CN109607737B - 一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法 - Google Patents

一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法，包括：数据输入单元，主要参数包括原水COD浓度，预期的COD去除率，H2O2:Fe2+摩尔比等；数据分析单元，主要参数包括：纯H2O2量/COD浓度的比值（K1）、纯H2O2的摩尔数、FeSO4.7H2O分子量、Fe2+投加量等；数据输出单元，主要参数包括：FeSO4.7H2O投加量，28%H2O2投加体积、纯H2O2投加量等。本发明可快速地预估处理效果和加药成本，在最短时间内得到最优的加药量和处理方案，对市场需求做出快速反应；同时通过添加适量的絮凝剂实现污泥的快速沉降，有利于避免因絮体过多过细难以沉降而造成的偏差。

Description

一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法。
背景技术
Fenton氧化技术是一种最常见的高级氧化技术，该技术通过亚铁催化H2O2产生HO·来实现有机物的降解或者直接矿化。在高效去除有机物的同时，实现药剂利用效率的最大化对于工艺运行成本的节约具有重要意义。三价铁体系反应是整个氧化反应的限速步骤，故氧化效率在很大程度上取决于三价铁体系反应。可以看出，H2O2和Fe2+可以反应生成自由基，另一方面又会与自由基反应降低有机物的去除效率，尤其是当反应体系中有机物浓度较低时。Cl-不仅会与Fe3+发生络合反应，降低原本速度较慢的三价铁体系反应，同时会充当HO·的清除剂，从而严重影响Fenton氧化的效率。实践表明Fenton氧化能够有效地去除高盐废水中的有机物，药剂投加方式和反应条件的控制对Fenton氧化效果的影响很大。然而，实际的工程应用中，Fenton氧化技术往往存在反应时间过长（大于3h）,污泥产量过大等问题。
与本发明相近的发明专利编号是201711165784 .3，公开了一种“用于高浓度难降解农药废水的强化处理方法”，利用电Fenton-臭氧氧化联用技术，达到高效去除CODcr和脱色的效果，可用于解决有机物含量高、色度大、难降解等水污染问题，该发明的有益效果是：提出的强化处理农药废水的方法，由于铁盐的加入，使电导率提高，导电性强，同时结合O3曝气处理，可有效提高反应的传质效率，加快反应进程，减少电耗及H2O2的投加量，有利于提高CODcr的去除率和脱色效果。该发明的不足之处是：电Fenton中的H2O2的投加量不确定，同时药剂量的筛选不仅过程繁杂而且耗时耗力，难以得到最优的药剂投加方案。
本发明提供了一种Fenton法的加药量筛选程序，在总结Fenton氧化技术工程应用特点的基础上，编制了H2O2和Fe2+投加量计算程序模块，当已知废水的COD含量时，可自动推导出最优化的药剂量和药剂成本；本发明还提供了一种快速沉降技术，解决了Fenton反应后絮体沉降时间过长或难以沉降的问题，通过选择合适的助凝剂可使Fenton后絮体快速沉淀下来,优化了Fenton技术。本发明经在多个工程项目中使用取得了良好的效果，既可以单独使用，也可以作为组合工艺的一部分使用。
发明内容
本发明为解决现有Fenton技术中药剂量筛选工作量大且效率低的问题，提供一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法。
本发明提供的一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法，包括：数据输入单元，数据分析单元和数据输出单元三部分组成。其中数据输入单元、数据分析单元与数据输出单元依次通过设定的逻辑运算式相连。
Fenton氧化的机理包含一系列的氧化还原反应，Fenton对有机物的氧化降解过程通过以下四个反应式完成：
Fe2+ + H2O2=Fe3+ + HO·+ HO- (1)
HO·+有机物→产物 (2)
Fe3+ + H2O2→Fe(HO2)2+ + H+ (3)
Fe(HO2)2+ →HO·+ Fe2+ (4)
在电-Fenton反应过程中，还包括反应式（5）：
Fe - 2e- → Fe2+
HO·对有机物的降解过程进行的程度与有机物的去除率直接相关，根据工程实际情况，一般将有机物COD去除率取值范围划分为三个层次：80%-95%、60%-80%、40%-60%。相对应的纯H2O2量/COD浓度的比值K1值为1.7-2.0、0.8-1.2和0.3-0.5。按照Fenton反应机理和相关反应式计算H2O2和Fe2+的投加量，同时结合实际工程需要设置安全系数，就能够准确控制加药量，简化药剂筛选过程。然后采用智能化的程序模块将计算公式输入进去，达到智能化控制Fenton氧化过程和加药量的目的。
其他未涉及的层次参考此标准划分。
优选地，所述数据输入单元主要参数包括：原水COD浓度，预期的COD去除率，H2O2:Fe2+摩尔比、28%H2O2的稀释倍数中的一种或者多种。
优选地，所述数据分析单元，主要参数包括：纯H2O2量/COD浓度的比值（K1）、纯H2O2的摩尔数、FeSO4.7H2O分子量、Fe2+投加量、废水处理量、28%H2O2投加量、28%H2O2密度，Fenton药剂的单位成本中的一种或者多种。
