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- 2022-04-26 发布
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Ay?*.....'I-I'-‘—-、‘7■??.??-..?‘■■-.■‘V.人,/.V天津科技大学研究生学位论文>这气谭r一'心.替輯;午一:V(申请工程硕±学位)与一’::巧海洋油气管道髙含磯清洗废水处理工艺研究<?THETREATMENTPROCESSRESE乂RCHOFHIGH?JHOSPHO民US-CONTAININGWASHINGWASTEWATERFORMARINEOILANDGASPIPELINES一、■-??.'t:S,y',?.w:;.’-、v■..-■v:,:;;■-.一..^'■一??■''—一‘^..一ji工程领城化学王程--I..非.'.校—内指导教师:唐娜教授^企业指导教师■:王志刚高级工程师;;?巧巧吉研究生姓名;贾中原申请学位级别;工程硕±(全日制),话r-二^?;片;论文提交曰期:2015年01月.韓咪篇t.诲每:,片乂.?心.产'?v..:、.'■.'.V一’V.;I:,,..^‘W’b?-?-'?.A''V‘'^'‘.、气.A...I.入r;n:10057分类号;Xl〇学校代码3.:12的8902密级;9巧研巧生学号海禅油气管道高含磯清洗废水处理工艺研巧searc-ConTheTreatmentProcessRehofHighPhosphorustainingWashinWastewaterforMarineOilandGasPielinesgp工程领踏化学工程校内指导教师:唐娜教授企业指导教师:王志刚高级工程师研巧生姓名:贾中原申请学位级别:工程硕±(全日制)论文提交日期:2015年01月课题来源:自选项目学位授予单位;天津科技大学n天津科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中特别加标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果内容,也不包括为获得天津科技大学或其它教育机构的学位或证书而。使用过的材料。对本文研巧做出重要贡献的个人和集体,均已在文中W明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名;曰期:wir年3月八曰知识产权和专利巧保护声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师具体指导下并得到相关研究经费支持下完成的,其数据和研究成果归属于导师和作者本人,知识产权单位属天津科技大学;所涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科技大学所有。本人保证毕业后,W本论文数据和资料发表论文或使用论文工作成果时署名第一单位仍然为天津科技大学。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。■作者签名:疋十豕日期;公矿年3月日//学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版,同意公布论文的全部或部分内容,允许论文被査阅和借阅。本人授权天津科技大学可W将本学位论文的全部或部分内容、编入有关数据库进行检索,可W采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。""保密[](请在方框内打>/),在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密"囚(请在方框内打叫)。作者签名;養曰期:年3月乂曰心十為\导师签名:曰期:年月曰>护主/養n摘要海洋油气管道长期处于深海环境中,在下海铺设之前要进行防腐处理,需先使用特殊配制的憐酸溶液对钢管表面进行酸洗,再经过高压超纯水水洗,酸洗和水洗过程产生的废液为高含憐废液。该废液酸度大、化学需氧量(COD)高、含磯量高、温度较高。在排放前需对高含憐废水进行处理,从而获得满足排放要求的水质,这对保护环境是非常必要的。本研巧先利用CaCl2沉淀法除憐,再利用Fenton氧化和〇3氧化降解COD,考察了处理工艺条件对出水水质的影响并优化了工艺参数,并利用响应面优化法建立数学模型,进而实验验证数学模型的可靠性。考察了海洋油气管道酸洗废水除憐工艺,研究确定了CaCb除磯过程的适宜反应’条件为:113:11?1.7:110.53005111111。供)()为,阳值为,温度,时间在此条件下,出水中总磯浓度低于Img/L。响应面优化结果表明,在所考察的n(Ca:nP、H值和反)()p应温度H个因素中:nPH,n(Ca)()和p值在考察范围内对总磯去除具有显著性影响,温度的影响不显著,pH和温度的交互作用对总磯的去除具有显著性影响;在‘C==mn(a):n(P)1.74,pH10.16,温度为22.64C的条件下,总磯浓度可降到1g/LW下。考察了海洋油气管道酸洗废水Fenton氧化降解COD工艺,研究确定了Fenton氧化过程的适宜反应条件为:每100mL废水中,30%战〇2投加量为3.37mL,2’n(H2O2):n(Fe勺为14:l,初始妍值为3,时间90min,温度30C;响应面优化实验2结果表明,H2O2投加量、n(H2〇2):n(Fe勺和pH对于COD去除率的影响都是显著的,h2战〇2投加量和ii(H2〇2):n(Fe)W及n(H2〇2):n(Fe勺和阱的交互作用也是显著的。当2每=lOOmL废水中加入战〇22.76mL,n(H2〇2):n(Fe勺为10.26,pH4.24时,模型预。测COD最大去除率为90.2%实测为86.1%,与模型预测值相差仅4.1%,模型能够比较真实的反应Fenton氧化此高含磯清洗废水的真实情况。二次Fenton氧化中确定2’(战〇2投加量为每lOOmL废水中L10mL,nH2〇2):nFe10.26114.24:。((勺为,口,湿度30在此条件下出水中COD浓度可降到37.81m/L。g考察了海洋油气管道酸洗废水O3氧化降解COD工艺,研巧确定了O3氧化过程的适宜反应条件为;臭氧投加量9.5/h,H92L/minming,进气流量,时间50p值;响应面优化实验结果表明臭氧投加量和pH对COD的去除率具显著性影响,而各交互作用的影响均不显著。当臭氧投加量为9.50g/h,pH8.92,进气流量2.33L/min时,模型预测COD的最大去除率为38.06%;验证试验得到COD的去除率为39.21%,与模型仅相差1.15%,说明此模型能够较好的模拟臭氧氧化降解COD的过程。一综上所述-enton-二Fenton,本研究最终确定了CaCl2沉淀次F氧化次氧化处理海洋油气管道高含磯清洗废水的工艺,出水指标达到了《城镇污水处理厂污染物排放一》(GB18918-2002)中级B标准标准的。n关键词:海洋油气管道:含磯清洗废水;响应而Fento化工艺优化;臭氧氧nABSTRACTMarineoilandasielineswouldbeindeeseaenvironmentforalontimeanditgpppg,willbeembalmedtreatmentbeforelaidintihesea.Thes1:eelpipewerewashedbspecialy-rearationofhoshatesolutionandthen化ehihressureultraurewaterwashin化erepp,ppgppgwerealargenumberofhighhoshoruswas化waterroducesin1;herocessoficklinandpppppgwashi打g.Thehighphosphoruswastewaterhadhighchemicaloxygendemand(COD),high*ho**psphoruscontentandhigher1;emperatuie.Theiefoieitisvernecessarfbr1;he,yyenvronme打ttodealwithhihhoshoruswas化watersoastoobtai打wateruaitwhichigppqlysatis打estherequirementofdischarge.TheCaClreciitationmethodwasusedtoremove]pphoshorusandtheCODwasderadedbFentonoxidationandOoxidationinthestud.ppgy3yThestudyi打vestigatedtheeffectofprocessconditiononthewaterquality,optimized1:herocessarametersa打destabsmathematicalmodeusi打treso打sesurfacepplihedalbyghepmethodandthe打veri巧edthereliabilitofthemathematicalmodelthrouhtheexeriment.,ygpI打specti打gthemarineoilandgaspipelinepicklingwastewaterphosphorusremovalrocessthestuddetermnesthesutareactioncondtonsforCaCbhoshorusp,yiibleiippremovalprocess:n(Ca):n(P)is1.7,pHis10.5,bmperatureis3(TCandreactiontimeis5mintheconcen化ationoftotalhoshorusinwaterlessthan1m/Lonthiscondition.,ppg..民esonsesurfaceotimizatio打resultsshowthat打GaPHwithtpp:打andinhescoeof()()pptheinvestigatio打hassignificanteffects0打totalhoshorusremovalandtheinfluenceofpp化mperaturewasnotsignificantintheinvestigationofn(Ca):n(P),pHandreactiontemeratureinthethreefactors.AtthesametimetheinteractionoftheHandtemeraturep,ppwh二二hassignificanteffectson化化1phosphorusremoval;enthen(Ca):n(P)1.74,pH°二10.16化merature22.64Ctheconcentrationof1:〇化1osorusinwatercanbeuto1,p,phphpmg/L.I打vestigating1;heFentonoxidationdegradationprocessofCODofthemarineoilandasielineicklinwastewatertheresearchde1;ermine化earoriatereactionconditionsgpppg,pppfbrFe打1tttt2;onoxidaionrocess:inever100mLwaerHO2dosinuaniispy,2gqyQ,〇2+nH2〇2:nFeis14:1initialHis3timeis90mint:emeratureis30Ctheresonse()(),p,,p;psurfaceoptimizationof化eexperimentalresultsshowthattheeffectofH2O2dosingquantity,打(H2〇2):n(Fe)andpHonCODremovalrateissignificant,H2O2dosin呂quantity2+2+andnH〇:nFenH〇:nFeandHisalsosinificant.WhenaddinHO222)).76((,(22)()pgg22mlper100mlwater,n(H2〇2):n(Fe)is10.26,pHis4.24,themodelspredictmaximum*〇meaiemovalrateofCODwas90.2/^>suredat86.1%wUh1;hemodelredictionisonl,,py4themodeltocomaretherealfento打oxidationreactio打ofthehihhoshorus.1%,pgppwashingwastewaterofthetruth.SecondFe打to打keepchangethedeterminationofH2O22+dosingquanti巧of2Q,n(H2〇2):n(Fe)10.26,pH4.24,temperatureof3(TC.Underthen9致谢conditionoftheCODconcentrationinroducedwatercanreach37.81m/L.pgSurveyingtheCODremovalproc的softhemarine0。andgaspipelinepicklingwastewaterbyozoneoxidation,thestudyidentifytheappropriatereactionconditionsforozoneoxidationrocess:ozonedosinuantitof9.5/hHis9inlet幻owrateis2pgqyg,p,L/min:the巧actio打timeis50min;theirespo打sesurfaceoptimizationoftheexperimentalresultsshowthattheozonedosingquantityandHhasasinificantinfluenceonthepgremovaofndeineracionefftsnoinificnhenzonedosinlrateCODathttecaretsat.Wo,gguantityis9.50/h,His8.92,theinletflowrateis2.33L/minthemodelredictstheqgp,pmaximumremovalrateofCODis38.06%;validation化SttheremovalrateofCODis39.21%,andthemodelsareonly1.15%,thequadraticpolynomialmodelcanbettersimulatethezonexidationdertionrocessofCOD.oogadapFromwhathabeend■siscussedabove侃sstudidentified过CaCbreciitation,ypp-secondFenFentonoxidationtonoxidationrocessforthetreatmentofhihpghoshoru-contappsiningwashinwastewaterformarineoilandasielines,waterualityggppqindexreachedthe1巧standardofurbansewagetreatmentplantpollutantdischargestandardGB-189182002.()Keywords;Marineo。andasielines,Phoshoruswastewatercleanin,巧sousegpppgpsurfaceentonozonationrocessotimization,F,,ppn目录1前胃11.1海洋油气管道高含稱清洗废水概述112.2废水中磯的处理方法1.2.1吸附法21.2.2化学沉淀法31.2.3生物法51.2.4废水中除憐的研究展望61.3废水中COD的处理方法71.3.1物理化学法71.3.2化学法91.3.3生物法131.4本课题研巧意义和主要内容151A1课题研究的目的意义151.4.2课题研究的主要内容151.4.3课题研巧的技术路线16'2海洋油气Wit酸洗废水化学沉淀法除稱研巧1121.1实验原理72.2实验材料172.2.1实验药品及试剂172.2.2主要仪器设备1821.3实验方法92.3.1分析方法192.3.2氯化巧除磯实验步骤222.4实验结果与讨论222.4.1巧磯摩尔比对总磯去除率的影响222.4.2溶液H对总磯去除率的影响23p2.4.3反应时间对总磯去除率的影巧242.4.4反应温度对总稱去除率的影响242.4.5响应面优化实验研究252.5本章小结313Fenton氧化法去除海洋油气管道酸洗废水COD研究巧333.1实验原理In33.2实验材料33.21实验药品及试剂33.334.2.2主要仪器设备3.3实验方法343.3.1分析方法343.3.2芬顿氧化降解COD实验步骤343.4实验结果与讨论3553.4COD去除效果的影响3.1双氧水投加量对2+3比nH〇:nFe对COD去除效果的影日35.4.2摩尔22)向(()3.4.3初始pH对COD去除效果的影响%34反应时间对COD去除效果的影响37.4.3.4.5反应温度对COD去除率的影响38383.4.6响应面优化实验3.4.7二次Fenton氧化对酸洗废水COD去除研究45.5453本章小结4〇3氧化法降解海洋油气管道酸洗废水COD研巧474.1实验原理4742.47.实验材料….447.2.1实验药品及试剂4.2.2主要仪器设备484.3实验方法484.3.1分析方法484.3.2臭氧氧化降解COD实验步骤484.4实验结果与讨论494.4.1反应时间及臭氧投加量对COD去除率的影响494.4.2反应时间及初始pH对COD去除率的影响504.4.3反应时间及进气流量对COD去除率的影响514.4.4响应面优化实验研究524.5本章小结575结论596展M617参考文献628攻读硕±学位期间发表论文情况699致谢70IIn天津科技大学硕±学位论文^1前言近年来,,随着我国经济的腾飞化及工农业的迅速发展废水的排放量也越来越大。