改性活性炭对城市污水厂出水中污染物模拟吸附性能的实验研究.doc
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1、毕业设计(论文) 改性活性炭对城市污水厂出水中污染物模拟改性活性炭对城市污水厂出水中污染物模拟 吸附性能的实验研究吸附性能的实验研究 年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 给水排水工程 指导老师: 第 II 页 共 80 页 摘 要 当前,污水处理厂常规处理工艺之后出水污染物中仍然含有大量的污染物(如 重金属,表面活性剂,芳香类化合物等等)。因此,在我国,应当开发一些进一步 的技术来改善从废水处理厂排放的水质 活性炭是一种良好的吸附剂,具有巨大的比表面积和化学稳定性。活性炭吸附 技术因其诸多的优点,在国内外得到日益广泛的应用,例如:设备简单,不产生二 次污染等。 而在过去的十年里,很多学者越
2、来越重视活性炭表面官能团的作用,并进行了 大量的研究,发现化学官能团作为活性中心来高效率地去除污染物,并且可以通过 氧化改性、还原改性和负载金属改性等来改进效率。 本论文旨在对城市污水处理厂代表性工艺出水水质中污染物进行收集,分析。 然后选择一些代表性的传统的处理工艺去除困难的污染物(苯酚,氯仿,Pb2+和 Cd2+) 。而活性炭用硝酸氧化改性或者负载金属氧化铁改性后,进行了一些探索性实 验,以评估改性后活性炭的处理效率 实验结果表明:硝酸氧化改性的活性炭对金属离子 Pb2+和 Cd2+都有较好的明显 的去除效果,而且硝酸浓度为 7.2mol/L 时吸附率最高,改性效果最好。但是硝酸氧 化改性
3、的活性炭对有机污染物苯酚和氯仿的去除,没有明显的效果,甚至有反作用。 而负载金属氧化铁改性的颗粒活性炭则在处理四种污染物时吸附率都有提高。 关键词:活性炭; 改性; 负载铁离子改性;吸附 第 III 页 共 80 页 Abstract Nowadays, the effluents still have a large number of pollutants (eg. heavy metals, surfactants, aromatic compounds, etc.) even though some conventional treatment processes have been
4、performed in waste water treatment plant. Therefore, some further technologies should be developed to improve the discharged water quality from waste water treatment plants in our country. Activated carbon is an excellent adsorbent for the high surface areas and chemistry stability. Adsorption techn
5、ique with activated carbon is comprehensively being applied in home and abroad for its number advantages, such as, simple equipment, no second pollution, and so on. However, the researches in the past decates show the surface functional groups on the activated carbon act as the active centre for eff
6、icient removing pollutants and can improve the efficiency through oxidation, reduction, impregnation or others. This study firstly collected and analyzed, the main pollutants in wastewater treatment plant, and then selected some representative target pollutants (phenol chloroform Pb2+ and Cd2+) whic
7、h were difficult in removing with a conventional treatment process. Afterwards the modified activated carbons were prepared with nitric acid oxidation or iron impregated. Finally, some exploratory experiments were conducted to evaluate the efficiency of the modified activated carbons. The results sh
