市政污泥典型有机物电化学处理过程中氯代副产物产生机制研究

作     者：周栩 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯慧杰

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] 

主      题：电化学 污泥 酪氨酸 丙氨酸 氯代副产物 氯自由基 

摘      要：电化学技术以高效、便于耦合等优势在污泥处理处置及资源化领域展现巨大发展潜力。当前,污水处理工艺中广泛使用含氯药剂以提高污水出水水质,导致污泥中氯元素的快速增长。氯元素和污泥中的复杂有机物在电化学高级氧化的作用下存在形成氯代副产物的风险,进而对环境和人类健康造成威胁。然而,基于电化学氧化的污泥氯代副产物产生及其机制尚未有研究报道。本文以酪氨酸、丙氨酸两种污泥典型有机物作为反应物,探究了电化学反应对氯元素的形态转化规律,及关键运行条件对氯代副产物的影响机制。具体内容包括:(1)本文选用活性污泥胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)重要组成部分酪氨酸作为反应物,探究电流密度、p H因素作用下Cl形态转化规律、酪氨酸氯化过程中及苯环结构对氯化过程影响。电流密度/电压增加能够加速Cl浓度和形态变化速率和变化量。溶液初始p H=2～3和p H≥12时可抑制Cl向游离氯形态转化,初始p H≥12时可抑制氯代副产物生成。酪氨酸氯代副产物产生过程分为两种部分,即一部分发生苯环氯取代、消除反应,一部分在酪氨酸碳支链上羧基的α碳位置上发生氯元素取代反应。氯代副产物在酸性条件下以氯代腈类为主,碱性条件下以含氯脂类、醇类化合物为主。(2)本文选用结构与酪氨酸碳支链结构相同的丙氨酸为反应物,探究电流密度、p H单因素作用下Cl形态转化规律、丙氨酸氯化过程及有机物结构和极性对氯代副产物产生过程中的影响。电流密度/电压增加能够加速Cl浓度和形态变化速率和变化量,影响氯代副产物产生时间和中间产物,对最终产物3-氯丙酸没有影响。p H变化影响氯代副产物种类及产生时间,酸性条件不利于游离氯控制,溶液初始p H在7～12范围内变化对游离氯浓度影响微小。丙氨酸氯化反应以其碳链末端碳原子上氯原子对氢原子的取代反应为主。(3)通过淬灭实验和电子顺磁共振波谱(Electron Paramagnetic Resonance,EPR)研究电化学作用下氯自由基的产生和作用机制。通过添加支持电解质降低反应电压实验验证反应过程中游离氯主要来源于活性氯转化。温度升高可抑制电化学条件下游离氯生成、延长氯代副产物产生时间。