（环境工程专业论文）微波活性炭组合技术在难生化废水降解中应用研究.pdf

摘要 摘要 难生化降解废水通常是指废水中含有许多难以被微生物分解彻底的有机污染 物，主要来源于机械加工、印染、生活垃圾等行业，因其种类多、排放量大、c o d 含量高，成分复杂，含有大量难生化降解有机物，会对周围环境和地下水造成严 重污染。难生化废水还因其水质变化大、微生物营养元素比例失调、可生化性差 等特点，使得目前普遍使用的处理技术难以达到理想的处理效果。本研究针对这 一难点和热点问题，试图寻找一种新技术以能更好地解决这个问题。 本文采用微波活性炭组合的新工艺，在微波辐照条件下，以活性炭为催化剂， 以石英玻璃为介质管动态连续地处理不同种类的高浓度难生化有机废水来考察这 种新工艺的实用可行性。主要开展了以下几方面的工作： ( 1 ) 运用微波活性炭组合技术对含油乳化液进行破乳研究。乳化液初始含 油量为6 2 3 5m g l ，初始c o d 高达19 8 6 6g l ，在微波功率1 0 0 0w ，水流量为o 5 m 3 h ，搅拌速度为7 0r r a i n ，处理6 0m i n ，静置3 0m i n 条件下催化破乳，实验结果 表明：随着辐射时间的增加，含油乳化液中含油量逐渐减少，处理时间为4 0m i n 时，油的除去率可达到8 9 2 ，c o d 去除率可达到6 9 5 。其破乳机理本文认为 是微波破坏油水界面的双电层，降低z e t a 电位，破坏原先稳定的乳化液体系，加 速了油水分离进程。 ( 2 ) 以脱色率为指标考察微波一活性炭组合技术对甲基红染料溶液的脱色效 果。实验中考察了甲基红浓度、活性炭用量、微波辐射时间和微波辐射功率对甲 基红的去除效果的影响。结果表明微波活性炭组合工艺对甲基红的处理效果明显 优于微波直接处理处理的效果。当染料初始浓度为1 0m g l ，微波功率1 0 0 0w ， 水流量为0 5m 3 h ，加入2 0g 活性炭和等量的铁屑，处理4 0m i n 时，发现脱色效 果较好。紫外光谱分析结果推测甲基红经微波催化氧化处理后，分子结构中的偶 氮键发生断裂，破坏了偶氮苯环共轭发色体系，达到了脱色的目的。其脱色的主 要机理本文推测是由于废水中发生铁屑炭内电解反应，生成的新生态的氢和裸露 的铁原子改变了发色团结构，从而实现染料脱色的目的。 ( 3 ) 以b o d c o d 为指标，考察微波活性炭组合工艺对城市生活垃圾渗滤液 的处理效果。实验结果表明在微波功率1 0 0 0w ，辐射时间4 0r a i n ，2 0g 吸附饱和 i 摘要 的活性炭等条件下，c o d 含量由原来的3 7 6 6g l 降到2 9 9 0g l ，b o d c o d 由原 来的0 5 提高到0 9 ，提高了垃圾渗滤液的可生化性，并且在实验过程中发现b o d 含量不断持续上升，由原来的1 8 9 0g l 上升到2 8 8 0g l ，这种现象在国内相关文 献报道较为少见，至于其具体机理和变化规律尚未看到相关报道。本文从机理分 析，认为在微波处理难生化废水过程中，存在着“热效应 和“非热效应 。微波 通过改变难生化有机物中的分子排列等焓或熵效应来降低反应活化能，从而改变 反应的动力学，促进反应进程。 本文研究表明微波活性炭组合技术是处理难生化废水的一种新型水处理技 术。该工艺主要有两个特点：( 1 ) 废水运行管理费用低，转化1k gb o d 的实际费 用成本大约是o 3 9 元，经济成本低，故常可作为预处理技术；( 2 ) 处理效率高， 在一定条件下，可把b o d c o d 的比值从0 5 提高到0 9 ，可大幅度提高废水的可 生化性。该工艺作为预处理技术，由于可降低其经济成本和提高可生化性，因此 增强了实际应用可行性。 另外本工艺除了以上优点外，还有占地面积小、施工期短、水质水量波动适 应性强和不受气候条件影响等优点。该工艺在难生化废水处理领域有很大的发展 前景，但由于本工艺现处于小试阶段，其工业化应用影响因素及处理效果还有待 中试实验进一步考察和研究。 通过电镜扫描，发现微波辐射后的活性炭表面有明显的灼烧痕迹，为了考察 活性炭的再生性能，本实验还做了微波辐射前后的活性炭的亚甲基蓝吸附对比实 验，发现微波辐射后的活性炭吸附性能比未经过微波辐射的活性炭吸附性能提高 了1 5 。因此本文推测活性炭在微波场中发生“微域爆炸”导致其表面及内部孔 隙结构发生变化，从而实现再生，其吸附性能也得到了有效改善，这个也是难生 化有机物能被活性炭持续吸附及去除的一个重要原因。 目前微波降解难生化废水的研究已显示出诸多优点，然而微波化学技术距离 产业化还存在两个亟待解决的问题一经济成本问题和成熟的设备问题。而本项目 的实施不仅可降低经济成本，其运用的成熟设备也将解决难降解废水处理的难题， 因此本项目对于微波技术应用于实际表现了更大的可行性和先进性。 关键词：微波活性炭；水处理技术；催化氧化；破乳；脱色；可生化性 a b s t r a c t a b s t r a c t b i o r e f r a c t o r yw a s t e w a t e ro f t e nm e 纽l st h a tw a s t e w a t e rc o n t a i n sm a n yo r g a n i c p o l l u t a n t sw h i c h i sd i f f i c u l tt ob ec o m p l e t e l yd e c o m p o s e db ym i c r o b ea n dw h i c hm a i n l y c o m e sf r o mi n d u s t r i e ss u c ha sm a c h i n i n g , d y e i n ga n df i n i s h i n g , d o m e s t i cg a r b a g ea n d 8 0o n b i o r e f r a c t o r yw a s t e w a t e rc a n p o l l u t es e r i o u s l yi t ss u r r o u n d i n g sa n dg r o u n d w a t e r b e c a u s eo fi t sw i d ev a r i e t yo ft y p e s ，g r e a ta m o u n to fd i s c h a r g