废水臭氧催化氧化曝气工艺条件的优化(附件)
含有甲苯的污水可以利用臭氧催化氧化技术处理，但是甲苯的去除效果不理想，故本课题探究了不同工艺条件对甲苯处理效果的影响，在针对含有不同浓度的含甲苯污水，探究多段曝气对甲苯去除率的影响，以及在不同反应时间和在催化剂的作用下，探究污水中甲苯的去除效率。结果表明，在COD值为160的情况下，曝气A,B同时开启，其余曝气头关闭时，甲苯的去除效果效果对较好，在米环陶瓷的催化作用下去除效率有明显的提高，COD值降到56左右，去除率达60%，研究还发现适当降低水压，可以提高甲苯5%左右的去除效率。关键词 臭氧催化氧化，曝气工艺条件，甲苯，催化剂
目 录
1 绪论 1
1.1臭氧氧化技术 1
1.2臭氧传质效率 2
1.3曝气工艺 2
1.3.1机械曝气 2
1.3.2鼓风曝气 2
1.3.3微孔曝气 2
1.4研究内容和研究路线 3
1.4.1研究内容 3
1.4.2研究方法 3
2实验部分 4
2.1实验装置 4
2.2实验药品 6
2.3研究内容 6
2.3.1初始甲苯溶液的配置 7
2.3.2多段曝气的影响 7
2.3.3反应时间的影响 7
2.3.4污水浓度的影响 7
2.3.5催化剂的影响 7
2.3.6尾气处理 10
2.3分析方法 11
3结果与讨论 12
3.1多段曝气的影响 13
3.1.1单独曝气头的开启 15
3.1.2双曝气头的开启 17
4结论与展望 18
1 绪论
1.1 臭氧氧化技术
近年来臭氧氧化技术因为其具有的高效率性和没有二次污染的特点被广大学者广泛研究。但是非常遗憾的事传统的臭氧氧化技术还存在着非常大问题，成本太高、传质效率、低臭氧利用率低等问题都很大得阻碍了该技术在工业废水处理方向的发展。臭氧在工业废水中的应用总的可以概括为三类，一是消毒杀菌作用，二是作为有机物的氧化剂，三是作为提高预处理或后续处理的处理效率的药剂。本课 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
题是将臭氧作为氧化剂一部分与污水中的甲苯发生直接反应， 另一部分是臭氧分解产生的自由基与甲苯之间的反应，二者相辅相成能够更好的去除污水中的甲苯。
1.2 臭氧传质效率
在去除污水中有机物的过程，单独臭氧与有机物的反应存在很多问题，如效率低、选择性较强；低剂量的情况下臭氧无法完全矿化污染物，因此增加水中溶解臭氧的含量，增加反应后生成的羟基自由基的数量，提高氧化能力等手段来提高臭氧的利用率，是现在工业废水乃至整个臭氧研究领域急需解决的一个重要的问题。
因此，很多学者利用催化剂[1]、超声波[2]等方法来提高臭氧催化的效率，但是他们却忽略了臭氧与污水之间的传质过程，本文通过改进臭氧催化氧化接触反应器曝气工艺条件，增加臭氧传质系数，提高臭氧利用效率，从而实现良好的有机物去除效果。
然而影响臭氧传质效率的因素有很多 ，主要分为两个，一个是水动力学，例如接触时间、液相紊流程度，第二个是物理化学，例如温度、压力、化学物质等。周英豪[3]等人研究发现随着进水流量的增高，气泡的索特平均值会先大幅度增加后再增幅变缓，随着进水量由10L/min增加至15L/min，臭氧的传质系数由0.16min1增值0.22min1。同样，随着水深度增加，气泡的索特平均直径会减小，臭氧的传质系数由0.20min1增至0.26min1。郑天龙[4]等人利用微气泡/臭氧反应器因其气含率高、臭氧传质效率高、臭氧利用率高、羟基自由基数量多且负电荷在微气泡表面聚集等因素，使得微气泡臭氧的其含率（15.1%），臭氧传质系数Kla1(0.3767min1),臭氧的平均利用率（93.6%）。显著得提高了臭氧氧化的效果，同时也证明了增加臭氧的传质系数，优化曝气条件是提高臭氧利用率的有效手段。本课题目的在于探究不同曝气工艺条件对臭氧传质效率的影响，并通过检测污水中的COD值，来间接反映其传质效率。