W.,根据2013年全国环境统计公报显示,2013年我国废水排放总量达6954亿吨比2012年增加1.5%。其中工业废水排放量209.8亿吨,占废水排放总量的30.2%。工业废水中含有多种有害物质,这些物质排入水体中会造成严重的污染,严重危害动植物的生长レ义及人类的健康。此外,废水中氮磯的排放还会造成水体的富营养化,大量化学需氧量(COD)进入水体后,会消耗水体中的溶解氧,造成适于厌氧菌生长的环境,导致水体发臭和水质的恶化。因此工业废水在排入自然水体之前,必须要进,,行处理,达到排放要求才能减小对环境的危害保证人类狂会与自然的可持续发展。1.1海洋油气管道高含磯清洗废水概述近年来,随着我国对海洋油气井采的勘探与开发力度,在働海、东海及南海等我国海域建立了多个油气开采平台。在海底开采出的石油和天然气等工业的血液随着铺设于海底的油气输送管道输送到各个炼油厂,进而服务于各行各业,支撑着国民经济的发展。因此,随着海上油气田的不断増加,对海底油气输送管道的需求也越来越大。由于海水中较高的离子浓度,使得海水具有极高的腐蚀性,并且海底复杂的自然,环境都可对铺设于海底的油气输送管道产生极大的破坏,尤其是管道的腐蚀问题严一重影响了海底油气管道的使用年限。并且海底油气管道旦因腐蚀使石油产生泄漏,'还会严重危及海底生态环境。因此,对于铺设于海底的油气管道必须进行严格的防腐,。处理尽量减缓其被海水腐蚀的速度,才能提高其使用年限,减少经济损失機中频预热賊賴?麵觀觀'位P—[J4!I媒I-…SF?诵]P,知么—%-:轉涂敷巧管1A涂巧传动线■I高压水洗酸洗热风干燥-图11钢管防腐处理工艺流程图F-i.11Anticorrosiontreatmentrocess円OWdiaramofsteeliegpgpp1n1前言一般钢管的防腐要经过预热、除绣、除尘、中频加热、王层防腐涂层涂敷和漏电-检测等过程,1。为了适应海底环境对于海底油气管道的防腐要求处理流程见图1,用于海底油气管道的钢管在防腐涂层工艺之前,抛丸除铸工艺之后,增加了磯酸清洗工艺、高压水冲洗及热风干燥工序。在钢管表面进行酸洗是为了去除钢管表面的污溃,一提高钢管表面的清洁度,此外还可W在钢管表面形成层磯化膜,增强防腐涂层与钢管的粘结性。在酸洗及高压水洗过程中会产生大量的酸洗废液。2+酸洗废液中含有较高浓度的稱酸、有机物、Zn等。若不经处理直接排放,会对水体环境造成严重危害。因此,在酸洗废水排放前,需对其进行处理,W达到满足排放要求的水质。1.2废水中磯的处理方法在废水中,磯通常レッ磯酸盐的形式存在:无机稱酸盐、有机憐酸盐和缩聚礎酸盐。不同行业的废水中磯的存在形式及含量差别很大。含磯废水来源广泛,大多数来自于生活污水、畜牧业废水、农业化学肥料的流失W及工业废水的排放。在生活污水中,憐主要来自于人体代谢产物W及洗漆剂的使用,其中含磯洗涂剂是生活污水中磯的主要来源。在畜牧业废水中,磯主要来自于动物的排泄物及畜禽饲料的残留。农业废水中磯来自于化学肥料W及含磯农药随水止的流失。工业废水中磯主要来自于磯肥生产行业、化工行业、医药行业及金属表面酸洗行业。..磯是引起水体富营养化的关键性物质,对水体环境造。当水体中含有过量的磯时成的危害之一就是水体的富营养化现象。在湖泊和河流中发生的水华W及海洋中的赤潮现象就是水体富营养化所引起的严重的环境问题的典型例子。水体的富营养化主要表现为水中浮游藻类的大量繁殖,导致水体透明度下降,水中溶解氧降低W及鱼类的大量死亡,对整个水体环境会产生无法估量的损害。一些有毒有害的有同时工业含憐废水中通常还含有大量的有机物和重金属离子。机物和重金属离子进入水体会严重影响水体中浮游动植物和鱼类的生长,同时这些有毒有害的有机物和重金属离子进入鱼体被人食用后,也会严重影响人类的健康。废水中磯的处理方法主要有吸附法除磯、化学沉淀法除磯W及生物法除憐等。所,有的除磯的方法都是通过憐的转化过程,将污水中的憐转化为不溶的憐酸盐沉淀或L,、者在生物法、结晶义及吸附的过程中,使磯转化为细胞物质、晶体等再通过离也过滤、沉淀等手段将其与水分离,从而达到去除憐的目的。1.2.1吸峭法吸附法除磯利用吸附剂的多孔性、比表面积较大、通透性好W及吸附能力强的特性,通过吸附剂和磯之间的物理化学反应达到除磯的目的。吸附法除磯既包含物理吸附的过程,也包含有化学吸附过程。优良的吸附剂应该具有比表面积大、生产比较方便、易于再生且价格低廉、吸附能力强等特点。很多天然物质(如粉煤灰、赤泥、膨润±和珪藻止)及工业废渣(如冶金炉渣、钢渣粉末和氧化铁尾矿等)都具有良好2n天津科技大学硕上-学位论文P1的吸附性能利用天然磁黄铁矿去除废水中的磯,,当废水中磯的初。Li等研究表明171mL.1始浓度为.g/时,磁黄铁矿可除去溶液中99%的磯。且磁黄铁矿对于废水的?H值在3,.5口的范围内憐的去除率均可达90%W上。pH适应范围广,废水的初始p磁黄铁矿对磯的吸附符合朗格利尔模型且符合伪二级动力学模型,表明磁黄铁矿对礎W-的吸附属于化学吸附沸石复合吸附剂吸附水中的憐,。张银风等利用珪藻±并研究'^£[>1:1混合00了静态吸附下的吸附动力学和吸附等温线。实验将珪藻王和沸石^,于6°条件下灼烧Ih,在温度为25C,pH值为7,吸附时间2h的条件下,最大吸附量可-达2.5mg/。等温吸附结果表明,娃藻±沸石复合吸附剂对憐的吸附符合朗格利尔吸.g-附过程,娃藻±沸石复合吸附剂对稱的吸附符合准二级反应动。动力学吸附结果表明力学。。复合吸附剂中金属离子的存在促进了对麟的吸收二次,其吸附的磯都可W进行回收而再次利用吸附法除憐极少产生污染。然而不,。同吸附剂对各种性质的含磯废水处理效果不同吸附剂的抗干扰性低,再生麻烦且吸附剂在吸附的过程中因各种条件也会产生溶解损失,使吸附剂在使用的过程中吸附能力不断下降,吸附的礎难W回收,这些都限制了。而且天然吸附剂因杂质含量较多吸附法除磯的发展。由于吸附法除磯具有吸附饱和的现象,因此吸附除憐不适用于高浓度含磯废水的处理,只适用于磯含量较低的废水的处理。开发针对不同水质及不同含碟量废水的吸,附剂,,提高吸附剂的再生的效率W及増大吸附剂的吸附量寻找廉价易得的吸附剂?,在吸附除磯的礎回收方面加大研究力度研发具有优良性能的复合吸附剂。大力发展。吸附与离子交换W及其他技术相结合的技术,是未来利用吸附法除磯的趋势1.2.2化学沉淀法化学法除磯是W向废水中投加化学药剂的方式使化学药剂中所含的金属离子与废水中的磯酸根离子生成难溶性的磯酸盐沉淀,再经过固液分离的方法将沉淀与水分离,从而法到除去废水中的憐的目的。化学药剂主要是二价或H价的金属离子,例如2+3+2+3+Ca、Fe、Mg和A1等。通过调节这些二价或者兰价金属离子和憐酸根离子的比心。例义及适宜的pH值,使磯与这些金属离子磯酸盐沉淀的形式去除化学沉淀法除一个复杂过程,主要有W下四个憐的过程是,它是由物理过程和化学过程结合而成的步骤:沉淀反应、凝聚作用、絮凝作用和固液分离。(1)巧盐除憐在磯的去除中,巧盐是常用的金属盐,包括氯化巧、氨氧化巧和生石灰等。由于价格便宜及操作条件简单等因素,使其成为应用最为广泛的除憐药剂。巧盐除磯生^,例如磯酸氨巧、憐酸八巧、无定形磯酸巧、〇3£??〇^成的沉淀有多种形态4)31>及()(…Ca3(P〇4)2等,其中Ca3(P〇4)2和Cas(OH)(P〇4)3为主。而Ca5(0巧(P〇4)3是诸多形W一W一态沉淀中最为稳定的种。在巧盐除磯中,pH值是影响除磯效果的个关键因素。2+3-在适宜的pH值下,通过调整Ca和P〇4的浓度比可形成最为稳定的憐酸盐沉淀。兰W吉奎等利用投加CaCl法处理超高浓度的含稱废水,总磯的浓度为%00m/L。2的方g3n1前言研究结果表明,在n(Ca):n(P)为1.18:1,pH值为9的条件下,礎的去除率高达99.98%。在利用巧盐除磯的过程中,应该控制pH值大于10H值小于9时,水,当p2-3-2+8P1中的C〇3会与P〇4竞争Ca,会抑制径基磯灰石的生戚。K6iv等蝴用富含Ca的水化油页岩灰作为过滤材料处理经过预处理的市政废水レ义及垃圾渗滤液。预处理过0-m得市政废水TP浓度为.1317g/L,预处理过的垃圾渗滤液TP浓度为3.4mg/L。实验为现场半工业规模,其中市政废水处理运行6个月,垃圾渗滤液处理运行12个月。结果表明,在两个试验中,污水平流的情况下,磯的去除率都达到了99%。水化油页岩灰对憐的去除效率随着污水中憐含量的增加而增大,这说明除礎过程是磯酸巧的直接沉淀而不是吸附。在所有的过滤器中水化油页岩灰组成的改变说明了憐的明显增加,一89.在水平流过滤器中憐的含量从初始的4.5m/k年后的6649m/kgg增加到gg,几乎TP0-所有的都被去除。出水中磯的浓度为.050.5mg/L,且过滤器中磯没有任何达到跑和的迹象。(2)铁盐除磯铁盐是比较常用的除磯药剂。常用的铁盐有FeCk、FeS&、Fe2(S〇4)3W及高分子2+3+聚硫酸铁、聚氯化铅铁和聚娃酸侣铁等。Fe和Fe在水中能够水解,从离子态转变成为疑基络合物,而铁离子的径基络合物具有很强的吸附性能。因此,铁盐除憐是通3+2+一??〇3:种为?6或者6直接与4:5应生成磯酸盐沉淀过两种不同的方式进行的第,这是铁盐除磯的主要过程;第二种是铁离子在水中水解成的多种経基络合物对不同存在形式的磯的吸附,这是次要过程。铁的径基络合物可通过电中和、吸附架桥和絮体卷扫使胶体凝聚,通过沉淀分离将磯去除。铁盐除憐的反应式如下所示;扣Fe+P^FePOl(-1巧1).+-3/牛2戶O^护^戶〇-^主(12)j3(4)2tWZhang等研巧了Fe(IIyP摩尔比和脚值对亚铁盐除磯的影响并考察了其反应机理。研究结果表明,FIi,在亚铁盐除磯的过程中e摩尔比对于憐的去除具有显著(yP的影响,最佳的Fe(IIyP摩尔比为2.25;pH值对于憐的去除也具有显著影响,最佳的?8.0H是调节Fee沉淀的关键因素。pH范围为7.0,研究还发现,p3(P0化沉淀和F0H()2在铁盐除磯中,,不同形态铁盐除磯的效果不同有研究表明铁在离子态时除憐的效果11122+[】[】最好。李婷等考察了亚铁氧化除磯的因素和反应动力学,结果表明,同步氧化Fe2+2+除磯与单独Fe除磯相比能够显著提高对礙的去除效率。随着溶解氧的增加,Fe的除磯效果明显增大,当pH值为8时,稱的去除率最大。提高反应体系的温度レッ及増大2+2+Fe的初始浓度,均能改善Fe的除稱效果。(3)儀盐除稱镑盐除稱是通过在污水中投加较离子和镇离子,使其与污水中的磯酸根离子反应生成难溶性的憐酸钱摸(MgNH4P(V6H2〇),俗称鸟粪石。磯酸按镇富含N、P、Mg4n天津科技大学硕±学位论文一W三种元素,是种优良的农业肥料arti。M等研究了在利用鸟粪石结晶法处理消化污泥的过程中操作条件的影响80%-90%和。结果表明,磯的沉淀率和回收率分别可达到70%-85%。生成的沉淀主要是鸟粪石,另外还有部分非晶型礎酸巧和方解石。但是,当淘洗水流中巧的浓度较高时,在结晶器中获得的鸟粪石的含量较低,因此,若要获得鸟粪石tn化等利用连续鸟粪石反应结晶工艺从礎矿工业,则应减少淘洗流量。Hu3'废水中回收磯,废水中P〇4质量分数为化445%,pH<4。研究了298K温度下在镑离子-含量超出计量值20%的情况下,H值(81(s)p.50)和平均停留时间90(K3600对产品-尺寸分布的影响。结果表明,生成晶体的平均尺寸为2537叫n,在镑离子过量20%,pH值为9,平均停留时间为3600s的条件下,生成晶体的尺寸最大。经过处理,废水〇中磯的浓度从0.445%降至0.00092/〇。(4)铅盐除磯3+3?一A一销盐除磯通过两种方式进行,方面1能够与P〇4生成磯酸侣沉淀,另方面3+A1在水中发生水解反应,生成A1(0H)3,A1(0H)3具有良好的吸附性能,W吸附形式除去污水中的稱。周振等对聚合氯化侣去除污水中的憐的工芝进行了优化,研究结果表明,聚合氯化铅直接去除污泥水中的磯会恶化污泥的沉降性能,并且会降低其除.498.3,398r/min,磯的效率。当A1/P摩尔比为2,pH值为揽拌转速为的条件下聚合氯化铅对上清液的除憐效果最好,稱去除率为97.8%,聚合氯化铅对污泥水中憐的去除过程分为两个阶段:化学沉淀和絮凝体的吸附除磯W及二级动力学沉淀除磯。■一化学沉淀法除磯工艺流程简单,操作简便,并且效果稳定,出水中总磯浓度般都能够达到排放要求,适合于处理含有高浓度磯的废水。但是在化学沉淀法除磯的过一程中,会消耗大量的金属离子,这对于金属资源是种浪费,而且在利用金属离子除磯的过程中还会有大量污泥产生。金属盐的成本及产生的大量沉淀污泥的处置,限制了化学沉淀法除磯在含磯废水处理上的应用。一目前化学沉淀法只适用于较低浓度含憐废水的处理,单的化学沉淀法不仅应用面有限,,而且产生的污泥的废弃也是对资源的浪费。因此化学沉淀与其它技术相结合的方法日益得到研究者的重视,例如化学沉淀与吸附法、化学沉淀与结晶法的联合使用,都极大地拓展了化学沉淀在除磯上的应用。与此同时,天然物质化及工业废弃物的开发应用,也减少了对于金属资源的需求。各种新技术的研究开发与应用,也使得废水中磯的回收成为可能。此外,还,在化学沉淀法除稱的过程中应该深入研究各种沉淀的絮凝沉降性能,使泥水易于分离,对于现实生产也具有重要意义。化学沉淀法除磯正向着无浪费、无污染、可回收的方向迈进。1.2.3生物法生物法除磯是通过聚憐菌在厌氧条件下释憐,在缺氧或好氧条件下过量吸磯的特性实现的。生物法除稱的原理为:在厌氧条件下,聚磯菌将自身细胞中的聚磯分解为一磯酸盐,在此过程中产生的能部分用于聚磯菌自身的生理活动,并排放到细胞外量,一FA部分用于吸收可溶性脂肪酸(V)并合成胆能物质聚P哲基下酸(PHB);在缺5n1前言氧或好氧的条件下,聚稱菌w化、硝态氮、亚硝态氮等分子氧或者化合态氧作为电子受体,,,分解代谢PHB产生能量从而过量的从废水中摄取稱并通过排放剰余污泥的方式而达到高效除憐的目的。生物除槐的工艺主要有A/0工艺、Phoredox工艺、2a/0工艺、SB民工艺、UCT工艺、EBP民工艺等。W一Ca[BRssidy等利用带有好氧颗粒污泥的SB民处理屠宰废水。研究在个8L的S反应器内进行,进水组成为:挥发性悬浮固体(V%)1520mg/L,COD%85mg/L,3总凯氏氮(TKN)1057mg/L,总磯217mg/L,进水COD负荷2.6kg/md。SBR从停留时间为1h的SB民的絮凝污泥中接种,并在颗粒污泥培养的4天内将停留时间减至2mm,SB民运行条件为巧氧120min,好氧曝气反应220min,闲置18min。颗粒污mm2泥平均粒径1.7,浓度为6gVSS/L,沉降速率51m/h,污泥体积指数(SVD22mL/。g在没有工艺优化的条件下,COD和磯的去除率达98%W上,氮和VSS的去除率超过97%。结果表明,传统的SB民可通过减少停留时间改造成颗粒污泥的SBR。强化生物除憐工艺(EBP民)己被广泛应用于废水中憐的去除。U7Rashed等响用接触稳定活性污泥作为EBPR在处理废水方面的应用。实验使用接触池作为憐的吸收区并利用增厚池作为磯的释放区。研究在位于Quhafa的污水处理厂的试验工厂进行,由接触池、终沉池、稳定池和增厚池组成,并且包括两个污泥一一回流系统,其中个与接触池相连,另个回流到稳定池。总磯的吸收和释放效果由增厚池和终沉池中的污泥样品得到。试验结果表明,COD、BOD和TP的最终去除率分别为94%、85.44%和80.54%。另外,批次实验表明此试验工厂较高的憐去除能力是由于能够高效吸收磯的聚憐微生物的积累。最终,此试验工厂除憐的机理是由于增厚池上清液中总磯的累积而不是通过传统工艺那样靠污泥的去除。EBPR已被证明是一个可持续且经济的除磯方法。它可在含磯量较低的废水中富集磯,形成富憐污泥,送依赖于对EBP民过程的操作控制一些技术上和。利用EBPR从污水中回收磯还存在经济上的困难。虽然富磯污泥可用于农田,但会带来细菌及化学污染的危险。EBP民一除磯技术有待进步研究。生物法除憐不但可去除废水中的磯,而且在聚憐菌自身生长活动中还可^利用1^,从而具有去除有机物的功能污水中的有机物作为食物。生物法除稱具有运行费用较,操作方便等优点低;但处理效果随水质的变化较大,尤其不适于含重金属离子较多的工业含磯废水的处理。而且生物法不适用于含磯量较高的废水,出水中总磯含量难一心文满足小于0.5mg/L的要求,般需与其它方法联用,才能达到处理要求。1.2.4废水中除磯的研究展望一一过多的稱释放到环境中是种危害,且磯也是种不可再生的资源。因此,对废水中稱的去除不是最终目的,对于磯回收再利用才是未来除磯方法的研究方向。综合>来看11,生物法适合于生活污,化学沉淀法适合于高浓度含磯废水^及工业废水的处理水或重金属离子含量较少的部分工业废水的生化废水的处理,而吸附法则适用于含磯一量极少的各种废水。对于废水中磯的去除,单的方法并不能在经济和效果上达到良6n天津科技大学硕上-学位论文好的效果,在,多种方法的联合使用会极大地降低经济成本并提高除磯效果。例如EBPR工艺和磯酸镑摸法联用,既可W得到稱的富集和回收,又充分利用了废水中的氨氮,且可获得鸟粪石这种良好的肥料,实现了磯在自然界中的人工循环。因此,开发不同的除磯方法,,研究各种联用工艺,寻找磯的循环回收利用途径是未来研究的方向。1.3废水中COD的处理方法化学需氧量(COD)是水体中有机物质含量的指标。水体中的有机物在被分解时,会消耗水体中的溶解氧,当溶解氧消耗尽时,就会产生厌氧反应,导致水体发臭和水一^质恶化,些难生物降解。另外,在工业废水中人工合成的义及有毒的有机物,也会对水体生物造成危害。COD越大,表明水体受有机物污染越严重。因此废水在排放,前,应去除其中的有机物减少对水体环境的危害。目前对于废水中有机物的去除主要有物理化学法、化学法和生物法。但是,,在各种废水的处理中单独的方法并不能在技术和经济都允许的条件下有效去除污水中的有机物一,般都需要几种方法的联合使用。1.3.1物理化学法物理化学法主要是利用物理的、化学的或者物理化学兼用的方式去除废水中的COD。