1、引言

　　近年來隨著國內(nèi)電子工業(yè)的高速開展，含二甲基亞砜(DMSO)和氫氧化四甲基銨(TMAH)等高濃度消費(fèi)制程有機(jī)廢水日益增加。DMSO以活性污泥處置會(huì)合成成二甲基硫(DMS)與硫化氫(H2S)等高臭味硫化物，DMS(0.003μL/L)、H2S(0.00041μL/L)屬惡臭物質(zhì)，嗅味閾值較氨高(0.037μL/LV/V)，在生物處置過程中易形成攪擾;而TMAH則屬高堿性、高神經(jīng)毒性的化學(xué)穩(wěn)定物質(zhì)，生物處置過程會(huì)不時(shí)釋放高氨氮，易對生物系統(tǒng)形成沖擊。電子工業(yè)廢水因具備「高濃度」和「難降解」等兩大特性，招致常規(guī)的生物法或物化法難處置此類廢水，這類廢水COD(化學(xué)需氧量)濃度較高(有機(jī)物含量COD>10,000mg/L)，會(huì)對活性污泥系統(tǒng)發(fā)作生物抑止現(xiàn)象，同時(shí)不同廢水中還含有如硝基苯類、苯胺類、酚類等各種不同的生物毒害物質(zhì)。所以，此類廢水在生化反響前，必需停止預(yù)處置，將廢水中有害于活性污泥微生物的成分氧化轉(zhuǎn)化，提升廢水的生化可降解性。

　　在有機(jī)物工業(yè)廢水處理技術(shù)中，高級氧化處置程序(Advanced Oxidation Process,AOP)具有反響快速、不受污染物濃度限制之優(yōu)點(diǎn)，成為近來產(chǎn)業(yè)界常用之廢水處置辦法。由此高級氧化處置程序衍生之高級氧化處置技術(shù)能夠產(chǎn)生高氧化力之氫氧自在基(OHradical,?OH)，氫氧自在基的氧化電位為2.8volts，其氧化力遠(yuǎn)高于臭氧，以及其他常用氧化劑(如過氧化氫、次氯酸等)。普通而言，在O3濃度為10mg/L時(shí)，碳?xì)湮廴疚餄舛缺?/span>O3氧化所需之時(shí)間約為0.1~20分鐘(min)，而氫氧自在基(?OH)與碳?xì)湮廴疚锓错懰俾始s107~109M?1s?1，相對可大幅減少處置設(shè)備空間之需求，若能善加應(yīng)用氫氧自在基的強(qiáng)氧化力，在短時(shí)間內(nèi)將廢水中所含的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成生物可合成性物質(zhì)，以至進(jìn)一步礦化成二氧化碳及水，將可輔佐產(chǎn)業(yè)以經(jīng)濟(jì)有效的辦法處理高濃度有機(jī)廢水處置問題。

　　但是，單獨(dú)運(yùn)用臭氧氧化，大量氫氧自在基可能因肅清反響(scavenging)與自在基肅清物分離，使自在基被復(fù)原，降低氧化效果。采用非均相觸媒催化氧化，應(yīng)用觸媒外表活性部位和反響中心吸附臭氧和有機(jī)分子，堅(jiān)持固相催化劑外表上高濃度氧化劑和有機(jī)分子，確保自在基能有效與有機(jī)物于觸媒外表反響，使臭氧及其氫氧自在基不易與溶液中無機(jī)鹽自在基肅清物分離，加速氧化反響速率也同時(shí)降低氧化反響的活化能。

　　鐵基非均相臭氧催化氧化處置技術(shù),是運(yùn)用一種氫氧化鐵為基底觸媒的非均相催化氧化技術(shù)。其原理包括臭氧溶解的增加和臭氧合成反響的啟動(dòng)，分三個(gè)階段。首先，臭氧和有機(jī)分子都被保送到非極性催化劑外表增加兩者濃度，增強(qiáng)反響效率。接著，經(jīng)金屬氧化物催化機(jī)制，產(chǎn)生了氧自在基或氫氧自在基自在基。接著，在催化劑外表和水相引發(fā)自在基鏈反響。氫氧自在基由溶解的臭氧連續(xù)生成。最后，當(dāng)吸附的有機(jī)污染物對催化劑的親和力因逐步合成而降低，最終產(chǎn)物從催化劑外表解吸。其反響機(jī)制如圖1模仿所示。