8、ow that the activated carbon treated with nitric acid could improve the removal efficiency of Pb2+ and Cd2+, and when the activated carbon modified with 7.2mol/L nitric acid showed the highest Pb2+ and Cd2+ removal rates. However, the modified activated carbon treated with nitric acid had no signifi
9、cant effect on phenol and chloroform removals, even counterproductive. The investigation also indicates the adsorption capacities have been improved to the four pollutants using the granular activated carbon imprengnated with iron oxide. Keywords: Activated carbon; Modification; Iron impregnated; Ad
10、sorption 第 IV 页 共 80 页 目 录 摘 要.II ABSTRACT.III 目 录IV 第 1 章 绪 论1 1.1 本论文的研究背景1 1.1.1 我国水资源污染严重.1 1.1.2 城市污水厂出水的污染情况.2 1.2 城市污水厂出水中污染物的种类,来源和危害2 1.2.1 消毒副产物三氯甲烷的来源和危害.2 1.2.2 苯酚的来源和危害.4 1.2.3 重金属废水的来源及危害.6 1.3 活性炭简介.7 1.3.1 活性炭吸附法处理水的历史及其现状.7 1.3.2 活性炭定义及种类.8 1.3.3 活性炭结构与性质.8 1.3.4 粉末活性炭在饮用水处理中应用现状.12
11、 1.3.5 活性炭的改性.12 1.4 小结.17 1.5 本论文的结构安排.17 第 2 章 实验仪器与试剂19 2.1 实验仪器.19 2.2 实验材料.21 第 3 章 实验方案22 3.1 硝酸氧化改性实验.22 3.1.1 实验原料.22 3.1.2 实验方法.22 3.2 负载金属氧化铁改性实验.22 3.2.1 氧化铁的制备.22 3.2.2 磁性氧化铁/活性炭(FeO/AC)的制备.23 3.3 改性活性炭对污水厂污染物的模拟吸附实验.24 3.3.1 活性炭改性对 Pb2+的吸附实验.24 3.3.2 活性炭改性对 Cd2+的吸附实验24 第 V 页 共 80 页 3.3.
12、3 活性炭改性对苯酚的吸附实验.25 3.3.4 活性炭改性对三氯甲烷的吸附实验.25 第 4 章 实验结果27 4.1 活性炭改性对 Pb2+的吸附结果.27 4.1.1 Pb2+的标准曲线27 4.1.2 吸附时间对 Pb2+吸附的影响.27 4.1.3 溶液 pH 值对 Pb2+吸附的影响28 4.1.4 改性活性炭对 Pb2+的吸附探究.29 4.1.5 本章小结.29 4.2 活性炭改性对 Cd2+的吸附结果30 4.2.1Cd2+的标准曲线30 4.2.2 吸附时间对 Cd2+吸附的影响30 4.2.3 溶液 pH 值对 Cd2+吸附的影响 .31 4.2.4 改性活性炭对 Cd2
13、+的吸附探究 32 4.2.5 本章小结.32 4.3 活性炭改性对苯酚的吸附结果.32 4.3.1 苯酚的标准曲线.32 4.3.2 温度对苯酚吸附的影响.33 4.3.3 溶液 pH 值对苯酚吸附的影响34 4.3.4 改性活性炭对苯酚的吸附探究.35 4.3.5 本章小结.36 4.4 活性炭改性对三氯甲烷的吸附结果.37 4.4.1 三氯甲烷的标准曲线.37 4.4.2 溶液 pH 值对三氯甲烷吸附的影响37 4.4.3 改性活性炭对三氯甲烷的吸附探究.38 4.4.5 本章小结.38 第 5 章 实验结论39 致 谢40 参考文献41 附 录 1 翻译原文.44 附 录 2 翻译译文
14、61 附 录 3 答辩问题.74 河海大学本科毕业设计(论文) 第 1 页 共 80 页 第 1 章 绪 论 1.1 本论文的研究背景 当前水污染日益加重,随着水体受污染程度越来越高,污染物的种类也越来越 多,其中有机物污染和重金属问题最为突出。这就导致污水处理时,污水处理厂常 规处理工艺之后出水污染物中含有大量的污染物(如重金属,表面活性剂,芳香类 化合物等等)。 1.1.1 我国水资源污染严重 目前,我国废水每年排放约1,000亿m3,80左右的废水未经处理就直接排入水 体,造成水源,特别是地表水的污染。根据2007年中国环境状况公报,2007年197条 河流407个水质监测断面中,-类、
15、-类和劣类水质的断面比例分别为: 49.3、26.3和24.4,七大水系中总体水质比上年好转,其中珠江、长江总体水 质良好,松花江为轻度污染,淮河、黄河为中度污染,海河、辽河为重度污染。主 要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。 表1 七大水系水质类别比例 水系名称 -类(%) 类(%)类(%)劣类(%) 长江81.53.97.86.8 黄河63.79.14.522.7 珠江81.815.203.0 松花江23.852.44.819.0 淮河25.639.59.325.6 海河25.99.711.353.1 辽河43.210.85.540.5 总体49.320.16.224.