e ，h i g hc o dc o n t e n t ， c o m p l e xe l e m e n ta n dag r e a tq u a n t i t yo f b i o r e f r a c t o r yo r g a n i cc o m p o u n d s a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fb i o r e f r a c t o r yw a s t e w a t e rw h i c hh a sw a t e rq u a l i t yf l u c t u a t i o n , m i c r o b i a ln u t r i e n ti m b a l a n c e ，l o wb i o c h e m i c a ld e g r a d a t i o na n ds oo n ，i ti sh a r dt ob e d e a l tw i t he f f e c t i v e l yb yt h ec u r r e n tc o m m o n l yu s e dt e c h n o l o g y t h er e s e a r c ha i m sa t t h i sd i f f i c u l t 嬲w e l l 舔h o ti s s u ea n dt r i e st of i n do u tan e wt e c h n o l o g yt os o l v et h i s p r o b l e m t h i sp a p e r a d o p t st h em e w m e t h o do f m i c r o w a v eh e a t i n gw i t ha c t i v ec a r b o n ，u n d e r m i c r o w a v ei r r a d i a t i o n ，u s i n ga c t i v a t e dc a r b o na sc a t a l y s t ，q u a r t zg l a s sa sm e d i u mp i p e ， c o n t i n u o u s l yd e a l i n gw i t hd i f f e r e n tt y p e so fh i g hc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t o r yo r g a n i c w a s t e w a t e rt oi n v e s t i g a t et h ep o s s i b i l i t yo fi t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n r e s e a r c hw o r ki s m a d eo nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ed e m u l s i f i c a t i o no fo i l ye m u l s i f i e dl i q u i dw i t ht h eh e l po f m i c r o w a v e a c t i v a t e dc a r b o nc o m b i n a t i o nt e c h n i q u e t h ei n i t i a lc o n t e n to fo i li n e m u l s i f i e dl i q u i di s6 2 3 5m # l ，a n dt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fc o dr e a c h e su pt o 19 8 6 6 l ，w h e nm i c r o w a v ep o w e ri s10 0 0w jt h er a t eo fw a t e rf l o wi s 0 5m 3 h ， s t i r r i n gs p e e di s7 0r m i n , t h eh a n d l i n gt i m el a s t sf o r6 0m i n ，t h u si t i sp o s s i b l et o c a t a l y t i c a l l yb r e a kt h ee m u l s i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no f3 0m i ns t a n d i n g t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ts h o wt h a t ：t h ec o n t e n to fo i li ne m u l s i f i e dl i q u i dg r a d u a l l yd e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo fr a d i a t i o nt i m e ，w h e nt h eh a n d l i n gt i m ei s4 0h o u r s ，t h er e m o v a lr a t eo f o i lc a nr e a c hu pt o8 9 2 ，a n dt h es t r a i n a w a yr a t eo fc o di s6 9 5 i nt h i sp a p e r , i ti s c o n s i d e r e dt h a tt h em e c h a n i s mo fd e m u l s i f i c a t i o ni st h a tm i c r o w a v eb r e a k st h ed o u b l e e l e c t r o d el a y e ro fo i l w a t e ri n t e r f a c e ，c u t sd o w nz e t ae l e c t r i cp o t e n t i a l ，a n dd e s t r o