转动式多柱吸附反应器去除水中藻毒素的处理效能及参数优化

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尽管我国近年来在水体环境污染控制方面取得显著成效,但该过程涉及诸多复杂因素,彻底解决水环境问题仍需要一个长期过程。目前,巢湖等一些主要水体蓝藻爆发依然频繁。在蓝藻爆发时,通过物理、化学等方法快速清除蓝藻,是避免蓝藻腐败后水体发黑发臭的重要手段之一。然而,快速除藻过程的藻毒素溶出等二次污染问题仍未得到充分重视和有效解决,特别是,对于除藻过程溶出藻毒素的原位去除技术与装备的研究较为空白。针对这一问题,本研究自行设计了一种转动式多柱吸附反应器,旨在实现水中藻毒素的原位快速去除。考虑MC-LR是存在较为广泛,危害较为严重的一种藻毒素。本论文主要通过模拟试验研究考察了所研发反应器对MC-LR的去除效能,借助单因素和响应面法研究优化了反应器的运行参数,为该反应器的进一步研究、应用奠定基础。研究主要结论如下:(1)从吸附动力学角度,比较了椰壳、果壳、焦油3种粒状活性炭(GAC)对MC-LR吸附性能。结果表明,准一级动力学和准二级动力学均可描述3种活性炭对MC-LR的吸附过程。比较动力学吸附速率常数,其中椰壳GAC吸附效果最佳。借助吸附等温线分析了NOM对中椰壳粒状活性炭吸附性能的影响,结果表明,NOM的存在可明显降低椰壳活性炭对MC-LR的最大吸附容量q_m,本试验中,有、无NOM存在的情况下,q_m分别为7.15μg/g与49.92μg/g。(2)首先采用单因素试验考察了吸附柱总传质面积与作用面积的比值(A_j/A_w)、装置转速、单位面积活性炭投加量(m_c)、吸附柱分布面积与作用面积比值(A_f/A_w)4个主要设计参数对所研究吸附反应器的MC-LR去除效果的影响规律。结果表明,在一定范围内(5095.5g/m~2~8493g/m~2),增加m_c可显著提升MC-LR的去除效果,但超过该范围时,继续提高m_c对MC-LR去除效果的促进作用较小;本试验条件下,当A_j/A_w超过2.12时,增大该值对MC-LR具有一定的促进作用。试验中发现,在8r/min~60r/min范围内,提高转速可明显促进反应器对MC-LR的去除效果,但超过60r/min时继续增加装置转速,MC-LR去除率反而有下降的趋势;A_f/A_w对MC-LR去除效果具有显著影响,MC-LR去除率随着A_f/A_w的减小而降低,表明在作用面积内吸附柱分布范围越小越不利于MC-LR的去除。(3)基于单因素试验结果,确定各参数变化范围,借助Box-behnken中心组试验设计及响应面分析,获得了MC-LR去除率与各参数响应关系的数学模型。方差分析结果表明,所得模型极显著(F=24.65,P=0.0002),失拟项不显著(P=0.1816),信噪比为20.322。回归模型中B、C、B~2、BC对MC-LR去除率影响显著(p<0.05),A、AB和AC项对响应值影响较小(A:m_c;B:转速;C:A_f/A_w)。说明转速与A_f/A_w为两个相对重要的影响因素,且两者存在一定交互作用。基于所建数学模型,应用Design-Expert 11软件优化得出最佳运行参数为:m_c=8492.99 g/m~2,转速=35.69 r/min,A_f/A_w=0.25,该运行条件下,预测得到的MC-LR去除率33.15%,与该条件下试验值(平均值为32.61%)较为接近,相对误差仅为1.65%。(4)通过试验揭示了所研发反应器(椰壳GAC为吸附剂)对MC-LR的吸附动力学特征和传质特征,结果表明:该反应器对MC-LR的去除过程更符合准二级动力方程。颗粒内扩散模型表明颗粒内扩散并不是MC-LR传质过程的唯一控速因素,反应器外壁阻力及液膜扩散可能对MC-LR的传质过程存在影响;反应器内GAC对MC-LR的吸附过程可分为三个阶段,分别为MC-LR由液相向活性炭外表面的迅速扩散阶段、活性炭颗粒内部扩散阶段及吸附趋近平衡阶段。
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