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电催化—生物氧化组合工艺构建及处理除草剂废水研究

魏金枝  
【摘要】:农药废水因具有化学需氧量高、可生化性差、毒性大等特点,采用传统的生化处理难以高效去除、达标排放。电催化氧化技术作为一种高级氧化技术已被证明对有毒有机物可高效降解并去除其毒性。而三维电极氧化技术因能更好地解决电催化氧化技术应用中存在的电流效率低、能耗高等瓶颈问题,成为近些年电化学领域的研究热点。本论文以电催化氧化技术为核心,建立电絮凝-三维电催化氧化-生物接触氧化组合工艺,并对除草剂废水的处理开展了试验研究,具体研究内容及成果如下。 以Sb掺杂Ti/SnO_2电极为阳极,采用电催化氧化技术对含丙草胺、异噁草酮、2,4-D等除草剂的模拟废水分别进行电催化氧化预处理的可行性研究。以除草剂的去除率、TOC去除率、能耗等为考察指标,优化了电催化氧化反应条件;借助于HPLC、GC-MS等分析检测技术推测了丙草胺电催化氧化降解机理;采用微生物呼吸曲线法以及藻类生长抑制试验对预处理后废水的可生化性及毒性的变化进行了研究。结果表明,电催化氧化技术可有效去除废水中的异噁草酮、丙草胺、2,4-D及部分中间体,当电流密度为20 mA/cm2,电解质投加量为0.1 mol/L,分别处理100 mL的50 mg/L丙草胺、100 mg/L异噁草酮、100 mg/L 2,4-D废水,电解60 min后,除草剂的去除率分别为丙草胺98.8%、异噁草酮73%、2,4-D 98.7%;丙草胺、异噁草酮、2,4-D废水中TOC的去除率分别为43.1%、34.3%和52.3%;能耗分别为12.4 kWh/m3、12.48 kWh/m3和14.88 kWh/m3。此时废水不可生物降解,且对藻类的生长具有抑制作用。当电解时间延长到120 min后可去除废水中全部的除草剂,丙草胺、异噁草酮、2,4-D废水中TOC的去除率也分别增加到70.2%、57.9%和75.4%,此时废水的可生化性能明显提高,对藻类生长的抑制作用明显降低。为了能高效低耗处理除草剂废水,需建立新型三维电催化氧化体系。 以价廉易得的石英微孔瓷环为载体,采用浸渍-焙烧法制备了新型的负载Sb掺杂SnO_2的石英微孔瓷环粒子电极,借助扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等分析检测技术对所制备的粒子电极的形貌及晶相组成进行了表征。以Sb掺杂Ti/SnO_2涂层电极为阳极,钛板为阴极,填充所制备的瓷环粒子电极,建立三维电极体系,以COD去除率、能耗为考察指标对二维电极体系与三维电极体系的降解效果进行对比;采用极化曲线、循环伏安曲线、羟基自由基的荧光光谱检测技术对三维电极体系的电催化氧化机理进行研究。结果表明,本论文所建立的三维电极体系因羟基自由基的产生量多于二维电极体系,因此对除草剂废水COD的去除率明显高于二维电极体系,而能耗反而低于二维电极体系,当电解120 min时,两体系COD去除率差值为28.7%,能耗差值为20.2 kWh/ kgCOD。通过对三维电极反应体系内粒子电极的电位分布进行测定表明,所建立的三维电极体系内电位分布是均匀的。采用Fluent软件对所设计反应器内流场分布进行模拟,表明反应器内流场分布也是均匀的。由此优化设计了新型的复极性三维固定床反应器。 通过可行性研究,构建了电絮凝-三维电催化氧化-生物接触氧化组合工艺,并对电絮凝、三维电催化氧化以及生物接触氧化的运行工艺进行优化,结果表明,采用电絮凝预处理COD为3000 mg/L左右的除草剂废水,在电流密度为15 mA/cm2、进水流速为4 L/h的条件下,电絮凝30 min后,出水COD为1700 mg/L左右,浊度为25 NTU,此时能耗为0.78 kWh/m3。采用三维电极反应器继续处理电絮凝出水,当槽电压调节为30 V,曝气量控制在50 mL/min、粒子电极填充量为反应器体积的2/3、水力停留时间达到120 min,出水COD为400 mg/L左右,可生化性明显提高,B/C达到0.38以上,能耗为6.9 kWh/m3。继续采用生物接触氧化工艺对废水进行生化处理,通过对生物接触氧化反应器的启动、驯化、运行,保证出水COD﹤150 mg/L。然后建立连续运行的电絮凝-三维电催化氧化-生物接触氧化组合工艺处理除草剂实际废水,整个工艺对废水的COD去除率达95%以上,实现废水达标排放。本研究可为农药厂废水的实际处理提高基础研究数据。


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