目前在废水处理中主要的物理化学法有过滤、气浮、混凝沉淀和膜分离等。物理化学法具有操作方便、可控性强等优点,在废水处理领域得到了广泛的应用。?(1)气浮气浮法是通过向水中曝气,形成高度分散的微笑气泡,使污水中的悬浮物或轻质=--有机物附着在微小气泡上,水固体颗粒相混合体系形成气,使其形成表观密度小,上浮到水面形成浮渣层而被去除,从而达到去除有机物的目的于水的絮体。气浮法、。包括电解气浮法曝气气浮法和溶气气浮法等气浮法具有设备占地少,节省基建投资-ABS,出水水质好等优点。李據等利用混凝溶气气浮法预处理树脂废水,在原水的pH值为5、锅盐药剂投加量lOOmg/L、PAM投加量为2.5mg/L、溶气水回流比为40%义L及水为停留时间为15min的条件下,该法对ABS树脂生产废水中的浊度去除率可达上,COD去除率达50%W上,能够达到后续的生化处理对于进水的要求。(2)混凝沉淀法'混凝沉淀法通过向污水中投加混凝剂混凝剂互相吸附,使水中的胶体及有机物与-结合,从而从水中沉淀下来。混凝(Coagulation/Coagulationflocculation是指对混和、)tW一凝聚、絮凝的总括。混凝的机理有电性中和/吸附、吸附架桥、絮凝作用等,是P01个复杂的物理化学过程。源凝具有工艺简单、操作简便、处理效果好等优点,广泛应用于废水的预处理LA及自来水的预处理等,尤其对于废水中悬浮物和胶体物质的去P1除具有明显的效果。Guida等喃究了明抓的混凝絮凝对城市污水中COD和TSS的一一0去除。实验用污水来自四个污水处理厂和个大学实验室,系列实验条件为10rmp7n1前言下攪拌1min,30rpm下揽拌20min,然后静置30min,明抓浓度为150mg/L和450 ̄m/L,H值变化范围为410。gp,实验在室温下进行实验结果表明,污水中COD和TSS的去除率随着原水水质、pH值和明研浓度的差别而不同。而混凝过程的阳值是3+影响出水中A1浓度的关键因素。(3)膜分离法膜分离是利用膜的选择透过性,借助于膜两侧的浓度差、压力差、电位差等,使一原料的部分组分选择性的透过膜,部分被膜截留而另,从而达到分离的目的。膜分离过程有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、膜蒸饱等。不同膜的分离原理各有差IJ另,根据膜的孔径大小,不同的膜分离过程具有各自适用的物质的去除。各种膜过程-的分离特点如下表11所示。表M膜过程分离特点T-able11Characteristicsofmembranesearationrocesspp膜过程推动力分离机理透过物截留物微滤压力差筛分水、溶剂溶解物悬浮物、颗粒、细菌超滤压力差筛分水、溶剂、离子和小分子胶体和大分子+纳滤压力差筛分溶解/扩散水和溶剂溶质、二价盐、糖反渗透压力差溶解/扩散水和溶剂全部悬浮物、溶质和盐■电渗析电位差离子交换电解离子非解离和大分子物质膜蒸溜温度差气液平衡易汽化与渗透姐分难汽化和渗透组分由于膜分离过程是在常温下进行,具有节能、分离效率高、工艺简单、操作简便、易于集成化、自动化控制等优点,在水处理行业得到了快速而广泛的应用。而适于各种物质分离的膜和膜分离技术也不断地被开发研巧。22[]-阮慧敏等利用超滤反渗透的集成膜分离技术处理印染废水,COD去除率可达23上[]90%L:Lh,脱盐率在97%W,表现出了良好的处理能力。夏俊方等利用纳滤+反渗透膜技术处理电锻废水,在压力为1.5M化下,纳滤膜对铜离子截留率达到96%,OD的截留率为>对C57%!^上。在操作压为为31^113的条件下,反渗透膜对铜离子和COD的截留率分别为98%和67%W上。物理化学法去除COD工艺简单,操作运行费用低,在废水处理中具有广泛的应用。但物理化学法去除0)0的能力有限,£00去除效率不高,出水难[^>1达到排放要一求,因此般作为废水处理的预处理,W减轻后续化学法工艺L义及生物法工艺的负荷。一物理化学法般与化学氧化W及生物法联用,达到在经济和技术条件都允许的范围内对废水进行达标处理的目的。8n天津科技大学硕-上学位论文1.3.2化学法化学法除COD主要是利用化学试剂的氧化能力,将有机物降解为无机盐、C〇2aC和战0的过程。常用的化学试剂有CI2、NlO、也化和化等氧化剂。其中CI2、NaClO一氧化能力不强,般用于自来水的消毒,在废水的;H2化和O3因其较强的氧化能力预处理、深度处理W及难生物降解的工业废水中得到广泛的应用。在工业废水的处理中,高级氧化技术因其较高的降解有机物的能力越来越受到人们的重视。高级氧化技AOP?术(AdvancedOxidationProcess,s)是能够产生径基自由基(OH)的高级氧化过程。其具有处理完全、适用范围广、反应速度快等优点。在高级氧化过程中产生的哲基自由基具有极强的氧化活性,其氧化还原电位高达2.8V,仅次于F2。径基自由基与其它氧化剂氧化还原电位的比较见表1-2。-表12常见氧化剂的氧化还原电位T-able12Trlasoxahestandadeectrodepotentilsofomeidtions氧化剂氧化电位VIJV()氧化齐氧化电位()〇21.23KMn〇41.69-0〔如1.33H22177.CI1.36O2.0723CO-1.502.80IOH2HCIO41.63F23.06?HO在处理废水的过程中有如下特点:一(1)OH是高级氧化反应过程中的中间产物,能够诱发系列链式反应的发生;?(2)OH在与废水中的有机污染物反应时,无选择性,可将任何有机污染物氧,没有任何新污染的产生化降解为C〇2、H20和无机盐;-(3OH,,)存在时间较短反应速度快反应时间短。高级氧化技术有光催化氧化、催化湿式氧化、超声波氧化、电化学氧化、Fenton及类Fenton氧化和O3氧化等。(1)芬顿氧化法2+Fenton试剂是H2化和Fe的组合,是法国科学家于1894年在科学研究中发现的,2+即在酸性溶液中,H202和Fe共同存在的条件下可W有效的将酒石酸分解,因此后人就将酸2+性条件下H202和Fe的共存体系称为芬顿试剂。目前公认的芬顿反应的机理是Weiss和Haber提出的自由基反应理论,即战化2+在Fe的催化作用下产生哲基自由基,,径基自由基攻击有机物分子使其氧化为无机4-28一Pl物质,。芬顿反应是个链式反应过程反应的引发、消耗和终止的机理如下:;++F.-e+HA+H缺牛打〇+OH(13)29n1前言2+3+.饼/仍厂-仍++饼(14) ̄'^.H〇OH打(1-//口+〇5)j2:23+2++>.仍+巧6^仍+好+〇好(1-6)223+2++..〇好++//-7+仍^仍(1)2巧...//^//-+〇(18巧)2-■-0H+RH^-RH01+(9),-.0打一一-+H+(1民H及f打〇10)1—'OH+-OH、-(111)' ̄?.〇月+〇好^-MO+〇(112)22j2—3+2+-仍+.0>仍+-(113)2巧3+2++-仍+.〇>仍+〇+巧-(114)222+3+矿+.〇+好〇-好+^仍1仍(15)222H+-' ̄-OH+〇〇丰H〇(116)j2222+2+3+2好+.〇+仍+//〇-^仍(117)222---=-■-OH-+RCH=CHR^R+HC〇HCHR(118),,,(),OH+.-民^ROH(119)-由从上反应可知-,芬顿反应的速率由式(13)决定,即式(13)是整个Fenton2+反应的限速步骤。当整个反应体系中Fe浓度过高时,会与有机物竞争径基自由基,-,4)。当反应体系中&从而消耗径墓自由基见式(1化浓度过高时,也会和有机物-争夺径基自由基,从而产生鋒基自由基的消耗,降低Fenton反应的速率5。,见式(1)Fenton氧化过程主要包括氧化、中和、混凝W及固液分离化个步骤有机污染PW物的去除主要是由氧化和混凝过程完成的。10n天津科技大学硕止学位论文Fenton试剂自发现W后,首先在有机合成领域得到研究,自1964年Eisenhauer将Fenton试剂首次用于烧基苯和苯齡废水的处理研究,取得了比较理想的效果,从此?Fenton试剂在工业废水领域的研究应用越来越受到重视。芬顿氧化是0H和铁离子--的絮凝吸附共同作用的,0H的强氧化作用能够分解难W降解的有机物,并且0H能够无选择地与废水中的有机物进行反应,将其彻底降解为C化和H20等,特别适3^0]F[enton试剂在苯酷废水用于难降解有机物多、污染物复杂的工业废水。,染料废"-6--巧口训1巧64说[[[],垃水,造纸废水,石化废水圾渗滤液等都有广泛的应用。随着Fenton氧化技术的发展,Fenton与其它方法的联合使用也越来越受到重视,例如光芬顿、电芬顿、超声波芬顿、紫外芬顿等。在废水处理中表现出了良好的效果。Mahsa等制用FeC]3混凝和Fenton氧化联合工艺处理垃圾渗滤液。在混凝过程出2+水中添加Fenton试剂进行氧化,在pH值为3,每200mL出水中&〇e投加量分别2和F为45mmo讯10mmol的条件下,COD去除率达74.7%,BODs/COD的值从0.11提高到0.4可生化性。Lucas等蝴用Fenton试剂去除橄揽油废水中的COD,,极大的提高了其2+考察了&化投加量、Fe浓度、温度和阳值对COD去除率的影响。在初始阳值说.5,+2温度为3(TC,n〇2;nFe)为15,H2O2/COD的质量比为175的条件下,获得70%化)(P2的COD去除率。De等饰用光芬顿和化W及O3/H2化方法处理软木沸腾废水,研究结果表明,光芬顿和臭氧氧化过程均能有效的提高软木沸腾废水的可生物降解性,在预3+处理中的Fe对光芬顿过程没有强化作用,但是臭氧过程却得到了强化,在初始pH为73[7:61〇11(F;〇蝴用响应面法优化了enton的时候获得了较高的降解效率。等试剂处理复杂工业废水的条件。研究利用COD最大去除率作为评估Fenton氧化过程的效率,考察了2+COD、COD/町〇日/FeH个。回归方程表明在不同的实废水的初始[i]22巧化化][]变量验条件下COD的测定值和预测值具有较好的吻合性,在初始COD为32g/L、2+COD/〇0.58、〇/龄15的,COD的去除80%。[i]町22]为化2]]为条件下率为F一enton氧化般处理效果较好,出水能够达到排放的要求。但是对于化学试剂的消耗量过大,且,药剂成本较高大量的铁离子也会影响出水的色度。而且反应条件较ton一为严苛,祀〇2的利用效率低,送些都限制了en氧化在废水处理领域的进。F步应用Fenton氧化的关键在于如何催化产生&&更多的授基自由基,及扩大Fenton氧化的一些成果pH范围。目前对送方面的研究正在进行,也取得了。而且随着光、点、超声波W及紫外线引入Fenton氧化中,Fenton氧化的效率也有所提离,大大扩展了Fenton氧化的应用范围。(2)〇3氧化法一种一臭氧氧化是高级氧化技术的,是种新型的去除难降解污染物和有机物的方,法。臭氧是氧的同素异形体分解后产生氧气,且具有很强的氧化性,因此具有反应速度快、流程简单、没有二次污染等优点,近年来得到大规模的研究应用。在水中,臭氧氧化是基于溶解在水中的臭氧而实现氧化降解有机污染物的功能的。一其氧化降解有机物的机理般认为由两部分构成,即直接氧化和间接氧化。直接氧化11n1前言2.07V,能够直接氧化即臭氧本身就具有很强的氧化性,某氧化电位为污水中的部分有机污染物。间接氧化是指臭氧分子溶于水后,在水中能够分解产生具有更高氧化电位具有更高氧化性的楚基自由基,这种氧化无选择性,能够氧化绝大部分的有机污染物。一一在臭氧氧化过程中,般认为间接氧化是其主要过程。臭氧的间接氧化是个自由基过程,在自由基激发剂或自由基促进剂存在的条件下,臭氧分子可产生大量的活性自由基,这些自由基会发生链式反应产生更多的活性自由基,其反应机理如下—〇+H0-OH>+〇20(1)322—〇+'-H0^OH+〇+〇(121)2222+—+-〇〇(122)22.0+tr-;吉HO(123)、-HO—^-OH+〇(124);2-巧(125)---〇+H^OH-O+OH126)(^臭氧的间接氧化主要依靠反应的中间产物径基自由基对有机物进行氧化,鞋基自一由基可脱去有机物上的氨原子,失去氨原子的有机物非常不稳定,被进步氧化成二氧化碳和水(及无化盐;①脱氨反应 ̄RH^民牛H-牛OH〇(127)i②双键的加成反应-.OH=-+民C民及0。CR28)矣22(巧^(1③电子的转移-+--RX+.OH.^OH+RX(129)由于臭氧在水处理中所具有的优点,近年来在工业废水的预处理及深度处理,tW饮用水净化,废水脱色中得到了广泛的应用,并取得了良好的效果。在炼油废水、tSqt83’84^tMjtSWf871制药废水、染料废水、酒厂废水、油田废水、腊给废水、农药废水s二tw也得到了很好的应用和城市污水处理厂的次废水。12n天津科技大学硕±学位论文PDLee等蝴用〇3、〇3化〇2、〇3/UV和O3/UV/H2O2四种方法处理含有抗生素(氯四环素)化及耐药细菌的废水,,对于。研究发现当〇3与UV或者H2化结合使用时废水中氯四环素及耐药细菌的去除具有更好的效果,即在氯四环素的去除率上四种方<<< ̄法的氧化能力〇3〇3/H2〇2〇3/UV〇3/UV/H2〇2。在1520min的时间内,O3/UV和O3/UV/H2O2工艺几乎完全降解了氯四环素,而单独的〇3工艺在40min内只能降解30%PU的氯四环素。Somensi等在半工业规模上对纺织废水进行了预处理,在两种pH条=件下(pH9.1和3.0)利用色度和COD的去除两个指标对臭氧氧化预处理的效率进3化的条件下行了研究。在废水流速为0.45m,臭氧预处理4h,色度去除率可达67.5%H==(9.1)和40.6%(H3.0),与此同时在臭氧投加量为20/h的条件下CODppg,去2==5H除率达到.5%(p9.1)和18.7%(pH3.0)。经过臭氧化预处理之后,纺织废水BODD1Lumi的可生物降解性能大大提高,s/CO从0.06提高到0.4。stox测试结果表,,明,经臭氧氧化预处理之后纺织废水的毒性明显降低。研究结果认为在生物处理之前,对于纺织废水进行臭氧预氧化处理是非常必要的。Bros如S等研巧了吴氧在饮用水的处理中对于水中的药物、内分泌干扰物质化及杀虫剂的氧化作用。研究结果表明,在饮用水处理中臭氧的通常用量情况下,臭氧可有效的去除水中存在的微量有机污染物。臭氧可去除80%W上的咖啡因、药物和内分泌干扰物质。研究还发现,在臭氧氧化中,,杀虫剂是最难氧化的物质而咖啡因则可W作为臭氧氧化效率的指标。一臭氧氧化在废水处理中般用于预处理或者深度处理,由于其氧化后的产物为水,一一且具有消毒、杀菌的作用,,是种清洁的氧化技术。但是臭氧氧化的效率般不高一在将其用于降解有机物时,レ。般将其出水难ッ达到排放要求因此,在废水处理中,与物化法及生物法联用。单独的臭氧氧化效率低,近年来,催化臭氧氧化得到了研究者的关注,例如,二氧化铁催化臭氧氧化、H202催化臭氧氧化、活性炭催化臭氧氧化、哲基氧化铁催化臭氧氧化等在废水处理中均有较好的效果。1.3.3生物法生物法是通过微生物自身的新陈代谢作用降解污水中的有机物,将其转化为简单一的有机物或者无机物。方面,微生物通过合成代谢将有机物转化成为新细胞物质,一方面,,即自身的増殖,微生物通过分解代谢将有机物氧化分解生成简单的有;另机物、C化和也0等。生物处理有好氧生物处理法和厌氧生物处理法。(1)好氧生物处理法好氧生物处理是在污水中有充足的分子氧的条件下,微生物将污水中胶体状或者溶解态的有机物彻底氧化分解成C&和H20W及合成自身细施物质的过程。好氧生物处理法具有技术成熟、运行管理方便、成本低等优点,在生活污水及工业废水中有着广泛的应用。好氧生物处理主要有悬浮式的活性污泥法和固定式的生物膜法。悬浮式活性污泥法工艺主要有活性污泥法、序批式活性污泥法(SBR)、氧化沟、CASS等。生物膜法主要有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和曝气生物滤池等。93[]SBR汤琪等利用和MAP联合处理磯酸盐工业废水,废水经憐酸钱镇沉淀法处理13n1前言之后与生活污水按:1,TN、TP、和COD分别为50m/L、7m/L和320m/L,1混合后ggg15h、好氧42.在运行周期0h的条件下厌氧1..5h、缺氧.5h、好氧05h、沉淀排水和闲(置1的,出水中TN<15mg/L,TP<1.0mg/L,COD22mg/L,对TN、TP、COD的去除94[]率分别可达^%92%staB民、%%、W上。Do等利角S和混凝/絮凝的方法处理厌+OD为4-.1/L、NHN2.3化、SS2/氧消化猪舍废水的上清液(上清液中Cg4g.5gL)。研巧结果表明,,在有限的曝气流量和不用额外控制pH的情况下通过王个阶段的好氧°/.RT,在水力停留时间(HRT)27天(S12,温32C的缺氧,污泥停留时间)天度为+H-N的去除率分别高于66%条件下,COD、%和N4、74%和%%。当FeCb投加量为80095m[g/L时,可满足对COD的出水要求。Muhamad等制用响应面法优化了半工业规模的颗粒状活性炭-序批式生物膜反应器处理再生纸废水中去除COD-N24-DCP、NH3和,的过程。利用中也组合设计(CCFD)优化了水力停留时间(HRT)、曝气速率(AR)和进水浓度)H(IFC个最重要的操作条件。由方差分析可知,模型的相关系数大于0-N4-.9,因此二次模型被用来表征C0D、NH3和2DCP去除的响应变量。最优:,条件为3T-1?(:为乃0mgCOD/L,曝气速率为3.2m/miii,HR为1天。在此条件下预测C0D、NH3N〇4-94和2DCP的去除率分别为.8/〇、100%和80.9%。,(2)厌氧生物处理法,厌氧生物处理法是微生物在既无分子态氧,又无化合态氧存在的条件下通过自,合成自身细胞化及将有机物转化成有机物及无机物的方法身的新陈代谢降解有机物。■厌氧过程包括下H个阶段:(1)水解发酵阶段:复杂的有机物在微生物胞外酶的作用下水解成为简单有机物,简单有机物再在产酸菌作用下经过厌氧发酵和氧化转化成为乙酸、丙酸等脂肪酸和醇类;(2)产氨产艺酸阶段:产氨产乙酸菌把除乙酸、甲焼、甲醇外的水解发酵阶段产生的中间产物,如丙酸、下酸等脂肪酸和醇类转化成为乙酸和氨并产生C〇2;(3)产甲烧阶段;产甲焼菌把乙酸、C化和H2转化为甲持。