超声及其组合技术预处理改善印染废水可生化性的研究

摘要

纺织行业是我国传统的支柱行业、民生行业，也是我国贸易顺差行业之一，同时也是一个高污染行业，几乎每年占据工业废水排放比例的10%左右。印染废水的特点是水量大、污染物种类复杂、可生化性差等，常规废水处理技术很难经济、有效地达到日益严格的排放标准，尤其是再次采用生物处理法，虽然均期望通过厌氧水解酸化来改善该类废水的可生化性，但生化处理效果仍难以达到预期的目标。本研究以提高印染废水的可生化性为目的，采用超声波组合技术对印染废水进行预处理研究，以期用绿色、经济的预处理方法改善废水可生化性，为后续生物处理提供有利条件。首先研究了废水可生化性的评价方法，其次考察了超声功率、辐照时间、初始pH值、H2O2浓度、曝气条件等因素的影响，并且通过投加自由基清除剂、测定分子量分布、分析GC-MS谱图对超声处理废水的反应机制进行了初步探究。 主要的研究成果如下： 通过BioWin软件模拟微生物生化反应过程，得到微生物呼吸速率法的操作条件和比相对呼吸速率与B/C比值之间的拟合公式。当废水COD浓度稀释至200mg/L以下、混合液污泥浓度在200～250mg/L之间时，可根据测得比相对呼吸速率和拟合公式y=237.77x+11.632求得B/C比值，判断废水的可生化性。 超声时间、超声功率、废水初始pH值等因素均对单独超声技术提高可生化性的效果产生影响。超声功率存在最佳值，废水可生化性随着超声功率的增加呈现先升高后降低的变化规律，最佳时B/C比值为0.084；废水可生化性随着超声时间的增加而提高，但单独超声的氧化能力有限，延长处理时间长并不会使可生化性持续提高，超声80min后，较高功率下的废水可生化性略微下降；而印染废水在弱碱性条件下更有利于超声处理。超声处理的最佳条件为：pH值7.5～9，超声功率112.5W，辐照时间80min。 超声组合曝气技术和超声联合H2O2技术均能有效提高废水的可生化性。超声组合曝气后，废水可生化性的提高效果优于单独超声和单独曝气法。超声处理的同时鼓入空气效果最好，且相对呼吸速率随着曝气量的增大缓慢增加，最佳曝气量2L/min的条件下B/C值达到0.13。超声联合H2O2处理废水时，相对呼吸速率比单独超声提高30%，比单独H2O2提高50%。随着H2O2浓度升高，废水可生化性呈现先上升达到B/C值0.12而后小幅度下降的变化规律。过大的H2O2浓度会使其与?OH反应从而生成氧化性较低的过氧化羟基自由基，降低降解效率。其最佳的30%H2O2体积分数为0.25‰。 印染废水的超声空化降解机理主要是自由基氧化。单独超声、超声组合曝气和超声联合H2O2体系中，自由基反应所占比率分别为53%、72%、65%。另外，两种超声组合技术之所以能产生协同效应，是因为超声与曝气、H2O2相互作用，产生更多的自由基。 超声时间、超声功率、废水初始pH值等因素均对单独超声技术提高可生化性的效果产生影响。超声功率存在最佳值，废水可生化性随着超声功率的增加呈现先升高后降低的变化规律，最佳时B/C比值为0.084；废水可生化性随着超声时间的增加而提高，但单独超声的氧化能力有限，延长处理时间长并不会使可生化性持续提高，超声80min后，较高功率下的废水可生化性略微下降；而印染废水在弱碱性条件下更有利于超声处理。超声处理的最佳条件为：pH值7.5～9，超声功率112.5W，辐照时间80min。 超声组合曝气技术和超声联合H2O2技术均能有效提高废水的可生化性。超声组合曝气后，废水可生化性的提高效果优于单独超声和单独曝气法。超声处理的同时鼓入空气效果最好，且相对呼吸速率随着曝气量的增大缓慢增加，最佳曝气量2L/min的条件下B/C值达到0.13。超声联合H2O2处理废水时，相对呼吸速率比单独超声提高30%，比单独H2O2提高50%。随着H2O2浓度升高，废水可生化性呈现先上升达到B/C值0.12而后小幅度下降的变化规律。过大的H2O2浓度会使其与?OH反应从而生成氧化性较低的过氧化羟基自由基，降低降解效率。其最佳的30%H2O2体积分数为0.25‰。 印染废水的超声空化降解机理主要是自由基氧化。单独超声、超声组合曝气和超声联合H2O2体系中，自由基反应所占比率分别为53%、72%、65%。另外，两种超声组合技术之所以能产生协同效应，是因为超声与曝气、H2O2相互作用，产生更多的自由基。 GC-MS谱图和分子量分布结果均显示，印染废水原水中长链烷烃、酸、酯、醇、酚和邻苯二甲酸酯类等大分子有机物占主体地位，其次是小分子有机物。超声在处理印染废水时，优先氧化大分子物质，将含有复杂支链的物质氧化为支链较短中分子或小分子物质，而小分子物质经长时间的超声辐照后部分发生矿化，废水的可生化性得到提高。

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