大孔树脂吸附—生物再生法处理高盐苯胺/苯酚废水的研究

论文摘要

高盐高浓度有机废水的排放带来十分严重的环境污染，由于它不仅含有高浓度的盐分，同时还含有大量有毒、难降解的溶解性有机物，传统处理工艺均存在一些难于克服的缺点和局限性。近年来，我国在树脂法处理高浓度有机化工废水及资源化技术的开发和应用方面取得了较大进展，各种新型吸附剂的合成和应用已成为环保领域十分活跃的研究方向之一。在此背景下，本文利用树脂对有机物的选择吸附性及容易再生的特点，提出了针对高盐有机废水的一种新型处理方法——大孔吸附树脂吸附分离-生物再生法。本文针对芳香胺和酚类化合物的物理和化学特性，选用西安蓝深交换吸附材料有限责任公司生产的XDA-1大孔吸附树脂，主要从吸附等温线、热力学和动力学等方面就高盐苯胺／苯酚废水在XDA-1上的吸附作用及传质过程进行了研究，并考察了生物法对吸附饱和的树脂再生的可行性和稳定性，以期为大孔吸附树脂在高盐有机废水的治理应用中提供一定理论基础。本文主要研究内容与结果如下：1．大孔树脂XDA-1可有效分离苯胺／苯酚和NaCl，溶液pH和初始苯胺浓度的增大均可强化苯胺的吸附去除，吸附质以分子形态为主存在的溶液pH范围有利于吸附。分析大孔树脂XDA-1吸附法处理高盐苯胺／苯酚废水的过程发现：XDA-1的吸附容量与溶液的含盐量呈正相关。Freundlich吸附等温线方程可以很好地解释此吸附过程，苯胺和苯酚在XDA-1表面上是优惠吸附过程，KF变化说明吸附属于放热过程；在一定温度下，KF随着NaCl含量的提高而增大，说明苯胺和苯酚的吸附量与NaCl含量呈正相关；热力学研究表明苯胺和苯酚在XDA-1表面的吸附为焓推动的自发的物理吸附过程，吸附的主要作用力为范德华力、氢键、偶极间力及疏水作用。动力学研究表明苯胺和苯酚在XDA-1上的吸附符合准二级动力学吸附速率方程，吸附速率常数随着溶液盐度增大而增大。苯胺和苯酚吸附速率与溶液盐度分别符合下列关系：苯胺：qt=(18．85·CNaCl+503．83)·exp(-(0.082·CNaCl+0．1577)/t)苯酚：qt=(83．58·CNaCl+23．35)·exp(18．31·CNaCl-5．90/t)苯胺和苯酚在XDA-1上内扩散过程为吸附速率主要控制步骤，同时还受颗粒外扩散的影响。吸附初始阶段大孔和中孔的内扩散系数稍低于吸附后期平衡阶段。2．生物再生过程包括物理解吸和生物降解两部分，苯胺解吸速率（Vd）与XDA-1的平均剩余吸附容量（Qr）有关，其数学关系满足Vd=0．2697exp（0．0195Qr）。综合物理解吸和生物降解两方面因素，确定最适的饱和树脂生物再生条件是在30℃、pH=7．0、固液比为1：400 g/mL和再生时间120 h。采用大孔树脂吸附-生物再生法处理高盐苯胺废水效果稳定，六次吸附／再生循环过程中，NaCl的分离效率和树脂生物再生效率分别稳定在98．3％和92．3％以上。3．苯酚解吸速率（Vd）与XDA-1的平均剩余吸附容量（Qr）有关，其数学关系满足：综合物理解吸和生物降解两方面因素，确定最适的饱和树脂生物再生条件是在30℃、pH=7．0、固液比为1：1500g/mL和再生时间48 h。采用大孔树脂吸附-生物再生法处理高盐苯酚废水效果稳定，六次吸附／再生循环过程中，XDA-1对NaCl的分离效率均为98％以上，生物再生效率维持在81％以上。4．生物法再生饱和吸附树脂是可行的，但再生树脂的比表面积、总孔容积并不能得到完全恢复，平均孔径也有所增加。吸附剂的吸附性能与表面结构特性密切相关，再生XDA-1吸附容量的下降正是这些吸附剂表面结构的变化的宏观体现。吸附质残留和生物附着均是导致大孔吸附树脂XDA-1生物再生不完全并有所下降的原因。5．饱和吸附苯胺／苯酚的大孔吸附树脂XDA-1的生物再生机理符合浓度梯度假说。在前人研究的基础上，本研究对处理高盐苯胺／苯酚废水的大孔吸附树脂的生物再生过程的数学描述进行简化。利用这两个处理体系的生物再生数据进行模型验证，发现此模型能较好的预测饱和吸附苯胺／苯酚的XDA-1的生物再生过程。本研究为实现芳香胺及酚类高盐有机废水的处理提供了一条可行而有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 芳香类高盐有机废水处理现状及大孔树脂吸附处理技术的研究进展
• 1.1 高含盐废水的来源