　　2、實(shí)驗(yàn)與辦法

　　實(shí)驗(yàn)用水采某電子產(chǎn)業(yè)面板廠不同廠實(shí)踐消費(fèi)廢水，該廢水的特性是成分復(fù)雜、廢水呈深褐色、有機(jī)物濃度高，含有大量氮化物(86~87%THAH)，可生化性差，具有刺激性氣息，中試實(shí)驗(yàn)分別測試高濃度廢水(組別1，2)與中濃度廢水(組別3，4)，理解兩種濃度食不同的催化氧化效果。水質(zhì)參數(shù)如表1所示：

　　因本次實(shí)驗(yàn)之實(shí)面子板廠廢水含高濃度TMAH(約87%總氮由TMAH奉獻(xiàn))，以國標(biāo)法–重鉻酸鉀法無法檢測TMAH奉獻(xiàn)之COD(見表2)，因而本實(shí)驗(yàn)同時(shí)剖析TOC(總有機(jī)碳)，與COD搭配參考。

　　臭氧催化氧化中試機(jī)臺如圖2所示，停止臭氧催化氧化處置設(shè)備可行性評價(jià)，臭氧由臭氧發(fā)作器產(chǎn)生，氧氣源由高純氧提供.采用批次反響系統(tǒng)，反響在室溫下停止，并在催化槽設(shè)置取樣口，定時(shí)取樣樣品停止數(shù)值剖析。

　　臭氧發(fā)作器采用新大陸臭氧發(fā)作器NLO-100g。依據(jù)先前測試結(jié)果，于最佳操作條件下停止臭氧催化氧化預(yù)處置，每小時(shí)臭氧注入量13.5g，并以自動(dòng)加藥泵調(diào)控pH值于7.5~8.5之間。

　　3、結(jié)果與討論

　　3.1.碳?xì)浠锝到?/span>

　　圖3為組別1~4廢水COD、TOC變化情形，其中高濃度廢水(組別1，2)為儉省時(shí)間稀釋5倍測試。中濃度廢水(組別3，4)給予定量臭氧108g催化氧化，COD可由600~1,600mg/L降解至100~760mg/L以下，去除率約53%~83%，組別4再持續(xù)給予定量臭氧至435g，COD濃度變化由1600mg/L→120mg/L，去除率93%；給予定量臭氧108g，TOC由408~643mg/L降低到307~455mg/L去除率約25~30%，組別4再持續(xù)給予定量臭氧至435g，TOC濃度變化由643mg/L→148mg/L，去除率77%；高濃度廢水(組別1，2)給予定量臭氧1444~1466g催化氧化，COD可由61,600~92,000mg/L降解至48,000~64,000mg/L，去除率約22~30%，再持續(xù)給予定量臭氧至1715~2701g，COD可由61,600~92,000mg/L降解至38,000~53,000mg/L，去除率約38~42%;給予定量臭氧至1715~2701g，TOC也由52,000~53,000mg/L降低到36,000~47,000mg/L，去除效率約11~31%，闡明臭氧催化氧化能有效降解碳?xì)浠衔锴遗c臭氧劑量成正相關(guān)，以至能將污染物礦化至二氧化碳。如Zimmer等人的研討，臭氧催化氧化將廢水中的難降解物質(zhì)合成成生化性較高的小分子物質(zhì)，提升了廢水的可生化性。且透過非均相催化氧化產(chǎn)生之氫氧自在基，能將吡啶及其同類化合物與直鏈脂肪族化合物氧化斷鏈為小分子態(tài)化合物，將國標(biāo)法–重鉻酸鉀法未能檢出的COD檢測出來，充沛反響真實(shí)COD，降低將來進(jìn)入生物系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，透過臭氧催化氧化預(yù)處置能增加生物污泥池去除效果，如崔(2012)研討，經(jīng)過臭氧催化氧化后再進(jìn)入生物污泥池，生物污泥池COD去除率能再提升10%。依據(jù)此特性，工程上可將臭氧催化氧化應(yīng)用在生物污泥池降解調(diào)控，在合理的本錢下到達(dá)生物池進(jìn)水水質(zhì)請求，降低生物污泥池負(fù)荷量，乃至于降低建置本錢。

　　Cesaro(2013)等人回憶文獻(xiàn)后，也提出與本研討類似的結(jié)論，高級氧化法應(yīng)與生物系統(tǒng)作配合，才干以最小的本錢到達(dá)最有效率的有機(jī)物降解，而不是單獨(dú)運(yùn)用高級氧化法去除有機(jī)物。以本篇研討為例，中濃度廢水透過臭氧觸媒預(yù)處置，以生物COD處置負(fù)荷F/M~0.2d?1、MLVSS4000mg/L，廢水量6000CMD(噸/日)停止預(yù)算，契合本錢的前提下(處置COD的目的濃度)，能降低活性污泥池有效容積10,000~23,000m3。高濃度廢水因臭氧催化氧化的主要氧化物(氫氧自在基)不具選擇性，能在高濃度范圍持續(xù)降解污染物，在本錢答應(yīng)的前提下可將COD降至生物系統(tǒng)可允許范圍。搭配生物系統(tǒng)處置,能降低委外清運(yùn)本錢，也能防止委外廢液處置的關(guān)聯(lián)性環(huán)保義務(wù)。

