介孔生物填料流化床和蒙脱石吸附混凝工艺脱氮除酚效能

论文摘要

焦化废水是一种典型的难降解高酚、高氨氮工业废水,对环境污染严重,而且对人类危害较大。虽然现有的处理方法对废水中的酚、氰、BOD5具有一定的处理效果,但COD、氨氮及色度等指标一般难以满足排放要求,是我国河流污染的重要污染源之一。本文针对焦化废水处理工艺的研究现状,提出了介孔生物填料流化床与改性蒙脱石吸附混凝的组合工艺,系统地研究了该组合工艺中的介孔生物填料和改性蒙脱石单独对模拟配水及焦化废水中有机物的去除能力及其脱氮性能,进行了组合工艺的小试和实际应用研究,为焦化废水污染问题的解决提供一个可行的方案。分别以高浓度苯酚配水和实际焦化废水为研究对象,对介孔生物填料流化床对废水的处理性能进行了研究。结果表明,当HRT为20h,pH在6.68.1的范围内,溶解氧在1.83.7 mg/L之间时,介孔生物填料流化床反应器可对10001500mg/L左右的苯酚溶液和COD为17004200mg/L的焦化废水进行有效的降解,苯酚去除率可达99.9%以上,COD去除率在80%左右,NH4+-N去除率在70%左右,而且该介孔生物填料流化床具有较强的抗冲击能力和自我恢复能力,并在反应器中发现有同步硝化反硝化作用（SND）的存在。正交试验表明对反应器处理效果影响因素的重要性依次为HRT>DO>进水COD浓度>pH值。而且通过两级介孔生物填料流化床的联用,可以明显提高进水氨氮的负荷,并获得良好的处理效果,出水COD和氨氮已接近排放标准,当保证COD/NH4+-N在10以上时,COD去除率可达到95%以上,NH4+-N去除率也可达到90%以上,TN去除率可达80%左右。根据生化反应不能完全对焦化废水处理达标的特点,以十六烷基三甲基溴化铵为有机改性剂,Na2CO3为钠化剂,分别采用普通加热法和微波辐射法制备出两种有机改性蒙脱石和钠化改性蒙脱石,并以苯酚和氯化铵模拟废水为目标,对其吸附性能进行了研究。结果表明,微波有机改性蒙脱石在投量为20 g/L,吸附时间为30 min,pH不大于10的条件下,对苯酚的吸附去除效果最好,去除率可达80.7%;而钠化改性蒙脱石在投量为10 g/L,吸附时间为30 min,pH在79之间的条件下,对氨氮的吸附效果最好,其去除率为60%以上。两种吸附材料的吸附过程均可用Freundlich吸附等温方程进行很好地描述。根据吸附热力学函数和动力学的分析,初步判断微波有机改性土在吸附苯酚的过程中主要以物理吸附为主,而钠化蒙脱石的吸附过程主要以化学吸附为主,两种吸附材料的吸附反应均符合二级吸附反应模型,吸附过程活化能分别为2.589和1.613 kJ/mol。将按照质量比为有机蒙脱石:钠基蒙脱石:聚合氯化铝=20:20:1混合而制成的改性蒙脱石复合吸附混凝剂用于焦化废水的深度处理可达到较好的处理效果,当投量为30g/L时,吸附混凝时间为30min时,COD、氨氮去除率和脱色率分别可达84.8%、78.2%和96%。论文对介孔生物填料物化的性能进行了研究,结果表明,介孔生物填料表面有大量的负电荷,主要以有机成分为主,含量约为81.6%。而且该填料对反应器中的氧传递起到了促进作用,能够提高反应器中氧总转移系数约10%左右。同时该生物填料对苯酚的吸附作用较小,这表明反应器对苯酚的去除效果中,微生物的降解起到了主要作用,而填料的吸附在其中只占很小的部分。通过对改性蒙脱石表面和结构的表征研究了其改性前后形貌和结构上的变化。结果表明,改性没有改变蒙脱石的基本构型。和原土相比,微波有机改性蒙脱石层间距增加,而比表面积减小;钠化改性蒙脱石的层间距和比表面积都降低。根据表征结果可以推测出OMt中CTA+的排列方式主要是以紧密的单层CTA+M型平卧和单层吸附水分子结合的形式为主;而M-OMt中CTA+主要以34.1°的倾斜角度呈较稀疏的形式排列,这正是微波有机改性蒙脱石获得较好吸附性能的原因。论文还对该组合工艺的运行效能进行了实际应用研究,结果表明,该组合工艺完全可以满足高浓度焦化废水的处理要求,其出水COD、氨氮和总酚的平均值分别为20.56,9.55和0.12 mg/L,远低于国家一级排放标准的要求。通过水质分析发现,该组合工艺对焦化废水中的难降解的杂环化合物等有良好的去除效果,出水主要以烷烃为主。而且该组合工艺运行稳定,能够耐受较大的有机负荷,具有较强的抗冲击能力。本论文为焦化废水严重污染问题的解决提供了一个可行的方案和翔实的数据支持,具有重要的理论意义和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 焦化废水处理技术的研究进展
• 1.3 生物流化床技术及其填料的研究现状
• 1.3.1 生物流化床的特点
• 1.3.2 生物填料的研究现状
• 1.3.3 生物流化床国内外研究现状及应用实例
• 1.4 蒙脱石改性方式及其在环境污染控制领域的应用
• 1.4.1 蒙脱石的结构与基本性质
• 1.4.2 蒙脱石改性方式
• 1.4.3 改性蒙脱石在环境污染控制领域的应用
• 1.4.4 蒙脱石的回收利用
