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从传统芬顿到磁芬顿:三代技术对比与工程化选择

发布时间:2023-11-10 点击数:1866

导读

芬顿:在酸性条件下,H2O2与Fe2+反应产生羟基自由基,其具有超强的氧化能力(氧化电势2.8V,仅次于氟),能把难降解的有机物迅速氧化分解。

化学反应:Fe2++ H2O2→ Fe3++ OH-+ ·OH

羟基自由基存活时间很短,且极不稳定,生成后有两个用途:

1、没有碰到污染物,自然分解,造成浪费;

2、接触到污染物,发挥氧化作用。

羟基自由基是芬顿反应的核心,技术创新的两条路线,本质上就是围绕“减少浪费”和“提高利用率”展开。

01 芬顿1.0:传统芬顿

配套构筑物一般是混凝土浇注,仅有均相反应

优点:投资成本低

缺点:COD去除率一般50%~80%,运行成本高,污泥量大,容易返色。

瓶颈:·OH的实际利用率很低——传统芬顿只能过量投药“饱和攻击”硬撑,但投药量与·OH有效产量不成正比:COD去除率很快触顶,药剂成本和污泥量却照涨不误。

传统芬顿只有均相反应(液态硫酸亚铁与液态双氧水发生反应生成羟基自由基),羟基自由基大部分都是自然分解掉,利用率不高,因此,在传统芬顿的基础上,芬顿技术的创新主要在2方面:

方向一

生成更多的
羟基自由基

方向二

提高羟基自由基的
利用率

—— 接下来的两代技术,正是沿着这两条路线展开 ——

02 芬顿2.0:流化床芬顿

配套反应器+填料,均相反应+非均相反应

所谓流化床:流化=流动,床=填料(填料一般为石英砂或铁碳),有填料是流化床最基本的特征,同时需配备回流泵,让填料在反应器内持续流动,以此提高药剂与废水的接触效率;

非均相反应:反应器内设有填料,硫酸亚铁及双氧水反应所产生的羟基氧化铁(FeOOH)大部分在填料表面上结晶或沉淀,形成固体颗粒,该固体颗粒与双氧水发生非均相反应产生羟基自由基:FeOOH + H2O2→ ·OH

相较于均相反应,非均相反应效率较低。如下图所示:晶体外部橙色部分即为羟基氧化铁,随着附在填料上的羟基氧化铁越来越多,晶体颗粒越来越大,当颗粒大到一定程度时,就会出现板结,因此,需要定期更换填料。


▲ 羟基氧化铁大部分在填料表面上结晶,颗粒越来越大,导致板结

流化床芬顿以此优势替代传统芬顿在深度处理中应用,但依然存在2个问题:

1、在工程运行一段时间后,随着晶体颗粒逐渐变大,需要定期清理及更换填料,从而定期产生耗材成本;

2、填料如果没有得到及时清理和更换,非常容易发生板结及堵塞,造成运行效率不高及运行成本较高;

03 芬顿3.0:磁芬顿

配套反应器+无填料,仅均相反应,无填料是第三代芬顿最基本特征。

与流化床芬顿通过增加非均相反应以生成更多羟基自由基技术路线不同,磁芬顿是提高羟基自由基与污染物的接触几率,增加羟基自由基的利用率,从而提高芬顿反应效率。磁芬顿的技术机理主要有以下方面:

▍机理一:磁化工艺技术

经生化处理后的污水,COD大多属于极难降解的可溶性有机物,浓度极低,此时污水内部的结构:COD被大量的水分子包围,羟基自由基很难接触到COD。

传统芬顿/流化床芬顿:采用饱和攻击的方法,用几倍于COD的双氧水去氧化,2个明显特征:双氧水一定是过量投加,反应后一定要进行脱气。

▲ 传统芬顿羟基自由基很难接触污染物,自然分解较多,药剂利用率不高

磁芬顿:通过磁技术影响水分子氢键网络和极性取向,改变污染物分子与水分子之间的排列次序,使羟基自由基很容易接触到COD,采用定点清除的方法去氧化COD,因此双氧水的消耗量极低,只有流化床芬顿的40%~50%。

