【摘要】：焦炭行業(yè)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè),焦化廢水中有機物濃度高處理難度大,使焦化廢水處理在日趨嚴格的環(huán)保達標上難以突破。普通生化處理技術(shù)毒性承受能力低、不適應(yīng)沖擊負荷、污泥產(chǎn)生量大,導(dǎo)致其對組成復(fù)雜的含酚焦化廢水處理效果不理想。另外生物處理后的焦化廢水(BCW)中長鏈烷烴、苯系物、雜環(huán)化合物等難降解污染物(ROPs)濃度仍然較高,不能達到膜分離深度處理進水要求,導(dǎo)致其運行成本增加。因此,焦化廢水的穩(wěn)定、全面達標以及降低運行費用已成為當(dāng)今廢水處理公認的難題,我們迫切需要對現(xiàn)有的廢水處理工藝進行深度研究與改進。工藝簡單、成本較低、處理高效的新工藝、新技術(shù)的研究開發(fā)是當(dāng)前焦化廢水的一個重要發(fā)展方向�；钚蕴课椒ㄓ捎谄涑杀据^高和再生問題等原因制約了其推廣應(yīng)用。有選擇性地以固體廢棄物或品質(zhì)較低的工業(yè)品為吸附材料,一方面可降低焦化廢水處理的成本,另一方面可實現(xiàn)部分固廢資源化。褐煤活性焦和焦粉成本低,機械強度高,處理完也可以與焦炭混合用于鐵礦石燒結(jié)過程,不需要考慮回用,因此獲得了廣泛關(guān)注。本論文以煤基炭材料孔徑分布及表面化學(xué)性質(zhì)為出發(fā)點,多角度關(guān)聯(lián)物理化學(xué)性質(zhì)與吸附效率的關(guān)系,探索吸附難降解有機物的控制因素及作用機理。通過構(gòu)建活性焦生物強化系統(tǒng),從生物降解、污泥性質(zhì)和微生物特征等方面考察去除效果以及闡明活性焦強化苯酚生物降解機理。(1)針對焦化廢水中難降解有機物的特點,研究了來源相似的三種煤基炭材料焦油基活性炭(AC)、焦粉(PC)與褐煤基活性焦(LAC)對焦化廢水中ROPs的吸附行為。結(jié)果表明,活性焦在最佳操作條件(30 g/L,pH=4,25oC,t=2 h)下對COD(55%)和色度(77%)的去除率最高,比AC和PC在各自最佳條件下去除率高20%和80%。LAC雖然比表面積小但吸附量比AC大,可能與表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān),而PC的表面積和官能團都很少導(dǎo)致其去除效果不理想。熱力學(xué)動力學(xué)研究表明,吸附過程符合Freundlich等溫線模型為非均勻吸附。吸附行為符合擬二級動力學(xué)模型,對于活性焦表面擴散是其中重要的控制步驟。(2)針對吸附難降解有機物的控制因素和作用機理,進一步研究了LAC和AC的物理性質(zhì)和表面化學(xué)性質(zhì),確定控制有效吸附最本質(zhì)的因素。利用氮吸附法(BET)表征材料的物理結(jié)構(gòu),利用傅里葉紅外(FTIR)、光電子能譜(XPS)等表征材料表面化學(xué)官能團,分析探討其在吸附過程中所產(chǎn)生的作用,對其作用機理做出推斷。結(jié)果表明,盡管LAC比表面積較低(238.05 m~2/g)并且孔容較小(0.21 cm~3/g),但LAC表現(xiàn)出優(yōu)越的ROPs吸附效率(57.9%),明顯高于AC(45.2%)。FTIR和XPS表征表明LAC具有獨特的官能團結(jié)構(gòu),其中含量占比60%堿性含氧官能團為ROPs提供了更多的疏水吸附位點。3D-EEM和GC-MS進一步證實,LAC與BCW中的ROPs有較強的親和力,尤其是PAHs和雜環(huán)化合物�？偟膩碚f,表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)(依賴于碳骨架的功能基團)尤其是堿性含氧基團是影響ROPs吸附效率的關(guān)鍵因素,而其物理性質(zhì)則扮演次要角色。π-π分散作用、氫鍵作用和供體-受體相互作用被認為是ROPs吸附的主要機制。(3)針對活性焦強化苯酚生物降解的過程和機理,研究了活性焦生物強化工藝的可行性,從生物降解、污泥性質(zhì)和微生物特征等方面闡明了LAC對活性污泥(AS)的生物增強機理,建立了一種處理效率與微生物學(xué)數(shù)據(jù)的聯(lián)系。結(jié)果表明,與AS相比,LAC/AS的苯酚去除率明顯提高了2-3倍,并且使系統(tǒng)更快的達到穩(wěn)定狀態(tài)。LAC/AS系統(tǒng)中苯酚對微生物產(chǎn)生的抑制作用較小。LAC作為內(nèi)核具有良好的表面性質(zhì),微生物的多樣性和附著微生物的活性均較高,降解速率因此較高。基于高通量測序技術(shù)的微生物多樣性表明,苯酚負荷沖擊下,生物強化增強了細菌的豐富性和多樣性,促進了像Propionibacteriaceae這樣的微生物降解菌的生長。LAC/AS的良好沉降性能有助于微生物的保留,從而提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性,該方法具有處理方便、工藝穩(wěn)定和處理沖擊負荷能力等優(yōu)點。(4)針對苯酚沖擊負荷(0到200 mg/L)對活性焦生物強化法的影響,研究了苯酚沖擊負荷對活性焦生物強化過程(LAC/AS)中生物降解、污泥性能和微生物群落的影響,識別不同的苯酚負荷條件下與LAC/AS過程相關(guān)的微生物指標。結(jié)果顯示,在苯酚濃度達到200 mg/L時,LAC/AS性能才會受到干擾,而獨立活性污泥系統(tǒng)在苯酚濃度50 mg/L時就會受到干擾。LAC/AS生物強化處理工藝可促進了優(yōu)勢菌群的形成與穩(wěn)定,使該技術(shù)在抗苯酚沖擊能力和處理效率上得到提高。本論文通過研究煤基炭材料強化難降解有機物去除行為以及構(gòu)建活性焦生物強化系統(tǒng),揭示了焦化廢水中難降解有機污染物去除的控制因素及作用機理,以及活性焦強化苯酚生物降解機理。本研究為煤基炭材料在焦化廢水處理中應(yīng)用提供理論依據(jù),對實現(xiàn)焦化廢水高效、低成本處理具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X784
【圖文】：