y st h e o r i g i n a ls y s t e mo fe m u l s i f i e dl i q u i dw h i c h i ss t a b l ee n o u g h ，s oa st oa c c e l e r a t et h es p e e d 1 1 1 o fo i l - w a t e rs e p a r a t i o np r o c e s s ( 2 ) o b s e r v ea n ds t u d yt h ed i s c o l o r a t i o ne f f e c to fm i c r o w a v e - a c t i v a t e dc a r b o n c o m b i n a t i o nt e c h n i q u eo nm e t h y lr e dd y es o l u t i o nb yt a k i n gt h ed i s c o l o r i n gr a t i oa st h e i n d e x i nt h ee x p e r i m e n t , t h ei m p a c to fm e t h y lr e dc o n c e n t r a t i o n ，d o s a g eo fa c t i v a t e d c a r b o n ，a c t i o nt i m ea n dp o w e ro fm i c r o w a v er a d i a t i o no nt h er e m o v a lo fm e t h y lr e dh a s b e e n i n v e s t i g a t e d a n d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et r e a t m e n te f f e c to f m i c r o w a v e - a c t i v a t e dc a r b o nc o m b i n a t i o nt e c h n i q u es h o w sab e r e tp e r f o r m a n c et h a n t h a to fd i r e c tt r e a t m e n tb ym i c r o w a v e w h e nt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fd y es o l u t i o ni s 10m e g l ，m i c r o w a v ep o w e ri s10 0 0w ：a n dt h er a t eo fw a t e rf l o wi s0 5 m 3 h ，2 0 9 a c t i v a t e dc a r b o na n d2 0 9s c r a pi r o na r ea d d e d ，a f t e rt r e a t m e n tf o r4 0 m i n ，t h ee f f e c to f d i s c o l o r a t i o ni sg o o d b a s e do nt h eu l t r a v i o l e ts p e c t r u ma n a l y s i sr e s u l t s ，i ti sd e d u c e d t h a ta f t e rm e t h y lr e dh a sb e e nc a t a l y t i c a l l yo x i d i z e db ym i c r o w a v e ，a z ob o n di ni t s m o l e c u l a rs t r u c t u r ei s b r o k e n ，w h i c hc a nd e s t r o y a z o - b e n z e n er i n g c o n j u g a t e d c h r o m o p h o r i cs y s t e m ，t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fd i s c o l o r a t i o n i n t h i sp a p e r , i ti s d e d u c e dt h a tt h em a i nm e c h a n i s mo fd i s c o l o r a t i o ni st h a ts c r a pi r o n c a r b o ni n t e r n a l e l e c t r o l y t i cr e a c t i o nh a p p e n si nt h ew a s t ew a t e r , t h u sn e wh y d r o g e na n db a r ef eh a v e c h a n g e d t h es t r u c t u r eo f c h r o m o p h o r e ，s oa st or e a l i z et h eg o a lo fd y ed i s c o l o r a t i o n ( 3 ) u s eb o d c o dr a t i o 弱a ni n d i c a t o rt os t u d yt h ea f f e c t so fm i c r o w a v e - g a c p r o c e s s o nt h er e s u l t so f c i t yl i f el a n d f i l ll e a e h a t et r e a t m e n t r e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h e c o n d i t i o no f10 0 0 wo fm i c r o w a v ep o w e r , 2 0go fa d s o r p t i o ns a t u r a t e da c t i v a t e dc a r b o n a n d4 0 m i no fi r r a d i a t i o nt i m e , t h ec o n t e n to fc o dd r o p p e df r o m3 7 6 6e g ld o w nt o 2 9 9 0 e g l ，a n d b o d c o dr a t i oi n c r e a s e df r o m0 5t o0 9 ，w h i c h i m p r o v e dt h e b i o d e g r a d a b i l i t yo fl a n d f i l ll e a c h a t e w h a t sm o r e ，d u r i n gt h ee x p e r i m e n t si tw a sf o u n d t h a tt h el e v e lo fb o d k e p tr i s i n g , f r o m18 9 0 lu pt o2 8 8 0 l t h i sp h e n o m e n o ni s s or a r e l yr e p o r t e di nt h er e l a t e da r t i c l e so fo u rc o u n t r yt h a ti t ss p e c i f i cm e c h a n i s ma n d l a wo fv a r i a t i o nh a v en o tb e e ns e e ni nt h er e l e v a n tr e p o r t s b a s i co nt h ea n a l y s i so f m e c h a n i s m t h i sp a p e rb e l i e v e st h a tt h e r ee x i s t ”h e a te f f e c t ”a n d ”n o n t h e r m a le f f e c t ” d u r i n gt h et r e a t m e n tf o rd i f f i c u l tb i o c h e m i s t r yd e g r a d a t i o nw a s t e w a t e rb ym i c r o w a v e m i c r o w a v ec h a n g e st h em o l e c u l a r a r r a n g e m e n t o ft h ed i f f i c u l t b i o c h e m i s t r y d e g r a d a t i o no r g a n i c s t h i sp r o c e s s i sc a l l e de n t h a l p yo re n t r o p ye f f e c tw h i c hc a nr e d u c e i v t h er e a c t i o na c t i v a t i o ne n e r g y t h u si tc a nc h a n g et h ek i n e t i c so fr e a c t i o n st op r o m o t e r e a c t i o np r o c e s s t h i sp a p e rs h o w st h a tt h em i c r o w a v e - a c t i v a t e dc a r b o nc o m b i n a t i o nt e c h n o l o g yi sa n e wt y p eo ft r e a t m e n tf o rd i f f i c u l t b i o c h e m i s t r yd e g r a d a t i o n w a s t e w a t e r t h i s t e c h n o l o g yh a st w om a i nc h a r a c t e r i s t i c s t h ef i r s to n e i si t sl o wc o s tf o ro p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t t h ea c t u a lc o s ti sa b o u to 3 9y u a nt oc o n v e r t1k gb o d b e c a u s eo fi t s l o we c o n o m i cc o s t ，i tc a nb eu s e da sap r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y t h es e c o n di si t sh i g h e f f i c i e n c y i nc e r t a i nc o n d i t i o n s ，i tc a l li n c r e a s et h eb o d c o dr a t i of r o m0 5t o0 9 ， w h i c hc a l lg r e a t l yi m p r o v et h eb i o d e g r a d a b i l i t yo ft h ew a s t e w a t e r l o we c o n o m i cc o s t a n dh i g he f f i c i e n c ye n h a n c ei t sf e a s i b i l i t yo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o na sap r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y m o r e o v e r , i th a so t h e ra d v a n t a g e s ，s u c ha sl e s sp r e m i s e ，s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d ， s t r o n ga d a p t a b i l i t yt ot h ef l u c t u a t i o n so fw a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t