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《哈尔滨工业大学》 2015年
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亚铁强化去除水中磷酸盐的作用机制与效能

李婷  
【摘要】:针对工业化进程的加速推进,磷酸盐排放总量增加、排放标准日益严格的现状,寻求“高效低耗”的除磷方法具有重要的科学及现实意义。本论文选取价格低廉的Fe(II)作为除磷药剂,考察Fe(II)氧化过程对除磷的影响,探明同步氧化Fe(II)除磷的优势及作用机制。基于同步氧化Fe(II)除磷理论,进一步考察H2O2、DO和NO3-等氧化剂的强化除磷效能,分析各氧化剂的优势及劣势。针对以DO和NO3-为氧化剂的同步氧化Fe(II)除磷过程,分别提出以金属离子为催化剂和以缺氧活性污泥为诱导因子的磷酸盐强化去除方法;基于上述方法,分析诱导Fe(II)强化除磷的作用机制,优化控制反应条件,并通过分析反应产物,探明磷酸盐去除路径,为Fe(II)除磷技术的实际应用提供理论支撑和技术借鉴。通过考察Fe(II)氧化、氧化顺序及氧化速率对Fe(II)除磷效率的影响,探明了Fe(II)氧化过程与Fe(II)除磷效率之间的相互关系,得出同步氧化Fe(II)可将磷酸盐去除率由4.7%提高至44.3%的结论;结合除磷反应产物物理及化学性能的差异,以及不同p H条件下反应产物中磷酸铁、磷酸亚铁及三价铁羟基氧化的比例变化,分析了Fe(II)以游离及结合态同步氧化的除磷路径,并提出Fe(II)以游离及络合态新生Fe(III)诱导强化除磷的作用机制。基于同步氧化Fe(II)的除磷理论,研究了H2O2、DO和NO3-等三类氧化剂对Fe(II)除磷的影响,基于新生Fe(III)生成速率的差异,它们对Fe(II)除磷的促进顺序为:H2O2DONO3-。其中,H2O2药剂成本较高,不便于大规模应用;而DO和NO3-对Fe(II)除磷的促进能力有限,需分别寻求强化Fe(II)/DO和Fe(II)/NO3-除磷的有效方式。针对以DO为氧化剂的同步氧化Fe(II)除磷过程,采用过渡金属离子为催化剂,通过加速Fe(II)氧化为新生Fe(III),强化磷酸盐去除。所选金属离子中Cu(II)催化效果最优,当[PO43-]0为50mg/L,[Cu2+]0为10mg/L、Fe(II)/P摩尔比为2.4:1时,磷酸盐最高去除可达90.6%,共存Cu(II)最高去除达70.6%。反应产物以Fe PO4沉淀和Cu3Fe4(PO4)6前驱物为主,Cu(II)在催化加速生成Fe(III)强化磷酸盐去除过程中,自身也通过共沉淀方式得以去除。Cu(II)强化Fe(II)/DO除磷的路径主要包括:①Fe(II)或Cu(II)沉淀除磷;②羟基铁吸附;③Cu(II)催化诱导Fe(II)沉淀除磷;其中以路径③为主。Cu(II)催化诱导Fe(II)沉淀除磷的主要作用机制在于,利用新生络合态Fe(III)难水解的优势,并结合新生游离态Fe(III)与磷酸根较强络合能力的特点,大幅提高铁盐利用效率。针对以NO3-为氧化剂的同步氧化Fe(II)除磷过程,采用缺氧活性污泥为诱导因子,通过加速Fe(II)氧化及生物絮凝的双重作用,强化Fe(II)/NO3-除磷效率。当Fe(II)投加量为5mg/L-25mg/L时,缺氧活性污泥的存在使SP去除率提高了29%-82%。基于缺氧活性污泥的背景环境,Fe(II)/NO3-和Fe(III)/NO3-体系的动态对比结果表明,前者具有更好的氮、磷污染物去除能力,及更优的污泥沉降及脱水性能;其主要作用机制在于,缺氧活性污泥诱导产生的新生Fe(III)比外加的Fe(III)水解效率更低,而与磷酸盐结合的能力更强,从而避免铁盐水解并提高铁盐除磷效率。鉴于Fe(II)/NO3-缺氧活性污泥体系的优势,构建了缺氧活性污泥-BAF(A-BAF)耦合工艺,并通过优化Fe(II)投加量,控制工艺运行效果。长期动态运行结果表明,当Fe/P摩尔比为2.0-2.2:1时,不仅强化体系内磷酸盐去除,使工艺平均出水TP和SP分别低至0.37mg/L和0.31mg/L;还辅助微生物反硝化脱氮,使硝酸盐去除率由70.6%提高至91.5%;同时还显著改善缺氧活性污泥沉降性能,使污泥SVI值由494m L/g降低至47m L/g。在优化控制耦合工艺的基础上,进一步分析了缺氧活性污泥强化Fe(II)/NO3-除磷路径,路径主要包括:①缺氧活性污泥或羟基铁对磷酸盐的吸附;②Fe(II)化学沉淀协同微生物絮凝去除磷酸盐;③缺氧活性污泥诱导Fe(II)氧化及沉淀去除磷酸盐。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X703

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