桉木P-RC APMP废水生化—光催化处理技术及机理

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ychhe123yang
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化学机械浆具有制浆得率高,纸浆强度好等特点,是造纸工业非常重要的浆种之一,已成为国际高得率浆制浆技术的研究热点和发展方向。近年来,国内各大中型制浆造纸企业纷纷上马化机浆生产线,有效缓解了造纸纤维原料供应不足的矛盾。随着环境保护要求的提高,对制浆过程实行了“单位产品清水消耗量和出水排放浓度”双控要求,导致化学机械法制浆废水COD(Chemical Oxygen Demand化学需氧量)浓度普遍升高,生物处理配合物化处理工艺过程已经无法满足处理后出水排放要求。目前,为了提高出水水质,企业纷纷上马Fenton高级氧化工段,有效保证了出水质量,然而,带来了“成本高、设备腐蚀、化学污泥量大”等问题。本论文以行业普遍采用的桉木为制浆原料,以温和的化学预处理加盘磨化学处理、碱性过氧化氢漂白机械浆P-RC APMP(Preconditioning Refiner-Chemical Alkaline Peroxide Mechanical Pulping)制浆工艺下产生的综合废水为对象,研究表征了桉木化机浆废水污染特征,优化了生物处理工艺条件,创制了Bi2WO6,Zn Al2O4/Bi PO4光催化剂,表征了新型催化剂的特征,开发了桉木化机浆废水生化—光催化氧化联合处理技术,探讨了光催化氧化机理。主要结论如下(1)采用P-RC APMP新型化机浆制浆工艺技术,中试制取桉木漂白化学机械浆,收集制浆过程废水。检测表明:桉木化机浆废水中TS(Total Solids总固形物)含量高,污染负荷大、浓度高,综合水COD达9 325 mg/L,且B/C低至0.37。Py-GC/MS分析表明:桉木化机浆废水污染物主要为酚类、醇类、有机酸类和长链烷烃类化合物。酚类有机物的含量最高为45.24%,其中,丁羟基甲苯为28.71%。(2)采用“厌氧-好氧-混凝-Fenton氧化”组合技术处理了桉木P-RC APMP化机浆废水,并与杨木P-RC APMP化机浆废水处理效果进行比较。结果表明:杨木化机浆废水B/C值(0.43)高于桉木废水,废水可生化性更好,厌氧和好氧处理COD去除率分别为78.4%和79.1%;而桉木化机浆废水COD去除率分别为59.1%和64.4%,桉木P-RC APMP废水生化处理难度较大。将桉木、杨木化机浆废水按照不同配比混合进行生物处理,当桉木废水配比超过40%时,生物处理效果明显变差。Py-GC/MS分析表明,经厌氧处理后,原废水中的酮、酯、芳香族类化学物的含量有所降低,而废水中醚类化学物增加显著,达到了13.72%。经过好氧处理后,生化出水丁羟基甲苯的相对含量仍较高,为17.8%,酯类化合物的相对含量有所增加,增加至38.2%。酚类和丁羟基甲苯类有机物是导致桉木化机浆废水难以生化处理的原因。(3)桉木化机浆废水“厌氧-好氧-混凝-Fenton氧化”组合技术处理过程中,对混凝处理工段进行了用药量的优化,结果表明:混凝剂用量适量提高,废水COD、TOC(Total Organic Carbon总有机碳)及色度的去除率会相应提高。当PAC用量为2.0 g/L时,废水COD、TOC及色度的去除率分别为66.05%、61.43%及88.02%。优化了Fenton氧化反应条件,结果表明:反应时间、体系p H值及H2O2/Fe2+配比等因素对处理效果有很大的影响,推荐的最佳条件为:p H值为3.5,反应时间30 min,H2O2(质量分数为15%)与Fe SO4(质量分数为30%)配比为1:5。当H2O2用量为2.0 m L/L,Fe SO4溶液用量为10.0 m L/L时,废水中COD、TOC及色度的去除率分别为87.08%、89.06%及97.66%。PAC混凝出水GC/MS污染物数据分析表明,出水中有机物主要为苯环类(69.95%)和酯类(10.92%)。Fenton氧化处理出水GC/MS分析表明,经Fenton氧化后废水中的有机物种类明显降低,但丁羟基甲苯因具有较强的抗氧化效果较难去除。(4)基于以上研究,研究开发新型催化氧化法技术十分必要。通过水热法合成了钨酸铋催化剂,采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)对合成的催化剂进行了表征。结果表明,当前驱体p H值为1和7时得到的催化剂产物为Bi2WO6,而当前驱体反应p H值为13时得到的催化剂为Bi14W2O27。合成过程中,水热温度对钨酸铋催化剂的形貌和比表面积影响显著,水热反应温度越高,所得催化剂比表面积越大。当前驱体p H值为1时,Bi2WO6催化剂为3D花状微球,当前驱体p H值为7时,为纳米片状,当前驱体p H值为13时,Bi14W2O27为不规则颗粒状。使用亚甲基蓝(MB)进行紫外光催化降解验证Bi2WO6催化剂光催化氧化效果,结果表明水热温度220℃、p H值为7的条件下合成的Bi2WO6的光催化活性最高。(5)对比Bi2WO6、Zn Al2O4/Bi PO4及Ti O2这3种催化剂的光催化氧化降解桉木化机浆废水生化出水处理效果,在紫外光(辐射强度1 m W/cm~2)下Zn Al2O4/Bi PO4有最好的光催化氧化效果,其次为Bi2WO6,Ti O2效果最差。反应初始p H值,光催化时间和H2O2加入量等因素对废水降解效率的研究结果表明,光催化最佳反应p H值为7~8,经过6 h的紫外光催化氧化,Bi2WO6、Zn Al2O4/Bi PO4及Ti O2对废水TOC的去除率分别为93.13%、95.04%和77.32%。H2O2的加入能有效的提高Bi2WO6、Zn Al2O4/Bi PO4及Ti O2的光催化降解污染物速率,在达到相同处理效果的情况下可以有效缩短处理时间。当H2O2加入量为2.5 m L/L时,仅需1 h光催化降解,Bi2WO6、Zn Al2O4/Bi PO4及Ti O2对TOC去除率可分别达87.84%,89.08%和85.10%,延长反应时间到6 h,废水中的有机物几乎被完全降解。通过自由基捕捉实验,·OH、H+和·O2-对Bi2WO6和Zn Al2O4/Bi PO4紫外光催化降解反应都有贡献,其中·OH贡献最大。使用质谱联用技术(GC/MS)对经Bi2WO6光催化处理后的出水有机物进行分析,经Bi2WO6+H2O2光催化氧化处理后废水中的有机物种类明显减少,仅有4种有机被检测出。(6)采用“厌氧-好氧-光催化氧化”组合技术对桉木P-RC APMP废水进行处理,结果表明:在生物处理阶段水解酸化8 h,UASB处理12 h,好氧处理24 h,可使经生物处理后的废水COD降至647 mg/L。使用Bi2WO6光催化氧化进行深度处理,在H2O2用量3.5 m L/L,光催化氧化2 h,处理后的废水达到排放标准。
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