多相催化技术的固液微界面调控原理及应用进展

多相催化氧化是一种很有前景的水深度处理技术,实际水环境中微量难降解有机污染物的去除通常受到水中共存物质如天然有机物（NOM）的影响.因此,在多相催化体系中,基于污染物与氧化媒介在催化剂表面的作用及转化过程调控催化剂的表面性质,对于复杂环境中污染物的高效靶向去除至关重要.本文主要综述了以过氧化氢、臭氧和光为媒介的多相催化氧化技术的固液微界面调控原理,以及基于固液微界面调控的水处理应用进展.重点阐述了催化剂表面性质对氧化媒介和目标污染物在表面分解和转化的影响,以及不同类型有机污染物在催化剂表面的作用原理.在此基础上,我们提出通过不同的手段极化催化剂表面,使表面电子分布不均匀,形成氧化位点和还原位点,使目标污染物失电子氧化同时活化表面吸附氧化媒介形成更多吸附态·OH,是促进复杂水环境中目标污染物高效去除的关键途径.     

温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N2O释放的影响

污水生物脱氮工艺中通常会释放温室气体N₂O,厌氧氨氧化工艺作为新型生物脱氮工艺,其N₂O的释放规律及机制值得深入研究.本文利用厌氧氨氧化序批试验,研究了不同温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N₂O释放的影响,并探讨了N₂O释放的微生物机制.结果表明,厌氧氨氧化工艺中进水基质浓度的增加会促进N₂O释放,在35℃条件下,当进水亚硝氮从40 mg ·L^-1增加至60 mg ·L^-1和120 mg ·L^-1时,N₂O最高积累浓度从0.5 mg ·L^-1增加至1.5 mg ·L^-1和2.4 mg ·L^-1,分别占总氮去除量的0.85%、1.43%和1.11%.温度降低对厌氧氨氧化活性抑制作用明显,15℃下的比厌氧氨氧化活性仅为30℃时的6%.温度降低导致厌氧氨氧化工艺中N₂O的释放减少,温度降低时反硝化速率的降低是导致N₂O产生速率降低、N₂O积累减少的主要原因.厌氧氨氧化工艺微生物群落中存在丰富的异养反硝化菌,工艺中N₂O积累主要是反硝化菌产生和消耗N₂O的结果.     

盐度对中试厌氧氨氧化脱氮特性的影响及其恢复动力学

采用中试ASBR反应器(530 L),以逐步提高Cl~-浓度的方式考察了厌氧氨氧化菌(An AOB)处理高盐废水的脱氮特性.结果表明,采用逐步盐度驯化的方式,An AOB可适应高盐度(Cl~-浓度10 000 mg·L~(-1))环境进行高效脱氮(TN去除率高达92. 3%).其中,在Cl~-浓度6 000 mg·L~(-1)和10 000 mg·L~(-1)两个梯度内,反应器脱氮性能受到了较大影响,但随着驯化过程的持续进行可逐步恢复.修正的Boltzmann模型能较为准确地拟合An AOB受到不同盐度抑制后的活性恢复过程,相关系数R~2均在0. 96以上.得到的Cl~-浓度6 000 mg·L~(-1)和10 000 mg·L~(-1)时的恢复中间值tc分别为28. 765 d和44. 495 d,NRRmax分别为0. 145 kg·(m~3·d)~(-1)和0. 212 kg·(m~3·d)~(-1),NRRmin分别为0. 021 kg·(m~3·d)~(-1)和0. 085 kg·(m~3·d)~(-1).高盐度驯化后,厌氧氨氧化菌仍主要为Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia(其丰度分别是14. 76%和2. 7%),且污泥颗粒化程度和污泥密度均有不同程度的提高,污泥呈红褐色.     

