臭氧化/催化臭氧化深度处理脱墨废水的研究

摘要

脱墨废水水质复杂、产水量大、可生化性差，传统生化法处理后出水不能稳定达标，是工业废水处理中的一个难点问题。近年来，催化臭氧氧化技术因为其处理效率高、通用性强、无二次污染和便于工艺升级改造等优点而得到工程研究人员的关注。本研究以山东某废纸造纸厂脱墨废水经生化处理出水作为处理对象，在优化混凝预处理工艺条件基础上，分别采用直接臭氧氧化、活性炭臭氧氧化、负载金属型活性炭催化臭氧氧化处理，研究了不同工艺过程对脱墨废水中污染物的降解性能和反应机理。本文的研究内容与结果如下:
　　(1)混凝预处理阶段，主要去除脱墨废水中溶解性无机碳(DIC)和硬度指标。pH值是硬度和总无机碳去除的主要影响因素，混凝过程能加速钙镁不溶及微溶盐的沉降速度;先投加聚合氯化铝(PACl)300 mg/L，然后调节pH值至10，最后投加聚丙烯酰胺(PAM)1 mg/L，DIC、硬度和溶解性有机碳(DOC)的去除率分别为39.3％、84.8％和28.9％;同时发现药剂投加顺序对处理效果影响显著，上述投加顺序比先调pH值，后投加聚合氯化铝和聚丙烯酰胺的硬度和无机碳的去除率分别提高12.7％和4.1％。
　　(2)单独臭氧氧化混凝后脱墨废水，DOC的去除率随臭氧通入量的增加而提高;碱性条件下氧化效果更好。臭氧投加量为3.0 g/(L·h)、pH为10的实验条件下处理60 min，DOC的去除率可达45.5％，30 min后完全褪色。
　　(3)活性炭催化臭氧氧化过程中，通过观察实际流态和计算流体动力学(CFD)模拟选出自制内循环反应器最佳气体流量为1 L/min;与臭氧氧化相比，投加5g/L活性炭反应60 min可将臭氧氧化去除DOC的效率提高12.4％，废水脱色时间比臭氧单独处理提前10 min，COD降到69.2 mg/L。
　　(4)活性炭负载Cu、 Fe和Mn三种过渡金属催化臭氧氧化均可改善对脱墨废水的处理效果。通过对比不同金属、不同负载量催化剂催化臭氧对DOC的去除率，发现负载0.1 mmol/g Fe的活性炭催化效果最佳，其对DOC的去除率可达72.1％，废水完全脱色仅用15 min。
　　(5)扫描电镜(SEM)显示Fe以不定型晶体存在于活性炭上，从X射线衍射(XRD)分析出催化剂上Fe存在的形态为Fe2O3、Fe3O4和FeOOH;载Cu存在形态为单质Cu;载Mn的形态为MnO。
　　(6)单独臭氧及催化臭氧氧化反应均符合准一级反应动力学模型;臭氧氧化和活性炭催化臭氧氧化的臭氧利用率要明显低于载铁活性炭催化反应，单位臭氧的利用率分别为0.044、0.051和0.066 mgDOC/mgO3。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 脱墨废水的来源

1．1．2 脱墨废水的特点

1．2 造纸／脱墨废水深度处理技术的研究现状

1．2．1 混凝法

1．2．2 吸附法

1．2．3 膜分离法

1．2．4 电化学法

1．2．5 Fenton氧化法

1．2．6 光催化氧化法

1．3 臭氧氧化和催化臭氧氧化技术概述

1．3．1 臭氧的物化性质

1．3．2 臭氧氧化技术

1．3．3 催化臭氧氧化技术

1．4 活性炭及负载活性炭催化臭氧氧化及催化剂制备方法

1．4．1 活性炭催化臭氧氧化

1．4．2 负载金属活性炭催化臭氧氧化

1．4．3 催化剂的制备方法

1．5 本课题研究目的和内容

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 创新点

1．5．4 技术路线

1．6 课题来源

2 实验材料与方法

2．1 化学试剂及实验仪器

2．1．1 化学试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验原料

2．2．1 脱墨废水

2．2．2 混凝剂

2．2．3 絮凝剂

2．2．4 活性炭

2．3 实验装置和实验方法

2．3．1 混凝烧杯实验

2．3．2 臭氧氧化／催化臭氧氧化实验装置与实验方法

2．3．3 催化剂制备方法

2．4 水质分析方法

2．5 催化剂表征分析

2．5．1 比表面积

2．5．2 孔径分布

2．5．3 X射线衍射

2．5．4 扫描电镜

2．5．5 透射电镜

3 混凝法预处理脱墨废水

3．1 药品投加顺序对混凝效果的影响

3．2 聚合氯化铝对混凝效果的影响

3．3 聚丙烯酰胺对混凝效果的影响

3．4 混凝预处理后的水质情况

3．5 本章小结

4 臭氧氧化深度处理脱墨废水

4．1 操作条件对臭氧氧化处理脱墨废水的影响

4．1．1 气体流量的影响

4．1．2 臭氧浓度的影响

4．1．3 初始pH值的影响

4．1．4 臭氧作用时间的影响

4．2 臭氧氧化脱墨废水效果

4．2．1 色度的去除效果

4．2．2 COD的去除效果

4．3 臭氧氧化脱墨废水反应动力学

4．4 臭氧利用率

4．5 本章小结

5 活性炭催化臭氧氧化深度处理脱墨废水

5．1 有机物去除过程的主要影响因素及影响规律

5．1．1 活性炭的吸附作用

5．1．2 活性炭投加量的影响

5．1．3 气体流量的影响

5．2 活性炭催化臭氧氧化的效果

5．2．1 色度的去除效果

5．2．2 COD的去除效果

5．2．3 DOC的去除效果

5．3 活性炭催化臭氧氧化脱墨废水反应动力学

5．4 臭氧利用率

5．5 本章小结

6 负载金属活性炭催化氧化深度处理脱墨废水

6．1 负载型催化剂的优化

6．1．1 负载金属种类的选择

6．1．2 金属负载量的选择

6．2 催化剂的表征

6．2．1 比表面积

6．2．2 孔径分布

6．2．3 X射线衍射分析

6．2．4 扫描电镜分析

6．2．5 透射电镜分析

6．3 载铁催化剂催化臭氧氧化效果

6．3．1 色度的去除效果

6．3．2 COD的去除效果

6．3．3 DOC的去除效果

6．4 载铁催化剂重复使用的处理效果

6．5 载铁活性炭催化臭氧氧化脱墨废水反应动力学

6．6 臭氧利用率

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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