ya n dl e s si m p a c tf r o m c l i m a t i cc o n d i t i o n s t h i st e c h n o l o g yh a sag r e a tp r o s p e c ti nt h ea r e ao ft r e a t m e n tf o r d i f f i c u l tb i o c h e m i s t r yd e g r a d a t i o nw a s t e w a t e r s i n c ei ti ss t i l li nt h et e s tp e r i o d ，i t s i n f l u e n c i n g f a c t o r so fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s a n dt r e a t m e n tr e s u l t sn e e dt ob e i n v e s t i g a t e da n ds t u d i e sf u r t h e r s c a n n i n gb ye l e c t r o nm i c r o s c o p e ，i tf o u n dt h e r ee x i s t e do b v i o u sb u r n i n gt r a c e so n t h es u r f a c eo fa c t i v a t e dc a r b o na f t e rr a d i a t i o no fa n df o u n dt h a tm i c r o w a v ei nt h i s e x p e r i m e n t i no r d e r t oe x a m i n et h er e g e n e r a t i o na b i l i t yo fa c t i v a t e dc a r b o n ，t h i ss t u d y a l s om a d ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t so ft h em e t h y l e n eb l u ec a p a c i t yb e t w e e nb e f o r ea n d a f t e rt h em i c r o w a v er a d i a t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h ea c t i v a t e dc a r b o na f t e rt h e m i c r o w a v er a d i a t i o nh a d15 h i g h e rt h ec a r b o na d s o r p t i o no fp e r f o r m a n c et h a nt h a t w i t h o u t t h u s ，t h i sp a p e ri n f e r st h a ta c t i v a t e dc a r b o nh a sm i c r od o m a i ne x p l o s i o ni nt h e m i c r o w a v er a d i a t i o n ，l e a d i n gt ot h ec h a n g e so fi n n e ra n do u t s i d ep o r ec o n f i g u r a t i o n i n t h i sp r o c e s s ，t h ea c t i v a t e dc a r b o nc o m e st or e g e n e r a t i o n , a n di t sa d s o r p t i o na b i l i t y i m p r o v e se f f e c t i v e l ya tt h es a m et i m e t h i si sa ni m p o r t a n tr e a s o nf o rt h a tt h ed i f f i c u l t b i o c h e m i s t r yd e g r a d a t i o no r g a n i c sc a nb ec o n t i n u o u s l ya b s o r b e da n dr e m o v e db y a c t i v a t e dc a r b o n r e c e n t l y , i ts h o w sm a n ya d v a n t a g e st ou s em i c r o w a v et od e g r a d e n a b s t r a c t d i f f i c u l tb i o c h e m i s t r yd e g r a d a t i o nw a s t e w a t e r h o w e v e r , t w op r o b l e m sn e e dt ob e s o l v e db e f o r et h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h et e c h n o l o g yo fm i c r o w a v ec h e m i s t r y - t h e e c o n o m i cc o s t sa n ds o p h i s t i c a t e de q u i p m e n t t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i sp r o j e c tc a n r e d u c et h ee c o n o m i cc o s t s ，a n dt h eb s eo fs o p h i s t i c a t e de q u i p m e n tc a na l s os o l v et h e d i f f i c u l tp r o b l e mt od e a lw i t