1.3 曝气工艺
在有机物和氧分充分接触，加强传质作用，因而增加充氧的同时，必须使用混合液悬浮固体处于悬浮状态。充氧和混合是通过曝气设备来实现的 [5]。曝气设备主要分为鼓风曝气和机械曝气射流曝气三大类，其中鼓风曝气增氧效果最好,但需要建设鼓风机房和曝气管网，投资大；机械曝气安装维护方便，但在水面曝气,增氧效果差，射流曝气在水下曝气，效率低，易堵塞[6]。
1.3.1 机械曝气
机械曝气是通过安装于池面的表面曝气器来实现的，机械曝气按传动轴的安装方向，可以分为竖轴式和卧轴式两大类。后者主要用于氧化沟工艺。
1.3.2 鼓风曝气
鼓风曝气系统是由进风空气过滤器、鼓风机、空气输配管系统和浸没于混合液下的扩散器组成。[7]曝气过程中采用具有一定风量和压力的曝气风机，强制送到空气扩散装置上，再加入到污水中。施佳赟[8]等人设计了干室潜水式鼓风曝气机长期开机对曝气管内的水质起到一定的改善作用，其实验中连续12小时开机，高锰酸钾指数最大去除率达到29.8%，氨氮最大去除率达到48.7%，而叶绿素的去除虽然也有效果但是规律不明显。
1.3.3 微孔曝气
扩散器则是整个鼓风曝气系统的关键部件，它的作用是将空气分散成不同尺寸的气泡，气泡在扩散装置的出口处形成，气泡尺寸取决于扩散装置的形式，气泡越小，与周围混合液的接触面积越大。根据分散气泡的大小，扩散器又可以分为微气泡扩散器、小气泡扩散器、中气泡扩散器、大气泡扩散器 [9]。本课题使用的是微气泡扩散器。
微气泡扩散器气泡直径在100μm左右，气液接触面积大，氧气利用率高，缺点是压力损失大，进风需要过滤，氧转移效率可达30%[10]。吕越[11]等人考察了微气泡曝气中表面活性剂、油脂、苯酚、硝基苯、悬浮固体(高岭土)等典型污染物对氧传质的影响。结果表明,微气泡曝气和传统气泡曝气的表观状态具有明显差异,呈现乳浊状态。表面活性剂、豆油、苯酚、硝基苯等污染物均有助于微气泡的产生和稳定性,从而提高微气泡曝气的气含率和气泡平均停留时间。税奕瑜[12]等人采用具有微孔结构的聚四氟乙烯中空纤维膜对臭氧进行曝气，分别从气泡粒径分布和表观传质系数两方面对臭氧的气液传质过程进行研究后发现，进气流量为300L/h时，臭氧在水中的溶解度最高，且KLa值最高为0.438min1；随着温度升高，臭氧在水中的传质效果变差。刘春[13]等人通过研究发现微气泡曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间，可以强化空气和水的传质过程；并且由于表面活性剂SDS的存在有助于提高微气泡曝气的气含率和气泡停留时间。并且随着空气流量的增加，标准氧传质效率同样高于传统气泡曝气，对温度的变化也非常敏感。吕宙[14]等人研究微纳米气泡曝气与传统曝气（底部曝气）作比较，分别搭载在不同的生活污水处理工艺装置中，观察分析两种曝气方式下的污水处理结果后发现纳米微气泡对SS、CODcr、氨氮、总磷和总氮的去除率高于底部曝气方式，而且微纳米气泡曝气所产生的能耗要低于底部曝气方式。阮晓磊[15]等人在探究多级臭氧催化氧化高算重质原油废水的研究中发现单一的臭氧催化氧化具有一定的局限性，通过改进多级催化氧化技术，改进工艺后出水COD和氨氮均达到了国家标准。李邵果[16]等人在研究分段进气多级反应器流动与传质特性研究中发现单级反应器存在传质效率低混合时间长等现象多级环流反应器通过分割导流筒等方式,从而形成了多级环流的流体力学特性,可以大幅提高反应器的混合与传质性能。孙玉凤[17]等人研究了一种包括多级臭氧催化氧化系统，每级系统均由臭氧布气系统及位于臭氧布气上方的转性固体催化构成，相对单级曝气方式，此系统具有良好的提高臭氧传质效率性能。本课题使用的是微孔曝气，探究多段曝气对污水中甲苯的去除效率的影响，在装置不同位置安装曝气头，探究不同位置曝气头的开启对污水中甲苯去除效率的影响，并通过COD的变化来间接的反应甲苯的去除效率。
