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协同催化氧化用于焦化厂生化尾水深度处理

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吴春旭, 武哲如, 王鸿英, 袁婧, 成钢, 陈兆林. 协同催化氧化用于焦化厂生化尾水深度处理[J]. 环境保护科学, 2020, 46(2): 35-38. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.02.007
引用本文: 吴春旭, 武哲如, 王鸿英, 袁婧, 成钢, 陈兆林. 协同催化氧化用于焦化厂生化尾水深度处理[J]. 环境保护科学, 2020, 46(2): 35-38. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.02.007
shu
WU Chunxu, WU Zheru, WANG Hongying, YUAN Jing, CHENG Gang, CHEN Zhaolin. Synergistic Catalytic Oxidation for Advanced Treatment of Biochemical Secondary Effluent in Coking Plant[J]. Environmental Protection Science, 2020, 46(2): 35-38. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.02.007
Citation: WU Chunxu, WU Zheru, WANG Hongying, YUAN Jing, CHENG Gang, CHEN Zhaolin. Synergistic Catalytic Oxidation for Advanced Treatment of Biochemical Secondary Effluent in Coking Plant[J]. Environmental Protection Science, 2020, 46(2): 35-38. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.02.007
shu

协同催化氧化用于焦化厂生化尾水深度处理

  • 1.

    清华大学环境学院，北京 100084

  • 2.

    北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京 100084

  • 3.

    水利部国际经济技术合作交流中心，北京 100053

  • 4.

    山西省环境规划院，山西 太原 030002

    • 作者简介: 吴春旭(1979 − )，男，高级工程师。研究方向：工业废水和污泥处理研究。E-mail：wu-cx13@mails.tsinghua.edu.cn
    通讯作者: 陈兆林(1981 − )，男，博士、教授级高工。研究方向：工业废水处理研究。E-mail：zhaolinbest@126.com
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项（2018ZX07402005）

  • 中图分类号: X703.1

Synergistic Catalytic Oxidation for Advanced Treatment of Biochemical Secondary Effluent in Coking Plant

  • 1.

    School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

  • 2.

    Beijing Guohuan Tsinghua Environmental Engineering Design & Research Institute Co. Ltd., Beijing 100084, China

  • 3.

    International Economic & Technical Cooperation and Exchange Center, Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China

  • 4.

    Shanxi Academy of Environmental Planning, Taiyuan 030002, China

    • Corresponding author: CHEN Zhaolin, zhaolinbest@126.com

  • 摘要: 针对某焦化厂生化尾水，分别采用O3（臭氧）氧化及GAC（颗粒活性炭）/O3、UV（紫外光）/O3、GAC/UV/O3协同催化氧化技术进行深度处理对比实验研究。结果显示，GAC/UV/O3协同催化氧化工艺具有高效性、稳定性、经济合理性的优势。通过改变O3的投加量、UV强度来寻求最佳工况，由中试实验的数据结果得出，三者联用协同催化氧化工艺最佳运行参数为：焦化厂生化尾水温度在25～30 ℃之间、pH在7～8.5之间、SS小于70 mg/L、O3投加量为30 mg/L、UV强度值为630 mJ/cm2、GAC投加量饱和时，实验废水中COD由100～130 mg/L降至60～78 mg/L，有效去除率可以达到40.7%，可满足预期行业标准，甚至达到工业回用水标准。
    Abstract: O3(ozone)oxidation, GAC(granular activated carbon)/O3, UV(ultraviolet)/O3 and GAC/UV/O3 synergistic catalytic oxidation were used to treat the biochemical secondary effluent of the coking wastewater, respectively. The results showed that the GAC/UV/O3 co-catalytic oxidation process had the advantages of the high efficiency, a good stability and the economic rationality. The optimal operating conditions were investigated by changing the amount of ozone and the intensity of ultraviolet light. According to the results of pilot test, the optimal operating parameters of the three combined catalytic oxidation processes were as follows: When the temperature of the biochemical secondary effluent of coking wastewater was between 25～30 ℃, pH was between 7～8.5 and SS was below 70 mg/L, the COD(chemical oxygen demand) index of coking wastewater was degraded from 100～130 mg/L to 60～78 mg/L with 30 mg/L of O3 dosage, 630 mJ/cm2 of UV intensity value and saturated addition of GAC, the removal efficiency of COD reached to 40.7%, which can achieve the industrial standards and even meet the reuse water quality standards for the industrial uses.
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  • 图 1  试验装置示意图

