TiO2光催化处理水中难降解有机污染物及环境风险研究

摘要

水中难降解有机物是化学结构复杂,稳定性较强的有机物,由于它们不易为微生物所降解,因此在自然环境中会不断积累、富集,并通过食物链最终进入动物或人体而造成危害。
　　目前采用的降解方法主要有生物法和化学法,尽管生物降解法目前已处于工业化阶段,但降解效率还因受到许多因素的制约而处于较低的水平,不能完全消除环境危害。光催化氧化法具有能耗低、操作简便、反应条件温和、理论上只要反应时间足够长,污染物可以完全矿化等突出优点,尤其是通过对TiO2改性后有望直接利用太阳光进行催化氧化反应,成为最有节能高效前景的水处理技术之一。
　　然而,在实际应用中由于处理能力对降解速率的要求,使有机物矿化不完全,从而导致出水中源物质已达标,但其中间产物很可能大量存在,会给环境造成更大的危害。考虑到利用光催化处理水中难降解有机物时源物质及其中间产物可能共同构成环境风险,从环境风险管理理念出发采用实验与理论分析相结合的方法研究了相关的光催化基本理论与工艺、中间体的产生与特性、出水的环境效应、环境风险评价方法以及风险管理(工艺调控)等内容。
　　为了更清晰地反映光催化技术实际应用时的环境风险问题,还分别研究了出水作为饮用水、排入水体等不同用途时的环境风险评价与环境风险管理方法。
　　研究得到了如下结论:
　　(1)光催化处理水中难降解有机物比生物法具有更独特的优势,但在实际应用中应注重由于有机物矿化不完全而导致的中间产物所造成的环境危害。
　　(2)开发的WFCPR(water film circling photocatalytic reactor)反应器是一种悬浮态环型和圆筒型组合光催化反应器,它具有节能、高效、稳定、操作灵活等特点,适用于水中难降解有机物及氨氮的降解实验研究,并具有一定的工业放大应用研究前景。
　　(3)苯酚与氨氮的混合液在WFCPR反应器的光催化反应实验结果表明,设备参数(光强、TiO2投加量、循环流量)、运行参数(反应时间、温度、初始浓度、pH值、H2O2添加量)等因素均对苯酚和氨氮的降解产生不同程度的影响,最佳参数是,光源为300W高压汞灯、循环流量160L/h、温度25℃。使苯酚和氨氮同时具有高降解率的最佳实验条件是,苯酚初始浓度为60-100mg/L、氨氮初始浓度为50-60mg/L,TiO2投加量为1.5g/L、H2O2添加2-4ml/L、pH值控制在12。混合液中的共存物质相互影响,其中苯酚对氨氮的降解起促进作用,Ca2+和氨氮对苯酚的降解有抑制作用,但Ca2+的抑制能力弱于氨氮。
　　(4)水中难降解有机物的中间产物种类和浓度与反应时间,初始浓度、反应液pH值、催化剂种类与用量、O2和H2O2浓度,以及共存有机物有关。足够的反应时间是保证难降解有机物降解完全的重要因素,初始浓度越大,中间产物浓度越大,达到最大值的时间就越长;pH较低时中间产物浓度较大,pH大于9时中间产物浓度较小,但达到最大浓度的时间较长;催化剂活性强,中间产物浓度小;O2和H2O2对降低中间产物浓度有促进作用;添加较易降解的小分子有机物有促进难降解有机物的降解,降低中间产物浓度的作用,但对中间产物达到最大值的时间影响不大。
　　(5)矿化不完全的光催化处理出水经饮用、回用或者排入水体后将产生不同的环境效应,对受纳环境(包括人体)构成危害风险。这种环境风险程度的评价在正常工况下采用危害判定、剂量-反应分析、暴露评估和风险表征四步法,在事故工况时采用危害识别、事故频率、后果估算、风险计算和评价四个步骤。中间产物的环境风险与工艺参数具有相关性,所以通过工艺调控可使出水的环境风险限定在环境可接受的程度范围,但在事故工况时,由于设备和设施的损坏,环境风险与工艺参数的相关性发生变化,应通过充分理论分析甚至实验重新确定其相关关系后再以事故时的环境可接受程度要求进行工艺调控。
　　(6)光催化处理水中难降解有机物的饮用水健康风险、排入水体的直接和间接环境风险实例研究表明,通过工艺调控使中间产物产生的环境风险限定在环境可接受的程度是可行的。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 文献综述