磁性壳聚糖凝胶球固定厌氧铁氨氧化菌对废水氨氮去除的影响

厌氧铁氨氧化(ammonium oxidation coupling with iron reduction,Feammox)反应是一种在厌氧条件下,由厌氧铁氨氧化菌驱动,以三价铁为电子受体,氧化氨氮的生物化学途径,它可以用于去除水体中的氨氮.为提高厌氧铁氨氧化菌对氨氮废水处理效果,采用"氢氧化钠共沉淀-溶胶-凝胶"法制备粒径为1~5mm的磁性壳聚糖凝胶球(magnetic chitosan hydrogel beads,MCHBs),将厌氧铁氨氧化菌固定,研究其对废水中氨氮去除效果和影响因素,并与游离厌氧铁氨氧化菌对废水氨氮去除效率作对比.制备的MCHBs进行X射线衍射(XRD)和振动样品磁强(VSM)等表征分析.结果表明,MCHBs为铁磁性、结晶度高,饱和磁化强度达29.46 emu·g~(-1).MCHBs固定厌氧铁氨氧化菌比游离菌具有更高的氨氧化和铁还原速率,平均增幅为42.96%和20.75%,以MCHBs(1~2 mm)固定厌氧铁氨氧化菌的效果最显著(P0.05).进一步研究发现,不适宜氨氮浓度、温度和pH下,MCHBs(1~2 mm)固定厌氧铁氨氧化菌氧化氨氮的能力均比游离菌高.初始氨氮浓度60.00 mg·L~(-1)、温度25℃和pH 4.50时,厌氧铁氨氧化效果较好,主要产物为硝态氮和二价铁,16 d时MCHBs(1~2 mm)固定厌氧铁氨氧化菌对氨氮去除率高达53.62%.这些结果都表明以MCHBs固定厌氧铁氨氧化菌后,能起到增强厌氧铁氨氧化反应去除废水氨氮的目的.     

有机物对厌氧氨氧化微生物燃料电池脱氮产电性能的影响

通过接种厌氧氨氧化污泥到微生物燃料电池阳极,成功启动厌氧氨氧化微生物燃料电池(ANAMMOX-MFC),研究了葡萄糖和苯酚对ANAMMOX-MFC脱氮产电性能的影响.结果表明,当葡萄糖浓度较低时(100~200 mg·L~(-1))时,对ANAMMOX菌有促进作用,ANAMMOX-MFC脱氮产电性能增强,此时反应器进出水COD浓度变化不大;当葡萄糖浓度高于300 mg·L~(-1)时,产电性能逐渐下降,NH+4-N去除率和去除速率逐渐下降,而NO-2-N去除率和去除速率基本保持不变,此时出水COD浓度也出现降低,说明厌氧氨氧化菌活性受到抑制,反硝化菌活性开始增强.极化曲线拟合程度较低,COD浓度变化对电池内阻影响较小.当苯酚浓度较低时(50~100 mg·L~(-1)),对ANAMMOX-MFC脱氮产电性能影响较低;当苯酚浓度超过200 mg·L~(-1)时,ANAMMOX-MFC脱氮产电性能逐渐被抑制.整个过程进出水COD浓度变化不大,极化曲线拟合程度较低,表观内阻有缓慢升高.     

光照对SO2在矿质氧化物表面非均相反应的影响

使用原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)研究了SO_2在α-Al_2O_3、TiO_2、CaO和α-Fe_2O_3颗粒物表面的非均相反应,考察了紫外光光照(波长约365 nm)对SO_2在不同氧化物表面反应的影响.结果表明,无紫外光照射条件下,SO_2在TiO_2、α-Al_2O_3、CaO颗粒物表面反应的主要产物为亚硫酸盐;有紫外光照射条件下,SO_2在TiO_2、α-Al_2O_3、CaO颗粒物表面反应的主要产物为硫酸盐;但紫外光照射对SO_2在α-Fe_2O_3表面的反应并没有明显的影响.推测机理可能是光照促进了颗粒物表面的亚硫酸盐向硫酸盐的转化.     