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    图 2  O3氧化对COD去除效果

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    图 3  O3与GAC协同氧化对COD去除效果

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    图 4  O3与UV协同氧化对COD去除效果

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    图 5  UV/GAC/O3协同催化氧化对COD去除效果

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    表 1  水质指标及排放标准 mg·L−1

    指标现场生化出水水质进水水质《炼焦化学工业
    污染物排放标准》
    GB16171—2012
    出水水质    		《城市污水再生
    利用工业用水水质》
    GB/T 19923—2005
    回用标准
    COD100～13010060
    BOD5302530
    悬浮物907030
    NH3-N101510
    氰化物<0.20.2−
    挥发酚<0.50.5−
    pH7～96～96.5～9
    指标现场生化出水水质进水水质《炼焦化学工业
    污染物排放标准》
    GB16171—2012
    出水水质    		《城市污水再生
    利用工业用水水质》
    GB/T 19923—2005
    回用标准
    COD100～13010060
    BOD5302530
    悬浮物907030
    NH3-N101510
    氰化物<0.20.2−
    挥发酚<0.50.5−
    pH7～96～96.5～9
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图( 5) 表( 1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-10
  • 刊出日期:  2020-04-01

协同催化氧化用于焦化厂生化尾水深度处理

    通讯作者: 陈兆林(1981 − )，男，博士、教授级高工。研究方向：工业废水处理研究。E-mail：zhaolinbest@126.com
    作者简介: 吴春旭(1979 − )，男，高级工程师。研究方向：工业废水和污泥处理研究。E-mail：wu-cx13@mails.tsinghua.edu.cn
  • 1. 清华大学环境学院，北京 100084
  • 2. 北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京 100084
  • 3. 水利部国际经济技术合作交流中心，北京 100053
  • 4. 山西省环境规划院，山西 太原 030002
  • 收稿日期:  2019-11-10
  • 网络出版日期:  2020-06-05
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项（2018ZX07402005）

摘要: 针对某焦化厂生化尾水，分别采用O3（臭氧）氧化及GAC（颗粒活性炭）/O3、UV（紫外光）/O3、GAC/UV/O3协同催化氧化技术进行深度处理对比实验研究。结果显示，GAC/UV/O3协同催化氧化工艺具有高效性、稳定性、经济合理性的优势。通过改变O3的投加量、UV强度来寻求最佳工况，由中试实验的数据结果得出，三者联用协同催化氧化工艺最佳运行参数为：焦化厂生化尾水温度在25～30 ℃之间、pH在7～8.5之间、SS小于70 mg/L、O3投加量为30 mg/L、UV强度值为630 mJ/cm2、GAC投加量饱和时，实验废水中COD由100～130 mg/L降至60～78 mg/L，有效去除率可以达到40.7%，可满足预期行业标准，甚至达到工业回用水标准。

English Abstract

    全文HTML

  • 焦化废水是一种成分复杂、生化性差的工业废水。目前，国内大多数焦化厂处理焦化废水主要综合采用生化法、物化法[1-2]，但生化工艺出水并不稳定，难以稳定达到排放要求，因此，必须对生化尾水进行深度处理。

    高级氧化法主要通过产生的羟基自由基（·OH）来降解污染物[3]，是一种应用广泛的深度处理技术[4-7]。其中，O3高级氧化法技术以其高效、易操作等特点，成为焦化废水深度处理技术研究的热点[8-14]。但单一O3氧化技术氧化效率低且具有明显的选择性。

    本研究针对某焦化厂生化处理单元尾水，以COD为主要研究指标，对比了O3、GAC/O3、UV/O3、GAC/UV/O3工艺处理焦化废水生化尾水的处理效果；考察了GAC/UV/O3协同处理焦化废水生化尾水达标的运行工况；实现该方法在深度处理中最优化运行，分析工艺的稳定性及经济性，对焦化废水的深度处理提供初步研究结果及理论分析。

1.   材料与方法

    1.1.   试验装置

  • 试验装置由3部分组成：①O3发生器；②在催化氧化反应过程中的O3浓度检测仪；③柱状O3反应器。针对实际工程需求，选择了适合组分复杂的工业废水的鼓泡塔式供气反应器，臭氧输气管路采用四氟管，反应器材质为316 L不锈钢。试验装置见图1。

    根据工程实际情况，试验采用工业氧气作为气源，氧气经过干燥后进入O3发生器后产生O3，产生的O3经流量计后通入柱状反应器，经紫外灯的照射下产生无选择性的、具有强氧化活性的羟基自由基（·OH）。