在水厂水质较好(如春节期间)或水厂停产检修,阶段性无需使用芬顿时,磁芬顿可随时停机,重启时也无需预检修,可直接投入运行,显著提升系统适应性与运维效率。

▲ 磁芬顿大大增加羟基自由基与污染物的接触几率,药剂利用率大幅提高

▍机理二:无需使用石英砂或铁碳类填料

经磁化后的污水,更有利于羟基自由基发挥氧化作用,大幅降低硫酸亚铁和双氧水的用量,提高污染物处理的广谱性;磁芬顿在较宽的pH范围内,将羟基自由基和污染物的高效接触,大幅提高芬顿反应的效率。

04 三代芬顿技术体系对比

历经多年迭代演进,芬顿技术已形成三代典型技术体系:

▍三代芬顿技术路线对比表

技术路线
工艺特点
运行特点
芬顿1.0

传统芬顿
1. 无反应器+无填料;

2. 可视为加药设备的组合;
1. COD去除率低,运行成本高;

2. 污泥量大,容易返色;
芬顿2.0

流化床芬顿
1. 有反应器+有填料;

2. 利用填料增加非均相反应,提高氧化效率;
1. 填料需定期更换或补充;

2. 反应器易发生板结,维护成本高;
3. 不能停机,停机即板结;
芬顿3.0

磁芬顿
1. 有反应器+无填料;

2. 综合成本低;
1. 反应器零故障,无检修,不停产;

2. 随时可以停机;

▍三代芬顿处理效果对比一览表

对比前提:印染废水,COD:从120mg/L降到45mg/L

项目 芬顿1.0

传统芬顿
芬顿2.0

流化床芬顿
芬顿3.0

磁芬顿
运行成本 98%浓硫酸 650 mg/L 600 mg/L 550 mg/L
90%硫酸亚铁 800 mg/L 600 mg/L 330 mg/L
27.5%H2O2 500 mg/L 400 mg/L 220 mg/L
30%氢氧化钠 1000 mg/L 800 mg/L 550 mg/L
填料 无填料 需使用填料,需定期更换或补充 无填料
绝干污泥量(1万方/天) 3-4吨 2-2.5吨 1.5吨
主要药剂成本
2.12元/吨
1.74元/吨
1.22元/吨
电费(0.6元/kwh)
基准
0.12元/吨水 0.05元/吨
土建/占地 停留时间(以反应脱气中和池计算) 4-6h 3-4h 1-2h
池体容积(1万方/天) 2000-2500m³ 1500-2000m³ 500-700m³

05 磁芬顿的领先性总结

磁芬顿的领先性可归结为"三本账":经济账、管理账、信任账。

【经济账】全周期成本最低

磁芬顿采用无填料设计,药剂耗量较传统芬顿降低约40%,电耗较流化床芬顿节省0.1元/吨水以上,土建池体容积减少50%以上,且无需填料更换费用。综合运行成本较传统芬顿/流化床芬顿低0.3-0.8元/吨水,全生命周期成本优势显著。

【管理账】反应器零故障

磁芬顿摒弃了流化床芬顿必需的回流泵、填料和复杂管路,从结构上消除了板结、堵塞等固有顽疾。系统可随时启停、无需检修、全智能运行。磁芬顿所有已投运的工程项目,全部实现了反应器零故障。

【信任账】头部工业污水运营集团反复验证

中节能、上实环境、中信环境、北控水务、光大水务、航天凯天等头部工业污水运营企业均选择磁芬顿,其中上实环境已连续复购多个项目。

磁芬顿技术具有

"无填料、低成本、零故障"

的工程特点,已经在全国诸多工业污水处理项目中得到实际验证,欢迎客户前来考察。