Fenton家族废水高级氧化处理技术
一、技术简介
目前台湾有很多产业的废水处理场须增设高级废水处理单元才能达到98年的放流水标准，至今已发展的高级废水处理技术包括臭氧氧化法、活性碳吸附法、薄膜分离法、湿式氧化法及Fenton氧化法等，其中以Fenton氧化法（H2O2/Fe2+）被认为是一种最有效、简单且经济的方法，其他方法则因初设成本或操作成本太高而较难被业者接受。Fenton氧化法虽有高效率、低操作费的优点，但同时因其会产生大量的铁污泥，成为应用时的一大缺点。本研究团队于94年度起决定以Fenton氧化法产生.OH (hydroxyl radical）的原理为基础，开发改良式低污泥的废水高级氧化处理技术，我们称此为Fenton家族（Fenton Family）高级处理技术。
Fenton氧化法的反应式如式(1)，所产生'OH的氧化能力在所有氧化剂中排第二，仅次于氟。
H2O2+Fe2+ → . OH+OH-+Fe3+
→Fe(OH)3↓
影响Fenton法氧化反应效果与速率的因子有下列几项：（1）反应物本身的特性、（2）H2O2的剂量、（3）Fe2+的浓度、（4）pH值、（5）反应时间及（6）温度等。Fenton法反应的pH值一般约在3～4。
Fenton家族处理技术乃针对Fenton法污泥产量太多的缺点加以改良，利用电场或结晶技术来提升处理效果及降低化学污泥产量，使适用范围大为增加。Fenton家族高级处理技术的演进由传统Fenton法、电解氧化-Fenton法（简称FentonⅡ）、电解还原-Fenton法（简称FentonⅢ）、至流体化床-Fenton法（简称FentonⅣ）。图1为Fenton家族高级处理技术发展历程，FentonⅢ及FentonⅣ分别为目前高浓度与低浓度废水的重点低污泥处理技术。
表1. Fenton家族处理技术与其它高级处理技术的比较
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项目 |
比较基准：COD＝200mg/L处理至COD＝100mg/L |
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薄膜分离法 |
活性碳吸附法 |
化学混凝法 |
臭氧氧化法 |
传统Fenton法 |
电解还原-Fenton法 |
流体化床-Fenton法 |
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特点 |
提浓污染物 |
吸附有机物 |
混凝有机物 |
氧化有机物 |
氧化有机物 |
氧化有机物 |
氧化有机物 |
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COD去除率 （％） |
90-95 |
20-75 |
20-50 |
30-60 |
65-85 |
70-90 |
70-90 |
|
设备成本 （万元/m3） |
2-4 |
0.9-1.5 |
0.2-0.5 |
2-4 |
0.2-0.5 |
0.5-1.5 |
0.23-0.7 |
|
操作成本 (元/m3) |
15-35 |
12-40 |
3-15 |
25-35 |
10-25 |
8-15 |
8-15 |
|
操作成本 (元/kgCOD) |
150-350 |
100-400 |
30-150 |
250-350 |
100-250 |
80-150 |
100-150 |
|
技术差异性 |
需处理提浓液 |
需再生活性碳 |
需处理污泥 |
需处理O3废气 |
需处理污泥 |
污泥量较传统Fenton少80％ |
污泥量较传统Fenton少70％ |
图1为Fenton家族处理技术的应用方式，其中电解还原-Fenton法(FentonⅢ)适用于高浓度生物难分解废水(COD>1000mg/L)的处理，可作为生物前处理以改善水质，提升后续生物处理能力；流体化床-Fenton法(FentonⅣ)适用于低浓度生物难分解废水(COD<1000mg/L，一般用于COD<500mg/L)的处理，可用于生物后的处理，以加强对放流水水质的把关工作。流体化床-Fenton系利用流体化床的方式使Fenton法所产生之三价铁大部份得以结晶或沈淀披覆在流体化床之担体表面上，是一项结合了同相化学氧化（Fenton法）、异相化学氧化（H2O2/FeOOH）、流体化床结晶及FeOOH的还原溶解等功能的新技术，此方法的示意图如图3所示。这项技术将传统的Fenton氧化法作了大幅度的改良，如此可减少Fenton法大量的化学污泥产量，同时在担体表面形成的铁氧化物具有异相催化的效果，而流体化床的方式亦促进了化学氧化反应及质传效率，使COD去除率提升。
Fenton家族技术设计的重点如表2所示，废水水质如导电度、有机成分和无机成分等是影响处理结果的重要因素。两技术的原理和特点比较整理如表3所示。
表2. Fenton家族技术设计重点
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项 |
说 |
|
流体化床Fenton处理槽的设计重点 |
1. 2. 3. 4. 5. |
表3. Fenton家族技术的原理和特点比较
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技术名称 |
适用COD (mg/L) |
主要原理 |
技术特点 |
|
流体化床-Fenton法（FentonⅣ, FBR-Fenton） |
50-1000 |
H2O2 + Fe2+→ .OH + Fe(OH)2+ → .... →FeOOH , H2O2 + FeOOH→... |
同相及异相催化反应，污泥形成结晶，铁污泥减量70% |
三、技术应用对象及实绩
Fenton家族技术可应用的行业包括：
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
目前Fenton家族技术的应用实绩如表4所示。
表4. Fenton家族技术的应用实绩
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技术分类 |
应用厂商 |
主要产品或行业别 |
完工时间 |
氧化槽规模 |
水量 (CMD) |
COD (mg/L) |
COD去除率(%) |
|
Fenton III |
楠梓电子 |
PCB业 |
1998 |
1m*1m*2m |
30 |
2000 |
80 |
|
南亚技术学院 |
实验室废液 |
1999 |
0.7m*0.7m*2m |
0.5 |
20000 |
85 |
|
|
冈山空军基地 |
表面处理业 |
2000 |
0.7m*0.7m*2m |
10 |
1000 |
80 |
|
|
远东化纤 |
人纤业 |
2001 |
1m*1m*2m*2 |
100 |
1000 |
90 |
|
|
Fenton IV |
丽嘉企业 |
PU基布染色 |
2000 |
f1m*H7m |
150 |
3500 |
70 |
|
台湾化纤 |
ABS树脂 |
2001 |
f2.5m*H9m*2 |
4000 |
130 |
70 |
|
|
国亨塑料 |
ABS树脂 |
2001 |
f2m*H9m*2 |
2000 |
120 |
60 |
|
|
中华映管 |
TFT-LCD |
2001 |
f1.2m*H8.5m |
400 |
500 |
30 |
|
|
亚洲微电 |
电子业 |
2002 |
f2.5m*H9m*2 |
4000 |
130 |
70 |
|
|
东莞宝泰 |
皮革业 |
2005 |
|
5000 |
200 |
70 |
四、应用案例
4.1流体化床-Fenton法
图5为某案例厂流体化床-Fenton处理槽及其前后单元的P&I图，流体化床的上流速度约控制在100m/h，pH则控制在3.5-4.0。出流水经pH调整后，依SS浓度的高低，后段可搭配沉淀槽、浮除槽或砂滤槽。
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