关于臭氧催化氧化深度处理造纸废水的研究

邢国娟

(深圳市鑫永盛新材料有限公司 广州 深圳 518000)

0 引言

新时期,我国坚持贯彻落实可持续发展战略,节能环保理念深入人心,造纸行业作为污染大户,想要实现可持续发展目标,就要充分做到与时俱进,采取有效措施处理生产废水。尤其近年来,我国各种类型的纸张使用量逐渐提升,并且进口数量不断缩减,在为国内造纸企业创造发展机遇的同时,也在一定程度上增加了造纸废水排放量。由于造纸废水中含有大量难分解或不可分解的化合物,所以采用传统处理工艺很难达到废水排放标准。而引入臭氧催化氧化法,能够有效弥补传统处理技术存在的不足。结合实践来看,臭氧催化氧化法不仅操作便捷,而且反应迅速,能够在短时间内完成氧化、催化反应,从而达到造纸废水深度处理目标。相关专家在臭氧催化氧化研究中发现,使用AL2O3负载ZnO 的催化剂,能够有效减少造纸废水中的COD,相对于传统处理技术,去除率至少能够提高15%,去除率能够达到74%。由此可见,本文对臭氧催化氧化技术进行研究,通过实验方法探索其在造纸废水深度处理中的应用,不仅能够为处理技术进一步推广和应用奠定基础,还能够为造纸业可持续发展奠定提供保障。

1 实验应用的材料和具体方法

1.1 水质及催化剂

本次实验主要采用某造纸厂内部的废水处理厂。该处理厂设置了诸多废水处理装置,造纸废水产生后需要经过一系列生物处理工艺进行处理,处理后的废水从二沉池排出,生化出水每升约189.13mg的有机污染物,每毫升内含有14.45mg氮,其中包括2.23mg氨氮,酸碱值为7.89,废水主要为黄色。通过混凝过滤后,通过臭氧催化氧化方式对废水进行处理,整个实验可以在常温环境下操作。使用的催化剂有两种,一种为氧化铝载体的催化剂,另一种为活性炭载体的催化剂,活性组成均为过渡金属[1]。

1.2 装置工艺

在造纸废水臭氧催化氧化过程中,离不开装置工艺的支撑,本次实验的装置工艺如图1所示:

图1 臭氧催化氧化装置工艺

由图1分析可以看出,在造纸废水处理过程中,装置工艺的需要按照以下步骤进程,废水先进入缓冲罐,加药处理后进入砂滤罐,通过臭氧发生器进行催化和氧化,而后进入射流器,最后进入反应器并将处理后的水排出[2]。每个环节的功能不尽相同,其中缓冲罐的主要作用是对造纸废水的水质进行均匀处理,砂滤罐的主要作用是尽可能减少造纸废水中的悬浮物,射流器的主要作用是利用微气泡使汽水充分混合,为臭氧更好地溶解奠定基础。本次实验选择的臭氧发生器,为青岛某公司研发的新型设备,能够通过管路上设置的微调阀等灵活调整臭氧发生器的工作压力。在实验过程中臭氧浓度与臭氧的流量计功率有直接关系。在实验操作过程中,选择的臭氧反应器共两个,其中反应器A 的高度约2m,半径约0.3m,材质为不锈钢;反应器B的高度约2.3m,半径为0.1m,材质为PVC。由于造纸废水在臭氧催化氧化过程中会产生大量尾气,所以需要通过尾气破坏器对其进行科学处理[3]。

1.3 合理设计实验

首先,通过反应器A,分析造纸废水中A型催化剂的使用量及飞行器相对于空气的速度,对去除有机污染物产生的一系列影响。其次,通过反应器A,在飞行器相对于空气速度,及催化剂使用量不变的情况下,研究臭氧用量对有机污染物处理产生的各种影响。最后,联合使用反应器A 和B,研究臭氧催化氧化和臭氧、过氧化氢催化氧化对有机污染物处理产生的影响。

