超重力强化铁碳微电解催化臭氧处理DNT实际废水

作     者：景佳鑫 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：焦纬洲;刁金祥

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超重力技术 旋转填料床 DNT实际废水 铁碳微电解 催化臭氧 

摘      要：二硝基甲苯(dinitrotoluene,DNT)生产过程中产生的废水里的硝基化合物因硝基的吸电子共轭效应而特别稳定,难降解,对生态环境影响显著。针对稳定的硝基,使用铁碳微电解法将其还原为活泼的氨基;并利用铁碳电解后尾水(下文均用尾水来表示铁碳微电解后的废水)里溶解的Fe催化臭氧,深度氧化处理尾水。然而铁碳微电解在实际使用中,会发生铁碳填料板结的问题,致使铁碳微电解无法持续使用,须进行填料冲洗再生,过程繁杂且会带来重复污染;同时催化臭氧法存在气液接触不充分的问题,导致臭氧传质效率低、利用率低。基于上述存在的问题,结合超重力技术强化传质与表面更新理论,提出超重力强化铁碳微电解催化臭氧处理二硝基甲苯废水的思路。用铁碳球作为超重力旋转填料床(Rotating Packed Bed,RPB)的填料,液体被高转速的填料切割为极其微小的体积,加快了液体在铁碳填料表面活性位点的更新速率,产生大且快速更新的液固相界面,解决铁碳填料钝化的问题;同时使用丝网填充的RPB为反应器,解决催化臭氧降解有机物过程中臭氧溶解度低、传质效率低的问题。具体实验如下:(1)在超重力强化铁碳微电解实验中,采用控制变量法对DNT实际废水的影响因素进行探究。RPB中降解DNT实际废水的适宜操作条件为:超重力因子β为46.22,液体流量Q为80 L/h,初始p H为1.1。在此条件下反应100 min时,DNT实际废水中的硝基化合物去除率为68.4%。在不更换填料的条件下连续处理4批新鲜等量的DNT实际废水,RPB的硝基化合物的去除率始终保持在68%左右。在相近操作条件下,比搅拌反应器(Stirred-tank reactor,STR)中铁碳微电解处理DNT脱除率提高30%,并结合SEM和EDS分析两种反应器中铁碳填料表面的面貌与元素构成,进一步佐证了超重力技术即RPB可以明显强化铁碳微电解的效果,提高DNT实际废水硝基化合物的去除率,避免铁碳填料出现钝化情况,提高铁碳填料的使用寿命。(2)为进一步处理DNT实际废水,使之达到排放标准,提出利用铁碳微电解后废水中溶解的Fe催化臭氧深度处理尾水。考察了RPB-O/Fe体系对铁碳微电解尾水的降解效果。本文研究了臭氧浓度、超重力因子和液体流量对铁碳微电解尾水的降解效率的影响规律。研究表明,在铁碳微电解后废水水质(p H、总铁浓度)不变的情况下,通过单因素分析法优化超重力因子、液体流量、臭氧浓度等参数,结果表明,在超重力因子β=30,液体流量Q=80 L/h和臭氧浓度C=80mg/L的条件下,铁碳微电解后的尾水硝基化合物可完全去除,达到国家一级排放标准(≤2 mg/L)(GB 8978-1996),总有机碳(TOC)的降解效率达83%。不同工艺的对比结果表明:超重力强化了臭氧的传质,提高了废水的降解效果。响应面法研究表明,超重力因子与气相臭氧浓度存在明显的交互作用,响应面法优化工艺的条件为:超重力因子β=29.36,液体流量Q=78 L/h,气相臭氧浓度C=96.6 mg/L,TOC的去除效率为90%,预测值(88.22%)与实际值相差1.78%,因此采用响应面法优化超重力场中Fe催化臭氧降解铁碳微电解尾水的工艺条件是合理的。(3)DNT实际废水经过上述(1)和(2)的耦合操作后,其硝基化合物的浓度已经完全去除,TOC降解率为90%,极大程度的降低了DNT实际废水的生物毒性,满足了后续生化处理的要求。为明确上述两个过程的机理及降解途径,本研究以硝基苯模拟废水(Nitrobenzene,NB)作为研究对象,结合分析仪器推断超重力强化铁碳微电解处理硝基苯废水的还原中间产物,得到其可能的降解途径为:铁碳微电解向NB提供6个电子,在电子的作用下NB被依次还原为亚硝基苯、羟基苯胺和终点产物苯胺。苯胺在Fe(Ⅱ)/O体系下变成对亚胺醌,然后氧化脱胺生成活泼不稳定的对苯醌;尾水中未被还原的NB被氧化为硝基酚,继续氧化为对苯醌;而理化性质较为活泼的对苯醌容易被分解生成小分子有机酸,最终被降解为CO和HO。