    • 1.2.   实验材料及方法

  • 试验用水取自某焦化厂污水处理站生化处理单元出水口，废水水质及相关排放标准见表1。

    试验主要检测指标为COD、pH、O3、SS，COD采用重铬酸盐法检测设备为HACH DR2800，pH采用玻璃电极法采用PB-21 pH计，O3采用在线O3浓度仪（Idea 0～200 mg/L）测试方法，SS采用重量法来测定。试验选用的GAC为处理化工废水专用的JRK-1024型颗粒活性炭。

2.   结果与讨论

    2.1.   O3氧化及AC/O3、UV/O3催化氧化实验结果

    2.1.1.   O3氧化工艺对焦化厂生化尾水的处理效果

  • 单独O3氧化对COD去除效果见图2。

    图2可见，随着O3投加浓度增加，COD去除率随之升高，当O3投加浓度为30 mg/L时，COD去除率为20.39%；继续提高O3投加浓度，COD去除率不再随之显著提高。因此实验确定30 mg/L作为最佳O3投加量。

    • 2.1.2.   GAC/O3协同氧化工艺对焦化厂生化尾水的处理实验结果

  • 颗粒活性炭与臭氧协同催化氧化对废水的处理效果见图3。

    图3可见，在GAC的作用下，GAC/O3工艺对废水中COD的去除效果并无明显优势，去除率仅由21.03%提升至23.11%，提升2.08%，说明此时GAC对O3并未显示出较好的催化作用，主要原因可能是由于GAC/O3工艺未生成足够的具有更强氧化性的自由基产物，废水中有机物的去除仍主要利用O3的直接氧化作用去除。与此同时，实验废水被O3氧化后的产生草酸等抑制性副产物使废水pH值不再继续增高，从而导致GAC对废水中有机物的去除仍以吸附作用为主[15]，但由于GAC巨大的表面积，使O3及次生自由基与有机污染物质的接触面积增大，从而使其去除率有所提高。

    • 2.1.3.   UV/O3催化氧化工艺对焦化厂生化尾水的处理实验结果

  • UV/O3协同氧化对废水COD的去除效果见图4。

    随着紫外光强度的梯度增强（180、270、420、630和840 mJ/cm2），UV协同O3高级氧化组合工艺对实验废水中COD的去除率呈现21.4%、23.12%、24.9%、28.18%、29.16%的递增趋势，均高于较单独O3氧化对COD去除率。当UV强度强于630 mJ/cm2时，COD去除率无显著提高，说明在有限的接触时间及接触面积中，UV对于O3氧化的催化能力趋近极限。结合工艺的经济性考虑，认为本研究中最佳紫外光强度值为630 mJ/cm2。

    • 2.2.   GAC/UV/O3协同催化氧化工艺对焦化厂生化尾水的协同处理实验结果

  • UV/GAC（活性炭投加量为30 mg/L）/O3协同催化氧化对废水COD的去除效果见图5。

    图5可见，UV/GAC/O3协同催化氧化工艺随着UV强度的梯度增强（180、270、420、630和840 mJ/cm2），对实验废水COD去除效果显著，同时去除率呈现一定规律的递增（30.28%、32.94%、35.96%、40.7%、41.66%）。实验设计进水COD为100～130 mg/L，采用UV/GAC/O3协同催化氧化法可保证出水稳定达到《炼焦化学工业污染物排放标准：GB 16171—2012》的出水标准100 mg/L。而当设计进水COD控制至100 mg/L时，出水COD则可满足《城市污水再生利用 工业用水水质：GB/T19923—2005》的出水标准60 mg/L。当紫外光强度强于630 mJ/cm2时，COD去除率趋势明显减缓，考虑到实验设计水质标准，结合经济性考虑，最终选择630 mJ/cm2的紫外强度进行协同催化氧化工艺。

3.   结论

  • 1）GAC/O3催化氧化工艺对废水中有机物的吸附效果好，但GAC对O3的催化能力弱，没有催化生成足够的具有强氧化能力羟基自由基；UV/O3催化氧化工艺对O3催化效果较好，但是在与废水接触面积与接触时间上仍有待提升。

    2）UV/GAC/O3协同催化氧化工艺将颗粒活性炭、紫外两种催化剂的催化性进行有机结合，进一步提高了O3的氧化效率，对废水COD的去除率可提升至40.7%。

    3）中试实验结果表明：焦化厂生化尾水O3投加量为30 mg/L、UV强度值为630 mJ/cm2、GAC饱和投加时，将焦化废水生化尾水的COD为100～130 mg/L，处理出水COD浓度为60～78 mg/L，去除率最高可达到40.7%，能够满足行业排放标准要求，并可用于工业回用。

参考文献 (15)

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