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難降解有機(jī)磷農(nóng)藥廢水催化濕式氧化技術(shù)

  在我國,工業(yè)有機(jī)廢水的綜合治理尚未得到根本解決,尤其是對難生物降解的有毒有機(jī)廢水的治理更為困難。這類廢水的COD濃度高,且含有多種生物毒害物質(zhì),其BOD5/COD值很低,遠(yuǎn)小于工業(yè)廢水處理行業(yè)公認(rèn)的較難生化值0.3和不易生化值0.25。另一方面,目前我國有400多家農(nóng)藥生產(chǎn)廠,生產(chǎn)200多種農(nóng)藥,年產(chǎn)量近30萬噸,其中有機(jī)磷農(nóng)藥生產(chǎn)約占總產(chǎn)量的80%,而樂果(O,O-二甲基-S-(甲基氨基甲酰甲基)二硫代磷酸酯)、稻豐散(O,O-二甲基-S-(苯基乙酸乙酯)二硫代磷酸酯)是我國有機(jī)磷農(nóng)藥中的重要產(chǎn)品。通常,上述農(nóng)藥生產(chǎn)中含有大量二硫代磷酸酯類化合物,其對微生物有較大的毒害作用,所以這些農(nóng)藥生產(chǎn)廢水須經(jīng)過預(yù)處理,實現(xiàn)有機(jī)磷的有效去除后,才能進(jìn)行生化處理。國內(nèi)研究過的廢水預(yù)處理方法有:加石灰或氫氧化鈉堿解、加壓酸解、銅鹽絡(luò)合、活性炭吸附等,但因工程難度大、形成二次污染或處理費(fèi)用高等問題,這些預(yù)處理工藝沒有得到廣泛應(yīng)用。

  催化濕式氧化技術(shù)(CWAO)是在濕式氧化(WAO)的條件下引入催化劑降低反應(yīng)溫度、壓力條件,促進(jìn)有機(jī)物的徹底礦化,特別適宜處理濃度高、有毒有害、采用生化法難以奏效的難降解有機(jī)廢水,是目前處理難降解有機(jī)廢水的最有效手段之一。此技術(shù)實際應(yīng)用的難點在于制備長效非均相催化劑和制造穩(wěn)定可靠的反應(yīng)器材質(zhì),并構(gòu)建高效的反應(yīng)器類型。通常,CWAO采用均相催化反應(yīng)系統(tǒng),所使用的金屬離子(如鈷、錳、鎳離子等)在氧化反應(yīng)后會隨溶液流失,無法重復(fù)使用和再生,金屬離子對處理液也有后續(xù)污染。而使用貴金屬非均相催化劑如鉑、釕、銥等成本較高,處理效果也無明顯優(yōu)勢。采用較為廉價的氧化銅、氧化鈦、氧化鋅等負(fù)載在氧化鋯、氧化鈰、氧化鋁等載體上,是CWAO應(yīng)用研究較為普遍的工藝,但存在高溫高壓下氧化物中金屬離子易溶出,導(dǎo)致催化活性不斷下降的問題。另外,CWAO采用的反應(yīng)器主要為不銹鋼材質(zhì),同樣存在高溫高壓下濕式氧化過程導(dǎo)致不銹鋼表面金屬溶出不斷腐蝕的問題。為此,尋找穩(wěn)定反應(yīng)材質(zhì)和催化體系,推動CWAO實用化技術(shù)的突破,是環(huán)境新技術(shù)領(lǐng)域亟待開發(fā)的高濃度廢水處理工藝之一。