1.1 水体的污染状况

1.1.1 水体污染现状及趋势

1.1.2 水体的有机污染

1.2 难降解有机物的特性与危害

1.2.1 难降解有机物的特性

1.2.2 难降解有机物的主要危害

1.3 水中难降解有机物的降解方法及国内外研究进展

1.3.1 生物降解法

1.3.2 光催化氧化法

1.3.3 其它高级氧化技术

1.4 选题背景及研究内容与方法

1.4.1 光催化处理难降解有机废水存在的主要问题

1.4.2 本论文拟研究的科学问题及意义

1.4.3 论文的主要研究内容与方法

1.5 本章小结

参考文献

第二章 TiO_2光催化反应器的设计与表征

2.1 工艺基本原理

2.1.1 光催化基本原理

2.1.2 水中光催化过程

2.2 WFCPR 反应器的设计

2.2.1 光催化工艺设备的组成

2.2.2 WFCPR 反应器的结构

2.2.3 WFCPR 反应器的运行

2.2.4 WFCPR 反应器的特点

2.3 WFCPR 反应器的表征

2.3.1 表征方法

2.3.2 苯酚与氨氮混合液对WFCPR 的表征实验

2.3.3 氨氮对WFCPR 的表征实验

2.4 本章小结

参考文献

第三章 WFCPR 反应器的影响因素及最佳工况条件

3.1 设备参数对污染物降解的影响

3.1.1 光强

3.1.2 TiO_2 投加量

3.1.3 循环流量

3.2 运行参数对污染物降解的影响

3.2.1 反应时间

3.2.2 温度

3.2.3 初始浓度

3.2.4 pH 值

3.2.5 H_2O_2 添加量

3.3 共存物质的影响

3.3.1 Ca~(2+)对苯酚降解的影响

3.3.2 氨氮对苯酚降解的影响

3.3.3 Ca~(2+)和氨氮对苯酚降解的协同作用

3.4 WFCPR 反应器的最佳工况确定

3.4.1 降解苯酚与氨氮混合液的最佳条件

3.4.2 降解氨氮的最佳条件

3.5 本章小结

参考文献

第四章 处理工艺中难降解有机物的转化

4.1 难降解有机物的光催化氧化过程

4.1.1 水中有机物光催化氧化步骤

4.1.2 不同种类难降解有机物的氧化过程

4.2 难降解有机物光催化反应的中间产物

4.2.1 中间产物的生成及其特征

4.2.2 中间产物的控制

4.3 影响中间产物种类和含量的主要因素

4.3.1 反应时间的影响

4.3.2 初始浓度的影响

4.3.3 pH 值的影响

4.3.4 催化剂种类与用量的影响

4.3.5 O_2 和H_2O_2 的影响

4.3.6 共存有机物的影响

4.4 本章小结

参考文献

第五章 光催化水处理的环境风险与管理

5.1 光催化处理出水的环境效应

5.1.1 出水的水质特征

5.1.2 难降解有机物的环境效应

5.1.3 不同处置途径出水的环境效应

5.2 出水的环境风险评价

5.2.1 环境风险及其研究现状

5.2.2 正常处理工况出水的环境风险评价

5.2.3 事故工况出水的环境风险评价

5.3 处理工艺的环境风险管理

5.3.1 环境风险管理的意义

5.3.2 厂内事故的环境风险管理

5.3.3 基于环境风险的处理工艺调控

5.4 本章小结

参考文献

第六章 处理微污染水的健康风险与管理

6.1 微污染水特征与处理方法

6.1.1 微污染水的特征

6.2.2 主要处理方法

6.2 实验

6.2.1 实验装置

6.2.2 仪器与分析方法

6.2.3 实验步骤

6.2.4 数据处理

6.2.5 实验结果与讨论

6.3 出水的健康风险评价

6.3.1 健康风险评价模式

6.3.2 水中苯酚及其中间产物的危害判定

6.3.3 参考剂量确定

6.3.4 中间产物的健康风险计算

6.4 基于健康风险的工艺调控

6.4.1 中间产物健康风险的可接受程度

6.4.2 安全处理条件的确定

6.4.3 工艺参数调控措施

6.5 本章小结

参考文献

第七章 出水排入水体的环境风险与管理

7.1 水体的基本情况

7.1.1 水体的环境容量

7.1.2 水体的污染风险

7.2 实验

7.2.1 实验装置

7.2.2 仪器与分析方法

7.2.3 实验步骤

7.2.4 数据处理

7.3 出水的健康风险评价

7.3.1 环境风险评价模式

7.3.2 中间产物的环境风险评价与讨论

7.4 基于受纳水体环境风险的处理工艺调控

7.4.1 有机污染物环境风险可接受程度

7.4.2 处理工艺的调控措施

7.5 本章小结

参考文献

第八章 出水排入水体的间接环境风险与管理

8.1 傍河水源地的基本特征

8.1.1 水源地的环境条件

8.1.2 水源地的流场模拟

8.2 傍河水源地的风险构成

8.2.1 地下水放射性

8.2.2 地下水F~－污染

8.2.3 污染河流有机污染对地下水的影响

8.2.4 环境风险评价方法

8.3 基于环境风险的傍河水源地优化开采技术

8.3.1 基本思路

8.3.2 优化开采方案优选

8.3.3 优化开采方案条件下处理工艺的调控

8.4 本章小结

参考文献

第九章 结论与建议

9.1 主要结论

9.2 主要创新点

9.3 今后工作建议

致谢

攻读博士学位期间的主要科研成果