Fenton氧化联合氧化钙调理对污泥脱水的机理研究

探讨了使用Fenton氧化联合氧化钙全过程(第一阶段:使用硫酸调节污泥p H值;第二阶段:投加Fe2+;第三阶段:投加H2O2;第四阶段:投加氧化钙)对污泥脱水效果及物理化学性质的影响.结果表明,酸化处理可以改变絮体的大小,降低Zeta电位,分散絮体,同时去除部分胞外聚合物(EPS),进而改善了污泥脱水性能.此外,在Fenton氧化的过程中,污泥颗粒、Zeta电位、EPS和比阻(SRF)均呈现逐渐减少的趋势,同时生成氢氧化铁胶体会覆盖在污泥颗粒表面,形成保护性的硬壳,进而使污泥的脱水性能大幅提高.当加入氧化钙时,形成稳定的刚性的结构使污泥颗粒重新聚合,促使生成多孔的脱水通道.中试结果阐明,Fenton氧化过程是实现污泥的深度脱水的关键,并表明各个阶段污泥脱水过程中产生的滤液水质状况.总的来说,本研究提供了在高压下实现污泥深度脱水的新思路,包括:絮体酸溶分散与重聚-保护性氧化-骨架构建.由此看来,Fenton氧化联合氧化钙是一种相对温和且有效的污泥调理方法.     

涡轮叶片NiCoCrAlYTa涂层抗高温氧化和腐蚀性能测试研究

目的保障涡轮叶片的安全可靠应用,研究NiCoCrAlYTa涂层的高温氧化和燃气热腐蚀行为。方法针对有无涂层的涡轮叶片试样,分别进行1050℃/100 h的抗氧化试验和950℃/100 h的燃气热腐蚀试验,同时分析试验后合金基体和涂层的微观形貌。结果抗氧化试验后,无涂层试样的平均氧化皮脱落量和平均氧化速率分别是带涂层试样的10倍和3倍左右,无涂层试样叶身表面可见大量氧化皮脱落形成的凹坑,带涂层试样的涂层完好,基体未见氧化特征。燃气热腐蚀试验后,无涂层试样的腐蚀速率是带涂层试样的3倍,无涂层试样叶身表面可见较多腐蚀坑,有涂层试样的涂层未被明显腐蚀。结论 NiCoCrAlYTa涂层在经过长时间高温氧化和腐蚀后仍能形成完整的Al_2O_3膜,从而起到较好的保护作用。Ta、Y等元素对Al_2O_3氧化膜的形成及质量具有促进作用。     

UV强化草酸络合Fe2+活化过硫酸盐氧化苯胺研究

采用UV强化草酸络合Fe2+活化过硫酸钠(PS)氧化降解苯胺,研究了UV光照促进苯胺降解的作用机制,考察了pH、草酸浓度和UV光照强度对PS活化及苯胺降解的影响.结果表明,引入UV光照后,草酸络合Fe2+活化PS体系中的PS活化率和苯胺降解率分别提高了68%和41%.在该过程中,UV可通过光解或光电离水分子产生·OH、促进发生光化学Fenton反应、直接活化PS等作用机制降解苯胺,但通过光化学反应促进Fe2+循环转化是提高PS持续活化效果和苯胺去除的首要作用机制;中碱性及强酸性环境因不利于Fe(C2O4)3-3形成,会对PS活化过程产生抑制,但当初始pH为7和9时,由于PS活化分解促进反应体系pH下降,PS活化及苯胺降解均取得较好效果;草酸浓度的增加有利于PS活化,但当草酸浓度高于2.5 mmol·L~(-1)时,会对SO·-4产生强烈竞争,导致苯胺降解率出现下降;增加UV光照强度能显著促进PS活化和苯胺氧化去除,当UV光照强度达到117μW·cm-2时,反应150 min后,PS的分解率和苯胺的去除率均可达到100%.     

BiVO4-Cu2O/CuO双光电极自偏压光电催化降解苯酚研究

基于费米能级差,构建了以BiVO_4为光阳极,Cu_2O/CuO为光阴极的双光电极可见光响应光催化燃料电池体系,研究了该体系在不同氧化剂的辅助作用下光电催化降解苯酚的效率与动力学.结果表明,向该体系中投加H_2O_2可以显著促进苯酚的降解,且反应过程光电流稳定,铜溶出量低.详细探究了H_2O_2初始浓度、pH对降解的影响,结果表明在H_2O_2投加量为5 mmol·L~(-1),初始pH为3.5条件下利于苯酚降解,5 mg·L~(-1)的苯酚可在120 min内完全去除.顺磁共振和猝灭实验表明该体系的主要氧化物种为·OH、·O~-_2和光生空穴.该催化体系实现了苯酚在可见光下的高效催化降解.