　　3.2.有機(jī)氮轉(zhuǎn)化

　　由圖4可知，組別1~4有機(jī)廢水經(jīng)過臭氧催化氧化預(yù)處置，可將有機(jī)氮直接轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮與少局部氨氮。中濃度廢水(組別3，4)：給予定量臭氧108g催化氧化，有機(jī)氮濃度變化為93~146mg/L→15~66mg/L去除率約55~83%，組別4再持續(xù)給予定量臭氧至435g，有機(jī)氮濃度變化為146mg/L→6mg/L，去除率96%;高濃度廢水(組別1，2)：給予定量臭氧1444~1466g催化氧化，有機(jī)氮濃度變化：3,948~4,192mg/L→1768~1975mg/L去除率約53~55%，再持續(xù)給予定量臭氧至1715~2701g，有機(jī)氮濃度變化為3948~4192mg/L→560~902mg/L，去除率78~86%，闡明無論是高濃度或是中濃度組別，有機(jī)氮濃度皆會(huì)隨臭氧劑量增加而有效轉(zhuǎn)換為氨氮與硝酸鹽氮。此結(jié)果與Lim(2019)等人的研討結(jié)果相符，其文獻(xiàn)提出1、2、3級胺的催化氧化機(jī)制，并提出胺類氧化之最終產(chǎn)物為硝酸鹽氮與少局部氨氮，且氨氮還能持續(xù)氧化為硝酸鹽氮，降低生物槽的氨氮負(fù)荷，為本中試的結(jié)果提出左證。以電子產(chǎn)業(yè)廢水常見有機(jī)氮–TMAH為例，傳統(tǒng)生物污泥法除氮的程序?qū)?/span>TMAH硝化為氨氮后，再硝化為硝酸鹽氮，最后再以反硝化細(xì)菌脫硝為氮?dú)?。臭氧非均相催化氧化直接將有機(jī)氮轉(zhuǎn)換成硝酸鹽氮，能降低活性污泥池先將有機(jī)氮硝化為氨氮，再硝化為硝酸鹽氮(硝化反響速率Kn：3.3×10?5min?1；反硝化反響速率Kden：1.6×10?5min?1USEPA硝化作用手冊)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。也能降低因高TMAH(有機(jī)氮)形成的活性污泥持濃度抑止，與活性污泥池需事前馴養(yǎng)的時(shí)間與風(fēng)險(xiǎn)。

　　因生物硝化負(fù)荷較低(生物硝化負(fù)荷F/M~0.01d?1)，經(jīng)臭氧催化氧化預(yù)處置，以生物氨氮硝化負(fù)荷F/M~0.01d?1、MLVSS4000mg/L，廢水量6000CMD(噸/日)停止預(yù)算，契合本錢的前提下(處置有機(jī)氮的目的濃度)能降低活性污泥池有效容積9,800~20,000m3。關(guān)于接納臭氧催化氧化預(yù)處置廢水的生物池來說，臭氧催化氧化預(yù)處置能持續(xù)控制氨氮濃度，防止AOB菌群受過高的氨氮沖擊，對短氨氮去除才能的提升有所協(xié)助。且預(yù)處置廢水已將長鏈有機(jī)物氧化斷鏈成短直鏈碳源，而短直鏈碳源因單位克數(shù)下可提供較多電子，有助于反硝化異營菌脫硝反響，加速兼氧生物槽的碳源應(yīng)用率。且因有機(jī)氮氧化的過程中氨氮及亞硝酸鹽氮不易累積，可防止兼氧生物槽微生物抑止與除氮效率降落的現(xiàn)象。

　　3.3.含硫化物降解

　　由圖5可知，含硫廢水有機(jī)氮轉(zhuǎn)化與碳?xì)浠锝到馀c中濃度組別類似。在給予定量的臭氧下(271g),能將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮與硝酸鹽氮，同時(shí)氨氮也能持續(xù)氧化為硝酸鹽氮降低生物系負(fù)荷，碳?xì)浠锏慕到庖部捎?/span>COD、TOC數(shù)值降低解釋。同時(shí)將DMSO委外以GCMS剖析，在給予定量臭氧271g下，DMSO由271mg/L降解為38.8mg/L，有效降解含硫廢水。