厌氧生物法主要有厌氧消化、厌氧生物滤池、厌氧接触法等。厌氧生物处理法具有负荷高、能耗低、产生的污泥量少W及可产生能源(CH4)等优点,在生化性较低的工业废水yX及及高浓度的有机废水中具有千分广泛的应用。P6污泥床反应器Intanoo等嚇用两段升流式巧氧(upflowanaerobicsludgeblanketreactor,UASB姆行木墓生产废水中吐和畑4的分离优化研究。在产氨段的UASB中的进水是将原水与产甲院段UASB的出水按1:1,5泡合且pH值控制在.5,在COD3,9〇k/md的条件下,负荷为g,产氨段UASB最大产氨■量为54.22mLH2/gCOD氨气97,产率为1.17mL/gMLVSSd。在同样条件下,产甲烧段UA犯的最大甲烧产生量为97[]mLCODmLCH.164乂7IVgC,甲烧产率为356.31/MLVSSd。Zhan等利用膨胀4gg颗粒污泥床反应器(expandedgranularsludgebedreactor,EGSB)处理栋桐油废水,°3EGSB反应器在35C下己连续运行5,14天,有机负荷从1.45kgCOD/(md)増加到17.514n天津科技大学硕-上学位论文3,EGSBDkCOD/md,反应器具有良好的去除CO的能力17.5g()。在有机负荷为3’HRTD的kgC0D/(md,水力停留时间()为2天的条件下,CO去除率高达91%。)但是只有46%的COD转化成沼气,其中甲烧含量为70%。30天的实验表明有机物质转化成CH4的最大转化率为%%。整个系统表现出了良好的耐酸碱性。生物法降解COD具有成本低,无需化学药剂的投加,易于自动化控制,有机物。对于高。但是操作运行处理彻底等优点、中、低浓度的废水均具有良好的处理效果费用高,对操作人员的要求较高,需对操作人员进行专口的培训。生物法处理有机物的关键在于根据不同的水质培养驯化合适的菌种,优化操作条件。在废水处理尤其是生活污水的处理方面,生物法仍是主流方法。1.4本课题研究意义和主要内容1.4.1课题硏究的目的意义随着海上油气田的勘探开发W及日益增长的油气输送需求,海底油气管道也逐渐大规模应用起来。但是由于海水的高腐蚀性会对油气管道产生破坏,因此必须对铺设于海底的输油气管道的钢管表面进行特殊的防腐处理。在钢管表面的防腐处理过程么前,需使用特殊配制的憐酸溶液对钢管表面进行酸洗,再经过高压超纯水水洗,酸洗和水洗过程产生的废液为高含憐废液。该废液酸度大、化学需氧量(COD)高、含磯量高、湿度较高,因此,对海洋油气管道清洗产生的高含磯废水进行处理,从而获得。满足排放要求的水质,这对保护环境是非常必要的-本研究目的是通过对海洋油气管道高含磯清洗废水的处理,除去废水中的磯、COD和重金属离子等会对环境造成危害的污染物,使其达到《城镇污水处理厂污染一--物排放标准》(GB189182002)中的级B标准。出水水质主要数据见表13。表-13出水水质标准Tab1-Tsandardwarle3hetsoftheeffluentte水质指标出水水质(mg/L)水质指标出水水质(mg/L)H6-9SS<20pCODcr<60NH-N<153BOD<20TP<15总巧<1.0本研究通过对海洋油气管道高含磯清洗废水的处理,使其达到符合排放要求的水。、质,减少对水体环境的危害并且为此类高含憐高COD的海洋油气管道酸洗废水的处理提供借鉴意义。1.4.2课题研究的主要内容本研究1^除磯和除COD为主要目的,在查阅大量文献资料的基础上,通过比较15n■11前言各种工艺特点,根据原酸洗废水的水质,采取化学混凝和高级氧化的方法处理海洋油气管道高含憐清洗废水。并且对Fenton氧化和臭氧氧化两种方法进行了对比,考察了其工艺条件,并建立了各个方法的数学模型。基本研究内容如下;(1)利用化学混凝法除磯,考察了CaCb投加量、巧憐摩尔比、pH值レ义及反应时间对总磯去除效果的影响;并根据单因素实验的结果进行了响应面优化实验,考察了各影响因素对总麟去除效果影响的显著性W及交互影响的显著性,并建立了二次多项式模型,优化各参数条件;(2)利用Fenton氧化方法降解COD,考察了双氧水投加量、双氧水和亚铁离子的摩尔比、pH值W及反应时间对COD去除率的影响;并根据单因素实验的结果进行了Box-Behnken响应面优化实验D,考察了各影响因素对CO去除效果影响的显著性W及交互影响的显著性,建立了二次多项式模型,优化了各参数的最佳条件;(3)利用臭氧氧化方法去除酸洗废水中的COD,考察了臭氧投加量、阳值、臭氧机进气流量W及反应时间对COD去除率的影响;并根据单因素实验的结果利用Box-Behnken方法设计了响应面实验COD去除效果,考察了各影响因素对影响的显著性及各因素之间的交互作用,建立了二次多项式模型,优化了各参数的最佳工艺条件。1.4.3课题研究的技术路线.。-课题研究技术路线如图12所示。酸洗含磯废水巧化巧投加量PHTI,■反应时间y^反应温庭,除,COD芬顿巧化奥巧巧化II^+筑Fe反反ft进反水投应气应pH应巧p地H投加时m認流时量间*间度置罢图-21海洋油气管道含踞清洗废水处理技术路线图F-rig.12The化chnologyroadmaofMarineoilandasielinescontaininhoshouswashinpgpp呂ppgwas化wa化rtreatment16n天津科技大学硕±学位论文2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除磯研究CaC一l2原料易得,价格便宜,且可预先调配成定浓度的溶液,投加方便,操作简单,在处理含磯废水中有着广泛的应用。且有关研究表明,CaCl2对于高浓度含磯废水具有良好的处理效果。因此,本文利用CaCb除磯。文献研究表明,在利用巧法除磯的过程中,影响总磯去除效果的因素主要有CaCl2投加量、pH值、反应时间、沉PSl淀时间和揽拌速率等因素。本研究选取CaCl2投加量、pH值、反应时间这几个因。素,对巧法除憐过程进行单因素实验的研巧,考察它们对总磯去除效果的影响2.1实验原理2+CaCk除磯即是利用Ca与水中的磯反应生成憐酸盐沉淀,经固液分离之后达到一去除磯的目的。生成的沉淀因水中磯的存在形式不同而不同,般有W下几种:2+5仿+7饼r+3W=仿0巧戶〇備(2-1)巧j;5((4)32+3。2户=戶〇-+聲〇2^(22)3(4)2h-Ca+=-邸巧CoHP〇l(23)42.2实验材料。,抛丸除诱工艺后实验所用水来自某管道涂敷分公司钢管在防腐涂层工艺之前,増加了磯酸清洗工艺、高压水冲洗及热风干燥工序。在酸洗及高压水洗过程中会产生-大量的酸洗废液。经分析,酸洗废液水质如表21。表2-1酸洗废水水质-hTable21Teualitoficklinwastwaterqypg分析指标含量(mg/L分析指标含量(m/L)g)CODcr30化pH1.46+2BOD0Zn14.3sTP1243H-.64NN0.36s3+SS35Fe56.672.2.1实验药品及试剂2-2实验所用主要试剂见表。17n2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除機研究表2-2主要实验试剂Tab-Ttsle22hemainagen序号m生产厂家^一1浓硫酸分析纯天津市化学试剂厂2过硫酸钟分析纯天津市文达稀贵试剂化工厂3抗坏血酸分析纯天津市北联精细化学品开发有限公司4铅酸按分析纯天津市化学试剂四厂5酒石酸铺巧分析纯天津石英厂霸州市化工分厂6稱酸二氨巧分析纯天津市赢达稀贵试剂化工厂7硫酸银分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司8硫酸隶分析纯贵州省铜仁泰瑞尔化工厂重错酸钟优级纯天津市科密欧化学试剂开发中屯、910硫酸亚铁锭分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司11邻菲罗嘟分析纯天津市光复科技发展有限公司12邻苯二甲酸氨钟分析纯天津市化学试剂研巧所13无水氯化巧分析纯天津市赢达稀贵化学试剂厂14氨氧化納分析纯天津市文达稀贵试剂化工厂15双氧水分析纯天津市美联精细化学品开发有限公司■16硫酸亚铁分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司2..22主要仪器设备2-实验所用主要仪器设备见表3。表2-3主要仪器设备-menTable23Themainequiptandaaratuspp序号生产厂家^些1电子天平AR224CN奥豪斯仪器(上海)有限公司2电热恒温鼓风干燥箱DUG-92455上海精宏实验设备有限公司3循环水多用真空系SHB-3郑州杜甫仪器厂4SevenComac-pt多参数测试仪S220梅特勒托利多仪器(上海)有限公司5环保COD专用电热套山东省荷泽市样龙电子科技有限公司6磁力攒拌恒温槽HXC-500-6A北京惠诚佳仪科技有限公司7臭氧发生器NPOLOP-S-2山东绿邦光电设备有限公司8湿式防腐气体流量计LMF-1长春汽车滤清器有限责任公司9紫外可见分光光度计7。型上海菁华科技仪器有限公司81n天津科技大学硕±学位论文2.3实验方法2.3.1分析方法2 ̄4实验中所用分析方法见表。表2>4主要分析方法Tab-le24Themainanalysismethods亭号名称分析方法标准-1总稱巧酸镇分光光度法GBU的38929-化学需氧量(COD)重络酸盐法她1114893SS90-悬浮物()重量法GB11189--N纳氏试剂分光光度法HJ4NH5352009j5BODsBOD5测定仪6H玻璃电极法GB-p6920862+7Zn原子吸收分光光度法她7475-87S+8Fe邻菲罗琳分光光度法H345-2007J/T9〇J-浓度贿量法C/T3028.219943(1)总磯标准曲线。中性条件下用过硫酸钟将水样消解,将所含的磯全部转化为正磯酸盐在酸性及键盐存在的条件下,正磯酸盐可与锥酸按反应,生成磯钢杂多酸后,被抗坏血酸还原,生成蓝色的络合物。在700nm波长处具有最大吸收值。具体实验方法如下;表2-5总稱标准曲线配制Tab-le25PreparationofTPstandardcurve试剂—12345672/mL酸盐标准溶液mL0.00.51.03.05.010.015.0ng稱()蒸馈水(mL)25.024.524.022.020.015.010.050g/L过硫酸钟溶液(mL)4.04.04.04.04.04.04.0100g/L抗坏血酸溶液(mL)1.01.01.01.01.01.01.0巧酸盐溶液(mL)2.02.02.02.02.02.02.0绘制总碟标准曲线:配制2.0^18/11止的磯酸盐标准溶液,然后按照上表依次加入磯酸盐标准溶液、蒸饱水、过硫酸钟溶液,消解后补充蒸馈水至标线,再依次加入抗15min700nm处。坏血酸溶液和钥酸盐溶液,充分混匀,室温下放置,于测定吸光度19n2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除礙研巧。^,11111(^蒸馈水按同样步骤进行空白对照1^总磯含量为横坐标^70〇波长处的吸光度值为纵坐标绘制标准曲线。根据回归的曲线方程,计算水样中总憐含量。0.35P0-.30■=+0.0099x0.0013。—y0之5?■?2民-0.9990-.20避.。5-望.10-.10005-.—I1110.1f..*..0005101520253035总蹤静a〇ig/niL)图2-1总磯标准曲线F2-1ig.Totalhoshorusstandardcurvepp(2)氨氮标准由线W游离态的氨或按离子等形式存在的氨氮可与纳巧试剂反应生成淡红栋色络合物,该络合物的吸光度与氮氮含量成正比,在波长420nm处具有最大的光吸收值。具体实验方法如下:表2-6氨氮标准曲线配制Tab--le26PreparationofNHNstandardcurve3序号试剂1234567810/mLmL0.12氨氮标准溶液.005.0.04.06.08.010.0帖()蒸饱水(mL50.049.549.048.046.044.042.040.0)500/L酒石酸钟钢溶液mI1.01.01.01.01.01.01.01.0g(〇11111111纳氏试剂A溶液如〇.0.0.0.0.01.0.0.0一绘制氨氮标准曲线l/mL的,按照上表次加入氨氮标:配制10.0氨氮标准溶液^g准溶液、蒸馈水、酒石酸钟钢溶液和纳氏试剂A溶液。摇匀后放置10min,于420nm波长下测定吸光度。W蒸馈水按相同步骤进行空白对照。空白校正之后的吸光度为20n天津科技大学硕±学位论文。纵坐标,W相对应的氨氮含量为横坐标,绘制氨氮标准曲线根据回归曲线方程,计算水样中氨氮含量。0-.350-,30**0y■㈱加0*004??*R??0.9970-.250-獲.20錢-<U50J0-0-.050111i1i?.000204060撕100锭巧含撤〇/mLig)图2-2氨氮掠准曲线--NndardF22NHcurveig.3sta?(3)铁标准曲线.亚铁离子在H值为 ̄39之间的溶液中可与邻菲罗晰生成澄红色络合物,在波长p为510nm处有最大吸收值,若用还原剂(盐酸哲胺)将高铁离子还原,则可测高铁及总铁含量。具体实验方法如下:表2-7铁标准曲线配制Tab-le27PreparationofFestandardcurve试剂12345625ng/mL铁标准溶液(mL)0.02.04.06.08.010.0蒸溜水50.048.0如.044.042.040.0(mL)(1+3)盐酸(mL)1.01.01.01.01.01.0〇10/〇.01.01.01.0101.0m/V盐酸装胺溶液知正)1.()缓冲溶液(mt)5.05.05.05.05.05.00.5%m/V邻菲罗晰溶液(祉)2.02.02.02.02.02.0()绘制铁标准曲线;配制25.0帖/mL铁标准溶液,按上表依次向锥形瓶中加入铁标+3-准溶液、蒸馈水、。姐酸和10%盐酸翔按溶液,加入12粒玻璃张加热煮沸至一15mL,冷却至室温,定量转移至50mL具塞比色管中,加片刚果红试纸,滴加饱21n2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除憐研巧,至试纸刚刚变红。继续按上表加入缓冲溶液和0.5%和艺酸钢溶液邻菲罗琳溶液,并加水至标线。摇匀,1501,>;11后测定吸光度并^水为参比对照。^^1铁含量为横坐标,吸光度为纵坐标绘制标准曲线。根据标准曲线计算水样中铁的含量。-.r10化8--0-y.0039x0.00593^r0.9970-/.6人朵/0-蔡,4^-0.2X;1111Lil:1.J〇?〇050100150200250狹念致〇ig/mlL)图2-3铁标准曲线-F.23Iconandardcurveigst2.2.3氯化巧除磯实验步驟一取烧杯加入定量的含磯废水,用氨氧化钢和硫酸调节pH值,置于磁力攪拌恒一一一温槽中,,设置定的温度,加入定量的氯化巧待预热至指定温度后,反应段时,,5n的微滤膜过滤间后静置30min用0.4叫,取滤液测定总稱浓度。2.4实验结果与讨论2.4.1巧槐摩尔比对总機去除率的影响一取9只烧巧,每个烧杯里取100mL废水,从1号烧杯至9号烧杯分别加入定量的CaCk,Ca、P的物质的量之比nCa:nP)分别为1:、12:、:、1.4:、使()(.11.11.311°=:、:、1.:、:、:a1,置于恒温水浴锅内C条1.511.61711.811.91,用NOH调节pH0,30件下揽拌反应30min,30min。取上清液沉淀,测定总磯浓度。-由图24可知,随着nCa;n的増大,即氯化巧投加量的增大,出水中总磯浓()(巧度逐渐降低,当n(Ca;n为1.7时.21m/L。继续增大n(Ca:nP)(巧,总憐浓度为1g)(),=总磯浓度变化不大。因此选择n(Ca):n(P)1.7为氯化巧的最佳投加量。巧盐除磯会生成多种形式的沉淀,如Ca5(OH)(P〇4)3、Ca3(P〇4)2、CaHP〇4等。这H种化合物中巧磯?的摩尔比在Wl:1.67之间,使氯化巧的投加量稍微过量,即可达到除去磯的目的。22n天津科技大学硕±学位论文^500-400-\isoo-\1200.\^.\^.????I■I?rI1iAI?‘I0___7函?I.L1三1314151.6171.8190101.....么n(Ca):n(P)图2-4巧據摩尔比对总磯去除效果的影响-Flhoig.24TheeffectofnCa:nPontotahosrusremoval()()pp2.4.2溶液阳对总雜去除率的影响=:nP1.7l取6只烧杯,每个烧杯里取100mL废水,按照n(Ca)():的量加入CaCl2,从1号烧杯至6号烧林用NaOH调节pH分别为8.5、9、9.5、10、10.5、11,将烧杯’30C揽拌反应30min30min。取上清液总礙浓度。置于恒温水浴锅内,,沉淀,测定5-赛:;?.IiII0t■-.8.59.09.510.010.511.0pH图2-5H对总稱去除效果的影响pF-ig.25TheeffectofpHonthetotalhoshorusremovalpp由图2-5可知,随着溶液pH的逐渐增大,反应出水中总磯浓度先降低后増大。当溶液pH为10.5时,出水中总磯浓度为化81mg/L,当溶液pH继续増大为11时,。-出水中总磯浓度为1.84mg/LpH为10.5时出水中总稱浓度最低。押对沉淀的沉淀23n2海弹油气管道酸洗废水化学沉淀法除稱硏究溶解平衡有很大影响,在适宜的pH下可达到最好的沉淀效果,研究确定反应的最佳阳为10.5。2..43反应时间对总磯去除率的影响,15,20m,5m取5只锥形瓶,反应时间分别为5min,10minmmin2in,每个°50mL.nP废水,调节pH为105,30CCa:n)为锥形瓶加入将废水预热到,按()(°1.7:1分别加入CaCl2,在恒温水浴锅内30C条件下揽拌反应。取上清液测定总憐浓度。