16、4 从表1-1中可以看出,我国地表水资源质量现状,符合地面水环境质量标准 的-类标准的占49.3,、类和劣类水质的比例分别为:20.1、6.2和 24.4,则我国河流有50.7被污染,约占监测河流长度的1/2。淮河枯水期的水质 河海大学本科毕业设计(论文) 第 2 页 共 80 页 已达不到类,其部分支流的水质,常年在类以上。黄河水系属中度污染,4个水 质监测断面中,-类、类、类和劣类水质的断面比例分别为: 63.7、9.1、4.5和22.7。主要污染指标为石油类、氨氮和高锰酸盐指数。 从目前的状况来看,水资源环境污染日益严重,受污染的水源范围日益扩大, 据调查,全国 430 个城市有 90以
17、上的饮用水受到不同程度的污染。近年来,虽然 在水污染防治方面做了许多工作,但不少江河湖泊的水质仍在逐渐变差,工业发达 地区水域的污染尤为严重,在这种情况下,随着城市人口和工农业的迅速发展,要 使受到污染水源的水质在短期内恢复困难较大,近期许多水厂不得不使用受污染原 水作为生活饮用水水源1。使得我国饮用水资源出现了资源短缺和污染严重的严峻 形势。而随着经济的发展和人民生活水平的提高,人们对于饮用水的安全和质量更 加关心,要求日益提高。 1.1.2 城市污水厂出水的污染情况 近年来,人类渐渐认识到可持续发展的重要性,许多城市污水处理厂建立起来。 污水处理厂的污水深度处理技术多为物理化学生物方法,包
18、括砂滤、高级氧化、生 物过滤、沉淀法和膜分离技术等,其生化处理后的出水具有水量大的特点,又由于 大部分的污染物已经被去除,所以出水中污染物浓度较低,但是由于污水只是经过 了常规的二级生物处理,往往还含有一定浓度的有机污染物、氨氮、浊度和重金属离 子无法去除2。 这些无法去除的污染物的种类有:消毒副产物,苯酚,氨氮,重金属离子等。 1.2 城市污水厂出水中污染物的种类,来源和危害 1.2.1 消毒副产物三氯甲烷的来源和危害 1.2.1.1 消毒副产物的组成 消毒副产物(DBPs)的产生主要是因为供水水源被污染,导致水中含有大量溶解 性有机物,在加氯消毒过程中能反应形成的副产物,直接或间接地危害人
19、体健康。 目前已经发现的消毒副产物有三卤甲烷(THMs)、卤代丙烯腈(HANs)、卤代乙酸 (HAAs)、三氯硝基甲烷(HP)等,其中三卤甲烷、卤代乙酸为最具代表性的消毒副产 河海大学本科毕业设计(论文) 第 3 页 共 80 页 物。在所能测到的 DBPs 中,三卤甲烷占 64,卤代乙酸占 30,这些物质己发现 对动物有致癌作为,对人体可能也有致癌作用3。 1.2.1.2 消毒副产物的危害 加氯消毒是城市给水处理中的常见工艺。自1902年问世以来,为杀灭水中微生 物、阻止水疾病的传染,发挥了重大作用。但自1947年荷兰的Rook博士以及美国的 Belelr等人报导了在自来水中检测了以氯仿为主
20、的三卤甲烷类消毒副产物后,世界上 许多地区先后报道,在饮用水中发现三卤甲烷类物质。人们经过研究发现在消毒过 程中,氯与水中的有机物反应产生三卤甲烷(THMs)和其他副产物,如卤代乙酸 (HAAs)、卤代乙腈(HANs)、氯酚及其它特殊化合物,这些卤化有机化合物中有许多 被推测是致癌物或诱变剂。氯仿是三卤甲烷的主要物质,实际观察和实验都证明它 对人体具有全身中毒作用和远期效应,特别引人注意的是它对人和动物的致癌作用, 有的研究表明,氯仿具有积蓄性,高剂量的氯仿有明显的致癌作用,而在远期影响 方面,会引起脂肪肝和肾机能障碍。中国科学院和美国环境保护署(USEPA)联合评 价指出4:如果70年中每人
