电场激发条件下硝基酚厌氧强化还原技术研究

摘要

厌氧还原过程是生物降解硝基芳香族化合物的重要环节，但常规的厌氧还原工艺存在处理效率低、难以稳定运行等不足。生物电化学技术因综合了生物处理、电解和电化学氧化/还原等废水处理过程的优势而备受关注。本项目拟采用生物电化学技术(BES)改进硝基酚废水厌氧处理体系-上流式厌氧污泥床(UASB)，构建电场辅助生物驱动硝基酚还原体系（UASB-BES体系），实现硝基酚（以对硝基苯酚为模式电子供体，以下简称PNP）在外加电场条件下的强化共代谢还原。通过实验，考察在传统UASB体系中，PNP得电子还原情况和电子供体的消耗情况;考察在无隔膜的UASB-BES体系中，PNP的还原情况，电子供体的消耗以及体系的电能消耗情况。
　　在UASB体系中，分别以乙酸钠、甲醇和葡萄糖作为电子供体，考察在不同的水力停留时间(HRT)，PNP的还原性能和电子供体的消耗情况。以葡萄糖为电子供体，更有利于PNP的还原和对氨基酚(PAP)的生成，而以乙酸钠为电子供体时，电子供体的消耗量是最少的，考虑到外加电子供体的成本，乙酸钠作为电子供体对于工程应用更为有利。电子供体用量和PNP浓度对PNP的还原过程具有显著影响。研究发现，电子供体乙酸钠浓度越高越有利于PNP的还原;当PNP浓度高于250mg/L时，PNP会对厌氧微生物产生抑制作用。
　　在UASB-BES体系中，外加电场的存在可对PNP的厌氧还原过程起促进作用，在电流密度为0～4.71A/m3的范围内，电流密度越高越有利于PNP的还原。相比传统UASB体系，外加电场存在条件下，电子供体乙酸钠的消耗量显著降低，产甲烷过程受到显著抑制。UASB-BES体系硝基酚负荷较传统UASB体系有所提高，在高电流条件下氨基酚得率显著提高。在体系电流密度为4.71A/m3条件下，电能消耗仅为0.017kwh/molPNP，相比纯电化学过程，该电耗显著降低，相比隔膜型的BES体系，电能消耗亦有所减小。相比隔膜型的BES体系，UASB-BES体系阴极库伦效率较高，在电流密度为4.71A/m3条件下，PNP还原库伦效率为949.0％，阳极的库仑效率较低（最高6.5％），说明PNP的还原主要是厌氧还原作用。然而电场的施加可促进PNP的还原并减少电子供体的消耗，此外UASB-BES体系构型简单，避免了质子交换膜的使用所引发的高成本和浓差极化等问题。
　　本论文的研究结果表明，UASB-BES体系在硝基酚等氧化态难降解有机污染物的还原预处理方面具有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 硝基芳香族化合物的性质及危害

1．2 NACs废水常用的处理方法

1．2．1 物理法

1．2．2 化学法

1．2．3 生物法

1．3 NACs的生物电化学处理技术

1．3．1 生物电化学体系的提出

1．3．2 生物电化学体系在废水处理领域的应用

1．4 课题研究的目的意义及主要内容

1．4．1 课题研究的目的意义

1．4．2 主要研究内容

2 实验材料与方法

2．1 实验装置

2．2 实验材料

2．2．1 实验所用仪器及药品

2．2．2 接种污泥以及模拟废水组成组成

2．3 测试和表征方法

2．3．1 水质分析方法

2．3．2 废水的去除效果

2．2．3 库伦效率和能耗

2．4 实验过程

3 传统UASB系统对PNP模拟废水的处理研究

3．1 UASB反应器中PNP的降解机理

3．2 电子供体种类对PNP去除和PAP生成的影响

3．3 乙酸钠浓度对硝基酚去除和氨基酚生成的影响

3．4 进水PNP负荷对PNP去除和PAP生成的影响

3．5 本章小结

4 UASB-BES系统对PNP模拟废水的处理研究

4．1 UASB-BES系统的启动

4．2 硝基酚负荷对还原体系性能的影响

4．2．1 随着硝基酚负荷的变化对硝基酚的还原和对氨基酚的生成情况

4．2．2 硝基酚负荷的变化对阳极电位和阴极电位的影响

4．2．3 硝基酚负荷的变化对体系库伦效率和能耗的影响

4．3 电流密度变化对还原系统性能的影响

4．3．1 电流密度的变化对PNP还原性能的影响

4．3．2 电流密度的变化对阳极电位和阴极电位的影响

4．3．3 电流密度的变化对库仑效率和能量消耗的影响

4．3．4 电流密度的变化对乙酸钠消耗的影响

4．3．5 在UASB-BES体系中PNP还原机理

4．4 本章小结

5 UASB-BES系统的性能评价

5．1 UASB-BES系统与UASB系统PNP去除性能和PAP生成性能的比较

5．2 UASB-BES系统与UASB系统乙酸钠消耗量比较

5．3 UASB-BES系统与纯厌氧过程和隔膜型BES的比较

5．4 本章小结

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

附录