滑动弧放电等离子体—生化法降解有机废水的研究

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本文主要针对气液滑动弧等离子体技术降解有机废水,进行了一系列的基础实验研究工作,主要研究结论如下:(1)对滑动弧等离子体水处理机理进行了分析。(2)以模拟有机废水酸性橙Ⅱ溶液为研究对象,考察了气液滑动弧等离子体反应器的性能参数,废水的性质,废水中含有的无机离子,气体的种类、流量及有机物的结构和种类对降解率的影响.结果表明:综合考虑降解率和能量效率,选择电极厚度为4mm,电极材料为不锈钢,放电电压为10kV;废水初始pH值和温度对降解率的影响不大;从能量效率上考虑,滑动弧放电适合高浓度有机废水的处理;加入体系的正丁醇在反应开始时明显影响了有机物的降解率,但随着降解时间的延长,影响不再明显;体系中CO32-的存在明显影响了有机物的降解率,但随着降解时间的延长,影响变小;NO3-对降解率影响可以忽略;随着降解时间的延长和反应的进行,PO43-对有机物降解率的影响不大。载气为氧气时有机物降解率最高,气体流速越大,降解效果越好。高浓度的Cl-存在时,对降解率产生了较大的影响。气液滑动弧放电等离子体对不同结构的有机染料有广泛的适应性,分子结构不同的染料相互之间有促进的作用。(3)对模拟有机废水酸性橙Ⅱ溶液的降解动力学,降解机理,降解液的可生化性及毒性等进行了研究。结果表明:酸性橙Ⅱ的降解过程符合一级反应动力学规律,降解方程为dC/dt=-0.7587C0-0.2889C;降解液的BOD5/CODcr值升高,可生化性增强,降解后溶液的毒性降低。通过对降解过程中离子浓度的测定、对降解产物的紫外光谱、红外光谱和GC-MS结果的分析,推测了酸性橙Ⅱ的降解历程。降解后的主要产物是乙酸,乙二酸,丙二酸,苯酚,萘,苯磺酸,邻苯二甲酸(酐),β-萘酚,1,2-萘二酚,3-羟基苯乙酮,甲基萘,1,8-二甲基萘和2,6-二甲基萘等;酸性橙Ⅱ的降解历程是羟基自由基攻击酸性橙Ⅱ分子上的C-N键,导致C-N键断裂,生成对磺基苯二氮烯和β萘酚,磺基苯二氮烯极不稳定,很快转化成苯磺酸,苯磺酸经进一步氧化转化成苯酚;偶氮双键转化为氮气,放电后变为NO3-,β萘酚也经一系列氧化转化为苯酚,再经由苯酚降解途径矿化成低分子的有机脂肪酸、二氧化碳和水。(4)为了充分利用滑动弧等离子体放电过程中产生的紫外光,分别开展了与H2O2及TiO2高级氧化工艺联用的研究。结果表明:与H2O2联用过程中,溶液的初始pH值对酸性橙Ⅱ降解率的影响可以忽略;氧气气氛下,有利于提高污染物的降解率;放电电压越高,酸性橙Ⅱ的降解效果越好;加入的过氧化氢越多,协同效应越明显,协同效应值越大,降解液放置时间延长有利于酸性橙Ⅱ降解率的提高。与TiO2联用过程中,二氧化钛浓度为1.0 g/L时,光生电子能量得到最充分的利用,产生的活性粒子最多,H2O2的生成量和OH*的相对量达到最大,酸性橙Ⅱ降解宰达最大值;光解体系中通入氧气,提高了污染物的降解率。滑动弧等离子体与H2O2和TiO2联用,具有显著的协同效应,提高了COD和TOC的降解率,缩短了降解时间,节约了处理成本。(5)以实际有机印染废水为研究对象,研究了滑动弧放电等离子体对其降解的效果。结果表明:废水中CO32-的存在消耗等离子体放电产生的羟基自由基,降低了反应速率,建议通过改变pH加酸方法或者投加生石灰等方法除去CO32-离子;在不考虑CO32-对反应速率影响的基础上,有机废水COD和TOC的降解动力学亦符合一级反应动力学规律。(6)研究了滑动弧等离子体/活性污泥法联合处理有机废水。经滑动弧等离子体处理5 min和10 min的实际印染废水,后续生化处理后,出水COD浓度分别达到GB8978-1996中规定的二级标准和一级标准;色度的去除率均达到GB8978-1996规定的一级标准。(7)最后,以COD浓度为20-30 g/L的废水为研究对象,对滑动弧等离子体/H2O2/活性污泥法联合工艺的运行费用进行了估算,并与现有的工艺进行了技术经济比较。结果表明,该联合工艺具有良好的发展前景。
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