优选地，所述数据输出单元，主要参数包括：FeSO4.7H2O投加量，28%H2O2投加体积、纯H2O2投加量和Fenton药剂费中的一种或者多种。
优选地，所述的纯H2O2量/COD浓度的比值（K1）与预期的COD去除率相关，COD去除率取值范围划分为三个层次：80%-95%、60%-80%、40%-60%，相对应的K1值为1.7-2.0、0.8-1.2和0.3-0.5。
优选地，所述的一种Fenton氧化技术的智能化应用程序，包括一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的Fenton氧化技术的智能化应用程序。
优选地，所述的一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-4中任一项所述的Fenton氧化技术的智能化应用程序。
优选地，所述的助凝剂为阴离子PAM、非离子PAM、阳离子PAM、硅藻土、聚合铝盐中的一种或者几种。助凝剂投加时溶液pH为8-11，助凝剂投加量为理论量的1.5-2.0倍，可达到使絮体快速沉淀的目的，沉淀时间为0-10min。
优选地，Fenton氧化技术按照加药方式可分为分步投加和单次投加两种。
药剂的投加方式决定了反应体系中Fe2+和H2O2的浓度。分步投加可以提高Fenton氧化的去除效率。原因是一次性投加药剂后，Fe2+会通过反应对自由基竞争和局部自由基浓度过高，而发生自消耗反应，从而降低有机物的去除效率。在低摩尔比条件下，三价铁体系的反应速率很慢，常常为整个氧化过程的限速步骤。高温条件下，三价铁体系速率会提高，H2O2的利用更充分，故总有机碳的去除率比较高。升高温度有助于加快类芬顿反应速率，从而提高H2O2的利用效率和有机物的去除率。
优选地，Fenton氧化技术按照反应阶段可分为单级和两级（甚至多级）反应。
两级Fenton氧化将有机物的氧化分为两个阶段：酸化阶段和矿化阶段。一级氧化后，原水中的甘油、甘油醚等有机物会被氧化成小分子有机酸，同时Fe3+水解过程中消耗了OH-，使得氧化过程中pH迅速下降，从而抑制了三价铁体系反应，降低了Fe2+的再生效率。第二级反应为有机酸向CO2和H2O转化的阶段，由于通过沉淀去除了反应体系中存在的铁水解产物，削弱了其对有机物去除的影响。因此，两级Fenton氧化对有机物具有更好的去除效率。
优选地，所述的一种Fenton氧化技术的药剂筛选最优化方法，处理步骤是：
首先，将相关参数值输入数据输入单元；
其次，数据分析单元会根据设定的逻辑关系进行运算，推导出药剂量和运行成本的最优值；
最后，数据输出单元将药剂量和运行成本的最优值输出给用户。
优选地，所述的一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法，已经过多个工程项目验证使用效果均良好，可应用于Fenton单元或者电-Fenton，光-Fenton或者类Fenton单元中，也可应用于含有Fenton及类Fenton单元的组合工艺中。
本发明技术方案，具有如下优点：
（1）通过Fenton加药量计算程序可快速地预估处理效果和加药成本，在最短时间内得到最优的加药量和处理方案，对市场需求做出快速反应，大大节省了试验时间和不必要的重复工作，提高了工作的自主性和工作效率；
（2）Fenton快速沉降技术缩短了Fenton的实际反应时间，在不影响处理效果的前提下加速了反应进程，同时有利于避免因絮体过多过细难以沉降而造成的偏差；
（3）进一步提高了Fenton技术的市场应用范围和实际熟练程度，提高了Fenton技术对废水或者废液的处理效率。例如，使用本方法将浓盐水COD从400-600mg/L降低到50mg/L以下，出水中污泥量很少，药剂成本低于10元/t废水，出水色度很低，快速有效地解决了浓盐水中有机物难以降解的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1. 一种Fenton氧化技术的智能化应用程序与最优化方法组织结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
在某化工废水处理项目中，初始COD含量为2000-3000mg/L，COD的预期去除率为80-85%，所以通过Fenton氧化技术的智能化应用程序得到最佳的加药量为FeSO4.7H2O 10-12g/L，在实际工程应用中Fenton出水COD为400-600 mg/L，废水处理成本为9-11元/t废水。该项目通过Fenton加药量计算程序可快速地预估处理效果和成本，对市场需求1天之内做出快速反应，大大节省了试验时间和不必要的重复工作，提高了客户的满意度。
实施例2
在某浓盐水预处理项目中，初始COD含量为500-600mg/L，COD的预期去除率为85-90%，所以通过Fenton氧化技术的智能化应用程序得到最佳的加药量FeSO4.7H2O是2.0-2.6g/L，在实际工程应用中Fenton出水COD低于50mg/L，废水处理成本为10-11元/t废水。在本项目中基于对Fenton技术的熟练使用，在开始实验后的两周时间内，就将浓盐水COD降低到50mg/L以下，出水中含泥量很少，药剂成本仅为7-9元/t废水，出水色度很低，快速有效地解决了浓盐水中有机物难以降解的问题。所以，Fenton快速沉降技术缩短了实验室Fenton反应时间，在不影响处理效果的前提下，加速了试验进程，有效地提高了工作效率，同时避免了实验中因絮体过多过细难以沉降而造成的判断偏差。
