（生物）电化学阴阳两极耦合实现焦化废水同步除碳脱氮的研究

发布时间：2020-04-09 10:52

【摘要】：焦化废水被认为是成分最为复杂和最难处理的工业废水之一,其特征为化学需氧量高、氨氮负荷大以及毒性强等。生物法常用于焦化废水的处理,却面临着除碳脱氮效率不高的困境,这是由于废水中存在高浓度的酚类、氰类、氨氮以及难降解物质导致可生化性低。为了达到排放标准,焦化废水的传统处理工艺需要耦合多个不同的生化反应器以依次去除有机物及氮类污染物,并且需要消耗大量的碱用于中和硝化过程及其它好氧过程所产生的酸,从而大幅度地增加了建造及运营成本。近年来,电化学水处理技术因其反应速率快、效率高、易于操作以及避免二次污染等优点而备受关注。电化学法通常包括生物电化学废水处理及电催化废水处理。为了克服传统工艺的瓶颈,本研究尝试提出利用新型电化学方法,包括微生物燃料电池(Microbial Full Cell,简称MFC)技术(一种典型的生物电化学技术)以及电氧化(Electro-Oxidation,简称EO)和电絮凝(Electrocoagulation,简称EC)相耦合的电化学工艺,在无额外投加碱源的情况下实现焦化废水同步除碳脱氮。首先,本研究报道利用单个双室MFC反应器实现同步硝化反硝化,以在零碱耗的情况下有效除碳脱氮。与传统好氧生物反应器(Aerobic Biological Reactor,简称ABR)相比,本研究构建的MFC具有更高的化学需要量(Chemical Oxygen Demand,简称COD)COD去除率及总氮(Total Nitrgoen,简称TN)转化率。在水停留时间为125小时下,MFC中COD及TN的去除率分别为83.8±3.6%和97.9±2.1%,远高于ABR中的73.8±2.9%和50.2±5.0%。研究发现MFC中焦化废水主要污染物的降解率也高于其在ABR中降解率,包括酚类化合物(苯酚、2-甲基苯酚、3-甲基苯酚、4-甲基苯酚和2,4-二甲基苯酚等)以及含氮杂环化合物(喹啉、吡啶、吲哚和异喹啉等)。研究证实了MFC强化除碳脱氮效果一方面归因于该体系的自身pH调节能力,另一方面在于MFC中异养生物、硝化菌和反硝化菌的丰度增加。电流密度与COD和TN去除率之间相关性研究表明,从阳极到阴极的电流强度是影响焦化废水处理中MFC性能的关键因数。其次,本研究证明了EO-EC耦合体系对焦化废水中COD去除及脱氮效率均优于单个EO或EC反应器。配水结果表明,EO-EC体系能够去除68.4±2.7%的COD以及92.0±0.7%的TN(操作条件:PbO_2阳极,2 mA cm~(-2);铁阳极,1 mA cm~(-2);反应时间:6小时),比单一EO反应器(43.4±3.1%;64.3±1.4%)和EC反应器(19.6±2.9%;19.6±2.1%)具有更优的效果。初步机理研究表明,苯酚和硫氰酸盐(主要COD贡献者)和氨氮主要通过PbO_2电极直接氧化去除;由体系中所产生的氯活性基团所主导的间接氧化对氨氮的转化起到了部分作用。铁阳极在耦合体系中可能作用包括:生成用于去除污染物的絮凝体、调节有利于氧化反应的体系pH、以及生成可与次氯酸盐反应产生自由基的二价铁等方面。能耗分析表明,与单一的EO或EC反应器相比,耦合的EO-EC体系用于除碳脱氮的单位能耗更低;另外,体系的单位能耗与施加于PbO_2阳极及铁阳极的电流密度密切相关。
【图文】：

焦化生产,焦化废水,来源,过程

焦化废水来源及其特征炭是人类历史长河中赖以生存的化石原料，现代煤化工将煤炭利用方式为高效精密[1]。随着钢铁工业的高速发展，对焦炭需求也日益激增，，炼化工的热点[2]。据工信部发布的消息，作为世界最大的焦炭生产商及焦炭18年焦炭总产量约为4.38亿吨。高产量的焦炭伴随的是高浓度的焦化废水总量无公开信息，采用《环境工程手册》的理论换算值，即每吨焦0吨焦化废水，故2018年我国需要处理约1.10-1.31亿吨焦化废水。焦化成为了制约炼焦行业发展的核心问题之一。化废水是焦化各操作单元汇总的工业废水，焦化过程主要包括煤高温炼收化工产品及精炼等过程。根据焦化生产过程，焦化废水的具体来源凝液分离出的剩余氨水、回收化工产品及精制过程分离出来的酚氰废水元产生的除尘废水、脱硫废液以及煤气水封水等，详见图 1-1[3]。

标准曲线,硝氮,亚硝氮,焦化废水

亚硝氮、硝氮、氨氮的测定标准曲线：A 为人工配水的亚硝氮、B 为焦化废水的亚为人工配水的硝氮、D 为焦化废水的硝氮以及 E 为氨氮 2-1 Standard curves for determination of (A) nitrite nitrogen in artificial wastewater, (B) nn in coking wastewater, (C) nitrate nitrogen in artificial wastewater, (D) nitrate nitrogen inwastewater, and (E) ammonia nitrogen in coking wastewater水体中挥发酚及苯酚的测定体中的挥发酚按照国家标准 4-氨基安替比林分光光度法进行测定，苯酚采谱仪（C18 反相色谱仪）进行测定，其中流动相为 8:2 的甲醇及超纯水，，流速为 1 mL min-1。其线性拟合结果分别为 y(Votalie Phenol)=0.1966x-949；y(Phenol)=851.84x+230.02，R2=0.9941。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X784

【参考文献】