21、每饮用2升含0.1mg/L氯仿的水,每一万人中会多出34 例癌症患者。 大量流行病学调查表明,长期饮用氯消毒的饮用水与消化和泌尿系统癌症的死 亡率存在着统计学的关系5。此外研究队伍发现,每天饮用大于70g /LTHMs的生 水5升以上的孕妇,增加早期的流产危机性。根据美国国家癌症病研究所的研究结果 (NCI)几种DBPs致癌性和致突变性的分类见表1-36。目前,三卤甲烷类消毒副产物 己成为多数国家和组织的饮用水水质标准中的控制指标。1979年美国环保局(EPA)在 安全饮用水法规中规定THMs的在最高允许浓度为100g /L1994年又将此值降低到 80g /L,并提出HAAs的限量为60g/
22、L,同时提出了THMs为40g /L和HAAs为 30g /L的二期目标值。加拿大规定THMs可接受值为100g /L,澳大利亚在饮用水 指南中规定THMs为250g /L,DCAA和TCAA均为100g /L,德国对饮用水THMs 要求很高,其THMs为10g /L,表1-4为WHO与我国制定的卫生标准中对消毒副产 物的限量值: 表3 几种主要消毒副产物的浓度及毒理研究 河海大学本科毕业设计(论文) 第 4 页 共 80 页 DBPs浓度范围g/L致癌试验 氯仿*1.373.3大、小鼠致癌 1,2二氯乙烷01.4大、小鼠致癌 四氯化碳.*03.2大、小鼠致癌 溴仿*定性小仓鼠可疑致癌 六氯乙
23、烷定性小仓鼠可疑致癌 四氯乙烷定性小仓鼠可疑致癌 六氯苯*0.030.17小仓鼠致癌 注有“”的为列入我国“水中优先控制污染物黑名单”的有机物; 注有“*”的为列入美国“优先控制污染物名单”的有机物。 表4 世界四大饮用水水质标准中消毒副产物指标(g /L) 类别 成分 中国 WHO USEPA 日本 三 氯仿TCM 60 2 0 60 卤 溴仿TBM 100 100 0 90 甲 一溴二氯甲烷 60 60 0 30 烷 二溴一氯甲烷 100 100 60 10 THMs 二氯甲烷 20 20 5 20 四氯化碳 2 2 5 2 1,2二氯乙烷 30 30 5 4 一氯乙酸 40 卤 二氯乙酸
24、 50 50 300 乙 三氯乙酸 100 100 酸 一溴乙酸 由上表可知三氯甲烷(氯仿)是城市污水厂出水中较为典型的一种有机污染物。 河海大学本科毕业设计(论文) 第 5 页 共 80 页 1.2.2 苯酚的来源和危害 1.2.2.1 苯酚的性质 苯酚,又名石炭酸、羟基苯,是最简单的酚类有机物。苯酚原子量94.11,密度 1.071,熔点4243,沸点182,燃点79,是一种弱酸,无色或白色晶体,有特 殊气味,具有弱极性。苯酚的水溶液是无色的,但是如果在空气中露置,易被氧化 成粉红色,所以我们看到露置空气中的水溶液是微粉红色的。苯酚溶于乙醇、乙醚、 氯仿、甘油、二硫化碳等,加热能溶于水(室
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