  一、試驗部分

  針對上述問題,本研究配制濃度為200g/L硝酸鈷浸漬液,將多孔海綿鈦材料完全浸沒于硝酸鈷浸漬液中,浸泡10min后,撈出瀝干,隨即使用紅外線烤燈在100℃下均勻烘烤1h,徹底干燥后自然冷卻,得到表面附著硝酸鈷析出物的海綿鈦。將負(fù)載了鈷鹽的海綿鈦放入馬弗爐中,從室溫以2℃/min的加熱速度加熱至350℃后,恒溫加熱3h,再緩慢冷卻至室溫。將經(jīng)過熱處理后的負(fù)載型海綿鈦與不銹鋼外殼爆炸復(fù)合,海綿鈦與不銹鋼外殼進(jìn)行爆炸復(fù)合前,爆炸劑滲入海綿鈦的質(zhì)量配比為:多孔粉狀硝酸銨90%、密度調(diào)節(jié)劑4%~6%、柴油4%~6%,制造出加工反應(yīng)器的復(fù)合材質(zhì),并制成用于后續(xù)催化濕式氧化的高溫高壓反應(yīng)釜。將含有硫磷脂和有機(jī)胺的樂果或稻豐散的廢水(COD=2000~2500mg/L,TP濃度約300~500mg/L)經(jīng)高壓計量泵增壓注入管路系統(tǒng),經(jīng)換熱器、預(yù)熱器并與壓縮空氣混合,隨后進(jìn)入所述高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi),進(jìn)行催化濕式氧化(見圖1)。催化濕式氧化的處理條件包括:空氣/氧氣用量為所需礦化COD需氧量的3倍,反應(yīng)溫度為240℃,壓力為5.0MPa,采用連續(xù)運(yùn)行。反應(yīng)后氣液混合物依次經(jīng)換熱器、冷凝器、氣液分離器后,尾氣由穩(wěn)壓閥排空,處理后的廢水經(jīng)氣液分離器底部通過液位控制排出。廢水COD值由重鉻酸鉀法測定,TP組分由氣相色譜測定。

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  二、結(jié)果與討論

  在有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的催化濕式氧化反應(yīng)中,主要研究了氧化劑用量、溫度及廢水初始濃度對TP及COD去除率的影響。

  2.1 氧化劑用量的影響

  試驗考察硫磷脂和有機(jī)胺的樂果或稻豐散廢水(TP濃度約300~500mg/L,COD約2000~2500mg/L)在250℃、5MPa及O2注入量為COD的1~5倍時催化濕式氧化的效率。試驗結(jié)果如圖2、圖3所示:供氧量對有機(jī)磷廢水的催化濕式氧化效果影響較明顯,隨著供氧量的增加,反應(yīng)速度加快,有機(jī)物去除率提高。另以供氧量分別為COD的3倍和4倍時作比較,投加量的變化對有機(jī)磷去除率影響不大,表明供氧量為理論需氧量的3倍計量投加為宜。隨反應(yīng)時間延長,供氧量對有機(jī)磷氧化率的影響有所減弱,但COD去除率的差異隨反應(yīng)時間的增加沒有減小,供氧量一直是COD去除率的限制因素,這可能是因為有機(jī)磷氧化為更穩(wěn)定的中間產(chǎn)物,而中間產(chǎn)物更難氧化使得COD去除滯后,并表現(xiàn)為COD去除率受氧化劑量變化的影響更加顯著。

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  2.2 溫度的影響

  考察有機(jī)磷廢水在5.0MPa,供氧量為理論需氧量的3倍時,反應(yīng)溫度為200~260℃時對催化濕式氧化效果的影響,試驗結(jié)果見圖4、圖5。反應(yīng)溫度對催化濕式氧化的效果跟反應(yīng)時間有關(guān),隨反應(yīng)時間的延長,反應(yīng)溫度的差異對有機(jī)磷廢水去除效果的影響逐漸減小,這是因為氧化反應(yīng)逐漸趨于完全,后期反應(yīng)與溫度變化關(guān)系不密切,因此,在反應(yīng)溫度為200~260℃范圍即可實現(xiàn)較高的有機(jī)物去除率,高于該溫度范圍時將進(jìn)一步增加能耗,但并不能有效提高有機(jī)物去除率。另外在該溫度范圍盡管溫度升高,對有機(jī)磷廢水的降解有正效應(yīng),但高于240℃后,降解效率明顯減慢。TP和COD的去除率在不同溫度下隨時間的變化規(guī)律具有相似性,但COD的去除率均低于TP去除率,這可能是由于有機(jī)磷持續(xù)氧化生成更穩(wěn)定的中間產(chǎn)物,導(dǎo)致該廢水的徹底礦化較難。反應(yīng)初期氧化速度很快,體現(xiàn)了自由基反應(yīng)的顯著特征,后期漸趨平緩。