实施例3
采用本方法对己内酰胺生产废水处理中电-Fenton加药量进行筛选和最优化分析。已知己内酰胺生产废水水质见表1，废水的BOD5/CODcr比值为0.07，可生化性很差。采用本发明根据废水CODcr含量，推算出H2O2最佳投加量为1500-2000mg/L，H2O2:Fe2+摩尔比为10、28%H2O2的稀释倍数为1，纯H2O2量/COD浓度的比值（K1）是0.5。适合采用单级处理方法。
表1. 肟化装置废水和产水水质
Figure DEST_PATH_IMAGE001
从表2可知，经过电-Fenton处理后，己内酰胺废水的BOD5/CODcr由0.07提高到0.49，废水的可生化性显著提高，CODcr去除率为34%。电-Fenton出水适宜进行生化处理。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种Fenton氧化技术的药剂筛选智能化应用程序，其特征在于，所述应用程序包括：
数据输入单元，输入所述数据输入单元的数据包括原水COD浓度，预期的COD去除率，H2O2:Fe2+摩尔比、28%H2O2的稀释倍数中的一种或者多种；
数据分析单元，所述数据分析单元所分析的数据包括：纯H2O2量/COD浓度的比值K1、纯H2O2的摩尔数、FeSO4.7H2O分子量、Fe2+投加量、废水处理量、28%H2O2投加量、28%H2O2密度，Fenton药剂的单位成本中的一种或者多种；所述的纯H2O2量/COD浓度的比值K1与预期的COD去除率相关，COD去除率取值范围划分为三个层次：80%-95%、60%-80%、40%-60%，相对应的K1值为1.7-2.0、0.8-1.2和0.3-0.5；
数据输出单元，由所述数据输出单元输出的数据包括：FeSO4.7H2O投加量，28%H2O2投加体积、纯H2O2投加量和Fenton药剂费中的一种或者多种；
其中数据输入单元、数据分析单元与数据输出单元三者依次相连；
所述Fenton氧化的机理包含一系列的氧化还原反应，Fenton对有机物的氧化降解过程通过以下四个反应式完成：
Fe2+ + H2O2=Fe3+ + HO·+ HO- (1)
HO·+有机物→产物 (2)
Fe3+ + H2O2→Fe(HO2)2+ + H+ (3)
Fe(HO2)2+ →HO·+ Fe2+ (4)
在电-Fenton反应过程中，还包括反应式（5）：
Fe - 2e- → Fe2+HO （5）；
对有机物的降解过程进行的程度与有机物的去除率直接相关，按照Fenton反应机理和相关反应式计算H2O2和Fe2+的投加量，同时结合实际工程需要设置安全系数，准确控制加药量，简化药剂筛选过程，然后采用所述智能化应用程序将反应式（1）-（5）输入，达到智能化控制Fenton氧化过程和加药量的目的；
所述Fenton氧化技术的药剂筛选智能化应用程序可应用于Fenton单元或者电-Fenton，光-Fenton或者类Fenton单元中，也可应用于含有Fenton及类Fenton单元的组合工艺中。
2.一种根据权利要求1所述应用程序的Fenton氧化技术的药剂筛选智能化最优化方法，其特征在于所述方法的步骤包括：
首先，将相关参数值输入所述数据输入单元；
其次，所述数据分析单元会根据设定的逻辑关系进行运算，推导出药剂量和运行成本的最优值；
最后，所述数据输出单元将所述药剂量和运行成本的最优值输出给用户；所述Fenton氧化技术的药剂筛选智能化最优化方法可应用于Fenton单元或者电-Fenton，光-Fenton或者类Fenton单元中，也可应用于含有Fenton及类Fenton单元的组合工艺中。
3.一种Fenton氧化技术的药剂筛选智能化最优化应用程序，包括一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求2所述的方法。
4.一种Fenton氧化技术的智能化应用程序，包括至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求2所述的方法。
5.一种如权利要求2所述的Fenton氧化技术的药剂筛选智能化最优化方法的应用，其特征在于，所述方法用于Fenton氧化技术的快速沉降方法，在Fenton反应中采用助凝剂使Fenton后絮体快速沉淀下来，所述助凝剂为阴离子PAM、非离子PAM、阳离子PAM、硅藻土、聚合铝盐中的一种或者几种；所述助凝剂投加时溶液pH为8-11，助凝剂投加量为理论量的1.5-2.0倍，可达到使絮体快速沉淀的目的，沉淀时间为0-10min；所述Fenton氧化技术按照加药方式可分为分步投加和单次投加两种；所述Fenton氧化技术按照反应阶段可分为单级和多级反应。
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