过硫酸盐高级氧化-BAF深度处理难降解有机废水的试验研究

摘要

我国城市的工业化仍处于高速发展的时期，水污染呈现了日趋加剧的态势。国务院颁布的《水污染防治行动计划》全面控制污染物的排放，特别是工业污染防治，要专项整治十大重点行业。对于这些行业产生的难降解有机废水的处理，是水污染治理中的重难点。而采用传统的废水处理工艺已不能满足日益严格的排放标准，开发高效处理难降解有机废水的工艺是今后重要的研究课题。
　　本文以难降解有机废水为处理对象，构建了过硫酸盐高级氧化-曝气生物滤池（BAF）深度处理工艺，实现了难降解有机废水的稳定达标排放。首先利用化学共沉淀法与高温煅烧法在粉末活性炭（PAC）上负载Fe、Ni金属离子，制备了高效活化过硫酸钠的催化剂，并进行了催化剂表征；其次基于该催化剂与过硫酸钠形成氧化体系降解模拟印染废水，以化学需氧量（COD）去除率作为评价指标，分别研究了催化剂投加量、过硫酸钠投加量、反应pH值、反应时间等工艺参数对COD去除率的影响，并通过响应曲面法对反应结果进行了优化，并探讨了降解机理；再以玄武岩纤维棉与PP空心球为原材料，自制BAF填料，以实际化工废水为处理对象，研究了自制BAF填料的挂膜特性及其微生物群落结构特征，着重研究了水力停留时间（HRT）、溶解氧（DO）以及pH值等工艺参数对BAF工艺效率的影响，并通过响应曲面法对BAF工艺进行了优化；最后以实际印染废水为处理对象，考察了过硫酸盐高级氧化-BAF组合工艺深度处理效能。主要结论如下：
　　1）活化过硫酸钠催化剂制备最佳工艺为：Fe3++Fe2+:Ni（摩尔比）为4:1，Fe3O4:PAC（质量比）为1:4，煅烧温度为700℃，煅烧时间为4 h。通过SEM、TEM、XRD、EDS等表征手段对催化剂进行表征，发现催化剂表面空隙率增加，呈现中空结构，表面含有C、O、Fe、Ni四种元素，表面活性物质以铁酸镍的形式存在带有磁性，有利于回收再利用。
　　2）催化剂与过硫酸钠形成的氧化体系降解甲基橙模拟印染废水，反应时间为2 h，废水pH值在3~11的范围之内变化，催化剂都表现出良好的催化性能，并且对COD去除效率随着pH值的升高而提高，COD去除率最低也可达到75.93%。中性环境下，过硫酸盐催化剂重复使用6次，对废水COD去除率仍能达到70%以上。GC-MS分析结果得出，甲基橙染料分子在氧化体系中全部被氧化，大部分产物为对苯醌，少部分为环链状有机分子，如2-环戊烯酮、反-1,2-二氯环戊烯等。氧化体系去除有机污染物的过程是先将污染物吸附在催化剂表面，再由表面产生的强氧化性自由基将其氧化成小分子物质。通过响应曲面法得出催化剂与过硫酸钠氧化体系降解甲基橙模拟印染废水效能的二元多项式回归方程：(此处公式省略)（式中η为预测的COD去除率，X1、X2、X3分别代表pH值、催化剂和过硫酸钠投加量）。在X1、X2、X3分别为11、4.1、10.3时，COD去除率最高为87.55%，通过试验验证，得出优化结果与实际结果相比偏差0.88%。
　　3）BAF工艺以实际化工废水为处理对象，通过接种挂膜法进行挂膜启动，最佳水力停留时间为8 h，进水pH值为7～8，DO范围为3～4 mg/L。最佳单因素参数运行下COD、NH3-N与TP去除率分别稳定在80%、85%、87.5%以上。挂膜前期，生物膜中微生物群落单一，大部分为线虫和草履虫，驯化中后期，开始出现钟虫、累枝虫、漫游虫、多种轮虫、寡毛虫等生物多样性十分丰富。对成熟的生物膜进行微生物多样性分析得知，生物膜内外部的微生物种类丰富，脱氮除磷微生物种类主要有 Pseudomonas、脱硫微球菌属（Desulfomicrobium）、陶厄氏菌属（Thauera）、胶德克斯氏菌（Derxia）、Rhodobacte。
　　通过响应曲面法优化得出曝气生物滤池系统对 COD、NH3-N、TP去除效能的二元多项式回归方程：（此处公式省略）（式中η1、η2、η3分别为预测的COD、NH3-N、TP去除率，X1、X2、X3分别为pH值、DO、HRT值）。经模拟预测在X1=7.17、X2=3.13、X3=11.06时，COD、NH3-N、TP去除率最大，分别为89.20%、91.57%、92.23%。
　　4）处理实际印染废水的 COD浓度在835～1125 mg/L的范围之内，NH3-N浓度在16.35～22.24 mg/L范围之内，过硫酸盐高级氧化-BAF组合工艺最终出水COD在40mg/L以下，NH3-N在2 mg/L以下，出水水质符合《纺织染整工业水污染排放标准》限值。
　　过硫酸盐高级氧化-BAF组合工艺构筑简单，对难降解有机废水处理效果显著，具有广泛适用性，出水水质满足相应的污染控制标准要求。本研究为该组合工艺在难降解有机废水处理领域的应用提供了技术支持。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3 研究的目的及意义

1.4 研究内容及路线

第2章 新型活化过硫酸盐催化剂的制备与表征

2.1 引言

2.2 试验材料与方法

2.3 试验结果与讨论

2.4 催化剂的表征

2.5 本章小结

第3章 催化剂活化过硫酸钠降解模拟难降解有机废水的试验研究

3.1 引言

3.2 试验材料与方法

3.3试验结果与讨论

3.4.响应曲面法优化氧化体系

3.5催化剂的回收与重复使用性

3.6中间产物分析

3.7 本章小结

第4章 BAF工艺降解难降解有机废水的试验研究

4.1 引言

4.2 试验材料与方法

4.3 试验结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 过硫酸盐高级氧化-BAF组合工艺降解难降解有机废水的试验研究

5.1 引言

5.2 试验材料与方法

5.3 试验结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

学术成果