1.4 主要分析方法

本次实验主要使用哈希仪器对造纸废水中的有机污染物进行处理,通过连华试剂对造纸废水中的氮和氨氮进行测定[4]。结合大量实践来看,进水流量和臭氧浓度,会直接决定臭氧投加量,实验过程需要按照以下公式进行准确计算臭氧投加量:

其中M 代表实验过程的臭氧投加量,单位为g/t;W 代表实验过程的臭氧浓度,单位为mg/L;Xg代表臭氧流速,单位为m3/h;NL 代表造纸废水处理量,单位为m3/h。

2 试验结果及讨论

2.1 确定催化剂的填装量

当造纸废水的进水流量达到每小时0.5m3时,需要按照每吨150g的量投加臭氧,在此基础上,对装有60 L、136L 以及180 L 催化剂的反应器A 变化情况进行观察,分析去除废水有机污染物的效果。结合实验结果来看,催化剂投加量越大,有机污染物的处理效果越好。其中60 L 的催化剂臭氧与有机污染物的比值为2.22;136L 的催化剂臭氧与有机污染物的比值为1.76;180 L 的催化剂臭氧与有机污染物的比值为2.67。在实验操作过程中,反应器A 后期的催化剂装填高度达到0.24m时,有机污染物的处理率大约为30%[5]。主要原因在于,试验后期的造纸废水,通常会经过沉淀池、砂滤罐处理后出水,最后才达到臭氧反应器,所以有机污染物成分相对较少。为了尽可能减少资金的不必要消耗和浪费,在实验后期,试验人员以0.24m 为标准将A 型催化剂装填到反应器A 中,体积大概在68 L左右。

2.2 选择空速

在分析空速对造纸废水有机污染物处理效果过程中,首先要保证臭氧浓度和流量不变,其中浓度为每升120mg,流量为每小时0.6m3。结合实验结果来看,在空速为3.98h-1的情况下,臭氧催化氧化对造纸污水中有机污染物的处理效率大概为33.85%,臭氧出水的有机污染物为每升86mg;在空速为7.37h-1的情况下,臭氧催化氧化对造纸污水中有机污染物的处理效率大概为42.12%,臭氧出水的有机污染物为每升79mg;在空速为12.53h-1的情况下,臭氧催化氧化对造纸污水中有机污染物的处理效率大概为37.41%,臭氧出水的有机污染物为每升85mg;其中空速为7.37h-1时,造纸废水中的有机污染物处理效果最佳。可以看出,在处理时间和废水体积相同的情况下,空速越高处理的水量越多,并且可以有效减少催化剂的使用量,这对于节约处理成本而言有积极意义[6]。

2.3 选择臭氧投加量

臭氧本身能够对造纸废水中的污染物进行氧化,而加入一定量的催化剂,能够进一步提高氧化性能,具体来说就是通过催化臭氧,使其生成羟基自由基,而后将造纸废水中的污染物进行转化,使其形成小分子污染物。结合实验来看,臭氧的投加量能够对羟基自由基数量产生直接影响,关系到臭氧的最终氧化状况[7]。通过上文分析可以看出,可以将68L的A 型催化剂装填到反应器A 中,同时将60L的B型催化剂装填到反应器B中,而后将二者串联,造纸废水从沉淀池出水后进入臭氧氧化单元,在空速为7.37h-1的情况下,对不同臭氧投加量对有机污染物的处理效果进行分析,结果如下图2所示。

