能力。二十多年后，有人假設(shè)可能反應(yīng)中產(chǎn)生了羥基自由基，否則，氧化性不會(huì)有如此強(qiáng)。因此，以后人們采用了一個(gè)較廣泛引用的化學(xué)反應(yīng)方程式來描述芬頓試劑中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：
Fe2+ + H2O2→Fe3+ + （OH）-+OH·
芬頓氧化法是在酸性條件下，H2O2在Fe2+存在下生成強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(·OH），并引發(fā)更多的其他活性氧，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的降解,其氧化過程為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。其中以·OH產(chǎn)生為鏈的開始，而其他活性氧和反應(yīng)中間體構(gòu)成了鏈的節(jié)點(diǎn)，各活性氧被消耗，反應(yīng)鏈終止。其反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜,這些活性氧僅供有機(jī)分子并使其礦化為CO2和H2O等無機(jī)物。從而使Fenton氧化法成為重要的高級(jí)氧化技術(shù)之一。
二、進(jìn)水水質(zhì)要求
1. 芬頓氧化法的進(jìn)水應(yīng)符合以下條件：
a）在酸性條件下易產(chǎn)生有毒有害氣體的污染物（如硫離子、氰根離子等）不應(yīng)進(jìn)入芬頓氧化工藝單元；
b）進(jìn)水中懸浮物含量宜小于 200 mg/L；
c）應(yīng)控制進(jìn)水中 Cl-、H2PO -、HCO3 -、油類和其他影響芬頓氧化反應(yīng)的無機(jī)離子或污染物濃度，其限制濃度應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定。
2. 芬頓氧化法進(jìn)水不符合條件時(shí)
應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)采取相應(yīng)的預(yù)處理措施：
a）芬頓氧化法用于生化處理預(yù)處理時(shí)，可設(shè)置粗、細(xì)格柵、沉砂池、沉淀池或混凝沉淀池，去除漂浮物、砂礫和懸浮物等易去除污染物；芬頓氧化法用于廢水深度處理時(shí)，宜設(shè)置混凝沉淀或/和過濾工序進(jìn)行預(yù)處理；
b）進(jìn)水中溶解性磷酸鹽濃度過高時(shí)，宜投加熟石灰，通過混凝沉淀去除部分溶解性磷酸鹽；
c）進(jìn)水中含油類時(shí)，宜設(shè)置隔油池除油；
d）進(jìn)水中含硫離子時(shí)，應(yīng)采取化學(xué)沉淀或化學(xué)氧化法去除；進(jìn)水中含氰離子時(shí)，應(yīng)采取化學(xué)氧化法去除；
e）進(jìn)水中含有其他影響芬頓氧化反應(yīng)的物質(zhì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)水質(zhì)采取相應(yīng)的去除措施，以消除對(duì)芬頓氧化反應(yīng)的影響。
芬頓氧化法用于生化處理的預(yù)處理時(shí)，若進(jìn)水水質(zhì)水量變化較大，芬頓氧化工藝前應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池。
三、芬頓的影響因素
1、溫度
溫度是芬頓反應(yīng)的重要影響因素之一。一般化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的升高會(huì)加快反應(yīng)速度，芬頓反應(yīng)也不例外，溫度升高會(huì)加快·OH的生成速度，有助于·OH與有機(jī)物反應(yīng)，提高氧化效果和COD的去除率；但是，對(duì)于芬頓試劑這樣復(fù)雜的反應(yīng)體系，溫度升高，不僅加速正反應(yīng)的進(jìn)行，也加速副反應(yīng)，溫度升高也會(huì)加速H2O2的分解，分解為O2和H2O，不利于·OH的生成。不同種類工業(yè)廢水的芬頓反應(yīng)適合的溫度，也存在一定差異。處理聚丙烯酰胺水溶液處理時(shí)，溫度控制在30℃～50℃。研究洗膠廢水處理時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度為85℃。處理三氯（苯）酚時(shí)，當(dāng)溫度低于60℃時(shí)，溫度有助于反應(yīng)的進(jìn)行，反之當(dāng)高于60℃時(shí)，不利于反應(yīng)。
2、pH