hh a r d - d e g r a d a t i o nw a s t ew a t e r i naw o r d ，t h i sp r o j e c t s h o w sg r e a t e rf e a s i b i l i t ya n da d v a n c e m e n tf o r t h ea c t u a lp r a c t i c eo fm i c r o w a v e t e c h n o l o g y k e y w o r d ：m i c r o w a v e - a c t i v a t e dc a r b o n ；t e c h n o l o g yo fw a t e rt r e a t m e n t ；c a t a l y t i c o x i d a t i o n ；d e m u l s i f i c a t i o n ；d e c o l o r a t i o n ；b i o d e g r a d a b i l i t y v i 微波一活性炭组合技术在难生化废水中的应用研究 c o n t e n t s c h a p t e ro n e s u m m a r i e s 1 1 1t y p e sa n dh a r m 1 1 1 11 ) i 1e m u l s i o n 2 1 1 2d y cw a s t e w a t e r 2 1 1 3l a n d f i l ll e a c h a t e 3 1 2a d v a n c e do x i d a t i o np r o c e s s e s 4 1 3r e s e a r c hp r o g r e s so f m i c r o w a v et e c h n o l o g yf o rt h et r e a t m e n t 6 1 ：；1m e c h a n i s m 8 1 3 2m i c r o w a v e c a t a l y t i c o x i d a t i o nr e a c t i o n 8 1 ：；3m i c r o w a v em a t e r i a l s 1 ( ) 1 3 4a c t i v a t e dc a r b o n 11 1 ： 5c u r r e n ts i t u a t i o n 1 2 1 3 6c o m p a r i s o no f m i c r o w a v em e t h o da n db i o c h e m i c a lm e t h o d 1 3 1 4t o p i c s 16 1 4 1p u r p o s ea n dp e r s p e c t i v e 16 1 4 2m a i nc o n t e n t s 16 c h a p t e rt w oe x p e r i m e n tr e a g e n t sa n dm e t h o d 18 2 1i n s t r u m e n t d r u g sa n dt r e a t m e n t o b j e c t 18 2 1 1i n s t r u m e n ta n dd r u g s 。18 2 1 2t r e a t m e n to b j e c t 1 9 2 2e x p e r i m e n tm e t h o d 2 0 2 2 1c o n c e n t r a t i o nd e t e r m i n a t i o no f m e t h y lr e d 2 0 2 2 2d e t e r m i n a t i o no f o i lc o n t e n t 2 1 2 2 3c o dd e t e c t i o n 2 1 2 2 4b o dd e t e c t i o n 2 1 2 2 5a c t i v a t e dc a r b o ns u r f a c es c a n 2 3 x c o n t e n t s c h a p t e rt h r e er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v e - a c t i v a t e dc a r b o n c o m b i n a t i o nt e c h n o l o g yi no i le m u l s i o n 2 3 3 1i n t r o d u c t i o n 2 3 3 1 1n a t u r ea n da p p r a i s a lm e t h o do f o i le m u l s i o n 2 3 3 1 2a p p l i c a t i o no f m i c r o w a v eb r o k e nb r e a s tt e c h n o l o g y 2 4 3 2w a t e ra n a l y s i sa n dd e t e r m i n a t i o n 2 5 3 2 1w a t e ra n a l y s i s 2 5 3 2 2i n s t r u m e n t sa n dr e a g e n t s 2 5 3 2 3m e t h o d 2 6 3 2 4r e s u l t s 2 6 3 3s i n g l ed e m u l s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t 2 6 3 3 1e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 2 6 3 3 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 6 3 4c o n t i n u o u sd e m u l s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t 2 7 3 4 1e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 2 7 3 4 2i n f l u e n c