金属盐混凝剂的臭氧氧化催化特性及其多元作用机制研究

Aiming at the enhanced treatment of dissolved wastewater treatment plant effluent organic matter, metal coagulants was used as the catalyst of ozonation. Through the effect of ozonation on the hydrolysis of metal coagulant, the catalytic characteristics of different metal coagulant hydrolysates can be investigated. According to the hydroxyl radical reaction model, the initiation, promotion or inhibition behavior of metal coagulant in the hydroxyl radical chain reaction can be revealed. Through the construction of hybrid ozonation-coagulation (HOC) system, ozonation and coagulation could happened at one single unit simultaneously. Furthermore, the reactivity and removal of organic matter in the HOC process can be obtained. Combining with kinetics of organic matter in the HOC process, the multi-mechanism of ozonation, hydroxyl radical oxidation and coagulation on the organic matter removal can be unveiled. Moreover, the different effects on organic matter removal can be quantified. Based on the multi-mechanism between ozonation, hydroxyl radical oxidation, metal coagulants and their hydrolysates, coordinated control of the HOC process can be achieved to realize the enhanced effluent organic matter removal.

以污水处理厂二级出水溶解性有机物高效去除为目的，利用金属盐混凝剂作为臭氧氧化的催化剂，通过对臭氧化条件下金属盐混凝剂水解产物的分析，探明臭氧氧化对金属盐混凝剂水解产物的影响以及不同水解产物的催化特性，结合羟基自由基链式反应模型，明确金属盐混凝剂在自由基链式反应中的引发、促进或者抑制羟基自由基生成的行为机理；通过臭氧混凝耦合工艺体系建立，使得臭氧氧化和混凝在一个体系中同时作用，探明该体系中有机物的反应及协同去除特性；结合有机物在耦合工艺中的动力学特性，揭示该体系中臭氧氧化、羟基自由基氧化、混凝多元作用机制，明确不同作用对于有机物去除的贡献；基于臭氧、羟基自由基、金属盐混凝剂及其水解产物之间的多元作用关系，掌握臭氧混凝耦合体系中的协同调控技术，实现二级出水有机物高效强化去除。

针对传统预臭氧化-混凝-过滤-沉淀工艺存在的溶解性有机物去除效率有限、工艺冗长等问题，本项目以提升溶解性有机物去除效率为目的，构建了臭氧混凝耦合处理工艺(HOC)，使臭氧与混凝工艺在一个反应体系内同时进行，探明了该工艺体系的溶解性有机物去除特性，揭示了金属盐混凝剂的臭氧催化特性及行为机理，定量解析了溶解性有机物在臭氧混凝耦合体系中的多元去除途径，实现了该体系的有机物强化去除与调控，本项目的主要研究结果如下：. (1) 臭氧氧化可以促进铝系混凝剂中聚合态铝水解产物的生成，从而强化混凝的效果，臭氧混凝耦合工艺中金属盐混凝剂及其水解产物主要参与到•OH的链促进反应，而不是链引发反应阶段。结果表明，混凝剂作为引发剂、促进剂和抑制剂时与•OH反应的速率常数分别为0.239 L·(mol·s)-1、7.24×108 L·(mol·s)-1和113 L·(mol·s)-1；. (2) 相比于传统的预臭氧-混凝工艺，臭氧混凝耦合工艺能够有效提升水中溶解性有机物的去除效果。在不同pH条件下，采用铝系和铁系混凝剂时，HOC工艺对污水厂二级出水DOC的去除率均可达到50%以上。金属盐混凝剂及其水解产物的催化活性点位为表面羟基；. (3) 基于系列淬灭实验，通过不同淬灭体系下的有机物去除的动力学解析，结果表明有机物的去除主要通过羟基自由基的氧化，通过臭氧与金属盐混凝剂之间的相互作用是产生羟基自由基的主要途径；. (4) 将臭氧混凝耦合体系与气浮工艺相结合，对气载絮体的尺度与结合特性进行分析，明确了微气泡、气载絮体形成的最佳条件，提出了基于气载絮体尺度、水解形态及自由基产量的有机物去除调控方法。. 本研究对于提升污水深度处理中溶解性有机物处理效率提供了理论依据，丰富了现有污水深度处理技术。在项目的资助下已发表学术论文21篇，其中英文SCI期刊源论文13篇（一区论文5篇），EI期刊论文5篇，出版专著1部，授权美国发明专利1项，新申请国家发明专利6项，培养硕、博士研究生13名，其中8名已经毕业。同时，参加了2次国际学术会议和4次国内学术会议，进行了口头报告或展板展示，项目相关成果成功推广应用于城市污水与工业废水的资源化利用工程中，并荣获陕西省技术发明一等奖。