用于污染物降解的多级连续流电化学反应器研究

摘要

工业废水中含有大量高毒性、难降解有机物，若未经处理直接排放，将对人类健康和环境安全造成极大的威胁。随着社会的发展，工业废水的排放量逐年增加，而排放标准日趋严格，现有的技术往往难以满足处理的需求。因此，针对高毒性、难降解有机物的污水处理技术亟待开发。
　　近年来，电化学氧化因其高效、便捷、无二次污染的优点得到广泛关注。大量的研究成果也证实该技术具有较好的应用前景。然而，现有研究工作大多针对不同污染物的降解效果、降解机理以及电极材料的选择，而针对电化学氧化反应器的研究则相对较少。
　　本论文成功开发了一种多级连续流电化学反应器，并系统地研究了其处理废水的性能。该反应器由十个等体积的格室串联而成，每个格室都可以方便的拆卸或安装，因此在使用时可以根据实际情况确定格室的数量。每个格室内有两块Ti/PbO2阳极和三块不锈钢阴极，仅2mm的电极间距可以降低运行电压并提高传质性能。本论文的研究工作主要包括四部分:多级反应器的水力特性、多级反应器处理模拟含酚废水的性能、多级反应器处理实际印染废水的性能、污染物降解的数学模型。
　　水力特性研究表明，多级电化学反应器内的流态特性接近理想推流，且电流密度(j)和水力停留时间(HRT)对流态特性的影响不大。在j=100 A/m2，HRT=30min时，反应器分散系数为0.09，Morrill指数为2.55，死区容积百分率仅5.2％。
　　多级反应器对模拟含酚废水的处理效果良好，且明显优于传统单级反应器。在同等条件下，多级反应器的出水COD约为单级反应器的25％-50％，而电流效率比单级反应器高出6-9倍。与传统单格式间歇反应器对比结果表明，同样采用PbO2/Ti电极处理模拟含酚废水时，多级反应器可以节省约40％-80％的时间。
　　多级电化学反应器可以高效处理经生物处理后的印染废水。在最佳条件j=120 A/m2，HRT=30 min下，脱色效率较高，出水基本为无色透明;废水COD由238-249 mg/L降至43-54 mg/L，出水pH值在6.37-6.48范围内，铅离子浓度均小于0.1 mg/L，均满足城镇污水处理厂一级排放标准;电流效率和能耗分别为42.5-43.6％和16.2-16.6 kWh/m3。
　　根据水力特性和反应动力学研究结果建立了污染物降解的带轴向分散的推流模型和多级全混流模型，并以苯酚、乙酸、马来酸和甲基橙为目标污染物验证了模型的准确性。带轴向分散的推流模型可以较好的拟合废水COD沿流程的变化。模型计算值稍高于实测值，且偏差随流程的延长、电流密度和污染物浓度的增加而稍有增加;四种污染物中，模型对乙酸的计算偏差最小，约为6-20 mg/L;对甲基橙的计算偏差最大，约为13-38 mg/L;对苯酚和马来酸的计算偏差在二者之间。多级全混流模型可以较好的拟合反应器出水COD，且计算结果与带轴向分散的推流模型相差不大，因此偏差随条件的变化也有相似的趋势。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的

第2章 文献综述

2．1 高毒性、难降解有机物的处理方法

2．2 电化学氧化技术的研究现状

2．2．1 电极材料研究

2．2．2 处理不同废水的性能

2．2．3 污染物的降解机理

2．3 电化学反应器在废水处理中的应用

2．3．1 回收金属离子

2．3．2 电絮凝与电气浮

2．3．3 电化学氧化

2．4 小结

第3章 实验部分

3．1 仪器与试剂

3．1．1 实验仪器

3．1．2 试剂

3．2 实验装置

3．3 实验准备

3．3．1 模拟废水配制

3．3．2 实际废水选取

3．3．3 示踪剂实验

3．4 分析方法

3．5 实验内容

第4章 多级电化学反应器的水力特性

4．1 停留时间分布函数

4．2 离散度

4．3 Morrill指数

4．4 死区容积百分率

4．5 小结

第5章 多级电化学反应器处理模拟含酚废水的性能

5．1 模拟废水COD沿格室的变化

5．2 模拟废水pH在各格室的变化

5．3 各格室的电压变化

5．4 与传统单级反应器处理效果对比

5．5 小结

第6章 多级电化学反应器处理实际印染废水的性能

6．1 印染废水COD去除效果

6．2 印染废水脱色效果

6．3 印染废水pH值交化

6．4 能耗和电流效率

6．5 处理前后电极特性变化

6．6 出水铅离子浓度

6．7 对二沉池出水的处理效果

6．8 小结

第7章 多级电化学反应器降解污染物的数学模型

7．1 反应级数确定

7．2 反应速率常数确定

7．3 带轴向分散的推流模型

7．3．1 模型假设

7．3．2 模型计算

7．4 多级全混流模型

7．4．1 模型假设

7．4．2 模型计算

7．5 数学模型的检验及参数的影响

7．5．1 电流密度对带轴向分散的推流模型的影响

7．5．2 污染物浓度对带轴向分散的推流模型的影响

7．5．3 电流密度对多级全混流模型的影响

7．5．4 污染物浓度对多级全混流模型的影响

7．6 小结

第8章 结论与建议

8．1 结论

8．2 建议

参考文献

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