-5-2m由图26可知,在反应时间为min5in的变化范围内,出水中总磯浓度在0.2mg/L0.3mg/L范围内波动,反应时间对总憐去除效果影响不大。在氯化巧除稱过程中,需要揽拌使巧离子与磯酸根离子充分接触反应,,,揽拌时间越长动力消耗越大’5min。因此只须攒拌混合均匀即可,研究确定反应时间为1.0P0-.8--化6_一 ̄ ̄-f暑-*寂堵0?.4m?怒5-0-.21I*?1''■■*?0.0510152025段应时间(min)图2-6反应时间对总踩去除效果的影响K-6Theeconrusmovag.2fectofreationtime化化1hoshorelpp2.4.4反应温度对总磯去除率的影响°°’‘‘5个锥,C、20C、30C、40C、50C取形瓶反应温度分别为10,每个锥形瓶加150mL废水,调节pH为10.5,将废水预热到指定温度,按n(Ca):n为1.7:加入入(巧CaCl2,于恒温水浴锅内拨拌反应5min,取上清液测定总磯浓度。’’-7反映的是温图2度对总磯去除效果的影响。由图可知,在温度从lOC升高到50C’的过程中,总磯浓度先略微减小,50C时7,而后迅速增大在温度,总磯浓度己超过mg/L。在温度为3(TC时,总磯浓度最低。这是因为在温度较高的时候,生成的沉淀。a的溶解度増大,导致出水中总磯浓度较高而在低湿范围内,温度对CCk除磯的效’果基本无影响。因此在反应中,媪度应控制在40CW下。24n天津科技大学硕-上学位论文8广:;5S://4晏:/議3-/狂■5/■^?.>.I?了II.QI?.1020304050減度"(C)图2-7温度对总碟去除效果的影响"*F-.27Thft化matuientotalhoshorusremovalieeecoferogppp2.4.5响应面优化实验研究99一[]响应曲面法(ResponseSurfaceMethodology,RSM)是种统计方法和数学方^法相结合的产物,用于对感兴趣的响应受多个变量影响的问题进行建模和分析,^>^优一RSM问化此响应。般在题中,响应值和自变量之间的关系是未知的,因此RSM问一个步骤就是寻求响应变量集合之间真实函数关系的一个合适的逼近式题的第y和自。一一一一通常可用在自变量的某区域内的个低阶多项式来逼近。般是用阶模型和二阶模型。一一响应面优化是个寻找最优实验条件的方法,般用于解决非线性数据处理的问,建立模型,题,包括实验设计,模型合适性的检验最优条件求解等方面。响应面优化通过回归拟合和H维响应曲面图和等高线图的绘制,可求出相应于各因素水平的响应值。在各因素水平的响应值的基础上,可W找出预测的响应最优值W及相应的实验条件,。响应面优化可W在较短的时间内W较少的试验次数对实验参数进行全面考察并可得出正确的结论,在实验设计W及工程设计方面有着广泛的应用。响应面优化法,,考虑了试验随机误差;同时响应面法将复杂的未知的函数关系一在小区域内用简单的次或二次多项式模型来拟合,计算比较简便,是降低开发成本、优化加工条件一、提高产品质量、解决生产过程中的实际问题的种有效方法。一,将实验得出的数据结果响应面优化法,进行响应面分析,得到的预测模型,,其优势是般是个曲面,即所获得的预测模型是连续的。与正交实验相比:在实验条件寻优过程中一,可W连续的对实验的各个水平进行分析,而正交实验只能对个个孤立的实验点进行分析。25n2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除憐研巧响应面的实验范围较窄,在实验设计时,试验点应包括最佳的实验条件,否则很有可能得不到较好的优化结果。因此,在进行响应面实验之前,应先确定各实验条件一的合理的因素和水平。般有两种方法确定实验的因素和水平:单因素实验和最陆爬一坡实验,般有。在确定了实验条件和它们的水平之后即可进行响应面的实验设计。enBox-B-中也组合设计(CtralCompositeDesign,CCD)和ehnken设计(BoxBehnkenDesign,BBD)。1Box-B()ehnken的响应面设计由单因素实验结果可知,n(Ca):n(P)、pH和温度对于CaCl2除憐过程中总憐的去除效果都有很大影响,而反应时间对于总磯的去除效果影响不大。因此,在响应面优化试验中,只选取n(Ca):n(巧(Xi)、pH(X2)和温度(X3)H个影响较大的因素来考察其对总磯去除效果的影响。根据单因素实验的结果,确定反应时间为5min,n(Ca);’n ̄ ̄ ̄(巧的考察范围为1.71.9,pH的考察范围为1011,温度的考察范围为2040C。按照Box-Behnken的方法设计了兰因子H水平共17个试验点的实验方案,实验因素及-8水平见表2。表2-8实验因素水平和编码T2-able8Levelsandcodesofexperimentvariables■水平及因素取值单位编码-101X171.1.8.9,X21010.511°CX20304031在响应面实验中,7个实验点中,包,W出水中总磯浓度作为目标响应值在这一括析因点和零点,其中析因点共有12个,自变量的取值在由Xi、X;、X3所组成的H维图形的顶点上、。零点总共重复5次,用来估计实验的误差,零点是区域的中屯点。P值是用来检验系数的显著性的工具,与此同时,这些系数可能揭示各自变量之间相互作用的关系式,。,P值越小对应的系数越显著(2)响应面实验结果与讨论ox-ehnken-9基于BB的实验设计及实验结果如表2所示。实验序号由DesignExpert8.0.6软件随机生成。实验Wn(Ca);n(P)、pH和温度呈个因素为变量,W出水中总憐e-浓度为响应值建立数学模型,用DsignExpert8.0.6软件对表29的实验数据进行回归拟合,得到了n(Ca);n(P)、pH和温度对总磯去除效果影响的二次多项式回归方程为:2-*=-X+X++-R202.70+19.18X38.21X1.070.65X0.04XXO.O8XX8.18Xi23i21323i^-^^++*-1.63X21.6810X3(31)26n天津科技大学硕±学位论文.2-9-表SoxBehnken实验巧案及结果Tab--le29BoxBehnkendesignandresults编码序号总稱浓度如g/L)XiX2X311.711300.6621.910300.5231.911300.241.810.5300.3251.810.5300.2761.810,5300.4171.810.5300.2481.710301.1191.811200.39101.811401.3111.910.5200221.121.710.5400.46131.810201.28141.710.5200.64?0151.910.540.21'161.810.5300.24171.810400.51-对该回归方程的方差分析及盈著性检验和回归方程系数的显著性检验见表210-和表211。由方差分析切及系数的显著性检验可知.40化00,模型的F值为14,P值(1)远=5-uared小于化0,表明整个模型是显著的,回归效果较好。模型的决定系数RSq0.9488,=R-Suared0调整决定系数Ad.882988.29%的响,模型可解释应值的变化,模型的jq差小=。信噪比AdPrii13.2384拟合度较好,实验误eqecson,大于,表明模型具有较高的精密度和可信度。失拟项的F值为5.867,P值为0.0602,失拟项不显著,表明此模型比较接近真实的曲面一。通过回归方程的系数的显著性检验可知,次项巧磯摩尔比巧0,pH2)均对总磯的去除有显著性影响,而反应湿度X对总磯的去除没有(X(3)显著性影响。在交互项中钩磯摩尔比和pH及帮麟摩尔比和反应温度的交互作用不22=显著,阱和反应湿度的交互作用是湿著的。二次项Xi(0.2242)不显著Xp,22==(p0.0003)和X2(p0.0288)显著。27n2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除機研巧2-表10方差分析及显著性检验ab-Tle210Varianceanalsisandsignificance化Sty来源平方和自由度均方FP显著性模型2.05215647190.22801738614.400.0010显著>X0.369810.36S823.360.0019显著,父20.0924510.092455.8400.0463显著X30.000210.00020.01260.9137XX0.00422510.0042250.26690.6214,2XX0.00722510.0072250.45640.521013XX0.740251.714.1.231002545000003显著^X0.02813921110.0281392111.7770.2242i]X.7017602631070176044.33;0.%30.0003显著-X..1..j01191918421011991842752900288显著0.n〇82705831429残差.0101失拟度.090330.0305.8670.0602不显著纯误差0.0205240.00513总和2.162976471162--表11BoxBehnken实验回归方程系数显著性检验e2-Tab11Terreuancenlstofsignificancefo化eg化ssioneqtiocoefiit系数项回归系数自由度系数标准误差95%置信下限95%置信上限常数项0.巧610.0562697580.1629431670.4290%833---X0151.04441191;37.208550.32006630.09809?,---X011.12.075004448550.2126906630.002309337--X0.005144%150111130.04.0906630.00190663-XX0.15112.03251006巧1020.1162620620.86206212-XX30.0425150201.1120.062911.0626206209620621XX010.111223.422506295020.2737379380.57620622--X0.0817510.0613185480.2267453220.063245322,X.1027855325322040825.0613185480.2635460.4t2X30.1682510.0613185480.0232546780.313245322(3)响应面分析为了考察H个影响因素中各因素及其交互作用对海洋油气管道高含磯清洗废水28n天津科技大学硕±学位论文一中总磯去除效果的影响,固定其中个因素条件不变,得到任意两个因素及其交互作-- ̄用对总稱去除效果影响的等高线及H维响应曲面。图28图210显示了利用氯化巧去除海洋油气管道高含磯清洗废水中总憐中巧憐摩尔比、pH和反应温度王个因素的=交互作用-8H对总憐去除效果影响的等高线图和维响应面。图2是巧磯摩尔比和p图。由图可知,随着巧憐摩尔比的增大,总憐浓度逐渐降低,而随着pH从10增大到-11,总憐浓度先减小后增大,两者的等高线图近似圆形,交互作用不明显。图29是巧礎摩尔比和反应温度对总憐去除效果影响的等高线图和H维响应面图。由图可知,°°20C增大到40C-巧着温度从,总稱浓度先减小后增大图210是pH和反应温度对总稱浓度影响的等局线图和二维响应面图。由图可知,等商线呈楠圆形,pH和反应温度两个因素对总磯去除效果的影响具有明显的交互作用一。这跟方差分析结果是样的。■"?,{?II2Q*Q1.70172.7.76178.80.141.86.88.9.141.1182.8110nCa:nP()()图2-8巧踞摩尔比和pH交互影响总磯去除效果的响应面及等高线图巧-8rflttlt化fetCPl?2Resonsesuaceoandconouroofeefcofn(a):n(andHon化etota呂ppp)phoshorusremovalpp29n2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除縣研究iL爱刻1.701.721.74.761.78.801.8.841.81.88.11216190n(Ca):n(P)化■、记C;^图2-9巧權摩尔比和反应温度交互影桐总踞去除效果的喃应面及等高线图-民cecaH:nPr:g.29esponsesurfacelotandontourlotof化eeftofnCandeaction1emeratureonpp()()p化etotalhoshorusremovalppliS10.010...210410610.811.0Hp30n天津科技大学硕止学位论文2-H和图10p反应温度交互影响总槐去除效果的响应面及等高线图-eeecnFi210Resonsesurfacelotandcontourlotof化ftofHandreactiontimeothe化化1.pgppphosphorusremovalp(4)条件优化及模型的验证m/为了达到出水中总磯浓度小于I.OgL的目标响应面得到的二次多项式回,根据归方程,利用DesignExpert8.0.6软件对CaCb去除海洋油气管道高含稱清洗废水中的总磯的实验在约束条件内进行了条件优化和求解。各约束条件及目标响应值限定如表2-12。2-表12最优化条件约束及目标值范围-Table212Theotimalconditionsandscoeofthetaretppgs*条件及目标最低限最高限nCa:nPinrane1.71.9()()gpH值inrange1011温度inrange2040=目标响应值targetl0.21.31在此约束条件及目标响应值下a=,最优化求解得各因素最佳工艺为:nC:nP1.74,()()°=CH10.16,温度为22.64。在此条件下.32m/Lp,模型预测出水中总磯浓度为0g,在此最佳条件下进行验证试验,3组平行试验测得出水中总磯浓度平均为化45mg/L,模型能够较好的模拟CaCb除磯的真实情况。2.5本章小结本章利用CaCb除去海洋油气管道高含稱清洗废水中的总磯,并对影响巧法除磯31n2海洋油气管道酸洗废水化学沉淀法除焼研巧过程中的主要因素如n(Ca):n(巧,pH值,反应时间及反应温度使用单因素实验进行了考察。在此基础上,对n(Ca):n(巧,阳值和反应温度兰个影响较大的因素使用响应面优化法进行了分析:,研究得出下结论(1)CaCl2能够在合适的温度及适宜的pH值下有效的去除海洋油气管道高含憐清洗废水中的总磯。总磯去除率随着n(Ca):n(巧的增大而增大,随着pH值的升高先升高后降低,,随着温度的升高先增大后降低而反应时间对总稱的去除效果基本没有影响;温度为°(2)当n(Ca):n(巧为1.7,pH值为10.5,反应30C,反应时间为5min的条件下,出水中总磯浓度低于1mg化;(3)响应面优化结果表明,在所考察的nCa:n()(巧、pH值和反应温度H个因素中,n(Ca):n(巧和阳值在考察范围内对总憐去除效果具有显著性影响,温度的影响不显著,同时,pH和温度的交互作用对总磯的去除具有显著性影响;°P=74=温度为(4)最优化结果表明,在n(Ca):n〇)1.,pH10.16,22.64C的条件下,出水中总磯浓度为0.32mg/^(5)在最佳条件下进行验证试验,3组平行试验测得出水中总磯浓度平均为0.45mg/L,模型能够较好的模拟CaCl2除磯的真实情况。32n天津科技大学硕±学位论文3Fenton氧化法去除海洋油气管道酸洗废水COD研究Fenton氧化在废水处理中有着广泛的应用。由于其产生的哲基自由基的较强的氧化能力和铁离子的良好的絮凝性能,对于难生物降解的有机物和可生化性较低的工业废水具有良好的处理效果。但是Fenton氧化也存在H202利用效率不局的问题,由于Fenton氧化是依靠Fenton试剂产生的咨基自由基的氧化能力,因此,化化向哲基自由基的转化效率的高低enton氧化的氧化反应速率和对有机物的降解效,直接决定了F果。但是在现有的Fenton反应体系中,并不能完全催化H2化产生径基自由基,甚至产生径基自由基的效率很低一一。为了解决这问题,研究者进行了不懈的努力,方面一t通过优化操作条件,使Fenon氧化效率尽可能的高,另方面通过引入光、声、电等元素提高H2化催化产生径基自由基的效率,进而提高Fenton氧化的效率。3.1实验原理Fenton可产生具有极强氧化性的哲基自由基,可将废水中的有机物彻底氧化。本实验通过Fenton氧化降解海洋油气管道高含憐清洗废水中的有机物,考察了影响2+Fenton氧化的,并利用响应面法对也〇2投加量:ne日几个主要因素、n(H2〇2)(F巧pHH个影响较大的因素进行优化,寻找使Fenton氧化效率最高的最佳工艺条件。3.2实验材料实验所用水来自CaCb除磯之后的废水,废水中COD从原水的3062mg/L降至2643.4mg/L。3.2.1实验药品及试剂-实验所用主要试剂见表31。表3-1主要实验试剂Tabe3-1Themanaentslig序号\mm生产厂家一1浓硫酸分析纯天津市化学试剂厂2过硫酸钟分析纯天津市文达稀贵试剂化工厂3硫酸银分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司4硫酸隶分析纯贵州省铜仁泰瑞尔化王厂5重铭酸钟优级纯天津市科密欧化学试剂开发中如6硫酸亚铁较分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司7氨氧化钢分析纯天津市文达稀贵试剂化工厂8双氧水分析纯天津市美联精细化学品开发有限公司9硫酸亚铁分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司33n3Fenton氧化法去除海洋油气管道酸洗废水C孤硏充3.2.2主要仪器设备3-2实验所用主要仪器设备见表。表3-2主要仪器设备T-mable32Themauiraineqpentandappatus序仪器型号生产厂家1R224CN奥豪斯仪器电子天平A(上海)有限公司2循环水多用真空泉SHB-3郑州杜甫仪器厂3SevenComacS220-pt多参数测试仪梅特勒托利多仪器(上海)有限公司478-磁力加热攒拌器1型金坛市华峰仪器有限公司5环保COD专用电热套山东省詢泽市洋龙电子科技有限公司6磁力揽拌恒温槽HXC-500-6A北京惠诚佳仪科技有限公司3.3实验方法3.3.1分析方法3-3实验中所用分析方法见表。