SAC-Fe催化粒子電極三維電Fenton處理煤化工廢水二級出水效能研究.pdf

1、煤化工作為煤炭能源轉(zhuǎn)化行業(yè)，在生成清潔能源和提升我國能源安全保障能力方面發(fā)揮著重要作用，具有重大的戰(zhàn)略意義，但由于煤化工廢水排放量大、污染物含量高、毒性大等特點，常規(guī)生化工藝難以獲得理想的處理效果，二級生化出水中仍殘留大量難降解污染物，在我國水環(huán)境日趨惡化和水資源短缺的大環(huán)境下，國家和行業(yè)提出“近零排放”的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，尋找處理能效高、成本低的深度處理工藝是實現(xiàn)煤化工廢水“近零排放”的有效途徑。本論文針對煤化工廢水二級生化出水中殘留的難降解

2、污染物，為提高傳統(tǒng)電Fenton電流效率和空間利用率，以剩余污泥和鐵泥為原材料制備催化粒子電極，構(gòu)建三維電Fenton體系處理煤化工廢水二級出水，并以制備的催化粒子電極為載體構(gòu)建生物活性炭（Biological activated carbon，BAC），采用三維電Fenton強(qiáng)化BAC對污染物的去除，為實現(xiàn)廢水的“近零排放”提供可靠的水質(zhì)保障，著重考察三維電Fenton處理煤化工廢水二級出水的效能、分析污染物降解動力學(xué)和H2O2生成動

3、力學(xué)模型、探討催化反應(yīng)機(jī)理，為三維電Fenton應(yīng)用于煤化工廢水深度處理提供參考和理論基礎(chǔ)。
　　本論文以剩余污泥和鐵泥為原材料采用一步合成法制備催化粒子電極（SAC-Fe和SAC），利用正交試驗對制備工藝參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。SAC-Fe和SAC具有較高的比表面積和較完善的孔隙發(fā)育，SAC-Fe中Fe主要來源于原材料中的鐵泥，C和O是主要化學(xué)元素，主要活性組分以尖晶石Fe3O4晶型結(jié)構(gòu)形式存在，以嵌入和包埋方式均勻分布在多孔碳質(zhì)

4、基體的表面和內(nèi)部，且通過化學(xué)鍵與基體牢固結(jié)合，增強(qiáng)了其抗化學(xué)腐蝕性和穩(wěn)定性。制備的SAC和SAC-Fe具有較高的吸附性能，通過Langmuir吸附模型計算得到SAC、SAC-Fe和Fe3O4MNPs對煤化工廢水二級出水COD的最大吸附容量分別為112.6、101.1和33.4mg/g。
　　利用制備的SAC-Fe構(gòu)建三維電Fenton體系，三維電Fenton對煤化工廢水二級出水具有高效的處理效能，采用中心復(fù)合設(shè)計（Central

5、composite design，CCD）和響應(yīng)面法（Response surface methodology，RSM）優(yōu)化的參數(shù)為：催化粒子電極投加量5.0g/L、電流密度16.78mA/cm2、Fe當(dāng)量13.96mmol/L、pH3.95，此時COD去除率模型預(yù)測值和試驗值分別為75.74％和75.89%。三維電Fenton處理出水COD、總酚、TOC和色度均達(dá)到了國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)，且可生化性得到顯著改善

6、，急性生物毒性大幅削減。SAC-Fe表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，反應(yīng)過程中Fe離子溶出量極低，采用電化學(xué)再生法再生率達(dá)到94.33%。
　　三維電Fenton對煤化工廢水二級出水TOC的去除符合L-H動力學(xué)模型，模型中吸附作用不可忽略，表觀反應(yīng)速率常數(shù)為1.33×10-2min-1。TOC降解反應(yīng)的平均表觀Ea為33.67kJ/mol，反應(yīng)為界面控制機(jī)制。通過參與H2O2生成和消耗的（電）化學(xué)反應(yīng)建立H2O2生成動力學(xué)模型，反應(yīng)體系內(nèi)H2

7、O2濃度隨時間的延長不斷積累并趨于穩(wěn)定，H2O2最大累積濃度與電流密度、溶解氧濃度、Fe含量等因素有關(guān)。SAC-Fe的加入顯著增加了三維電Fenton反應(yīng)體系內(nèi)H2O2的生成量，二維和三維電Fenton反應(yīng)體系內(nèi)H2O2最大累積濃度分別為433.3μmol/L和741.6μmol/L。
　　三維電Fenton在酸性和弱堿性條件下產(chǎn)生的參與污染物降解的主要活性氧化物種不同，酸性條件下，三維電Fenton產(chǎn)生的自由基主要是OH，遵循H

8、aber-Weiss機(jī)制；弱堿性條件下，產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑主要是O2和少量的OH，涉及H2O2復(fù)合體的形成和分解。三維電Fenton為界面催化反應(yīng)機(jī)制，SAC-Fe為電化學(xué)反應(yīng)和污染物降解反應(yīng)提供了反應(yīng)載體和場所，污染物在SAC-Fe表面富集提高了自由基利用率。SAC-Fe同時作為三維電化學(xué)體系的粒子電極和電Fenton反應(yīng)的非均相催化劑，參與H2O2的電化學(xué)合成和H2O2的催化分解。SAC-Fe內(nèi)嵌式碳質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)賦予SAC-Fe更多的催化

9、活性位點，保證了其高效的催化活性。
　　三維電Fenton處理后，廢水中有機(jī)污染物種類從45種減少到34種，酚類化合物大部分被去除，廢水中殘留的有機(jī)污染物主要是含氮雜環(huán)類（N-heterocyclic compounds，NHCs）、長鏈烷烴類和小部分酚類化合物。三維電Fenton對吡啶、喹啉和吲哚的降解性能存在較大差異，NHCs物質(zhì)結(jié)構(gòu)與降解速率之間的關(guān)系可以用建立的QSAR模型描述。
　　采用制備的SAC構(gòu)建BAC強(qiáng)化污

10、染物的去除，BAC進(jìn)水端生物膜的生物活性較高，SOUR平均為24.6×10-2mgO2/(gSAC·h)。廢水經(jīng)三維電Fenton和BAC處理后，出水COD、總酚、TOC和色度為40.24、0.42、13.15mg/L和20倍，能夠為后續(xù)回用水處理系統(tǒng)提供可靠的水質(zhì)保障，利于廢水“近零排放”目標(biāo)的實現(xiàn)；組合工藝中三維電Fenton和BAC處理時間均大幅縮減，廢水中污染物可在短時間內(nèi)高效去除。本論文研究的三維電Fenton體系和強(qiáng)化組合工