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多核复合絮凝剂及其组合技术的理论与应用研究

张艮林  
【摘要】: 随着水污染问题日益严重,传统混凝或者化学氧化技术已经不能适应各种难降解有机废水的处理。虽然一些深度处理技术具有较好的处理效果,但由于运行费用及实际操作等方面的原因也很难得到广泛应用。为了充分发挥常规工艺的除污染物能力,在优化提高传统水处理技术效能的基础上,将具有一定应用基础和潜力的新技术与传统成熟水处理技术进行有机组合来有针对性地处理各种难降解有机废水,是较为切合实际的一种污染物去除方法,对于某些难处理工业废水和区域性难处理污水的治理具有重要的现实意义。 在合成新型多核复合无机高分子絮凝剂并提高其混凝效能的基础上,本论文试图将传统混凝技术与已经发展较为成熟并得到广泛应用的Fenton氧化技术,以及新型微波污水处理技术有机结合起来用于含油废水、印染废水、染料废水和垃圾渗滤液等的处理,这不仅拓宽了微波能的应用领域,而且也为其它难降解有机污染物的处理提供了借鉴。 在絮凝剂制备及混凝性能研究方面,论文以几种相对简单絮凝剂的制备经验和聚硅酸铝铁(PFASSi)的制备方法为基础,通过引入助剂C和D合成了一种新型多核复合无机高分子絮凝剂PMSi,其中助剂C具有氧化络合功能,助剂D既有增稠作用还有絮凝助沉功能,使得PMSi既具有较强的脱色和降解有机物的能力,而且生成的絮体大而密实,沉降速度很快。PMSi的制备工艺条件为:SiO_2%=2.2%,Al/Fe/Si(摩尔比)=10:5:1,碱化度B=2.0。在处理印染废水和垃圾渗滤液时PMSi的投加剂量最少(约为二元絮凝剂用量的一半),对水样pH值的要求也更低(最佳pH值均为7.0左右)。 在微波强化混凝和Fenton氧化组合工艺研究方面,对微波辅助强化混凝工艺而言,处理含油废水时采用先微波预处理再混凝处理的效果较好,而处理染料废水或垃圾渗滤液时采用微波辐射与混凝同时处理的效果较好;对微波辅助强化氧化工艺而言,无论是含油废水、染料废水还是垃圾渗滤液,采用先微波辐射再Fenton氧化处理均可以获得较好的效果,特别适合于有机物的降解以及溶液色度的脱除。 含油废水、染料废水和垃圾渗滤液经微波强化Fenton氧化耦合混凝法处理后,不仅各项污染指标较低,而且其可生化性大大提高。微波的引入不仅使得絮凝剂PMSi、氧化剂H_2O_2以及催化剂Fe~(2+)的用量都有较大程度的减少,而且降低了Fenton氧化和混凝沉降的时间,对于该工艺的推广应用具有重要的现实意义。 均相成核讨论表明,多核复合无机高分子絮凝剂PMSi具有更强的均相成核能力,大量晶核的形成诱导了絮凝体沉淀的形成,使得絮体颗粒迅速成长,其结果必然是絮体颗粒密实、体积大且沉降速度快。助剂C和D的引入使得PMSi的有效组分参与了Al、Fe两相的共聚,形成多相共聚产物,这些共聚产物的存在使Fe转移到微晶相,大大延缓了酸性溶液中β-FeOOH沉淀的生成,保持了高浓度PMSi产品的稳定性能。 微波强化组合技术对苯酚降解产物的HPLC分析以及含油废水微波强化处理的GC-MS分析结果均表明,微波对混凝过程的强化作用主要表现在提高破乳速度和破乳效果、提高混凝沉降速度和除浊效果,以及通过对有机污染物的表面性质(如表面电性、疏水性能……)的改变来强化混凝过程并促进部分有机物的去除,但微波强化混凝过程对有机物的直接降解作用并不明显;微波引入Fenton氧化过程使得有机物矿化程度大大增强,部分未能彻底降解的有机物则被分解为多种中间产物,其浓度大幅降低;微波强化Fenton氧化耦合混凝组合工艺则极大地促进了有机物降解,其稳定结构被破坏,分解成结构更简单成分,甚至被矿化。 微波强化混凝及Fenton氧化过程的协同效应研究表明,微波强化Fenton氧化耦合混凝组合工艺处理有机废水是微波辐射、Fenton氧化与混凝过程三者之间协同作用的结果。 微波的非热效应探讨表明,高频微波电磁场能使液相中的极性分子产生高速旋转而产生热效应,改变了体系的热力学函数;而微波的非热效应主要体现在电磁场对物质内部结构的特殊作用,通过极化作用、氢键变形、活化能改变等几种“场”效应来降低分子的化学键强度,从而强化自由基对有机物的氧化降解。


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