煤基炭材料吸附焦化廢水中有機物行為解析及生物強化機理研究活性基團主要就是含氧官能團，其決定了活性炭的吸附性能力。一般是活性炭與活化劑進行化學(xué)反應(yīng)而結(jié)合在表面上的，或原料炭化不完全。通常在活性炭表面含氧官能團表現(xiàn)的形式主要是：羧基、酚羥基、羰基、內(nèi)酯基及醌基等，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示[31]。（e）羥基 （f）羰基 （c）醌基 （d）醚基（a）羧基 （b）酸酐 （c）Qg酯基 （d）芳醇基（a）羧基 （b）酸酐 （c）Qg酯基 （d）芳醇基

圖 1.4 含氮官能團Figure 1.4 Nitrogen-containing functional group幾個因素將會對活性炭的堿性產(chǎn)生一定的影響：（1）能夠吸引質(zhì)共軛 π 電子；（2）有能力結(jié)合質(zhì)子的堿性表面官能團如含氮官得到某些含氧官能團如吡喃酮（pyrone）、酮（ketone）、吡喃（具有一定的貢獻[35]。雜原子和化合物料和制備過程中，更多的是人們根據(jù)需要而人為引入的表面金屬吸附物可以與材料表面存在的雜原子和化合物反應(yīng)形成一定的作吸附能力大大增強[36]。因此，這引起了很多研究人員的關(guān)注，由炭表面官能團的具體功能等相關(guān)研究，得出了化學(xué)官能團對其化出。附作用力

【參考文獻】

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本文編號：2728366