滑动弧放电等离子体—生化法降解有机废水的研究

论文摘要

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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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 有机废水的现状

1.1.1 有机难降解废水的来源和种类

1.1.2 印染及染料废水的性质

1.2 难降解有机废水的处理方法

1.2.1 生物处理法

1.2.2 物理化学处理法

1.2.3 焚烧法

1.2.4 高级氧化技术

1.3 组合工艺

1.3.1 超声/光催化氧化、超声/臭氧技术、超声/Fenton

2O₂;UV/O₃;UV/O₃/H₂O₂;UV/Fenton'>1.3.2 UV/H₂O₂;UV/O₃;UV/O₃/H₂O₂;UV/Fenton

1.3.3 预处理（高级氧化工艺）-生化法

1.3.4 低温等离子体-光催化氧化

1.4 低温等离子技术

1.4.1 等离子技术的产生及特点

1.4.2 低温非平衡等离子体的发生方式

1.5 滑动弧等离子技术

1.5.1 滑动弧等离子体用于气体的研究

1.5.2 滑动弧等离子体用于液体的研究

1.6 课题研究的目的和意义

第2章滑动弧等离子体水处理机理分析

2.1 活性物质的产生及其性质

2.1.1 OH自由基和NO自由基的作用

2O₂和O₃的作用'>2.1.2 H₂O₂和O₃的作用

2.1.3 高能电子和水合电子作用

2.2 紫外光解的作用

第3章滑动弧等离子体降解有机废水的影响因素研究

3.1 实验部分

3.1.1 实验装置

3.1.2 实验药品、仪器及分析方法

3.1.3 实验流程

3.2 结果与讨论

3.2.1 放电电压的影响

3.2.2 电极厚度的影响

3.2.3 电极材料的影响

3.2.4 初始pH值的影响和放电后溶液的pH变化

3.2.5 载气类型和流量以及水流量影响

3.2.5.1 载气类型的影响

3.2.5.2 载气流量和水流量的影响

3.2.6 染物初始浓度的影响

3.2.7 电导率的影响和溶液电导率的变化

3.2.8 自由基捕集剂的影响

2+的影响'>3.2.9 Fe²⁺的影响

3.2.10 机离子的影响

3^2-的影响'>3.2.10.1 CO₃^2-的影响

3^-和PO₄^3-的影响'>3.2.10.2 NO₃^-和PO₄^3-的影响

-的影响'>3.2.10.3 Cl^-的影响

3.2.11 温度的影响

3.2.12 电极腐蚀的研究

3.2.13 有机物结构和种类的影响

3.2.13.1 磺酸基数目的影响

3.2.13.2 N=N双键数目的影响

3.2.13.3 混合染料的降解

-的变化'>3.2.13.4 含氯染料中Cl^-的变化

3.3 本章小节

第4章滑动弧等离子体降解有机废水的动力学、产物可生化性及毒理研究及降解历程的分析

4.1 实验部分

4.1.1 实验装置

4.1.2 实验药品、仪器及分析方法

4.1.3 实验流程

4.2 结果和讨论

4.2.1 酸性橙Ⅱ溶液的降解动力学、产物可生化性及毒理性研究

4.2.1.1 动力学研究

4.2.1.2 可生化性研究

4.2.1.3 毒性研究

4.2.2 酸性橙Ⅱ溶液降解历程的分析

4.2.2.1 酸性橙Ⅱ降解中间产物的分析

4.2.2.2 分子轨道的计算

4.2.2.3 降解历程的分析

4.3 本章小节

第5章滑动弧等离子体与高级氧化工艺技术联合降解有机废水的研究

5.1 实验部分

5.1.1 实验装置

5.1.2 实验药品、仪器及分析方法

5.1.3 实验流程

5.2 结果与讨论

2O₂联合降解有机废水的研究'>5.2.1 滑动弧等离子与H₂O₂联合降解有机废水的研究

5.2.1.1 pH值的影响

5.2.1.2 气体类型的影响

5.2.1.3 施加电压的影响

5.2.1.4 过氧化氢浓度的影响

5.2.1.5 降解机理的分析

2联合降解有机废水的研究'>5.2.2 滑动弧等离子与TiO₂联合降解有机废水的研究

2浓度的影响'>5.2.2.1 TiO₂浓度的影响

5.2.2.2 气体类型的影响

5.2.2.3 初始pH值的影响

5.2.2.4 污染物COD及TOC的变化

5.2.2.5 对水中活性粒子的影响

2的催化性能'>5.2.2.6 重复使用的TiO₂的催化性能

5.2.2.7 降解机理的分析

5.3 本章小节

第6章滑动弧等离子体处理实际有机废水的研究

6.1 实验部分

6.1.1 实验装置

6.1.2 实验分析方法、药品和仪器

6.1.3 实验流程及实验废水的性质

6.2 结果与讨论

6.2.1 pH值对实际印染废水影响

2O₂对实际印染废水影响'>6.2.2 H₂O₂对实际印染废水影响

2对实际印染废水影响'>6.2.3 TiO₂对实际印染废水影响

6.2.4 实际印染废水的TOC变化及对降解动力学的研究

6.2.5 降解液的紫外光谱和红外光谱图

6.3 本章小节

第7章滑动弧等离子体工艺与生化组合的研究

7.1 实验部分

7.1.1 实验装置

7.1.2 实验药品、仪器及分析方法

7.1.3 实验流程、废水性质

7.2 实验结果

7.2.1 酸性橙Ⅱ溶液实验结果

7.2.2 实际印染废水的实验结果

2O₂-生化法处理系统的经济性分析'>7.3 滑动弧等离子-H₂O₂-生化法处理系统的经济性分析

7.3.1 工艺流程和工艺参数

7.3.2 实验结果与经济分析

7.4 本章小节

第8章全文的总结和展望

8.1 全文总结

8.2 本文的创新点

8.3 存在问题及建议

参考文献

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