　　生物活性污泥法將DMSO反響為中間化合物二甲基硫(DMS)和甲烷硫醇(MT)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹渫Ｖ股锝到?，生物降解途徑產(chǎn)生的二甲基硫(DMS)與硫化氫(H2S)為含硫廢水處置主要的惡臭來源。以鐵基觸媒臭氧催化氧化降解DMSO含硫廢水則不產(chǎn)生惡臭物質(zhì)。DMSO在鐵基觸媒催化氧化的降解可分為兩種途徑。其一，DMSO經(jīng)過構(gòu)成甲亞磺酸鹽(CH3SO2)降解為硫酸鹽(SO42?)和甲磺酸(CH3SO3)作為含硫的降解產(chǎn)物。其次，經(jīng)過構(gòu)成甲醛(HCHO)和甲酸鹽(HCO2)，再降解為二氧化碳(CO2)作為不含硫的降解產(chǎn)物。透過鐵基觸媒催化氧化，DMSO降解途徑中的中間產(chǎn)物與最終產(chǎn)物都不含有惡臭化合物二甲基硫(DMS)與硫化氫(H2S)，因而能處理活性污泥法處置DMSO易形成環(huán)境影響的氣息問題。

　　3.4.電子面板高濃度含氮含硫有機(jī)廢水倡議處置流程經(jīng)臭氧催化氧化預(yù)處置后含氮含硫廢水，不只將高生物毒性TMAH降解為低生物毒性的氨氮與硝酸鹽氮同時(shí)將硫化物降解為不具臭味的甲磺酸鹽，還能有效轉(zhuǎn)換有機(jī)氮為硝酸鹽氮，降低活性污泥池有效容積，減少活性污泥池建立本錢。因而，電子面板高濃度含氮含硫有機(jī)廢水倡議在合理的建立本錢下，以鐵基觸媒臭氧催化氧化預(yù)處置，將復(fù)雜、高毒性、難降解有機(jī)廢水預(yù)處置為小分子易降解產(chǎn)物，再搭配活性污泥法處置至排放規(guī)范，以最小的建立本錢到達(dá)最有效率的有機(jī)物降解，而不是單獨(dú)運(yùn)用高級氧化法去除有機(jī)物，此倡議與Cesaro(2013)等人的文獻(xiàn)回憶結(jié)論類似。

　　4、結(jié)論

　　鐵基觸媒非均相臭氧催化氧化技術(shù)可去除水中的有機(jī)物。在每小時(shí)臭氧注入量13.5g，pH=7.5~8.5的最佳工藝參數(shù)下，COD去除率約38~93%，有機(jī)氮去除率78~96%，以碳化物來看，生物COD處置負(fù)荷F/M~0.2d?1、MLVSS4000mg/L，中濃度廢水6,000CMD(噸/日)停止預(yù)算，能降低活性污泥池有效容積10,000~23,000m3。碳?xì)浠衔锱c有機(jī)氮廢水透過預(yù)處置，能揭顯露真實(shí)COD降低潛在風(fēng)險(xiǎn)，且能將COD降至生物系統(tǒng)可允許范圍，再搭配生物系統(tǒng)處置處理原需委外清運(yùn)廢水的本錢與風(fēng)險(xiǎn)。以氮化物來看，生物氨氮硝化負(fù)荷F/M~0.01d?1、MLVSS4000mg/L停止預(yù)算，廢水量6000CMD(噸/日)，能降低活性污泥池有效容積9,800~20,000m3，且同時(shí)將有機(jī)氮氧化為硝酸鹽氮與氨氮，氧化過程中控制氨氮濃度并將長鏈有機(jī)物氧化成短鏈易處置有機(jī)物。不只降低好氧生物槽硝化反響時(shí)氨氮對系統(tǒng)沖擊，亦能在兼氧生物槽協(xié)助反硝化菌應(yīng)用碳源，有利于反硝化反響脫氮。此外，含硫化物DMSO透過臭氧催化氧化處置，直接將DMSO氧化為甲磺酸鹽及甲醛，最后氧化成硫酸鹽與二氧化碳，因而能防止降解過程產(chǎn)生DMS與H2S等惡臭中間產(chǎn)物。

　　臭氧催化氧化處置技術(shù)特征為反響速率快，設(shè)備體積小，相對占地空間不大，無土木建立的問題，而臭氧催化劑可反復(fù)運(yùn)用，催化劑流失率低，具有減少二次污染、廢棄物處置費(fèi)用與降低活性污泥池建立面積等優(yōu)點(diǎn)，整套設(shè)備操作便當(dāng)，維護(hù)容易，可落實(shí)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)雙贏場面，值得相關(guān)產(chǎn)業(yè)參考與應(yīng)用。