轻质催化内电解陶粒的制备及其在土霉素废水处理中的应用

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:lanrong
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我国是土霉素最大的生产和使用国家,土霉素废水进行有效处理后排放具有显著的环境效益。由于土霉素具有生物抑制作用,Fe-C内电解往往被用作土霉素废水生物处理之前的预处理手段,但是传统的Fe-C工艺存在着pH适应范围窄、比重大致使催化材料易板结等不足,影响了Fe-C工艺在土霉素废水处理实践中的性能发挥。针对上述问题,本研究(1)首先开展了土霉素对厌氧颗粒污泥床(EGSB)中厌氧颗粒污泥的冲击实验与恢复实验研究,通过考察颗粒污泥的比产甲烷活性,比产沼气活性、总有机碳(TOC)转移分布及总悬浮物(TSS)变化分布等因素建立了土霉素对颗粒污泥影响的反应动力学模型,提出了在实际废水处理中对土霉素效价的控制阈值,并通过中试实验进行验证;(2)从提高催化内电解效能的角度出发,依次开展了用于土霉素降解的镀铜铁粉、催化内电解陶粒(CIC)制备工艺研究和轻质催化内电解陶粒(LCIC)的批量生产与性能测试,并进一步对陶粒载体的烧结膨胀机理进行探讨;(3)通过现场中试,证实了轻质催化内电解陶粒耦合EGSB对实际土霉素类生产废水处理的应用可行性,最终成功开展了规模为1000m3/d的土霉素生产废水的处理改造工程。土霉素对厌氧颗粒污泥性能影响研究中发现:土霉素浓度与产沼气量呈现反比,土霉素浓度低于60mg/L时,产甲烷菌受到轻微的抑制;土霉素浓度介于120-180mg/L时;产甲烷菌受到土霉素的明显抑制;土霉素浓度介于240-360mg/L时,产甲烷菌受到土霉素的严重抑制甚至灭杀。产甲烷菌对土霉素的敏感程度远远高于水解酸化菌,以乙酸为底物的产甲烷菌对土霉素的敏感度低于以氢还原二氧化碳产甲烷的细菌。当土霉素浓度高于240 mg/L,2.0-2.5mm颗粒污泥会存在解体的现象。颗粒污泥受到240mg/L以下土霉素浓度冲击时可在短时间内恢复到初始比产甲烷活性,高于此浓度的冲击下沼气中甲烷占比恢复缓慢。土霉素效价的变化对比产甲烷活性的影响呈线性关系。中试实验也证实了高浓度的土霉素效价残留生产废水对EGSB及厌氧颗粒污泥有明显的抑制作用,当EGSB反应器的土霉素效价负荷为1.672.24×108/m3?d且污泥的土霉素生物效价负荷超过6.7412.6×106U/kg?d时,EGSB的颗粒污泥会发生急性中毒现象甚至导致反应器的快速崩溃。通过循环伏安法测试证明土霉素在Cu电极表面可发生明显的还原/氧化反应,镀铜率为1%的镀铜铁粉在无氧条件下对土霉素具有最佳去除效果;两次田口正交实验证明低温碳化过程产生的无机碳增加CIC的阴极电极的表面积,使得土霉素分子更容易吸附到材料表面从而提升了土霉素的降解效果。对陶粒载体的烧结膨胀机理探讨中发现O/SA(有机质/骨架成分)=0.18-0.296(最佳比例范围为0.2±0.04),MFC/SA(助熔剂/骨架成分)=0.12-0.185(最佳比例范围为0.145±0.05)条件下载体内部膨气体的膨胀力和载体表面非牛顿流体产生黏滞力的动态平衡是载体产生自膨胀的主要原因。批量制备LCIC的最佳原料配比为:O/SA=0.2±0.04,MFC/SA=0.145±0.05,镀铜率1%;C:镀铜铁粉:载体质量:添加剂比例为1.74:4:6:0.05。制备条件为低温烧结温度400±10℃,低温烧结时间20min;烧结温度1075±15℃,烧结温度10min,表面处理时间20min。在此条件下制备的陶粒的相关物理指标为:堆积密度0.938?103kg/m3,颗粒密度1.536?103kg/m3,24h吸水率为13.88%,筒压强度5.534Mpa。以轻质催化内电解陶粒作为固定床反应器的填料对模拟土霉素废水进行处理得到:pH=5.0-9.0之间时LCIC对土霉素去除率均高于72%,连续运行阶段的水力停留时间(HRT)≥3h,溶解氧(DO)=1.00±0.10mg/L;采用单独气反冲-气水联合反冲-单独水反冲的方式可以实现催化陶粒的物理再生,反冲频率为1次/d,催化剂的半数寿命为327.3-330d之间,绝对产泥量为0.459-0.492kg/m3。Fe元素以离子态方式损失的比例远高于Cu元素的比例,在整个系统正常出水与反冲过程中Cu元素均存在于污泥当中,不会对后续的生化处理造成影响。轻质陶粒在有氧条件下产生的还原/氧化自由基与土霉素分子产生的链式自由基反应是导致土霉素降解和消除的主要原因,土霉素在后期的分解产物主要为分子量为125.99、149.02和113.96的物质。采用固定床催化反应器(CBR)-EGSB联合工艺进行土霉素废水实际处理工程改造。内置催化内电解陶粒的CBR可有效地提升土霉素综合废水可生化性,当HRT为3h时可将废水的BOD5/CODcr从初始的0.12提升至0.3以上。改造工程运行性能稳定,系统对土霉素废水CODcr的去除率平均为81.62%,对土霉素去除率高达98.82%,为后续的好氧生物处理工艺创造了有利的条件。
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