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  2.3 廢水初始濃度的影響

  試驗考察240℃、5MPa時,有機(jī)磷廢水在不同濃度(TP從約250~500mg/L、COD值從約1500~2500mg/L)的催化濕式氧化情況,供氧量為COD的3倍,此投加量可保證降解有機(jī)磷廢水所需的氧化劑量。試驗結(jié)果如圖6、圖7所示:隨著反應(yīng)時間的延長,TP及COD去除率逐漸上升且不同初始有機(jī)濃度廢水的去除率差異減小,15min時TP去除率為92.5%~97.1%,COD去除率為66.5%~73.6%。另外,進(jìn)水有機(jī)濃度越高,最終出水的有機(jī)物去除率越高,可見催化濕式氧化法處理有機(jī)磷廢水在較寬的濃度范圍內(nèi)仍有良好的效果,且更適于處理相對濃度更高的廢水。

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  三、有機(jī)磷廢水催化濕式氧化動力學(xué)模型

  采用關(guān)聯(lián)反應(yīng)溫度、有機(jī)物濃度和供氧量三種影響因素的指數(shù)型經(jīng)驗?zāi)P?,分析有機(jī)磷廢液的催化濕式氧化動力學(xué),從宏觀上體現(xiàn)濕式氧化的實際情況:

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  式中k0為指前因子,單位決定于m、n。Ea為活化能,kJ/mol。R為氣體常數(shù)。T為溫度,K。C為有機(jī)物濃度(TP或COD),mg/L。[O2]為氧氣濃度,mg/L。m,n為反應(yīng)級數(shù)。t為反應(yīng)時間min。

  采用微分法求解反應(yīng)級數(shù)m、n的值:以圖6、圖7不同有機(jī)磷廢水的初始濃度數(shù)據(jù)作Ln(-⊿C/⊿t)-Ln(C)圖回歸得mTP=1.32,mCODcr=1.29(圖8、圖9)。由圖2、圖3不同氧投加量數(shù)據(jù)作Ln(-⊿C/⊿t)-Ln(CO2)圖回歸得nTP=0.38,nCODcr=0.17(圖10、11)。就此,TP氧化速率與其濃度呈近似1.32級關(guān)系,與H2O2濃度呈0.38級關(guān)系,而以COD去除率為基準(zhǔn)擬和的反應(yīng)級數(shù)與基于TP氧化速率的級數(shù)略有不同,分別為1.29級和0.17級,由基于TP或COD反應(yīng)級數(shù)值都可看出有機(jī)物的初始濃度比O2濃度對反應(yīng)的影響要大。

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  由不同溫度數(shù)據(jù)(圖4、圖5)用最小二乘法回歸求得經(jīng)驗?zāi)P退俾食?shù)k列于表1中。再從Ln(k)-1/RT的關(guān)系求得經(jīng)驗?zāi)P捅碛^活化能,見圖12、13。在確定表觀活化能的基礎(chǔ)上,結(jié)合式(1)得到指前因子,結(jié)果列于表2中,由此可知,基于TP和COD的表觀活化能分別是38.65kJ/mol和53.12kJ/mol。至此,TP廢水濕式氧化經(jīng)驗?zāi)P蜑椋?/p>

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  四、結(jié)論

  有機(jī)磷廢水的催化濕式氧化試驗考察了供氧量、有機(jī)初始濃度及反應(yīng)溫度的影響,研究結(jié)果表明:供氧量為廢水理論需氧量的3倍,COD在1500~2500mg/L范圍內(nèi)仍保持高去除率。200~260℃為TP催化濕式氧化的適宜溫度范圍,TP去除率達(dá)到97%。另外,研究還分別建立基于目標(biāo)污染物TP和其廢水COD值氧化降解反應(yīng)的指數(shù)型經(jīng)驗動力學(xué)模型。( >

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