目 录
1 绪论 1
1.1臭氧氧化技术 1
1.2臭氧传质效率 2
1.3曝气工艺 2
1.3.1机械曝气 2
1.3.2鼓风曝气 2
1.3.3微孔曝气 2
1.4研究内容和研究路线 3
1.4.1研究内容 3
1.4.2研究方法 3
2实验部分 4
2.1实验装置 4
2.2实验药品 6
2.3研究内容 6
2.3.1初始甲苯溶液的配置 7
2.3.2多段曝气的影响 7
2.3.3反应时间的影响 7
2.3.4污水浓度的影响 7
2.3.5催化剂的影响 7
2.3.6尾气处理 10
2.3分析方法 11
3结果与讨论 12
3.1多段曝气的影响 13
3.1.1单独曝气头的开启 15
3.1.2双曝气头的开启 17
4结论与展望 18
1 绪论
1.1 臭氧氧化技术
近年来臭氧氧化技术因为其具有的高效率性和没有二次污染的特点被广大学者广泛研究。但是非常遗憾的事传统的臭氧氧化技术还存在着非常大问题，成本太高、传质效率、低臭氧利用率低等问题都很大得阻碍了该技术在工业废水处理方向的发展。臭氧在工业废水中的应用总的可以概括为三类，一是消毒杀菌作用，二是作为有机物的氧化剂，三是作为提高预处理或后续处理的处理效率的药剂。本课 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
题是将臭氧作为氧化剂一部分与污水中的甲苯发生直接反应， 另一部分是臭氧分解产生的自由基与甲苯之间的反应，二者相辅相成能够更好的去除污水中的甲苯。
1.2 臭氧传质效率
在去除污水中有机物的过程，单独臭氧与有机物的反应存在很多问题，如效率低、选择性较强；低剂量的情况下臭氧无法完全矿化污染物，因此增加水中溶解臭氧的含量，增加反应后生成的羟基自由基的数量，提高氧化能力等手段来提高臭氧的利用率，是现在工业废水乃至整个臭氧研究领域急需解决的一个重要的问题。
因此，很多学者利用催化剂[1]、超声波[2]等方法来提高臭氧催化的效率，但是他们却忽略了臭氧与污水之间的传质过程，本文通过改进臭氧催化氧化接触反应器曝气工艺条件，增加臭氧传质系数，提高臭氧利用效率，从而实现良好的有机物去除效果。
然而影响臭氧传质效率的因素有很多 ，主要分为两个，一个是水动力学，例如接触时间、液相紊流程度，第二个是物理化学，例如温度、压力、化学物质等。周英豪[3]等人研究发现随着进水流量的增高，气泡的索特平均值会先大幅度增加后再增幅变缓，随着进水量由10L/min增加至15L/min，臭氧的传质系数由0.16min1增值0.22min1。同样，随着水深度增加，气泡的索特平均直径会减小，臭氧的传质系数由0.20min1增至0.26min1。郑天龙[4]等人利用微气泡/臭氧反应器因其气含率高、臭氧传质效率高、臭氧利用率高、羟基自由基数量多且负电荷在微气泡表面聚集等因素，使得微气泡臭氧的其含率（15.1%），臭氧传质系数Kla1(0.3767min1),臭氧的平均利用率（93.6%）。显著得提高了臭氧氧化的效果，同时也证明了增加臭氧的传质系数，优化曝气条件是提高臭氧利用率的有效手段。本课题目的在于探究不同曝气工艺条件对臭氧传质效率的影响，并通过检测污水中的COD值，来间接反映其传质效率。
1.3 曝气工艺