表-3主3要分析方法Tab3-Tle3hemainanalysismethods序号分析方法标准^1-总稱領酸锭分光光度法GB11893892-化学需氧量D重络酸盐法GB1191489(CO)3H玻璃电极法GB的20-86p3.3.2芬顿氧化降解COD实验步驟一(1)实验步骤:取烧杯加入定量的酸洗废液H值,,用氨氧化納和硫酸调节p一一加入定量的30%双氧水和硫酸亚铁溶液,置于磁力揽拌器上,反应段时间后,调节pH至9,用0.45im的微滤膜过滤,取滤液测定COD。j(2)H2化理论投加量的计算:经过CaCl2除磯之后,废水中COD从3062mg/L降至2643.4mg/L。废液COD为2643.4mg/L,即理论需氧量为2643.4mg/L,即所需化为2643.4mg/L(每升废液完全氧化需化为2643.4mg),每2mol吐化产生Imol*=〇2,则所需双氧水摩尔数为22.6434/320.1652125moVL,良日5617.225mg/L(亦即H2化理论投加量为CODcr的2.125倍),30%H2化密度为1.11g/mL,则每升废水34n天津科技大学硕-上学位论文化【胃理论加入H202的量(1Q)(TheoreticalQuan化y,简写为卿1)为16.869mL。3.4实验结果与讨论3.4.1双氧水投加量对COD去除效果的影响-由图31可知,随着化化投加量的增加,出水中COD逐渐降低,在&〇2投加量达到2Q之前,COD浓度迅速降低,当双氧水投加量为2Q时,出水中COD浓度为236.20mg/L,当H2化投加量超过2Q之后,COD浓度降低缓慢,当&〇2投加量为7Q时,COD浓度为120.1mg/L,当也化投加量继续增大时,出水中COD浓度增大,双氧水投加量的多少有着很大影响,双氧水在。在芬顿氧化降解有机物的反应中-3)亚铁离子的催化作用下产生泻基自由基(见式1,而有机物如COD主要是靠经基自由基的强氧化作用而去除的。但是当双氧水过量的时候,会消耗反应体系中的径基-自由基(见式15),降低反应体系中径基自由基的浓度,从而影响了反应速率,降低了Fenton氧化的效果。综合Fenton氧化的效率及成本考虑,确定H202投加量为2Q。2000--\1500i.\。。。:一-—V■….■喔?.i.Ii.II.I.II.i.I.iQI...0.5QIQ2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9QH0化如涵22图3-1H0槐化废水COD去除效果的影响22对*F-己waii.31fectofH202onemoveIeficiencyofhoshatins化watergppg2+3.4.2摩尔比nH〇:nFe对COD去除效果的影响(22)()22+-2可知由图3,随着nH〇:nFe减小,Fe浓度的增大,出水中(22)(勺的即投加的2、COD浓度逐渐降低,当n(H2化):nFe于14:1时,出水中COD浓度变化不大。继(>J2+2+续增大Fe的浓度,对COD的去除效果不明显。Fe是芬顿反应的催化剂,是催化双氧水产生径基自由基的必须条件enton氧化反应的速度和,其含量的多少直接影响着F2+2+效果。当反应体系中却H2〇2):nFe较小e,直接影响了催化反应(),即F浓度较低时(-3)的速率和哲基自由基的产生量见式1,从而影响了有机物的降解效果。当Fenton2+e浓度较高时-反应体系中F,会消耗反应体系中产生的哲基自由基(见式14),降低35n3Fenton氧化法去除海洋油气管道酸洗废水COD研究了反应体系中径基自由基的浓度,同时还会产生0H%由于Fenton氧化反应是在酸性,enton氧化反应的进行条件下进行的产生的OIT会抑制F,影响有化物的降解效果。2+2+e,,只有当F浓度适宜时才能达到最好的处理效果。根据实验结果选取n化〇2):nFe()为14:1。320-300-之80-X_I當.^是260-^1Q1\°240-220-^I1'200'1<1?1?20:8:::11116114:1121n〇)却的化22+3-2nH〇Fe图22:n树磯化廬水COD去除效果的影响()(+2-2EfecnnFeonremovencK.3tofH2〇2:)leficieofhosphatinwastewaterg()(ypg3.4.3初始pH对COD去除效果的影响3-3可H由图知,初始p对磯化废水中COD的去除有着明显的影响。随着初始pH的增大,出水中COD浓度先迅速降低而后缓慢増加。当初始pH为3的时候,出+-1,为214.46m/L。由式3可知浓度对径基自由基的产生量水中COD浓度最低g,H2+和产生速率有很大影响。在Fenton氧化反应中,也〇2是通过Fe在酸性条件下催化一产生経基自由基的。方面,适宜的pH可促进Fenton氧化反应的进行化及链式反应一H过高或过低方面,都enton的发生,产生较多的径基自由基另,氧化反;p会对F+2+3+ee--向F的转化(式115,117)应产生不利影响。当pH过低时,过量的H会促进F,3+2+2+同时抑制Fe向Fe的转化,随着氧化反应的进化Fenton氧化体系中的Fe不断减少,反应产生的装基自由基的速率和数量都减少,从而降低了氧化反应的速率,与此+3+2+2+同时,由于反应体系中H浓度过高,抑制了链式循环反应中Fe向Fe的转化,Fe得不到及时有效地补充,使反应速率越来越慢。当pH过高时,溶液中的OPT会抑制3+2+2+鞋基自由基的产生,同时,过高的阳还会使Fe和Fe生成氨氧化物沉淀,影响Fe3+2+催化反应的进行,并且抑制Fe和Fe的循环再生,,减少了哲基自由基的生成从而影响Fenton氧化反应的速率,降低了有机污染物的降解效果。研究选取磯化废水的初始H为3。p36n天津科技大学硕上学位论文1800「-1600X-\1400-\1200i…00-\撕。I^\。600-\400-\■■■200-?111>0I???*12345Hp图3-3阳对磯化應水COD去除效果的影响'F-was化wa.33EffecHonIemoveefficencofosanerigtofpliytitphphg3.4.4反应时间对COD去除效果的影响3-4COD60in内COD由图,随着反应时间的増加浓度逐渐降低。在前m可知,-D降解很快,在60min90min内COD降解缓慢90min,后CO浓度基本不再改变。+2这是因为随着Fenton氧化反应的进化反应体系中的H化浓度逐渐降低,Fe浓度2+逐渐较少,同时由于反应体系中H的消耗,会生成絮状体的氨氧化物,阻碍了Fenton一氧化反应的进行,抑制了哲基自由基的产生,使反应逐步趋于终止,从而使定时间^>1后COD的90min。1去除效果不再变化。综合考虑选取反应时间为2000-X-\1500.I\000—\营1S?\500-、■■■■II><tI<0I*?????I20406080100120140160反应时间(min)图3-4反应时间对麟化麽水COD去除效果的影口向巧-wag.34Efectofreactiontimeonremoveleficiencyofhoshatinstewaterppg37n3Fenton氧化法去除海洋油气管道酸洗废水COD研究3.4.5反应温度对COD去除率的影响°-由图35可知,随着温度从10C升高到5(TC,出水中COD先降低后升高。在温‘C升TC的过程TC度从10高到2(中,出水中COD略有降低;当温度升高到3(时,出,达到最小值,水中COD迅速降低;而后随着温度的升高出水中COD浓度也逐渐升高,但变化幅度不大。随着温度的升高,,反应体系中反应物的分子平均动能会增大因而使反应速率加快。当反应温度较低时,Fenton氧化反应速率极其缓慢,使COD,HO会部分分解为〇2和H2O的去除率很低,降低Fenton氧化;当反应温度较高时22的反应速率。1600P00-14-1200\-—000,1\^?\S00-\客S600-\400-\-■-—200-I.It,I.I??1020304050温糜rc)3-OD去除效图5反底温度对踞化废水C果的影口向F3-Efeceaconmerarreecencshanwawarig.5tofrti化ptueonmovlefiiyofhotisteteppg3.4.6响应面优化实验(Box-B1)ehnk谢的响应面设计表3-4实验因素水平和编码T-able34Levelsandcodesoferenarexpimtviables水平和因素取值因素单位编码-101H202投加量mLXi2.533.384.222+n(H2〇2):n(Fe)X2101520pHX3246根据W上单因素实验结果-Behnken响应面(,在Box实验中选取也〇2投加量X),i38n天津科技大学硕-上学位论文2+n(H2〇2):n(Fe)(X2)^^及pH化3)兰个因素作为考察的目标,鉴于成本因素和单因素实验中对COD的去除效果,H个因素的考察范围分别为:每100mL废水中,&化2+53 ̄ ̄?-,n:nFe2〇,BoxB投加量2.4.22mL巧2〇2)()为10初始pH为26。按照ehnken15个-的实验方法设计了王因素王水平共试验点的实验方案,实验因素和水平见表34。,COD15,包括在响应面实验中1^出水中作为响应值,在这个实验点中12个析因点和5个零点,零点总用来估计实验的误差。P值用来检验系数的显著性,P值越小,对应的系数越显著。(2)结果与讨论Box-Behnken3-5esrt实验设计和实验结果如表所示。实验序号是由DignExpe+tO.6软件随机生成的。实验W也〇2投加量、n闲2〇2灿恥似及pH兰个因素为变量,rt-COD去除率为响应值构建数学模型,用DesignExpe8.0.6软件对表35中的实验数据进行回归拟合,结果表明其符合二次多项式模型,由此得到H2化投加量、"n(H2〇2):n(Fe)W及pH;个因素对COD去除率影响的二次多项式回归方程为:2=-W4---民6.53X1+34X+2.0XXX+0.巧X.602.48X.%90.76XX10.33X+0.04|23232ii3i22X-4-2.2OX(41)3表3-5B-Boxehnken实验方案及结果Tab--le35BoxBehnkendesignandresults编码*序号COD去除率(%)^^^13.3815487.5923.3810270.5933.3820681.0144.221568乂295422113.0488.62.5315231.12721.530487.7182.5320452.%.566592的1.371103.385483.91113.3810688.0124222014.88.64133.3815485.45144.2215260.162040153.382.0539n3Fenton氧化法去除海洋油气管道酸洗废水C孤研巧-6显著性检验见对该回归方程的方差分析及显著性检验见表3,回归方程系数的3-7表。--F值6由表36和表37可知,模型的为1.82,P值为0.0001,远小于0.05,表明2=整个模型的适应性是非常显著的,回归拟合的效果较好。模型的决定系数民0.9911,2=AdR0.9751调整决定系数,表明模型能够解释97.51%的响应值的变化,模型的拟j2=合度较好,实验误差小edR0.8756,。预测决定系数Pr它是衡量模型预测响应值好22坏程度的指标,AdR与PredR之差为0.0W5,小于化2,表明预测值与实际值之间jAdPn=2244rec,表具有较好的相关性。信噪比巧isio.83,大于明模型具有较高的精F3.212密度和可信度。失拟项的值为.86P值为07,失巧项不显著,表明此实验在,操作过程中受其它因素影响较小,模型比较接近真实的曲面。通过回归方程的系数的■一nH〇2显著性检验可知:nFe日enon,次项H202投加量,22)H均对Ft氧化过程中((哨p2+COD的去除率有显著性影响。其显著性大小为:pH>H2〇2投加量>nH2〇2):nFe,(()込说明,在Fenton氧化降解COD的过程中,pH起着重要作用。在交互项中H2化投2+2+加量和n(H2〇2):n(Fe似及n(H2〇2):n(Fe)和pH的交互作用是显著的,而H202投加222H的交互作用不显著===量和p。二次项Xi(p0.0056巧日X3(p0.0001)显著,X2(p0.5341)不显著。表3-6方差分析及显著性检验Tab-Vle36ariancelsisandsinificantestanaygce来源平方和自由度均方F值P值Model0.5290.05761.820.0001significantX0.09910.099107.20.0001iX2015.670..0650.06690004<.1101.1X309.9199.920000XX0..03110.03133.720002112--XX6.55E0416.55E040.7104388.13X2X300141001414.940.0118..^Xi0.0210.0221.650.00%--.记4.13E0414.13E040450^341^0.112X3.1101.320.0001ReE-E-sidual4.640359.2704F-12-12nLiackofit3.95E033.3E033.860.27notsigifcant--PureError6.83E0423.42E04CorTotal0.521440n天津科技大学硕±学位论文表-7Box-B;3ehnken实验回归方程系数显著性检验Tab-7Tenrereressncle3stofsigificancefoth呂ioequationoeficient系数项回归系数自由度系数标准误差%%置信下限95%置信上限常數项0.856510.0175780920.8113140780.901685922X....0111451001076433900837793870139120613i---X01.11.0W8510.00764巧9075206130.0621793872X30.152210.0107643390.1245293870.17%70613X0)2.088410.0152230750.045678430.1275321571X2--XX0.0128I0.0152230750.0519321570.02633215713X2X30.0588510.0152230750.0197178430.0979821572---X0?.07372511584467801144550.0.040.03巧94?6j^X-0.01057510.0158446780.030155040.0513050422X---0.16792510.0158446780.20%55040.127194963(3)响应面分析S维响应面图可料比较直观的反映COD去除率随各因素的变化趋势和各因素之2+=3-6 ̄3-8HFHD间的交互作用。图是也〇2投加量,n2〇2):ne和p个因素对CO去(()=2+3-6显示了战化投加量和nHF除率影响的维响应曲面图及等高线图。图化):ne(2()COD253mL422mLCOD去除率的影响..,对。在也化投加量在到的范围内去除率2+随H2&投加量的增加而逐渐增大至保持不变,n(H2化):n(Fe)在从20到10的过程中,2+2+COD去除率随n化〇2):n(Fe)的减小(即[Fe]的增加)而增大。这个趋势与单因素2+一H〇实验的结果是致的。从图中可W看出:nFe,当&〇2投加量较低而n(22)()较小(即2+2+2+[Fe]较大)W及当吐化投加量较大而n(H2〇2):n(Fe)较小(即[Fe]较小)时都有较2+,大的COD去除率:nFe。这说明也化投加量和n(也〇2)()之间具有很大的交互作用两者对于Fenton氧化降解COD的贡献不是孤立的,它们共同影响着Fenton氧化去除2+COD的效果-7D去F。图3反映了也化投加量和阳对CO除率的影响。在n(也〇2):n(e)保持零水平时,随着pH的增大,COD去除率先增大后减小。H2O2投加量和pH两个因素的交互作用是不显著的,两者对于Fenton氧化降解海洋油气管道高含磯清洗废水2+3-8显H〇中有机物的过程基本是独立的:nFe,相互之间影响不大。图不了n(22)()和OD去除率的影响=。由XX0.0021005pH对海洋油气管道高含稱清洗废水中C,小于.i22+H〇2:nFe日于Fenton氧化降解海洋油气可知,n2巧押的交互作用也很大,两者对()(管道高含磯清洗废水中有机物的过程不是独立的,而是共同影响着Fenton氧化降解COD的效果。从图中可看出,由于两者的交互作用,使得最适pH值增大了。最适H值相对于单因素实验中明显增大。在实际反应中,可通过送种现象p,调控不同因。素,保持结果不变41n3Fenton氧化法去除海洋油气管道敌洗废水COD研究*:辨J防y,;.若;,,..I2.62.83.03.23.4363.84.04.2.XjrHOmL)j/2+-6nH〇图3战〇2和(:nFe对COD去隙率影响的兰维响应面图和等高线图22)()Fi3-6Three-dnd化eefeimensional民esonseurfacelotacontourloshowintofHand化eg.pspptgc2022+H*n(2〇2:n(FeontheCODiernovalrate))42n天津科技大学硕-上学位论文ioo,e§、-=?《?"r^禮-‘:5.0IF(4.5V7\麵70弯\、\.的、'I‘—'7a、?如4.0:,.貪.Ma是\|^的?说画'2.623.2.....83.0343638404.2XHmL;0/),^3-7HH对COD去除率影响的H维响应面图2化和p图^--wf7民ndconurini.3Threedimensionalesonsesurfacelotatolotsho化eefectofH202and化egpppgHon化eCODremovalratep43n3Fenton氧化法去除海弹油气营道酸洗废水C抓研巧?'