电芬顿法处理工业废水研究进展

龚飞铭，李亚峰，邢镇岚，高 崇

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

“十三五规划”构建了中国经济社会的宏伟蓝图。在我国经济快速发展的同时，各行各业产生了大量的高浓度的工业废水。“十三五”期间要加强环境基础设施建设，使城市污水集中处理率达到95%。工业废水中的污染物种类多且浓度波动大。因此传统的处理工艺难以满足处理排放的标准。

随着相关研究的深入，高级氧化法在工业废水处理领域得到了广泛的应用，通过产生氧化能力极强的羟基自由基(·OH)来降解污染物，提高可生化降解性。高级氧化法具有反应迅速、氧化效果显著、不产生新的污染的优势。电芬顿法作为一种新型的高级氧化技术，能有效地处理印染废水、垃圾渗滤液和苯酚废水等各类工业废水。

1 电芬顿法的原理

电芬顿反应示意图由图1 所示[1]。电极产生H2O2和（或）Fe2+, 进而产生羟基自由基·OH 通过发生一系列链式反应, 来降解有机污染物。首先在酸性溶液中溶解氧或者空气在阴极表面通过氧还原反应(ORR)连续产生H2O2, 如反应式(1)所示, 溶液中加入的Fe2+与H2O2反应生成强氧化剂羟基自由基·OH,同时得到Fe3+, 如反应式(2)所示。溶液中Fe3+在阴极上得到一个电子被还原成Fe2+, 如反应式(3)所示,又Fe2+与H2O2反应生成强氧化剂羟基自由基(·OH),使反应循环进行处理有机污染物。使其氧化分解为CO2、H2O 和无机离子, 如反应式(4)和(5)所示[2]。

图1 电芬顿反应示意图

2 电芬顿法在工业废水处理中应用

2.1 印染废水

印染行业属于重污染、高耗能行业。不仅造成了较为严重的环境污染，也消耗了大量的能源。随着“十三五”进程的推进，生态环境保护问题被提上日程，国家加强印染行业的环保监管，对印染行业的水处理工艺提出了更高的要求，制定了更严格的排放标准。印染废水作为一种较难处理的工业废水，有着污染物组分复杂、污染物浓度高、处理难度大的特点。传统的处理工艺占地面积较大，基建费用较高，处理印染废水效率偏低。与之相比，电芬顿法能够产生氧化性较强的羟基自由基，能高效处理难降解有机物，操作简单，易于控制，不会产生二次污染。刘薇等[3]利用电解槽的电芬顿法探究印染废水去除率的影响因素。实验结果表明，当电解电压为8 V，电解电流密度为40 mA·cm-2，FeSO4浓度为15 mmol·L-1时，印染废水的处理效果最好。石申等[4]利用自制的电芬顿反应器对进行了处理印染废水的有关研究，发现pH，曝气量，反应时间等因素均可以对处理效果产生影响。在pH=3，曝气量为0.1 m3·h-1，反应时间为40 min 的条件下，COD的去除率可以达到73.5%，处理效果良好。曾旭等[5]采用正交实验，探究30%H2O2投加量和壳聚糖絮凝剂投加量对COD 去除效果的影响。在30% H2O2投加量为1.5 g·L-1、壳聚糖絮凝剂投加量为3 mg·L-1的条件下，印染废水的COD 去除率可达80%以上。杜鹃山等[6]通过在阴极外加活性炭纤维的方式改良电芬顿法。利用这种方法处理印染废水中的亚甲基蓝，去除率可达到95%以上。

2.2 垃圾渗滤液

随着城市面积的增大和人口规模的不断扩张，我国城市生活垃圾产生量逐年递增。生活垃圾在堆放和填埋的过程中会产生大量的垃圾渗滤液。垃圾渗滤液主要由降雨和地下水进入垃圾堆体和垃圾自身含有的水分产生。垃圾渗滤液具有COD 和氨氮的含量较高，总磷含量较低，水量和水质波动大的特点。若不进行无害化处理，极易造成水体的富营养化现象。常规的垃圾渗滤液处理技术具有处理周期长，设备的基建和运行费用高，药剂易残留等缺点。电芬顿法作为一种环境友好型的新型水处理技术，在室温条件下，通过外加电场产生羟基自由基或其他氧化性较强的物质。不仅能降解水中的污染物，还能杀灭水中的细菌。Eyüp Atmaca[7]以铸铁为电极，通过改变反应条件探究电芬顿法处理垃圾渗滤液的影响因素。在pH=3，外加直流电流3A，H2O2质量浓度为2 000 mg·L-1时，COD 去除率为72%，总磷去除率为87%，氨氮去除率为28%。Zhang H等[8]采用间歇再循环方式的电芬顿法处理垃圾渗滤液。实验发现，电芬顿法能有效去除垃圾渗滤液中的COD。李莉等[9]通过电芬顿法对老龄垃圾渗滤液进行处理。在最佳实验条件下，CODr去除率达到96.5%。王春霞等[10]采用外加紫外光的电芬顿法处理垃圾渗滤液。实验发现电芬顿反应可以明显改善渗滤液生化性。在最佳的反应条件下，TOC 和COD去除率分别达到78.9%和62.8%。许威等[11]采用改良阴极电芬顿法处理垃圾渗滤液。在pH=4，外加条件14.36 V 的条件下，极板间距1.42 cm 的条件下，COD 的去除率可达到92.5%。

2.3 苯酚废水

钢铁、化工、印染等重工业领域成为衡量我国经济发展的重要指标。这些行业产生了大量的难降解的有机废水。酚类及其衍生物是工业废水中常见的毒性较高而且难被降解的有机物。在酚类化合物中，以苯酚的毒性最高，因此苯酚废水被认定为优先处理对象，受到我国环境部门的高度重视。苯酚废水的组成差异较大，因此传统的处理方法不能彻底地去除废水的有机物。电芬顿法产生的氧化性较强的羟基自由基既可以无选择性地降解有机物，又能诱导有机物实现自身氧化。因此电芬顿法逐渐成为处理苯酚废水的首选方法。朱慧琳等[12]构建电芬顿氧化体系，处理质量浓度为50 mg·L-1的苯酚废水。实验表明，在温度为45℃，pH=3，H2O2浓度为5 mmol·L-1的条件下，酚类可实现完全去除。徐皓[13]采用自制的复合阳极和阴极的电芬顿法处理苯酚废水。在pH=3，曝气速率为0.4 L·min-1，电流密度为10.0 mA·cm-2条件下，总酚和COD 的去除率分别为98.7%和85.6%。徐甲慧等[14]采用以石墨电极为阴极的电芬顿法处理苯酚废水及煤化工废水。在铁碳粒子为催化剂，反应时间为1 h 的条件下，苯酚的去除率可达100%。何文妍[15]采用电芬顿法对苯酚废水进行氧化降解，在最佳条件下，苯酚的去除率可以达到74.09%。

3 结语与展望

本文选取三种典型的工业废水采用电芬顿法处理，已经验证电芬顿法是一种极具发展前景的处理技术，具有操作简易、反应速度快、能耗低、处理效率高等优势。若能将电芬顿法进行更为深入的研究与探索，既能改进工业废水处理方法，又能改善生态环境，推进可持续发展。开发石墨电极、三维电极等新型电极材料，研究新型反应器并且优化工艺参数，采用电芬顿法和其他处理工艺的联合处理将是电芬顿法未来的研究趋势。