含酚有机废水处理技术

随着我国社会经济的飞速发展，废水处理厂的规模不断扩大，处理程度不断提高。然而有机废水严重污染环境，造成地面水体恶化，对人体健康和整个社会的可持续发展造成了威胁。有机废水处置已成为困扰废水处理厂和全社会的重大问题。近年来，发现超声波可用于降解有机废水。

超声波降解废水中的有机污染物是一项新型的水处理技术，它集高级氧化、热解、超临界氧化等技术于一体，操作简单，降解速度快，既能单独处理，又可以和其他水处理技术联合使用，具有广泛的应用前景，是一种环境友好型水处理技术。文章主要对超声波降解苯酚废水的效果进行了一些简单的研究。

一、含酚类有机废水

有机废水是以有机污染物为主的废水，它易造成水质富营养化，危害较大。排放有机废水的行业较多，主要来源于食品、发酵、屠宰、皮革、造纸、制糖、橡胶、纺织、印染、农药、焦化、石化等工业废水及城镇生活污水。有机污染物的成分很复杂，常用生化需氧量(BOD)或化学需氧量(COD)综合表示其含量，是有机废水处理去除的主要指标。近十年来，高浓度有机废水和难生物降解有机废水对环境造成极大的污染，这些污染源的有效处理一直是环境工程治理领域的难题。

酚类化合物常做为工业生产废水排放到自然环境中，是毒性极大的污染物，是美国环保局重点控制的129种污染物之一，也是我国优先控制的污染物之一，这些废水如果不经处理大量排放，将会给环境造成严重污染。

有机废水处理的基本任务是去除其中各种有机物，而有机废水的复杂性使得其处理方法几乎包容废水处理的所有处理方法。传统方法有分离处理、转化处理、稀释处理等。超声波技术能够有效地破坏或者改变复杂化合物及难以生物降解材料的结构，从而能氧化分解传统方法所不能处理的废水。这一特性使其在废水处理中有着广泛的应用前景。

二、超声波降解技术

超声波降解废水中有机污染物的研究仍处于基础研究阶段，使用的范围较小，声能的利用率还较低，目前对于特定的系统还缺乏深入的研究，多属于证实超声波在水处理中的适用性，现在普遍认为超声波降解水体中有机物的降解机理为空化理论及自由基理论。

超声降解有机物的机理可主要归结为如下三个方面：

1. 热分解

热分解发生在空化泡内，可以将进入空化泡中的液体分子或溶于水的有机物汽化，聚集在空化泡内的能量足以将难断裂的化学键打断。

2. ·H和·OH自由基氧化

在水溶液中主要的热反应是将水分子分解，空化泡内产生具有较高活性的·H和·OH自由基，它们进入水溶液与水中的有机物进行接触并将有机物氧化。在空化泡内主要是热分解，而在空化泡外的主要是自由基氧化。

3. 等离子化学和高级氧化

在空化泡的内表面上，其温度和压力都超过了临界条件，超临界流体具有类似气体的良好的流动性，同时又有远大于气体的密度，因此具有许多独特的理化性质。在临界状态下，废水中所含的有机物被分解成水、二氧化碳等简单无害的小分子。

不同的超声波频率、强度、密度和辐射时间等通过影响空化效率来影响废水中污染物的降解。而有机废水自身的特性直接影响污染物降解速率，如pH、污染物的挥发性、极性、形态结构等。

三、超声波技术处理苯酚废水

1. 实验仪器和试剂

苯酚(分析纯)，HCI(分析纯)，NaOH(化学纯)；KQ-250E型超声波发生器，紫外分光光度计，便携式pH测量仪。

2. 实验方法

（1）配制储备液

用分析天平称取1.000 g的分析纯苯酚，配制成一定浓度的苯酚溶液，置于棕色容量瓶中，避光保存。

（2）配制反应液

取一定量上述配制的苯酚储备液，用蒸馏水稀释，根据需要用氢氧化钠和盐酸溶液调节溶液的pH，定容到一定体积，得到待实验用的反应液。

（3）超声处理

取250 mL反应液，放入超声波发生器内进行降解反应，超声发生器输出功率250 W、工作频率40 KHz，反应槽加盖密封，开启超声发生器，反应一定时间后取样测定溶液中的苯酚浓度。

3. 分析方法

采用紫外可见分光光度计测定苯酚浓度在最大吸收波长λ=269.5 nm，测定其吸光度，同构回归方程得到苯酚的降解率。

4. 结果与讨论

（1）初始浓度对苯酚超声降解的影响

配制初始浓度分别为40.16 mg/L、91.27 mg/L、135.15 mg/L、172.22 mg/L的苯酚反应液各200 mL，在pH为7，温度为30 ℃条件下用超声波辐照4 h，不同初始浓度的苯酚的超声降解效果如图1所示。

图1 不同初始浓度对苯酚降解效果的影响

由图1可知，苯酚初始浓度对降解效果的影响比较明显。在40～170 mg/L的浓度范围内，苯酚的降解率先是随初始浓度的增加而增加，当浓度达到135 mg/L左右时其降解效率最好，随后其降解率又随初始浓度的增加而降低。由此可见，超声对苯酚的降解效果并不是浓度越低越好，在一定范围内，较大溶液初始浓度对苯酚的降解去除率较大；并且通过对反应时间的测定，确定超声最佳反应时间为4 h。

（2）温度对苯酚超声降解的影响

配制初始浓度为135 mg/L，pH为7的苯酚溶液各200 mL，分别在20 ℃，30 ℃，40 ℃和50 ℃条件下用超声波辐照4 h，不同温度对苯酚的降解效果如图2所示。

由图2可知，经过4 h的反应，20 ℃条件下，苯酚的降解率为1.21 %，30 ℃条件下，苯酚的降解率为4.20 %。由此说明，并不是温度越高超声降解的效果越好，但是较高温度可促进苯酚的降解。温度升高使得超声的空化效应提高，促使大量的苯酚进入空化泡进行裂解反应，但是另一方面过高的温度又使液体的粘度增加减弱了空化强度，因此，适宜的温度可有效提高苯酚的降解。

图2 不同温度对超声降解的影响

（3）曝气对苯酚超声降解的影响

曝气是在溶液底部通入空气，可强化传质效果，加速降解。配制初始浓度为135 mg/L，pH为3的苯酚反应液各200 mL，反应温度为40 ℃，在超声波辐照苯酚水溶液的过程中分别在仅曝气处理、仅超声辐照处理、超声和曝气联合处理的条件下进行实验，苯酚水溶液经的超声波辐照4 h，其实验结果如图3所示。

由图3可知，单独曝气时苯酚的降解率仅有1.58 %；单独超声波辐照时苯酚的降解率为5.64 %；同时曝气和超声时苯酚的降解率为6.78 %，比两者中任何一个因素单独作用时的效果都要高。这是因为在超声辐照苯酚水溶液的过程中同时通入空气后，水中产生的·OH自由基的量增加，从而使苯酚和·OH自由基反应几率增大。

图3 曝气对苯酚降解效果的影响

四、结论

超声波降解苯酚具有一定的效果，并且苯酚初始浓度、温度等因素对苯酚的超声降解影响都比较大。在135 mg/L，初试温度为30 ℃，反应4 h，曝气和超声联合处理时，苯酚的降解率可达6.78 %。由于苯酚为难降解有机物，单独的超声处理苯酚，即使选择最佳条件也不能达到理想的效果，而物理能场和化学氧化剂的结合可大大提高苯酚的降解率。