超音波結合芬頓程序處理廢水中難分解有機物

國立交通大學環境工程研究所碩士論文超音波結合芬頓程序處理廢水中難分解有機物：以化工廠廢水為例Ultrasound-aidedFentonprocessforrefractoryorganicsdecompositioninwastewater–acasestudyonachemicalindustrywastewater研究生：吳采芳指導教授：黃志彬教授中華民國一百零一年七月I超音波結合芬頓程序處理廢水中難分解有機物：以化工廠廢水為例研究生：吳采芳指導老師：黃志彬教授國立交通大學環境工程研究所摘要工業廢水中往往存在大量難分解有機物，而導致生物處理法去除污染物之效率不彰，必須以高級氧化處理程序(Advancedoxidationprocesses,AOPs)方能有效去除。其中以傳統芬頓程序(Fenton)處理費用較便宜而廣為實場應用，然而其對於污染物處理效率有限，且反應過程伴隨大量污泥生成而造成後續處理負擔。因此本研究利用超音波結合芬頓程序(ultrasoundaidedFentonprocess,US/Fenton)處理廢水中難分解有機物以改善芬頓程序之缺點。實驗中首先與不同氧化處理程序比較，如超音波氧化法、芬頓氧化法、超音波結合亞鐵離子、過氧化氫或二氧化鈦之程序，並以溶解性總有機碳(TOC)及化學需氧量(COD)之去除率評估系統效能。研究結果顯示超音波／芬頓程序對於目標廢水之難分解有機物不僅能有效礦化，並將部分難以礦化之有機物氧化成較高氧化態之中間產物，且減少Fe(OH)3污泥。本研究之目標污染物為採用合成樹脂、橡膠業之化工廢水，有機污染物定性結果顯示，此股化工廠廢水中難以被微生物分解之有機物主要為鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)及烷類化合物，於經過超音波／芬頓程序反應180分鐘能有效將污染物降解成小分子之化合物。於超音波／芬頓處理程序中，最佳操作條件為添加劑量為過氧化氫200mM及亞鐵離子5mM；輸出強度為35.4W/cm2；反應時間為60分鐘；反應槽半徑1.25公分；探頭沒入深度為2.5公分，其溶解性TOC及COD去除率分別可達55.2%及77.0%。在經濟評估方面，比較超音波／芬頓與工業用芬頓程序(H2O2/Fe2+＝II1)，以其污染物去除率相近為基準，其處理費用相近，顯示此程序具有放大規模之可行性。關鍵字：高級氧化程序、超音波、芬頓、難分解有機物、鄰苯二甲酸二辛酯IIIUltrasound-aidedFentonprocessforrefractoryorganicsdecompositioninwastewater–acasestudyonachemicalindustrywastewaterStudent：WuTsai-FangAdvisor：Prof.ChihpinHunagInstituteofEnvironmentalEngineeringNationalChaoTungUniversityAbstractDuetoalargeamountofrefractoryorganicsintheindustrialwastewater,biologicaltreatmentprocessesarenoteffectivetodegradetheorganicpollutantsintheindustrialwastewater.Therefore,advancedoxidationprocesses(AOPs)areusuallyusedfordegradationofsuchrefractoryorganicpollutants.OfallAOPsfortreatingwastewater,traditionalFentonprocesshasbeenwidelyusedbecauseofthecheapercoststhanothers.However,excesssludgeisproducedinFentonprocess.Tominimizethesludgeproductionandincreasetheremovalefficiency,weusedultrasound-aidedFentonprocess(US/Fenton)totreattherefractoryorganicsinwastewater.TheTOCandCODremovalratesofUS/Fentonwerecomparedwiththoseofotheroxidationprocesses,includingultrasound(US),Fenton,andultrasoundcombiningwithFe2+,H2O2orTiO2.TheresultsshowedthatUS/FentonprocesshadthebestTOCandCODremovalefficiency.US/Fentonprocesscannotonlyincreasethemineralizationrateoforganicsbutoxidizetherefractoryorganicsintointermediateproducts,aswellasreducetheamountofFe(OH)3sludge.Accordingtothequalitativeanalysis,theresultsshowedthat1,2-benzenedicarboxylicacid,bis(2-ethylhexyl)ester(DOP)andalkanecompoundswerethemainrefractoryorganicsinthisindustrialIVwastewaterandthesecompoundscouldbedecomposedintosmallermoleculesafter3hoursbyUS/Fentonprocess.TheoptimumoperatingconditionsoftheUS/Fentonareasfollows,the[H2O2]=200mM,[Fe2+]=5mM,theintensityofultrasound=35.4W/cm2;reactiontime=1h;radiusofreactor=1.25cm;thedepthofprobeimmersed=2.5cm.Underthisoptimumoperatingconditions,theTOCandCODremovalrateswere55.2%and77.0%,respectively.Intermsofeconomyassessment,comparingUS/FentoninthisstudywithFentonappliedinindustry(H2O2/Fe2+=1),theoperatingcostsaresimilarundersimilarcontaminantsremoval.Asaresult,US/Fentonprocessisfeasibletoscaleupandapplyinfullscaletreatmentplants.Keywords:advancedoxidationprocesses(AOPs),1,2-benzenedicarboxylicacid,bis(2-ethylhexyl)ester(DOP),Fenton,ultrasound,RefractoryorganicsV謝誌碩士兩年生涯到此告一段落，在此學習到豐富知識、作研究態度及方法，首先要感謝黃志彬教授對於學生研究上的指導，提供精闢見解及不同觀點，讓實驗設計較能符合現場操作條件；也謝謝袁如馨教授在課前課後都細心指導學生投影片的邏輯編排，讓每次的報告更加順暢；同時謝謝口試委員胡啟章教授及萬騰州副教授對於論文的指導及提出的疑問，都是學生還要改進及努力的方向。在研究中，謝謝指導我的文彬學長，對於我的問題總是能耐心解釋，且在研究上遇到難題時常鼓勵我，使我有持續前進的動力，甚至離職後仍抽空幫我改論文，也謝謝育俊學長幫忙校稿，讓研究較能完整呈現。在課業或生活上食衣住行都謝謝OK熱情幫助，就像實驗室的大姐姐般照顧我們這些小妹妹；SUSU和大王在課業上的解惑；謝謝有欣茹、念妤、佳卉、煒傑一起奮鬥的戰友，與你們一起在實驗室熬夜念書、做實驗並且互相督促，平時聊天則開心的大笑，生氣的大罵，喜歡這麼真實的你們；也謝謝Bob會在二館待很晚，讓我們幾個女生可以安心留很晚做實驗，還有便當外送；另外，阿富，學弟妹們蕙如、冠綸、小佑、士凱、山山也很活潑，讓實驗室更加歡樂，還有所上熱愛運動的排球隊友們，一起經歷各種盃賽，豐富了研究生活。最後要誠摯謝謝我的家人，一路以來支持著我，尊重我的決定，雖然來新竹離家遠，回家次數變少，但我還是很愛你們！以此論文獻給我最愛的家人、敬愛的師長以及關心我的朋友們。VI目錄摘要.................................................................................................................................IAbstrat………………………………………………………………………………III謝誌…………………………………………………………………………………V目錄..............................................................................................................................VI表目錄…………….…………….…………….…………………….…………….VIII圖目錄..........................................................................................................................IX第一章前言...................................................................................................................11.1研究緣起........................................................................................................11.2研究目的........................................................................................................2第二章文獻回顧...........................................................................................................32.1難分解有機物廢水之特性............................................................................32.2難分解有機物之處理技術............................................................................42.3芬頓氧化法....................................................................................................82.4超音波氧化法..............................................