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【6h】

活性炭负载纳米零价铁-微氧生物组合技术降解硝基酚类污染物的研究

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究的目的及意义(Research background and significance)

1.2 国内外研究现状(Overseas and domestic research progress)

1.3 研究内容与技术路线(Research content and Technical route)

2 实验材料与分析方法

2.1实验装置(Experimental equipment)

2.2试验用水(Test water)

2.3实验药品与实验仪器( Experimental drugs and experimental instruments)

2.4分析方法(Analysis method)

3 活性炭负载纳米零价铁的制备与表征

3.1活性炭负载纳米零价铁的制备(Preparation of nano-zero-val ent iron supported on granular activated carbon)

3.2活性炭负载纳米零价铁制备条件优化(Optimum preparation conditions of nano-zero-valent iron supported on granular activated carbon)

3.3 活性炭负载纳米零价铁材料的表征( Characterization of nano-zero-valent iron material supported on granular activated carbon)

3.4本章小结(Summary)

4活性炭负载纳米零价铁降解硝基酚的实验研究

4.1活性炭负载纳米零价铁降解硝基酚的影响因素(Analysis of influencing factors on degradation of nitrophenol by nZVI/GAC)

4.2 活性炭负载纳米零价铁固定床降解硝基酚的实验分析(Experimental analysis of nitrophenol degradation in nZVI/GAC fixed bed)

4.3活性炭负载纳米零价铁降解硝基酚的机理(Mechanism of Nitrophenol Removal by nZVI/GAC)

4.4本章小结(Summary)

5 微氧生物降解硝基酚的实验研究

5.1微氧折流板反应器的启动( Start-up of micro-aerobic baffled reactor)

5.2 微生物降解硝基酚的动力学研究( Kinetics of microbial degradation of nitrophenol)

5.3微氧折流板反应器降解硝基酚类污染的性能(Degradation of nitrophenols in micro-aerobic baffled reactor)

5.4反应器颗粒污泥特性分析(Characteristic analysis of reactor granular sludge)

5.5微氧生物降解硝基酚的途径与反应动力学分析(Degradation mechanism and reaction kinetics)

5.6本章小结(Summary)

6活性炭负载纳米零价铁-微氧生物降解硝基酚的实验研究

6.1组合技术降解硝基酚的运行性能(Operational performance of combined technology for degradation of nitrophenol)

6.2 组合技术降解硝基酚的影响因素(Influence factors of combined technology for degradation of nitrophenol)

6.3 组合技术对硝基酚污染物的降解机制( Degradation mechanism of nitrophenol pollutants by combined technology)

6.4本章小结(Summary)

7结论

7.1结论(Conclusions)

7.2创新点(Innovations)

7.3展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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摘要

硝基苯酚类化合物是重要的化工原料,被广泛用于医药、农药、有机化工等相关工业的生产中,此类化合物具有“三致效应”,并且化学稳定强、难于生物降解,极易在环境中累积,进而威胁生态环境安全和人类健康。因此探索安全、高效降解硝基酚类污染物的去除方法具有重要的意义。本论文以2-硝基酚(ONP)、4-硝基酚(PNP)、2,4-二硝基酚(2,4-DNP)为目标污染物,开展了活性炭负载纳米零价铁(nZVI/GAC)-微氧生物组合技术降解硝基酚类污染物的研究,取得如下主要成果: 1)利用液相还原法制备了活性炭负载纳米零价铁,并对制备条件进行了优化,最佳条件为:2.334g的FeSO4溶液100mL,0.462mol/L的NaBH4溶液50mL,活性炭投加量为5.182g。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)等手段对材料表面形貌和结构特征进行了表征,纳米零价铁成功负载到了活性炭上,分散性较好;负载到活性炭上的纳米零价铁颗粒大小较为均匀,呈球状形貌。N2吸附-脱附(BET)测试结果表明负载纳米铁的活性炭的比表面积为807.58m2/g,孔径为2.26nm;其比表面积、孔径小于未负载材料的活性炭。 2)通过静态吸附实验,研究了nZVI/GAC对硝基酚类污染物去除效果,在nZVI/GAC投加量2mg/L时,ONP、PNP、2,4-DNP的去除率最高能达到95.2%,投加量、pH、污染物初始浓度、反应时间、温度等对硝基酚类污染物的去除率均有影响。当nZVI/GAC投加量大于2g/L后,硝基酚的去除率随着投加量的増加没有明显的变化,仅增加3%左右。随着pH的升高,nZVI/GAC硝基酚的去除率逐渐下降。在动态吸附实验下,初始污染物浓度越大,初始滤速越高,污染物的去除效果越差,且传质区移动速度越快,穿透时间越短,滤速大于0.72m/h后去除率小于90%。 3)nZVI/GAC对三种硝基酚的去除反应动力学符合伪二级动力学方程,其相关系数R2>0.99;吸附过程可用Freundich等温吸附模型进行描述。nZVI/GAC去除硝基酚类污染物主要是通过活性炭吸附和nZVI还原作用完成的。采用HPLC-MS分析了ONP、PNP、2,4-DNP的降解产物,ONP被还原为邻氨基酚,PNP主要被还原为对氨基酚(PAP)和少量被氧化为对苯二酚,2,4-DNP被还原为2-氨基-4-硝基酚(2A4NP)。 4)采用微氧折流板反应器(mABR)开展了处理PNP废水实验研究,结果表明在以葡萄糖为碳源的混合基质条件下,HRT24h、进水PNP浓度小于100mg/L时,去除率95%。反应器下流室DO浓度在0.3-0.5mg/L时,COD的去除率最高。基于莫诺德方程式,考虑硝基酚类污染物对微生物的抑制作用下,建立了微氧折流板反应器降解硝基酚的抑制动力学模型。 5)通过HPLC-MS测定了微氧生物降PNP、2,4-DNP的产物,结果表明:PNP的主要中间产物包括:对氨基酚、偏苯三酚、对苯二酚。2,4-DNP的产物包括:2-氨基-4-硝基酚(2A4NP)、4-硝基-2-氨基酚(4A2NP)、2,4-氨基酚、苯酚;其降解路径是微氧颗粒污泥中的厌氧微生物将硝基酚类污染物还原成为相应的氨基酚形式,氨基酚能够被厌氧微生物转化为CH4和CO2;好氧微生物将PNP转化为偏苯三酚、对苯二酚,它们在单加氧酶或双加氧酶作用下开环进入三羧酸循环。硝基酚类污染物的好氧生物降解多经过羟基苯类的中间途径代谢。 6)nZVI/GAC-微氧生物组合技术处理PNP、2,4-DNP的效果优于单一的反应器。初始浓度在200-280mg/L,滤速在0.24m/h,HRT在30h,DO在0.3-0.5mg/L,COD去除率能够保持在95%左右;组合技术去除硝基酚类污染物机制是,nZVI/GAC颗粒中的活性炭提供的吸附点位吸附硝基酚类物质,而后被活性炭表面负载的纳米铁还原为各类硝基酚对应的氨基酚形式,氨基酚类物质在微氧颗粒污泥中厌氧微生物和好氧微生物的作用下,经过不同的途径将其转化为CO2和H2O。

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