图2 臭氧投加量对有机污染物处理效果产生的影响

结合上图来看,当臭氧投加量达到每吨70g时,有机污染物的去除率能够达到45%左右,处理效果相对较差;当臭氧投加量达到每吨120g 时,有机污染物的去除率能够达到50%。可以看出,在空速不变的情况下,加大臭氧投加量,能够提高有机污染物处理效果。同时,还可以发现,反应器A 在有机污染物处理方面的参数变化幅度较小,这也意味着当臭氧投加量超过每吨120g时,反应器A 的有机物去除率已经处于峰值。在此基础上,如果持续增加臭氧投加量,反应器A 会始终将有机污染物的处理率维持在30%左右,反应器B则维持在22%左右。所以,在后续臭氧投加量增加到每吨120g、140g、160g时,有机污染物处理效果并没有明显增强,这是因为自由基链的整个反应过程,包括开始、传递、终止所有环节,在此过程中,每吨的臭氧投加量控制在120g,即可促进自由基链发生反应,所以后续持续增加臭氧并不会对反应过程产生影响,因此有机污染物的处理效果也不明显,当臭氧投加量为每吨180g时,出水的有机污染物需要达到每升48mg。

2.4 双氧水在强化臭氧单元方面的效果

在臭氧分解过程中加入双氧水,能够产生羟基自由基,通过计算可以得出,双氧与臭氧的物质量比控制在0.5 最佳。通过不同的实验论证,在造纸废水处理工艺中,由于进水成分不尽相同,运行条件存在差异,所以很多专家和学者也提出了其他最佳物质量比,但范围一般控制在0.5-1.4范围内。为了尽可能减少废水处理成本的支出,同时降低臭氧投加量,需要深入分析双氧水在强化臭氧单元方面发挥的作用,以及达到的效果[8]。

将68L 的A 型催化剂装填到反应器A中,将60L的B型催化剂装填到反应器B 中,将空速设置为7.37h-1,每吨投入70g臭氧,在此基础上,分析臭氧和过氧化氢的量比对臭氧单元有机污染物处理的效果,如图3所示。

图3 臭氧和过氧化氢的量比对有机污染物去除效果产生的影响

由上图分析可以看出,臭氧单元造纸废水的有机污染物去除率,始终在45%-55%范围内浮动,Q3:△COD 为1.2 时,臭氧和过氧化氢的量比为0.25;Q3:△COD 为1.5 时,臭氧和过氧化氢的量比为0.5;Q3:△COD 为2.4时,臭氧和过氧化氢的量比为0.75,有机污染物的总处理效果明显优于没有添加双氧水的处理效果。可以看出,当臭氧和过氧化氢的量比为0.5时,有机污染物的处理率一般在51.85左右。此时Q3:△COD下降到1.2,出水有机污染物为每升50mg;当臭氧和过氧化氢的量比超过1是,有机污染物的处理效果相对较低;当臭氧和过氧化氢的量比为1.5 和2.0时,有机污染物的处理效果低于臭氧和过氧化氢的量比为0 时,这是因为在臭氧氧化过程中,加入一定浓度的双氧水,能够产生浓度较高的羟基自由基,但如果双氧水浓度超过一低昂范围,那么会在生成过程中消耗大量羟基自由基,导致其浓度降低,无法达到理想的有机污染物处理效果。

3 结束语

综上所述,随着造纸厂生产规模逐渐扩大,产生的废水量也不断增加,引入臭氧催化氧化技术,对废水进行深度处理,能够有效提高废水处理效果,增强有机污染物的去除率。试验结果表明,造纸废水处理可以优先选择臭氧催化氧化技术。结合大量实验和实践可以看出,臭氧催化氧化技术在实际操作中不会产生二次污染,能够充分满足节能环保要求,是一种效果较好的清洁型污水处理技术。但由于我国相对于发达国家而言,在臭氧催化氧化技术应用方面起步较晚,所以仍然存在很多问题需要解决,主要体现在稳定性不强、投入成本较高、安全隐患较多、氧化效率较低等方面,虽然在科学技术不断进步的环境下,臭氧催化氧化技术已经得到了一定优化和完善,但仍有很大开发和改良空间,例如通过多种催化、氧化手段提高废水处理效率。所以,相关专家和学者需要不断加大研究力度,积极借鉴发达国家成功经验,进一步优化臭氧催化氧化技术,为造纸废水深度处理提供技术保障。