在有机物和氧分充分接触，加强传质作用，因而增加充氧的同时，必须使用混合液悬浮固体处于悬浮状态。充氧和混合是通过曝气设备来实现的 [5]。曝气设备主要分为鼓风曝气和机械曝气射流曝气三大类，其中鼓风曝气增氧效果最好,但需要建设鼓风机房和曝气管网，投资大；机械曝气安装维护方便，但在水面曝气,增氧效果差，射流曝气在水下曝气，效率低，易堵塞[6]。
1.3.1 机械曝气
机械曝气是通过安装于池面的表面曝气器来实现的，机械曝气按传动轴的安装方向，可以分为竖轴式和卧轴式两大类。后者主要用于氧化沟工艺。
1.3.2 鼓风曝气
鼓风曝气系统是由进风空气过滤器、鼓风机、空气输配管系统和浸没于混合液下的扩散器组成。[7]曝气过程中采用具有一定风量和压力的曝气风机，强制送到空气扩散装置上，再加入到污水中。施佳赟[8]等人设计了干室潜水式鼓风曝气机长期开机对曝气管内的水质起到一定的改善作用，其实验中连续12小时开机，高锰酸钾指数最大去除率达到29.8%，氨氮最大去除率达到48.7%，而叶绿素的去除虽然也有效果但是规律不明显。
1.3.3 微孔曝气
扩散器则是整个鼓风曝气系统的关键部件，它的作用是将空气分散成不同尺寸的气泡，气泡在扩散装置的出口处形成，气泡尺寸取决于扩散装置的形式，气泡越小，与周围混合液的接触面积越大。根据分散气泡的大小，扩散器又可以分为微气泡扩散器、小气泡扩散器、中气泡扩散器、大气泡扩散器 [9]。本课题使用的是微气泡扩散器。
微气泡扩散器气泡直径在100μm左右，气液接触面积大，氧气利用率高，缺点是压力损失大，进风需要过滤，氧转移效率可达30%[10]。吕越[11]等人考察了微气泡曝气中表面活性剂、油脂、苯酚、硝基苯、悬浮固体(高岭土)等典型污染物对氧传质的影响。结果表明,微气泡曝气和传统气泡曝气的表观状态具有明显差异,呈现乳浊状态。表面活性剂、豆油、苯酚、硝基苯等污染物均有助于微气泡的产生和稳定性,从而提高微气泡曝气的气含率和气泡平均停留时间。税奕瑜[12]等人采用具有微孔结构的聚四氟乙烯中空纤维膜对臭氧进行曝气，分别从气泡粒径分布和表观传质系数两方面对臭氧的气液传质过程进行研究后发现，进气流量为300L/h时，臭氧在水中的溶解度最高，且KLa值最高为0.438min1；随着温度升高，臭氧在水中的传质效果变差。刘春[13]等人通过研究发现微气泡曝气可获得较高的气含率和气泡停留时间，可以强化空气和水的传质过程；并且由于表面活性剂SDS的存在有助于提高微气泡曝气的气含率和气泡停留时间。并且随着空气流量的增加，标准氧传质效率同样高于传统气泡曝气，对温度的变化也非常敏感。吕宙[14]等人研究微纳米气泡曝气与传统曝气（底部曝气）作比较，分别搭载在不同的生活污水处理工艺装置中，观察分析两种曝气方式下的污水处理结果后发现纳米微气泡对SS、CODcr、氨氮、总磷和总氮的去除率高于底部曝气方式，而且微纳米气泡曝气所产生的能耗要低于底部曝气方式。阮晓磊[15]等人在探究多级臭氧催化氧化高算重质原油废水的研究中发现单一的臭氧催化氧化具有一定的局限性，通过改进多级催化氧化技术，改进工艺后出水COD和氨氮均达到了国家标准。李邵果[16]等人在研究分段进气多级反应器流动与传质特性研究中发现单级反应器存在传质效率低混合时间长等现象多级环流反应器通过分割导流筒等方式,从而形成了多级环流的流体力学特性,可以大幅提高反应器的混合与传质性能。孙玉凤[17]等人研究了一种包括多级臭氧催化氧化系统，每级系统均由臭氧布气系统及位于臭氧布气上方的转性固体催化构成，相对单级曝气方式，此系统具有良好的提高臭氧传质效率性能。本课题使用的是微孔曝气，探究多段曝气对污水中甲苯的去除效率的影响，在装置不同位置安装曝气头，探究不同位置曝气头的开启对污水中甲苯去除效率的影响，并通过COD的变化来间接的反应甲苯的去除效率。
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