作為令—■6.0r—??IM?'-'、-55..r目::、心。\5.0、I辈45.麵一73.55’^駐东一'"''-量"^^>:^国寬^少;::3.。^:ii:::^:::^^;::^;::^:^* ̄* ̄*^’*?->*-rtI20101214161820"*X^:n(H^O,):n(Fe)图3-8HnFPn(2〇2):(e气和押对COD去除率影向的兰维响应面图--wFTRsrfacerinefig.38hreedimensionaleponsesulotandcoUourplotshog化eectof化ep2卡FH*nH2〇):neandontheCODiemovaIrate(2()p(4)条件优化及模型验证为了在合适的因素范围内获得最大的COD去除率,根据相响应曲面模型的优化求解约束条件,求解使响应值maximize的各因素参数值。在海洋油气管道含憐清洗2+2+废水的芬顿氧化处理中,H202投加量和Fe的投加量是主要的成本来源,同时Fe投加过多会造成大量的铁泥,因此必须选择合适的因素范围才能降低成本要求。由于2+Fe的投加量是根据也〇2投加量来计算,因此在保证较高的COD去除率的条件下,?氏化投加量应尽量少。综合考虑,确定H2化投加量范围为2.534.22mL,2+??n(也〇2):n(Fe)范围为1020,脚值范围为26。W此作为求解COD最大去除率的约束条件,各因素的取值约束为inrange.在此约束条件内进行求解得各因素最佳条件==,1。为X尸2.76X20.26,X34.24,在此条件下COD最大去除率为90.2%在此最佳条44n天津科技大学硕王学位论文件下进行验证试验,3组平行试验得到芬顿处理海洋油气管道含憐清洗废水的COD去除率平均值为86.1%,与模型预测值相差仅4.1%,说明此模型能够比较真实的反应芬顿氧化此高含礎清洗废水的真实情况。3.4.7二次Fenton氧化对酸洗废水COD去除研究一第次Fenton氧化的出水为367.43mg/L,不能满足排放要求,因此采用二次2+F一FFenton氧化继续降解COD。根据第次enton氧化中,条件,固定n(H2化):n(e)为°D的去10,30C,.26,PH值为4.24反应温度为,调整也化的投加量考察其对CO除效果。3-9可知D逐,随H渐降低2由图2化投加量的增加,CO,当也化投加量超过Q,且此时出水中COD浓度为37./,时,COD去除效果有限81mgL己满足出水要求。因此在二次Fenton中确定&〇2投加量为2Q。250-200-\\i"0-客8…0-誦?101■1■1■1■0.5Q1Q1.5Q2Q2.5QH0投加麗22图3-9〇加量对磯化废水COD去除效果的影响&2投F-9wEecH0lhori.3ftof22on代moveeficiencofshatinastewategyppg3.5本章小结本章利用Fenton试剂处理海洋油气管道高含憐清洗废水除磯后的出水,用W降解其中的有机物。并对影响Fenton氧化的主要因素进行了考察,利用单因素实验考察了h&〇2投加量、nH2〇2):nFe、H、温度和反应时间对COD去除率的影响。在单因(()p,素实验的基础上,使用响应面法对主要的H个因素进行了优化研究分析结论如下:(1)Fenton试剂对海洋油气管道高含磯清洗废水中的COD有较好的去除效果。COD去除率随着战化投加量的増大而逐步降低,随后基本趋于稳定,随着2+一n(H2〇2):n(Fe)的减小而逐渐増大,在Fenton试剂降解COD的过程中,存在个最佳的班值enton试,enton90min,使F剂的氧化效率最高当F试剂氧化反应时,再延45n3Fenton氧化法去除海洋油气管道酸洗废水C孤研究长反应时间对COD降解的贡献不大,同时当反应温度在3(TC时,Fenton试剂具有较好的氧化效果;(2)单因素实验确定Fenton试剂氧化降解COD的最佳条件为;H2&投加量为2+2,11〇:〇?6为14:111,〇也2),反应初始值为3反应时间为90〇1如反应温度确定(()口为。。30(3)响应面优化实验结果表明Fenton试剂氧化降解COD的过程符合二次多项,2+式模型。通过方差分析及显著性检验可知,H202投加量、n化〇2):n(Fe巧日pH值对2+2+D于CO去除率的影响都是显著的:nFenH〇:nFe,H202投加量和n(H2〇2)(似及(22)()和pH的交互作用也是显著的。(4)最优化结果表明,Fenton试剂氧化降解COD的最优条件为:每100mL废2+30L水中加入%H2〇22.76m,n(H2〇2):n(Fe)为10.26,pH值为4.24。在此条件下,模型预测COD最大去除率为90.2%。(5)在最优条件下进行验证试验,3组平行试验得到芬顿处理海洋油气管道含憐清洗废水的COD去除率平均值为86.1%,与模型预测值相差仅4.1%,模型能够比较真实的反应芬顿氧化此高含磯清洗废水的真实情况。2+(6)二次Fenton氧化中确定&〇2投加量为2Q,n(H2〇2):n(Fe)为10.26,PH为°424,C。.反应温度为3046n天津科技大学硕-上学位论文4〇3氧化法降解海洋油气管道酸洗废水COD研究臭氧广泛的用于工业废水的处理,在有机物的降解,,废水脱色W及降低浊度和消毒杀菌方面,臭氧表现出了良好的效果。随着近年来大型臭氧发生器的研制生产,可生产出具有较高浓度的臭氧,为臭氧在废水处理领域的工业化应用创造了条件。为,各种催化臭氧氧化工艺也日渐受到学者的重视了提高臭氧的氧化效率及反应速率,并开发出了多种提高臭氧氧化反应速率的工艺,使得臭氧W及其产生的径基自由基的利用效率大幅度提高。也使得臭氧氧化。为臭氧在废水领域的应用开辟了广阔的前景一及其组合工艺成为当下最为主要的高级氧化技术之。4.1实验原理〇一一一氧化是高级氧化的种,3,方面〇3本身具有很强的氧化能力另方面其在水中产生的径基自由基具有更强的氧化能力。〇3氧化降解有机物主要是通过哲基自由基氧化有机物而实现的。而臭氧氧化有机物的效率受多种因素的影响,例如臭氧的投加量、废水pH、有机物的初始浓度等。本实验利用〇3氧化降解海洋油气管道高含磯清洗废水除憐后水中的有机物,重点考察了臭氧投加量、pH、进气流量和反应时间对COD去除率的影响。并利用响应面法对臭氧投加量、pH和进气流量之间的相互作用W及它们单独和联合对COD去除率的影响进行了优化,得到了臭氧氧化降解海洋油气管道高含磯清洗废水中有机物的最佳工芝条件。4.2实验材料实验所用水来自CaCl2除憐之后的废水,废水中COD从原水的3062m/L降至g%43.4mg/L。4.2.1实验药品及试剂-实验所用主要试剂见表41。4-表1主要实验试剂T-Table41hemainagents序号m生产厂家^一1浓硫酸分析纯天津市化学试剂广2过硫酸神分析纯天津市文达稀贵试剂化王厂3硫酸银分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司4硫酸隶分析纯贵州省铜仁泰瑞尔化工厂5重络酸钟优级纯天津市科密欧化学试剂开发中也6硫酸亚铁倭分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司7氨氧化纳分析纯天津市文达稀贵试剂化工厂47n40,氧化法降解海洋油气管道酸洗废水COD4.2.2主要仪器设备4-2实验所用主要仪器设备见表。表4-2主要仪器设备T-menable42Themaineuiaarauqtsandtsppp序仪器型号生产厂家号1电子天平AR224CN奥豪斯仪器(上海)有限公司2循环水多用真空粟SHB-3郑州杜甫仪器厂3v-巧利多仪器SeenCompact多参数测试仪S220梅特勒(上海)有限公司478-磁力加热揽拌器1型金坛市华峰仪器有限公司5环保COD专用电热套山东省詢泽市祥龙电子科技有限公司-6磁为攒拌恒温槽HXC-5006A北京惠诚佳仪科技有限公司7臭氧发生器NPOLOP-S-2山东绿邦光电设备有限公司LMF-8湿式防腐气体流量计1长春汽车滤清器有限责任公司9紫外可见分光光度计7。型上海菁华科技仪器有限公司4.3实验方法4.3.1分析方法4-实验中所用分析方法见表3。表4-3主要分析方法-maTable43Theinanalimsyssethod序号分析方法?^1总-憐笛酸较分光光度法GB11W3892化学-需氧量(COD)重络酸盐法GB11914893H玻璃电极法GB-866920p+2*4Zn原子吸收分光光度法GB7475-875282-1〇3浓度规量法CJ/T30.9944.3.2臭氧氧化降解COD实验步驟一臭氧氧化反应装置是个圆柱形的有机玻璃柱,高600mm,圆柱内径50mm,底部采用砂芯曝气头进行曝气。两个盛有KI溶液的吸收瓶用来吸收残余的臭氧。实验之前预先向反应器加入蒸觸水,用臭氧预处理15m,in去除臭氧氧化反应器中消耗‘18n天津科技大学硕±学位论文臭氧的成分,再用蒸馈水洗净。取300mL除槐后的废水,废水中COD浓度为2643.4L一m至,置于有机玻璃柱中。开启臭氧发生器/定H值,调整进气流量和臭g,调节p氧投加量,每隔10min取样测定COD值。t3。。rAA陰'"k-----A7\.......1圍画替奠圍4、麵皆耗画画W画空自强;顯國苗蟲爾II1:4::臭氧发生器2:砂巧曝气头3取样口KI吸收瓶4-图1含槐废水〇3氧化处理装置图-zonanevfFcon化ininhoshoruswastewaterig.41Otiodiceogpp4.4实验结果与讨论4.4.1反应时间及臭氧投加量对COD去除率的影响40厂2。藝一^义Og化5-9.5g>%I■I.I.I.I.1020304050反应时巧(min)图4-2臭氧投加量对COD去除率的影响Fi-2.4TheinfluenceofozonedosinguantityQ打CODremovalrategq49n4〇3氧化法降解海洋油气管道酸洗废水COD-图42是臭氧投加量对COD去除效果的影响。由图可知,在不同的臭氧投加量下,随着反应时间的增加,COD去除率逐渐增加。COD去除率随反应时间的增加基本呈线性增长。当臭氧投加量从7.5g/h增加到9.5g/h时,COD去除率逐渐增大。当臭氧投加量为9.5g/h,反应时间为50min时,COD去除率达到%J6%。〇3及其在水?OH均具有很强的氧化性中产生的,在臭氧氧化中,废水中的有机物是通过〇3和其’‘OH的氧化作用而去除的OH。臭氧投加量越大产生的,其中起主要作用的是,其所’OH越多(式--118至124)COD的去除效果越好。因本试验产生的,对礎化废水中中臭氧发生器最大臭氧投加量为10g/h,因此在后续实验中使用臭氧投加量为9.5g/h。4.4.2反应时间及初始pH对COD去除率的影响-3H对COD去除率的影响图4是溶液初始p,由图可知,随着溶液初始pH的增=COD去除,H9时COD去。这说明在臭氧氧化大,率先増大后减小p除率泣到最大降解有机物的过程中存在着最佳的pH值。在pH较低及较高的情况下,COD降解效果均较差。送是因为,在pH较低的时候,反应体系中没有足够的Of触发〇3产生关圣基自由基的链式反应,,此时〇3直接与废水中的有机物进行氧化反应反应速度慢,'COD去除率较低;随着pH的增大,臭氧氧化反应体系中有充足的OH,这些Of引‘’(--OH,发〇3产生,如反应式118和119)所示OH具有比化更强的氧化能力,能够迅速有效的与废水中的有化物进行反应,将其降解为简单的有机物或者二氧化碳和‘OH水,cop.的降解速率增大,随着废水中佛r的增加,触发化产生更多的;但当一’,,与此同时OHpH进步增大溶液中OIT浓度过高,会使〇3在水中的分解速度加快,?OH和H化?的反应也使水中?0?的浓么间W及度降化,影响了臭氧氧化的速率和效果。臭氧氧化处理废水的最佳pH值为9。,从而导致COD去除率的降低45广-10?.?.i.I.I.1020304050反应时间min()图4-3H对COD去除率的影响pF-vig.43TheinfluenceofHon化eCODremoalratep加n天津科技大学硕-上学位论文4.4.3反应时间及进气流量对GQD去除率的影口向--4显示了COD去除率随进气流量的变化图4。由图可知,在进气流量为0.53L/min的范围内,COD去除率随进气流量的增大先升后降。在进气流量为2.0L/min时,COD,反应50min去除率达到最大值,COD去除率为41.69%。表4-4臭氧发生器中臭氧出口巧度随进气流量的变化-wTable44TheozoneconcentrationoftheexportalongiththechaneofinletflowrateinOzonegenerargto序号进气流量L/min臭氧浓度m/L()(g)151110..627111.83224.454318.9845广■。-l.OL/min15-2旷心.0L/mm蝴曲-10!*I■I<?I?.<51020304050反应时间(min)图4-4进气流量对COD去除率的影响-Fi44TheinfluenceofinleflowonCODremlratg.tovae臭氧处理废水是气液两相的接触反应,起主要作用的是溶解于水中的臭氧W及其产生的哲基自由基。因此,废水中臭氧及径基自由基的浓度直接影响到COD的去除一效果。在进气量较低时,,方面臭氧发生器气相出曰臭氧浓度较低使液相中臭氧及一方面较低的进气量使气液两相接触不充分哲基自由基的浓度也较低,导致COD;另去除率较低。随着进气流量的增加,口气相臭氧发生器出臭氧浓度增加,气液两相接触更加充分,液相中臭氧浓度1^及哲基自由基浓度均增加,(:00去除率较高。但当一-进气流量进步增加时,臭氧发生器出口气相浓度反而降低(表44),而且臭氧及哲51n4〇3氧化法降解海详油气管道酸洗废水COD一一基自由基与废水中有机物的反应需要段时间,且臭氧向径基自由基的转化也需要定的时间,在进气流量较大时,,臭氧和経基自由基尚未与有机物充分反应便被气流冲走,,因而COD去除效果反而降低。因此,在利用臭氧氧化降解COD时应使进气一流量保持个合适的值,使出曰中臭氧浓度最大。实验确定最佳进气流量为2L/min。4.4.4响应面优化实验硏究(-1)BoxBehnken的响应面设计由W上单因素实验的结果可知,臭氧投加量、pH和进气流量对臭氧氧化降解COD-的效率都有很大影响,因此在BoxBehnken的响应面实验中,选取臭氧投加量(X)、ipH(X2)和进气流量(X3)H个因素作为考察目标,考察在臭氧氧化降解海洋油气管道清洗废水COD中王个因素的显著性及其相互作用,反应时间为50min。兰个考察?? ̄.n.59/h,11/m因素的范围为:臭氧投加量75gpH为7,进气流量为13Li。按照Box-Behnken7的方法设计了H因子H水平共1个试验点的实验方案,实验因素及水平4-5见表。表4-5实验因素水平及编码Ta-mble45Levendcodesofexerrabeslsapientvail水平及因素取值因素单位编码-101/hX7.58.5.59臭氧投加量g,pHX27911进气流量L/minX1233在响应面实验中,WCOD去除率作为目标响应值,包括析,在这17个实验点中一=,其中析因点共有12个组成的因点和零点,自变量的取值在由X、X、X维,23所图形的顶点上。零点总共重复5次,用来估计实验的误差,零点是区域的中也点。P值是用来检验系数的显著性的工具,与此同时,这些系数可能揭示各自变量之间相互P值作用的关系式,对应的系数越显著。,越小(2)响应面实验结果与模型建立-6所示实验设计及实验结果如表4。实验W臭氧投加量、pH和进气流量H个因素:Oes-为变量,队D的去除率为目标响应值,用DignExpert8.0.6软件对表46的实验数据进行回归拟合,得到了臭氧投加量,pH和进气流量与COD去除率之间的多项式回归方程:*******民=-+7+2++-199.1314.5X8乂1X3.23X3+0.44XX0.77XX3+0.09XX0.69i2i2i23^*^*^---(5X1.86X2.42X1i23)52n天津科技大学硕±学位论文-表46-BoxBehnken实验方案和结果-b-Tale46BoxBehnkendesinandresultsg编码COD去除率序号(%)XiX2X319.59134.7028.57121.6438.59230.3648.59228.0957.511212.4969.59338.3678.59230.6588.511318.8798.5922985.107.59116.8611757216.45.28.59230.821139.511228名5147.59317.45.158.57322.558.51111.28167179.572巧.364-7对该回归方程的方差分析及显著性检验见表,回归方程的系数的显著性检验-8见表4。0.000由方差分析和系数的显著性检验可知,模型的P值小于1,表明整个模型是极显著的,能够较为准确的反映臭氧氧化降解COD过程的实际情况。模型决定系数2==R0.9801,调整决定系数喊0.%45,模型能够解释95.45%的响应值的变化,预测=决定系数巧W0.7598,调整决定系数与预测决定系数之差为化1947,小于化2,表明预测值与实际值之间具有较好的相关性。失拟度反映了模型与实际情况的差距,失拟度的P值为化1255,大于0.05,不显著,表明此模型与真实情况的差距较小,接近真一<=。XP0.0001)HXP0.0289)忌实的曲面在次项中,臭氧投加量i(极显著,p2(XP=>著,进气流量3(0.1798)不显著。兰个因素的显著性大小为:臭氧投加MpH>进气流量。在臭氧氧化降解COD的过程中,臭氧投加量起主要作用。在交互项中,所有的P值都大于0.05COD的过程,因此在臭氧氧化降解中,各交互作用是不显著的2。这说明H个因素之间基本是独立发挥作用,相互之间的影响很小。二次项中,Xi22不显著。