微波強(qiáng)化Fenton深度處理煤化工廢水反應(yīng)器設(shè)計(jì)與工藝研究.pdf

1、煤化工廢水是一種典型的含有難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水，污染物種類多達(dá)240種，經(jīng)傳統(tǒng)的生化法處理后，仍含有大量難生物降解的有機(jī)物質(zhì)。煤化工廢水深度處理系統(tǒng)及處理工藝研究具有重要的實(shí)際意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。本文利用COMSOL多物理場(chǎng)模擬軟件設(shè)計(jì)研發(fā)微波輔助廢水處理反應(yīng)器，并基于該反應(yīng)器，建立微波強(qiáng)化Fenton（MW-Fenton）難降解物處理工藝；設(shè)計(jì)研發(fā)用于水中低品位反應(yīng)熱回收的管殼式換熱器，并計(jì)算該換熱器的換熱能力；將微波輔助廢水處理反應(yīng)器

2、和管殼式換熱器組合到一起，構(gòu)成微波輔助廢水處理-管殼式換熱反應(yīng)器，開發(fā)用于煤化工廢水深度處理的微波強(qiáng)化Cu2+-Fenton（MW-Cu2+-Fenton）廢水處理工藝，并深入開展相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
　　采用COMSOL軟件作為數(shù)值模擬工具，設(shè)計(jì)研發(fā)微波輔助廢水處理反應(yīng)器。優(yōu)化了磁控管安裝方式和盤管管徑，優(yōu)化后的廢水處理反應(yīng)器對(duì)污染物去除率模擬值高達(dá)89.1％。以此為基礎(chǔ)，定制了處理量為22 kg h-1的微波輔助廢水處理反應(yīng)器，

3、對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，水力停留時(shí)間分布曲線重合度良好，出口溫度均方根誤差在2.80-3.54℃之間，微波爐腔不同橫截面處電場(chǎng)強(qiáng)度符合較好，該研究為后續(xù)進(jìn)一步工業(yè)化放大設(shè)計(jì)微波輔助廢水處理反應(yīng)器提供了可靠的參考依據(jù)。
　　以定制的微波輔助廢水處理反應(yīng)器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究建立了基于MW-Fenton的難降解有機(jī)廢水深度處理工藝。以對(duì)硝基苯酚（PNP）為處理對(duì)象，研究結(jié)果表明，藥劑投放次序、pH、H2O2投加量、Fe2+

4、投加量對(duì)廢水處理效果均有顯著影響。先將 H2O2與廢水混合均勻，再投加催化劑可達(dá)到較好的廢水處理效果。廢水處理最佳工藝條件為：pH為4、[H2O2]340.0 mg L-1、[Fe2+]7.0 mg L-1、水力停留時(shí)間30 min。在此條件下，PNP去除率可達(dá)92%以上。
　　采用COMSOL軟件作為數(shù)值模擬工具，設(shè)計(jì)研發(fā)滿足微波輔助廢水處理領(lǐng)域換熱要求的管殼式換熱器。研究發(fā)現(xiàn)，折流板缺口高度（H）和間距（B）對(duì)換熱器性能有明顯

5、影響。當(dāng)Y=H/D，X=B/D（D為殼體內(nèi)徑），可推導(dǎo)出用于優(yōu)化H和B的數(shù)學(xué)關(guān)系式：Y=-0.446X2+0.13X+0.419。根據(jù)模擬結(jié)果，冷流體在優(yōu)化后的管殼式換熱器（H=0.35D，B=0.45D）出口處的溫升模擬結(jié)果為14.7℃。利用定制的管殼式換熱器對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，換熱器冷流體出口溫度相對(duì)中值誤差為0.13%，總壓力降相對(duì)中值誤差為13.99%。通過計(jì)算，在最佳的MW-Fenton廢水處理工藝條件下，當(dāng)

6、pH為3時(shí)，該換熱器可節(jié)省能量43.7kJ kg-1，降低能耗45.5%。將以上設(shè)計(jì)研發(fā)的微波輔助廢水處理反應(yīng)器和管殼式換熱器聯(lián)合應(yīng)用，可組成微波輔助廢水處理-管殼式換熱反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有節(jié)能降耗、反應(yīng)高效以及出水達(dá)標(biāo)等特點(diǎn)。
　　以上述工作為基礎(chǔ)，以煤化工廢水中難降解有機(jī)污染物間硝基苯胺（3-NA）為處理對(duì)象，研究建立了MW-Cu2+-Fenton廢水處理工藝。結(jié)果表明：pH、H2O2投加量、Fe2+投加量、Cu2+投加量均對(duì)

7、廢水處理效果有顯著影響。在最佳工藝條件下（pH為5、[H2O2]為443.0 mg L-1、[Fe2+]為9.0 mg L-1、[Cu2+]為0.3 mg L-1），當(dāng)水力停留時(shí)間為15 min時(shí)，3-NA的去除率可達(dá)90%以上。與 MW-Fenton工藝相比，MW-Cu2+-Fenton工藝可在相對(duì)較短的水力停留時(shí)間內(nèi)，在更接近中性的 pH條件下處理有機(jī)廢水。對(duì)煤化工廢水生化出水的深度處理結(jié)果表明，COD去除率為69.2%，出水COD

8、為44.9 mg L-1，達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
　　開展了微波強(qiáng)化Fenton/Cu2+-Fenton廢水處理系統(tǒng)反應(yīng)機(jī)制研究。結(jié)果表明，微波輻射可通過熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)加快羥基自由基生成速率、增加羥基自由基生成量，從而強(qiáng)化廢水處理工藝。體系中Cu2+、Fe2+、H2O2之間存在協(xié)同效應(yīng)，Cu2+和Fe2+的綜合催化效果優(yōu)于單獨(dú)作用效果。
　　本文設(shè)計(jì)研發(fā)的微波輔助廢水處理-管殼式換熱反應(yīng)器和微波強(qiáng)化Cu2+-Fen