• 1.2 芳香类高盐有机废水处理技术研究现状
• 1.2.1 芳香类高盐有机废水的污染现状
• 1.2.2 芳香类高盐有机废水的治理方法
• 1.2.3 现有治理方法存在的问题
• 1.3 大孔吸附树脂处理含芳香族化合物废水的理论基础
• 1.3.1 大孔吸附树脂的定义及吸附作用原理
• 1.3.2 吸附等温线
• 1.3.3 吸附热力学
• 1.3.4 吸附动力学
• 1.3.5 树脂吸附法处理废水的特点
• 1.3.6 影响吸附的主要因素
• 1.3.7 脱附条件
• 1.4 大孔吸附树脂处理含芳香族化合物废水的研究进展
• 1.4.1 大孔树脂处理含苯胺的废水
• 1.4.2 大孔树脂处理含酚的废水
• 1.4.3 大孔树脂处理含芳香酸废水
• 1.4.4 大孔树脂处理含其它芳香族化合物的废水
• 1.5 大孔吸附树脂再生技术研究进展
• 1.5.1 大孔吸附树脂再生的必要性
• 1.5.2 大孔吸附树脂再生技术的选择依据
• 1.5.3 大孔吸附树脂再生技术概况
• 1.6 课题的提出、研究意义、目的及内容
• 1.6.1 存在的问题及本课题的提出
• 1.6.2 本课题的研究意义
• 1.6.3 本课题的研究目的及内容
• 2 实验材料和实验方法
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 微生物的培养、驯化及降解性能考察
• 2.2.2 大孔树脂吸附-生物再生处理高盐苯胺废水
• 2.2.3 大孔树脂吸附-生物再生处理高盐苯酚废水
• 2.3 分析方法
• 2.4 参数计算
• 3 大孔树脂吸附-生物再生处理高盐苯胺废水的研究
• 3.1 吸附树脂的筛选及XDA-1处理高盐苯胺废水的吸附行为研究
• 3.1.1 吸附剂的初步筛选
• 3.1.2 pH值对树脂吸附性能的影响
• 3.1.3 初始苯胺浓度对树脂吸附性能的影响
• 3.1.4 无机盐对树脂吸附性能的影响及其机理
• 3.1.5 吸附等温线及盐度对吸附等温方程的影响
• 3.1.6 吸附热力学及盐度对其产生的影响
• 3.1.7 盐度对苯胺吸附动力学的影响及吸附传质过程的判断
• 3.1.8 小结
• 3.2 饱和吸附苯胺的XDA-1的生物再生研究
• 3.2.1 饱和吸附苯胺的XDA-1的生物再生条件优化
• 3.2.2 饱和吸附树脂XDA-1的生物再生稳定性研究
• 3.2.3 小结
• 3.3 本章小结
• 4 大孔树脂吸附-生物再生处理高盐苯酚废水的研究
• 4.1 XDA-1处理高盐苯酚废水的吸附行为研究
• 4.1.1 pH值对XDA-1吸附性能的影响
• 4.1.2 初始苯酚浓度对树脂吸附性能的影响
• 4.1.3 无机盐对XDA-1吸附性能的影响及机理分析
• 4.1.4 吸附等温线及盐度对吸附等温方程的影响
• 4.1.5 吸附热力学及盐度对其产生的影响
• 4.1.6 盐度对苯酚吸附动力学的影响及吸附传质过程的判断
• 4.1.7 小结
• 4.2 饱和吸附苯酚的XDA-1的生物再生研究
• 4.2.1 饱和吸附苯酚的XDA-1的生物再生条件优化
• 4.2.2 饱和吸附树脂XDA-1的生物再生稳定性研究
• 4.2.3 小结
• 4.3 本章小结
• 5 生物再生对大孔吸附树脂的结构特性与表面性能影响
• 5.1 生物再生前后XDA-1结构特性的变化
• 5.1.1 生物再生对处理高盐苯胺废水的XDA-1结构特性的影响
• 5.1.2 生物再生对处理高盐苯酚废水的XDA-1结构特性的影响
• 5.1.3 小结
• 5.2 生物再生XDA-1表面主要残留物的分析
• 5.2.1 吸附-生物再生处理高盐苯胺废水的XDA-1表面主要残留物分析
• 5.2.2 吸附-生物再生处理高盐苯酚废水的XDA-1表面主要残留物分析
• 5.2.3 小结
• 5.3 本章小结
• 6 饱和吸附树脂的生物再生机理探讨和模型推导
• 6.1 饱和吸附树脂的生物再生机理探讨
• 6.1.1 浓度梯度假说
• 6.1.2 胞外酶假说
• 6.1.3 饱和吸附苯胺/苯酚的大孔吸附树脂XDA-1的生物再生机理推测
• 6.2 饱和吸附树脂的生物再生的模型推导
• 6.2.1 数学模型的建立
• 6.2.2 模型验证
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