,而X2和X3都是显著的53n4化氧化法降解海洋油气管道酸洗废水COD表4-7方差分析和显著性检验T-able47Varianceanalysisandsignificance化St来源平方和自由度均方FP湿著性模型884.16%2998.24062438.313252<0.0001显著<X580.04181580.0418226.212810.0001,1X19.25101319.2510137.507779002892.X35.695312515.69531252.22113760.1798XX3.15062513.1506251.22872480,304312XX25622512.3.9113.35622508960,3697,3XX0.11561.11560.04508330230.8379^X2112.01.783304046.06269562695063.i]X233.663371233.66337911273.002.07<0012X324.648338124.6483389.61270340.0173W2..1残差1794857564142失拟度13.06447534.3548253J6622550.1255不虽著纯误差4.8845241.22113总和902.11461162==."=注:民0.9801,咕0.9545,占 ̄,0.75%,P值小于0.0001为极显著,P值小于0.05为显著。表4-8Box-Behnken实验回归方程系数显著性检验*Tabe4-Tcanceorhrel8estofsignififtegie巧ionequationcoeficient系数项回归系数自由度系數标准误差95%置信下限95%置信上限常数项巧.95410.71612040128.260644:3631.64735564X8151428867.17於84824乂853715176.50.%61]-5525--.%6288625176124X21.11014.889960.253482475142886-0X30.49496117.830.%6151762.824656-XX0.887510.8006469481.0057291582.78072915812X5-X30.7W10.8006469481.1257291582.6607291581-X2X30.1710.8006469481.7232291582.0632巧158^X-1-01152537295251153525.6920.780374.1.巧1i^X---7115:52.44%0.78037419.294791525.6042084752---X2419510.1151..7803744.2647952505742084753(3)COD去除率的响应面分析54n天津科技大学硕±学位论文-5?4-7反映了臭H和进气流量对COD去除率影响的响应面图和图4氧投加量、p等高线图。从图中可W看出,COD去除率随臭氧投加量的增加而增加,随pH的增加先增大后减小,随进气流量的增大先增大后减小。从方差分析(Xi小于0.0001,X二=0.02890.05X0.1798,0.052,小于,3大于)W及曲线的走向来看,臭氧投加量和pH对COD的去除均有显著的影响,其中臭氧投加量对COD去除率的影响极显著,==0.3043XX3(U697,而进气流量对COD去除率的影响不显著。交互项中XiX2,iXX=230.8379,大于化05,交互项均不显著,交互作用对COD去除率的影响不显著。2]2二次项XP=PO=,(0.4046)不显著,X](.OOOl)极显著,X3(P0.0173)显著。i疏通一巧心.?〇?7.58.08.59.09.5奥蔚投加恩(g/h)图4-5臭氧投加量和H对COD去除率影响的桐应面图和等局线图p-化Fi5ResrfaceltandclfHD.4onsesuoon化urotshowineeectof〇and化eon化eCOgpp3pgpremovalrate55n4&氧化法降解海洋油气管道酸洗废水CODHI而搜W^l':K/////i/p化1,I吾:’/t\SEE\^[\[[\i\\\\\j7.58.08,59.09.5奠氧投加量(g/h)4-图6臭氧投加量和进气流量对COD去除率影日向的响应面图和等高线图-Fi.46ResponsesurfaceconoweclotandtourlotshintheffetofO3andheinleflowonthegpttpgCOD*iemovalrate巧n天津科技大学硕-上学位论文^=:ip.^‘I占'化M-■5,2-.011誦養,fej7.07.58.08.59.09.510.00.5.0111Hp图4-7pH和进气流量对COD去除率影响的喃应面图和等局线图4-RedwFi.7sponsesurfaceplotancon化urlotshowin化eefectoftheHandinletfloongpgp化eCODremovalrate(4)优化及模型验证为了求得臭氧氧化降解海洋油气管道清洗废水COD的最大去除率,在臭氧投加?? ̄量为7.59.5/hH为711,进气流量为13L/minesinexert8.0.6g,p的范围内,通过dgp软件进行了优化求解。在此范围内求得使COD去除率最大的各因素最佳条件为==X9.50/h,X尸8.92,X2.33L/min,在此最佳条COD的最大去除率为38.06%。ig3件下在最佳条件下进行验证试验,与模型仅,5组平行试验得到COD的去除率为39.21%相差1.15%。4.5本章小结本章利用臭氧氧化方法降解海洋油气管道高含磯清洗废水中的COD,根据相关57n4&氧化法降解海洋油气管道酸洗废水COD。文献,对影响臭氧氧化的几个因素进行了考察利用单因素实验研究分析了臭氧投加量、pH、进气流量和反应时间对于臭氧氧化降解COD的影响。并在此基础上使用响应面法优化了臭氧投加量、pH和进气流量H个因素,考察了H个因素对于臭氧氧化降解COD的影响的大小W及它们相互之间的交互作用。利用得出的二次多项式模型预测了臭氧氧化中COD的最大去除率,并对此二次多项式模型的可靠性进行了验证,研巧分析结论如下;D一(1)臭氧氧化对于海洋油气管道高含憐清洗废水中的CO具有定的降解效果。COD去除率随着臭氧投加量的增大而增大,随着pH的升高而先增大后降低,随着进气流量的增大先增大后降低,随着反应时间的增大而增大;(2),在单因素实验中,根据实际条件,确定各因素分别为:臭氧投加量9.5g/hpH为9,进气流量为2L/min,反应时间为50min;(3,COD的过程符合二,)响应面优化实验结果表明臭氧氧化降解次多项式模型其中臭氧投加量和pH对COD的去除率具有显著性影响,而各交互作用的影响均不显著。(4)最优化结果表明,臭氧氧化降解COD的最佳条件为;臭氧投加量为9.50g化,反应的pH为8.92,进气流量为2.33L/min,在此条件下,模型预测COD的最大去除率为38.06%,在最佳条件下进行验证试验,5组平行试验得到COD的去除率为39.21%,与模型仅相差.15%二次多项式COD的1,说明此模型能够较好的模拟臭氧氧化降解’过程。(5)由于臭氧氧化降解COD的效果较低,因此该法不适用于处理海洋油气管道高含磯清洗废水的COD去除工艺。58n天津科技大学硕±学位论文5结论本文研究了海洋油气管道高含磯清洗废水处理工艺,利用CaCb沉淀法去除废水中的总礎,并利用高级氧化技术降解废水中的COD,对比了Fenton氧化和〇3氧化两种高级氧化方法降解COD的效果。研究考察了各工艺中各主要因素对总礙及COD去除效果的影响,并对CaCk沉淀法除磯工艺enton氧化工芝和〇工艺的各操作、F3氧化条件进行了响应面优化,得到了各工艺的二次多项式模型,并根据二次多项式模型求解出了各因素的最佳条件:,主要结论如下(1)CaCl2能够在合适的温度及适宜的pH下有效的去除海洋油气管道高含磯清洗废水中的总憐。总磯去除率随着n(Ca):n(巧的增大而增大,随着pH的升高先升高后降低,随着温度的升高先增大后降低,而反应时间对总稱的去除效果基本没有影响;°当nCa:n为1.710.,30C,反应时间为5min的条件,,反应5反应温度为下()(巧阳为P出水中总憐浓度低于Img心响应面优化结果表明,在所考察的n(Ca):n()、反应阳和反应温度H个因素中:n,n(Ca)(巧和pH在考察范围内对总憐去除效果具有显著性影响,温,同时,H和温度的交互作用对总磯的去除具有显著性影响度的影响不显著p;°P==141最优化结果表明,在n(Ca:n.7,10.6,温度为22.64C的条件下,出水中)()pH总磯浓度可达到1mg/L。(2)Fenton试剂对海洋油气管道高含磯清洗废水中的COD有较好的去除效果。COD去除率随着也〇2投加量的増大而逐步降低,随后基本趋于稳定,随着n(也化;)nF2+D的一e的减小而逐渐增大,在Fenton试剂降解CO过程中,存在个最佳的pH()值,使Fenton试剂的氧化效率最高enton0min,,当F试剂氧化反应9时再延长反应°时间对COD降解的贡献不大,同时当反应温度在30C时,Fenton试剂具有较好的氧化效果;单因素实验确定Fenton试剂氧化降解COD的最佳条件为:也化投加量为2+2Q,n(H2化);n(Fe)为14:l,反应初始pH为3,反应时间为90min,反应温度确定°为30C;响应面优化实验结果表明,Fenton试剂氧化降解COD的过程符合二次多项"式模型。通过方差分析及显著性检验可知,也〇2投加量、n化〇2):n(Fe巧日阳对于2+2+COD去除率的影响都是显著的,H0投加量和n(H2〇2):nFe^及〇〇:nFe22()l闲22)()和阳的交互作用也是显著的。最优化结果表明,Fenton试剂氧化降解COD的最优2+条件为:每lOOmL废水中加入H2〇22.76mL,n(H2〇2);n(Fe)为10.26,反应押为4。,.24在此条件下,模型预测COD最大去除率为90.2%。在最优条件下进行验证试验3组平行试验得到Fenton氧化处理海洋油气管道含磯清洗废水的COD去除率平均值为86.1%,与模型预测值相差仅4.1%,模型能够比较真实的反应芬顿氧化此高含磯清洗废水的真实情况。2+二次Fenton养化中确定H202投加量为2Q,n(H2〇2):n(Fe)为10.26,PH值为’4.24,反应温度为30C。一(3)臭氧氧化对于海洋油气管道高含磯清洗废水中的COD具有定的降解效果。59n5结论COD去除率随着臭氧投加量的增大而增大,随着pH的升高而先増大后降低,随着进气流量的増大先增大后降低,随着反应时间的增大而增大,;在单因素实验中根据实际条件,确定各因素分别为:臭氧投加量9.5/h9,进气流量为2ming,牌为L/,反应时间为50min;响应面优化实验结果表明,臭氧氧化降解COD的过程符合二次多项式模型,其中臭氧投加量和pH对COD的去除率具有显著性影响,而各交互作用的影响均不显著。最优化结果表明,臭氧氧化降解COD的最佳条件为:臭氧投加量为9.50g/h,反应的8.92,进气流量为2.巧L/min在此条件下COD的押为,,模型预测最大去除率为38.06%;在最佳条件下进行验证试验,5组平行试验得到COD的去除率为39.21%,与模型1仅相差1.5%,说明此二次多项式模型能够较好的模拟臭氧氧化降解COD的过程。但没有达到废水COD的去除率要求,该法不适于海洋油气管道高含磯清洗废水的COD去除工艺。60n天津科技大学硕±学位论文6展望本文采用CaCl2沉淀、Fenton氧化及〇3氧化处理海洋油气管道髙含磯清洗废水,其中CaCl2沉淀具有较好的除稱效果,Fenton氧化也具有较好的降解COD的效果,-Fen-二但是〇3氧化对COD的降解率不高。CaCk沉淀ton氧化次Fenton氧化工艺对于海洋油气营道高含稱清洗废水具有较好的效果,出水能够泣到《城镇污水处理厂污一》(GB18918-2002)中的en染物排放标准级B标准。但是此工艺对Fton试剂的消耗量过大,无疑会増大废水处理的成本,且Fenton试剂的利用率不高。对于Fenton氧化工艺用于工业实践及海洋油气管道高含磯清洗废水的处理,仍然还有很多工作要做,未来的研究主要集中于W下凡点:(1)分析海洋油气管道高含磯清洗废水中有机物的具体成分,然后选择更为合适的降解COD的方法,减少化学试剂的消耗,降低运行成本;研究寻找合适的预氧化工艺,提髙海洋油气管道高含磯清洗废水的可生化性,为生物处理打好基础。一en(2)进步优化Fton氧化工艺的条件,开发高效的Fenton反应器,提高Fenton试剂的氧化效率;由于Fenton氧化是在酸性条件下进行的,极大的限制了Fenton试剂的应用范围,且废水pH的调节浪费了大量的酸碱试剂,因此拓宽Fenton氧化的pH范围,显得尤为必要;?(3)二.臭氧氧化效率较低,但无次污染,其前景十分广阔,应开发不同的臭氧反应体系一,寻找能够催生臭氧产生更多鞋基自由基的催化剂,进步提高臭氧氧化的一效率,在处理设备形式及结构方面还需进步研巧。61n7参考文献7参考文献中华人民共和国环境保护部.全国环境统计公报20.14.13巧20川(脚2Li民,KellC,Keean民,e/口/.Phoshorusremovalfromwastewaterusinnatural[]ygpgtCAts2pyrrhoi1:eJ.olloidsandSurfaces八:PhsicochemicalandEnineerinsec.013,[]yggp427-:1318.-P张银凤,段宁,吴克明,等?娃藻上沸石复合吸附剂对水中麟的吸附性能研究化娃]-酸盐通报.20137142426.:01()[4]汪慧贞,王绍贵.莽酸锦盐形式从汚水厂回收5莽研对J].中国给水排水.2006(9):93-96.5YiWG,LoKV.PhoshaterecoverfromreenhousewastewaterJ.Journalof[]pyg[]Env-ironmentalScienceandHealthPartBPesticidesFoodContaminantsandAr38-iculturalWastes.20034:501509.g,()MontaLA-PA6struc1BiB,zzaroan;elC,scans,c/幻/?thermochemicalaroachfor[]ppcac*iumshatereciiaionmodelininaelleeacohemiineenlphopppttgtitrJ.CcalEnrigp[]gJo-urnal.3,9411.200:450()7兰吉奎,潘涌璋.化学沉淀法处理超高浓度含麟废水的研究阴.工业水处[]理58-.20111:60.()8BattistoniP,FavaG,PavanP,e/幻/?Phoshateremovalinanaerobicliuorsbstruvite[]pqycrystallizationwithoutadditionofchemicals:PreliminaryresultsJ.Water[]Resrch-ea.1997,3111:29252929.()Ko-9ivM,LiiraM,ManderU,etal.Phoshorusremovalusinarichhdratedoil]pgCy[sha-leashas打hermaterialTheeffectofdiferentphosphorusloadingsandwast;ewatercomos52-tons.WaterResearc.21.pii^h010,448;32拍39]()10ZhangM,ZhengK,JinJ,etal.EffectsofFeII/PratioandHonhoshorus[]()pppremovalbyferroussaltandapproachtomechanisms[J].Separatio打andPurificationch-Te.20.nology13,118;80180512谢经良,,?J.?200:,刘娥清赵新等不同形态铁盐的除麟效巧]环境工程学报0)3429-3432.12李婷,董文艺.e.,王宏杰,等FIi2除磯的影响因素义反应动力学m化工[](y〇-学报.2013506.:184184()13MartiN,PastorL,BouzasA,ef幻/.Phoshorusrecoverbstruvikcrstallization[]pyyyinWWTPs:I打flue打ceofthesludetreatme打tlineoeratio打J.Water民esearch.2010gp[],447-:23712379.()14HutnikN,KozikA,MazienczukA,e/幻/.PhoshatesVrecoveryfromhosoruspph[]p()mnerafezersinduswaskwaercontnuoussmvUereactioncr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多。在研究生的两年半中,。既有为实验的不顺利而烦恼,也有为实验的成功而欢欣一一实验中的点滴,都深深地印在了我的脑海里,这都将成为我宝贵的记忆,永远留存。尤其忘不了的,是那些在我的研巧生生涯中,给予我教导、关怀和帮助的人,正,才能使我的实验最终完成是他们,让我没有虚度这两年多的时光。、首先要感谢的,在我的实验中,给予了悉屯,是我敬爱的唐娜老师的指导。在我、开展实验的过程中W及论文写作过程中,唐娜老师给予了我无微不至的帮助和耐屯的一,个标点符号指导。论文的规范化写作PPT报告制作的规范性,小至,大至图中的一细节切严格要求的科研态度、,唐老师都会耐也的给我们提出并改正。唐老师的对、精益求精的科研精神、对学生的严格要求,都使我受益匪浅。在此,我衷屯感谢我的一一一导师唐娜老师,她的言行都代表着个学者的风度。在我做实验的过程中W及写作论文的过程中,我还得到了张蕾老师、程鹏高老师、?高天成老师和项军老师的无私帮助和指导,他们既有老师的学识渊博,也有朋友般的一无话不谈,在此也并向他们表示诚擎的感谢。感谢韩怀远师兄、张东伟、彭颖、周董、王飞、祝利善、李玲等同口在实验中给予的帮助。感谢所有帮助和关也过我的人。贾中原2014年12月70