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柑橘皮生物活性炭研制及渗滤液后续处理技术研究

谢志刚  
【摘要】:柑橘皮是一种典型的富含纤维素、半纤维素的农业废弃物,它具有独特的天然孔隙,和其他农业废弃物相比较,它具有孔隙发达和比表面积大等特性。论文在分析柑橘皮特性的基础上,认为柑橘皮的天然孔隙有利于形成中孔发达的活性炭,并有利于活化剂进入物料内部,使柑橘皮活性炭可以在较温和的条件下被活化,得到孔隙发达且表面官能团丰富的活性炭。论文基于柑橘皮活性炭被保留基团的性质,认为柑橘皮活性炭表面被保留的天然有机基团具有较强的亲生物特性,有利于生物生长,容易形成生物活性炭。基于此,论文对柑橘皮活性炭制作亲生物活性炭的工艺过程和工艺参数进行了研究,并以难降解垃圾渗滤液生化尾水为处理对象,探索了生物活性炭(BAC)的培养、驯化、固定过程,形成了用于垃圾渗滤液生化尾水进一步处理的臭氧/柑橘皮生物活性炭(O3-BAC)技术。研究结果表明: ①采用一步化学活化法、通过调配活化剂的浸渍比、浸渍时间、加热温度、保温时间等参数制备了具有亲生物特性的柑橘皮活性炭。试验结果表明,以氯化锌为活化剂,在浸渍比3:1、浸渍时间36h、550℃活化并保温1.0h,得到的柑橘皮活性炭碘值、亚甲基蓝吸附值分别为1523.1mg/g、262.5mL/g,BET比表面积为1477m2/g,中孔孔容、总孔容分别为1.440 m3/g、2.090 m3/g,孔径分布集中,平均孔径为3.87nm,属于中孔孔隙发达的活性炭。论文进一步用红外光谱检测了活性炭的表面官能团,表明在此条件下制备的柑橘皮活性炭含有羟基、羰基、甲氧基及内酯基等亲水性官能团。XRD分析表明柑橘皮活性炭的乱层石墨化趋势比较明显,微晶直径和微晶厚度小,反应活性高。 ②论文分析了柑橘皮活性炭的吸附特性,发现柑橘皮活性炭具有Ⅰ型吸附等温线特征。静态实验表明柑橘皮活性炭对渗滤液生化尾水具有良好的吸附性能,UV254值和TOC去除率分别为63.0%、59.7%,应用三维荧光光谱对吸附过程进行了跟踪,发现柑橘皮活性炭对渗滤液生化尾水中类富里酸的吸附能力较强。研究进一步表明,可以采用拟二级动力学模型描述柑橘皮活性炭对渗滤液生化尾水的吸附过程,吸附活化能为12.72 kJ·mol-1;Freundlich模型在实验范围内具有比Langmuir模型更好的相关性,1/n为0.3078~0.3147;柑橘皮活性炭的理论极限吸附量约12.0 mg/g。 ③论文比较了柑橘皮活性炭和商品活性炭用于生物活性炭载体时的挂膜、启动特性及运行效果。结果表明,按照SBR工艺运行模式对污泥进行驯化,将驯化污泥按照动态挂膜和静态膜固定方式运行,可以实现生物炭反应器的快速挂膜和启动。研究发现将驯化污泥配制成500mg/L的污泥菌液、按生物炭反应器体积浓度2~4g/L控制挂膜污泥量、并按照挂膜液循环流量400~560mL/min、下向流循环方式运行,生物炭反应器可以在1~2d内实现稳定挂膜。柑橘皮生物活性炭系统可以在1天内完成微生物的固定化,快于商品生物活性炭;有机物去除率大于70.0%,比商品生物活性炭高5.0%~10.0%。三维荧光光谱跟踪发现,渗滤液生化尾水经过柑橘皮生物活性炭池后类富里酸荧光强度下降率达到80.0%~88.0%,高激发波长类色氨酸荧光强度下降率也达到了50.0%以上,显著优于商品生物活性炭的60.0%~70.0%和33.0%。 ④面对越来越严格的渗滤液排放标准,围绕渗滤液达标排放为目的,构建了以柑橘皮活性炭为基础的臭氧/柑橘皮生物活性炭(O3-BAC)污水处理技术。通过跟踪渗滤液生化尾水中有机物分子量的改变过程,发现投加10.0mg/L臭氧时,渗滤液生化尾水中分子量M100k Da的有机物从原污水中的25%下降至约12%,分子量M1k Da的有机物从原污水中的7%增加至30%以上;同时,该废水的B/C也从0.186增加至0.313。研究进一步表明,在水力负荷为4.62m3/m2.d,进入O3-BAC污水处理系统的渗滤液生化尾水COD浓度小于700mg/L、NH3-N小于110mg/L时,出水COD小于100mg/L、NH3-N小于10mg/L,可以实现垃圾渗滤液的达标排放(GB16889—2008)。 ⑤论文还对生物活性炭的沿程性能及动力学特征进行了初步探讨。发现微生物与具有亲生物特性的柑橘皮活性炭结合牢固,微生物量最高达到429.9 nmolP/g Carbon,明显高于商品活性炭的366.4 nmolP/g Carbon,微生物活性高10.0%~20.0%左右。微生物沿程分布总体呈逐渐降低趋势,生物活性炭对有机物的去除主要集中于进水端炭层,在90cm范围内的炭层能够去除50.0%以上的有机物,占总去除率的80.0%以上。一级反应动力学方程可以较好地描述有机物的降解规律,反应速率常数沿程递减。生物活性与反应速率常数有很好的相关性,自制柑橘皮生物活性炭反应速率常数与生物活性相关系数为0.9596,而与生物量的相关系数只有0.2044。


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