一般來說，芬頓試劑是在酸性條件下發(fā)生反應(yīng)的，在中性和堿性的環(huán)境中Fe2+不能催化氧化H2O2產(chǎn)生·OH，而且會(huì)產(chǎn)生氫氧化鐵沉淀而失去催化能力。當(dāng)溶液中的H+濃度過高，F(xiàn)e3+不能順利的被還原為Fe2+，催化反應(yīng)受阻。多項(xiàng)研究結(jié)果表明芬頓試劑在酸性條件下，特別是pH在3～5時(shí)氧化能力很強(qiáng)，此時(shí)的有機(jī)物降解速率快，能夠在短短幾分鐘內(nèi)降解。此時(shí)有機(jī)物的反應(yīng)速率常數(shù)正比于Fe2+和過氧化氫的初始濃度。因此，在工程上采用芬頓工藝時(shí)，建議將廢水調(diào)節(jié)到=2～4，理論上在為3.5時(shí)為佳。
3、有機(jī)底物
針對(duì)不同種類的廢水，芬頓試劑的投加量、氧化效果是不同的。這是因?yàn)椴煌愋偷膹U水，有機(jī)物的種類是不同的。對(duì)于醇類（甘油）及糖類等碳水化合物，在羥基自由基作用下，分子發(fā)生脫氫反應(yīng)，然后C-C鍵的斷鏈；對(duì)于大分子的糖類，羥基自由基使糖分子鏈中的糖苷鍵發(fā)生斷裂，降解生成小分子物質(zhì)；對(duì)于水溶性的高分子及乙烯化合物，羥基自由基使得C=C鍵斷裂；并且羥基自由基可以使得芳香族化合物的開環(huán)，形成脂肪類化合物，從而消除降低該種類廢水的生物毒性，改善其可生化性；針對(duì)染料類，羥基自由基可以打開染料中官能團(tuán)的不飽和鍵，使染料氧化分解，達(dá)到脫色和降低COD的目的。用芬頓試劑降解殼聚糖的實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)介質(zhì)pH值3～5，聚糖、 H2O2及催化劑的摩爾比在240:12～24:1～2時(shí)，芬頓反應(yīng)可以使殼聚糖分子鏈中的糖苷鍵發(fā)生斷裂，從而生成小分子的產(chǎn)物。
4、過氧化氫與催化劑投加量
芬頓工藝在處理廢水時(shí)需要判斷藥劑投加量及經(jīng)濟(jì)性。H2O2 的投加量大， 廢水COD的去除率會(huì)有所提高，但是當(dāng)H2O2投加量增加到一定程度后， COD的去除率會(huì)慢慢下降。因?yàn)樵诜翌D反應(yīng)中H2O2投加量增加，·OH的產(chǎn)量會(huì)增加，則COD的去除率會(huì)升高，但是當(dāng)H2O2的濃度過高時(shí)，雙氧水會(huì)發(fā)生分解，并不產(chǎn)生羥基自由基。催化劑的投加量也有與雙氧水投加量相同的情況，一般情況下，增加Fe2+的用量，廢水COD的去除率會(huì)增大， 當(dāng)Fe2+增加到一定程度后。COD的去除率開始下降。原因是因?yàn)?當(dāng)Fe2+濃度低時(shí)，隨著Fe2+ 濃度升高，H2O2產(chǎn)生的·OH增加；當(dāng)Fe2+ 的濃度過高時(shí)， 也會(huì)導(dǎo)致H2O2發(fā)生無效分解，釋放出O2。
四、工藝操作及設(shè)計(jì)
芬頓氧化法廢水處理工程工藝流程主要包括調(diào)酸、催化劑混合、氧化反應(yīng)、中和、固液分離、藥劑投配及污泥處理系統(tǒng)，工藝流程示意圖見圖。
1、調(diào)酸
根據(jù)氧化反應(yīng)池最佳pH值條件要求，應(yīng)通過投加濃硫酸或稀硫酸來調(diào)整廢水的 pH值，pH 值宜控制在3.0～4.0。
調(diào)酸池宜采用水力攪拌、機(jī)械攪拌或空氣攪拌，混合時(shí)間不宜小于2min。
濃硫酸或稀硫酸宜采用計(jì)量泵投加，采用在線 pH值控制儀等自控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)投加量。
2、催化劑混合
催化劑可采用硫酸亞鐵，在催化劑混合池完成混合過程，催化劑混合池宜采用水力攪拌、機(jī)械攪拌或空氣攪拌，混合時(shí)間不宜小于2min。硫酸亞鐵溶液質(zhì)量百分濃度宜小于 30%，宜采用計(jì)量泵定量投加。
3、氧化反應(yīng)
應(yīng)投加過氧化氫溶液，在氧化反應(yīng)池中完成氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)池可采用完全混合式或推流式，完全混合式氧化反應(yīng)池不宜少于2段，通過溢流或穿孔墻連接。
氧化反應(yīng)池池型應(yīng)根據(jù)廢水處理規(guī)模、占地面積和經(jīng)濟(jì)性等因素綜合確定，氧化反應(yīng)池采用塔式時(shí)，宜采用升流式反應(yīng)器，鋼結(jié)構(gòu)塔體應(yīng)采用不銹鋼 316L材質(zhì)和涂襯玻璃鱗片防腐處理。塔式反應(yīng)器包含芬頓試劑混合區(qū)、布水區(qū)和反應(yīng)區(qū)?；旌蠀^(qū)混合速度梯度 G值應(yīng)不小于 500s-1，布水區(qū)應(yīng)配水均勻，配水孔出口流速應(yīng)為 1.0m/s～1.5m/s，回流比應(yīng)不低于 100%。塔式反應(yīng)器高徑比宜在 1.0～5.0 之間，高度應(yīng)不高于 15 m。
氧化反應(yīng)池池體有效容積可按下式計(jì)算：
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