• 1.5 课题研究目的意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源和研究目的意义
• 1.5.2 课题主要研究内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 材料、装置及主要试剂和仪器设备
• 2.1.1 生物填料
• 2.1.2 蒙脱石
• 2.1.3 试验用废水及接种污泥
• 2.1.4 实验所用工艺及其装置
• 2.1.5 主要试剂
• 2.1.6 主要仪器设备
• 2.2 分析项目和检测方法
• 2.2.1 主要常规分析项目
• La的测定'>2.2.2 氧总转移系数K_La的测定
• 2.2.3 反应器内生物量的测定
• 2.2.4 生物相的观察
• 2.2.5 蒙脱石物化性能测试方法
• 2.2.6 表征方法
• 2.2.7 水质成分GC-MS分析方法
• 2.3 蒙脱石的活化和改性方法
• 2.3.1 蒙脱石的酸法活化
• 2.3.2 蒙脱石的改性
• 2.3.3 蒙脱石吸附性能试验
• 2.4 生物流化床中微生物多样性的研究方法
• 2.4.1 基因组DNA的提取
• 2.4.2 基因组DNA的PCR扩增
• 2.4.3 变性梯度凝胶电泳（DGGE）
• 2.4.4 变性梯度凝胶电泳（DGGE）胶DNA条带分析
• 第3章 介孔生物填料对废水处理效能研究
• 3.1 介孔生物填料对高浓度含酚配水处理效能研究
• 3.1.1 流化床反应器的启动
• 3.1.2 对高浓度含酚配水处理效果的研究
• 3.2 介孔生物填料对实际焦化废水处理效能研究
• 3.2.1 流化床反应器的启动
• 3.2.2 间歇运行工艺参数优化
• 3.2.3 连续运行工艺参数优化
• 3.2.4 焦化废水中有机物好氧降解动力学研究
• 3.3 同步硝化反硝化（SND）现象
• 3.4 同步硝化反硝化作用影响因素研究
• 3.4.1 HRT的影响
• 3.4.2 溶解氧的影响
• 3.4.3 进水pH的影响
• 4⁺-N浓度的影响'>3.4.4 进水NH₄⁺-N浓度的影响
• 3.4.5 进水容积负荷的影响
• 3.5 生物膜形貌及生物多样性的分析
• 3.5.1 生物相观察
• 3.5.2 生物多样性分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 改性蒙脱石的脱氮除酚性能研究
• 4.1 改性蒙脱石制备工艺研究
• 4.1.1 酸化过程对苯酚吸附效果的影响
• 4.1.2 有机改性剂用量对有机改性效果的影响
• 4.1.3 普通加热法和微波辐射法制备条件的优化
• 4.1.4 不同改性方法对苯酚及氨氮去除率的影响
• 4.2 改性蒙脱石脱氮除酚效能研究
• 4.2.1 pH值的影响
• 4.2.2 吸附时间的影响
• 4.2.3 改性蒙脱石投量的影响
• 4.2.4 溶液初始浓度的影响
• 4.3 改性蒙脱石的吸附等温线及热力学分析
• 4.3.1 有机改性蒙脱石对苯酚的吸附行为
• 4.3.2 钠化改性蒙脱石对氨氮的吸附行为
• 4.4 改性蒙脱石的吸附动力学分析
• 4.4.1 吸附动力学曲线
• 4.4.2 吸附活化能
• 4.5 本章小结
• 第5章 介孔生物填料和改性蒙脱石的物化性能及结构表征
• 5.1 介孔生物填料的物化性能分析
• 5.1.1 基本性能参数及与其他填料的对比
• 5.1.2 表面形貌分析
• 5.1.3 元素成份分析
• 5.1.4 差热-热重分析（DTA-TG）
• 5.1.5 表面电荷分析
• 5.1.6 充氧特征
• 5.1.7 吸附性能
• 5.2 钠化改性蒙脱石的表面和结构分析
• 5.2.1 钠化改性蒙脱石的物化性能测定
• 5.2.2 晶体结构分析（XRD）
• 5.2.3 样品的比表面积及孔径
• 5.2.4 官能团分析
• 5.2.5 表面形貌分析
• 5.2.6 钠化改性蒙脱石结构与吸附性能的关系
• 5.3 有机改性蒙脱石的表面和结构分析
• 5.3.1 晶体结构分析
• 5.3.2 样品的比表面积及孔径
• 5.3.3 差热-热重分析（DTA-TG）
• 5.3.4 官能团分析（IR）
• 5.3.5 表面形貌分析
• 5.3.6 有机改性蒙脱石结构与吸附性能的关系
• 5.4 本章小结
• 第6章 组合工艺处理焦化废水的实际应用研究
• 6.1 两级生物流化床联用工艺的运行效能
• 4⁺-N与生物脱氮效能的关系'>6.1.1 第二级反应器中COD/NH₄⁺-N与生物脱氮效能的关系
• 6.1.2 两级生物流化床的运行状况
• 6.1.3 与其他工艺的对比研究
• 6.2 改性蒙脱石吸附混凝运行效果
• 6.2.1 药剂选择及投量的确定
• 6.2.2 改性蒙脱石复合吸附混凝剂对废水的处理效果
• 6.3 组合工艺的实际应用研究
• 6.3.1 试验工艺流程和设备
• 6.3.2 组合工艺在实际应用中的运行特性
• 6.3.3 组合工艺的处理效果
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历