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《重庆大学》 2010年
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基于难降解有机污染物特性的光催化-生化废水处理技术

徐璇  
【摘要】: 开发适用于难生物降解有机废水的处理方法一直是污水处理领域研究的技术难点。论文在分析高浓度难生物降解有机废水现有处理技术的基础上,认为“光催化+生化处理组合工艺”是一种较有前景技术。论文从现有光催化剂量子效率低、尚难用于高浓度废水处理的现实问题出发,在综述难降解有机污染物特征的基础上,基于难降解有机污染物大多具有疏水基团的特性,创新性地认为改变纳米TiO_2光催化剂的表面性能、开发一种具有疏水特性的光催化剂,通过提高光催化剂对难生物降解有机物的吸附能力,实现光催化技术对难降解有机物的选择性吸附和降解,进而降低高浓度废水光催化处理时对光量子的需求量。论文围绕这一创新思路开发了具有表面疏水特性的SDS-CuO/TiO_2光催化剂;根据光催化反应特点,以提高光催化效率和催化剂回收率为目标,开发了螺旋升流塔式光催化反应器;对基于高浓度难降解有机废水的光催化-生化处理系统进行了研究,得到如下结论: 1)用CuO对TiO_2光催化剂进行改性,获得了具有可见光响应特性的CuO/TiO_2光催化剂。经XRD表征发现CuO/TiO_2催化剂具有CuO和锐钛矿TiO_2两种晶体,Cu主要以CuO晶体的形式存在;UV-Vis表征发现CuO/TiO_2催化剂具有良好的可见光响应性能,其最大激发波长为821nm;三维荧光表征发现经过CuO改性后催化剂的电子-空穴对复合几率明显降低;BET表征发现CuO负载改性后催化剂比表面积从181.3m2/g增加至241.8m2/g。论文还以亚甲基蓝模拟废水为对象,研究了CuO/TiO_2光催化剂在可见光激发下的降解能力,结果表明:在控制反应液初始pH值为11、亚甲基蓝初始色度为500倍、催化剂用量为0.1g/L废水、H2O_2加入量为10mL/L废水时,光催化效率最高,2h脱色率可达90%。 2)用十二烷基硫酸钠(SDS)对CuO/TiO_2进行了表面修饰改性,制备了具有一定疏水特性的SDS-CuO/TiO_2光催化剂。XRD表征,发现SDS-CuO/TiO_2催化剂仍然为CuO和锐钛矿TiO_2两种晶体;SDS修饰改性将引起催化剂颗粒和孔径增大、BET比表面积减小;FTIR表征发现,经表面修饰改性的SDS-CuO/TiO_2催化剂表面含有C—C和—CH—基团。研究表明,制备SDS-CuO/TiO_2催化剂时SDS的浓度是影响催化剂光催化活性的最重要因素。当SDS浓度为临界胶束浓度(CMC)时制得的催化剂最大激发波长为763nm,BET比表面积为52.1m2/g。此时催化剂表面疏水基团量最高,电子-空穴对复合几率最小,制得的催化剂的光催化活性最佳。 3)以硝基苯模拟废水为对象,研究了SDS -CuO/TiO_2光催化剂在可见光激发下的降解能力,结果表明:在控制反应液初始pH值为9、硝基苯初始浓度为400mg/L~500mg/L、催化剂用量为0.2g/L废水、H2O_2加入量为6mL/L废水时光催化效率最高,2h对硝基苯的降解率为77%。以硝基苯和亚甲基蓝的复合废水为研究对象,发现SDS -CuO/TiO_2光催化剂对难降解有机物硝基苯具有更佳的选择性降解能力。 4)采用旋流分离理论为基础,以增大反应器A/V值和催化剂回收率为目标设计了连续流型太阳光催化反应器,控制要点是反应器半径和反应高度满足,光照面积和反应器半径满足S = 2π(0.02 ? R 3)/3R。运行实验表明,通过螺旋流回收光催化剂是可行的,连续运行20d,催化剂的流失率为26.5%,且保留于反应器中的催化剂仍然具有较高的光催化活性。在太阳光照射下进行实际印染废水处理研究发现:光照强度增加对光催化过程的促进作用具有极限;可以采用曝气充氧来替代H2O_2作为光催化反应的电子捕获剂;水力停留时间为3h时废水COD去除效果较佳。采用辅助光源可以明显增强废水的处理效果,可以在自然光照不足的情况下采用辅助光源来强化废水处理。 5)SDS-CuO/TiO_2光催化+SBR生化系统可以用于难降解有机废水的处理。用于处理印染废水时,光催化处理单元中废水中的难降解有机污染物转化过程约需40min。40min后废水BOD5和DHA值达到最大,废水可生化性最佳。系统最佳运行参数为光催化反应器中SDS-CuO/TiO_2催化剂投加量为4g、曝气量0.25m3/h、停留时间为40min;SBR生化处理单元污泥负荷0.179kgCOD/(kgMLSS·d)、曝气量0.4m3/h、曝气时间10h。此时光催化-生化系统处理出水能够达到《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287-92)I级标准。 6)在SDS-CuO/TiO_2光催化剂作用下,印染废水COD降解符合Langmuir- -Hinshelwood动力学方程。考虑废水初始COD浓度、催化剂用量、光照强度等影响因素的动力学模型为: 光催化单元BOD5生成速率为C = 23.729t ? 49.33,其中t受废水中难降解污染物量控制,本系统中30≤t≤40min。通过计算光催化处理出水的COD、BOD5和B/C值,可以得到进入生化处理单元时废水的主要污染指标和可生化性情况,从而对后续生化处理单元运行控制提供依据。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X703

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【参考文献】
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