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餐廚廢水深度處理脈沖三維電催化工藝

更新更新時間:2024-06-21   點擊次數(shù):282次
  餐廚垃圾厭氧消化后產(chǎn)生的餐廚廢水具有有機(jī)物含量高、水質(zhì)成分復(fù)雜、氨氮濃度高、鹽分高等特點,采用常規(guī)生化工藝處理難以穩(wěn)定達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)
 
  一級標(biāo)準(zhǔn),廢水中殘留較高濃度的溶解態(tài)親水性難降解有機(jī)物,常規(guī)深度處理技術(shù)效果不佳且處理成本teb高、二次污染大。電催化氧化技術(shù)利用電子的轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的強(qiáng)
 
  氧化自由基降解污染物,具有低選擇性的降解特征,無需投加化學(xué)藥劑,無二次污染,反應(yīng)條件溫和,運(yùn)行操作簡單,在實現(xiàn)污染物超低排放方面很有應(yīng)用前景。目前關(guān)于電催化
 
  技術(shù)深度處理餐廚廢水的研究鮮見報道。
 
  三維電催化技術(shù)在傳統(tǒng)二維陰陽極板間增加粒子電極,形成無數(shù)的微電池參與電化學(xué)反應(yīng),增大了電極比表面積,縮小陰陽極間距,相比傳統(tǒng)二維電催化技術(shù),能顯著提高電能效
 
  率和傳質(zhì)效率。電流參數(shù)對降解性能和能耗具有重要的影響。脈沖供電利用斷電時間使有機(jī)物充分?jǐn)U散,緩解濃度極化,理論上可降低由傳質(zhì)限制造成的能耗,而脈沖參數(shù)的選擇
 
  尤為關(guān)鍵。本研究采用脈沖三維電催化技術(shù)深度處理餐廚廢水,通過試驗確定脈沖頻率、占空比(在一個脈沖周期內(nèi),通電時間占總時間的比例)對污染物去除及電耗的影響,根據(jù)
 
  充放電方程計算理論最佳占空比及頻率,為該技術(shù)在餐廚廢水深度處理的應(yīng)用提供參考。
 
  1、材料與方法
 
  1.1 試驗廢水
 
  試驗廢水采用某餐廚垃圾處理廠廢水處理站出水。該廠廢水來自餐廚垃圾固體漿料厭氧消化沼渣脫水產(chǎn)生的沼液,廢水處理采用預(yù)處理+好氧生化+氣浮工藝,該廢水處理站出水
 
  (即本試驗研究對象)主要水質(zhì)指標(biāo)及《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978一1996)一級標(biāo)準(zhǔn)限值見表1。
 
  1.2 實驗裝置
 
  本實驗所用電催化裝置如圖1所示,主要包括自制電解反應(yīng)槽、一組金屬涂層鈦基電極、自制粒子電極、脈沖電源、鼓風(fēng)機(jī)、曝氣頭、轉(zhuǎn)子流量計。具體參數(shù)為:極板間距15cm,
 
  極板面積100cm2,脈沖電源最大輸出電壓24V。
 
  自制粒子電極由外購顆?;钚蕴颗c蜂巢狀多孔塑料體組裝得到,顆粒活性炭內(nèi)嵌于孔隙中,相互分散、絕緣,每一顆粒子均能復(fù)極化,從而充分發(fā)揮微電池的效能。顆粒活性炭粒
 
  徑3~5mm,碘吸附值約1000mgg',堆積密度約500g·L',塑料體直徑約1cm。顆?;钚蕴拷?jīng)水洗、堿洗、酸洗、干燥預(yù)處理后浸泡于餐廚廢水中至吸附飽和。
 
  1.3 儀器和材料
 
  儀器:DBR200型消解器、DR2700型分光光度計、PHS-3E型pH計、SXL-016型馬弗爐、AUY120型電子天平。
 
  試劑:重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸、硫酸汞、dian hua beng、dian hua jia、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉,均為分析純。
 
  1.4 水質(zhì)分析測定
 
  COD、pH值、TDS、氨氮和Cl-質(zhì)量濃度的測定均根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)。
 
  1.5 餐廚廢水的電催化氧化處理
 
  采用單因素試驗法考察脈沖電源關(guān)鍵參數(shù)占空比(25%,50%,75%和100%)及頻率(100,200和300Hz)對污染物去除效果及能耗的影響。
 
  向電催化裝置內(nèi)加入餐廚廢水,連接脈沖電源輸出端和陰陽極板,脈沖輸出電壓10~13V,設(shè)置占空比及頻率,打開脈沖電源及鼓風(fēng)機(jī)電源,分別在0,10,20,30,45及60min
 
  取樣測定COD和氨氮質(zhì)量濃度。因餐廚廢水含鹽量較高,故未添加電解質(zhì)。
 
  2、結(jié)果與討論
 
  2.1 占空比對污染物去除及能耗的影響
 
  在輸出電壓10~13V、脈沖頻率200Hz條件下,考察不同占空比(25%,50%,75%及100%)對三維電催化去除COD、氨氮的情況,結(jié)果如圖2、圖3所示。
 
  由圖2可見,占空比對餐廚廢水的去除率有較大影響。隨著占空比的增大,餐廚廢水COD去除率也隨之增大,在占空比為25%,50%,75%和100%條件下,反應(yīng)60min,COD去
 
  除率分別達(dá)到66.2%,92.1%,92.8%和94.6%。整體而言占空比為50%,75%和100%條件下,COD去除率差異不顯著,但均遠(yuǎn)高于占空比25%條件下的COD去除率。當(dāng)占空比
 
  較小時,通電時間短,產(chǎn)生的強(qiáng)氧化自由基較少,強(qiáng)氧化自由基的濃度成為了有機(jī)污染物降解的限制因素,因此COD去除率較低。在同樣的脈沖周期下,放電時間越長,單位時間
 
  內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化自由基越多,更多的有機(jī)污染物能通過直接氧化、間接氧化作用被降解,當(dāng)占空比大于50%時,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化自由基已足夠多,傳質(zhì)速度成為了有機(jī)污
 
  染物降解的限制因素,因此COD去除率均較高且差異不顯著。
 
  由圖3可見,餐廚廢水氨氮的去除率變化與COD去除率類似。在占空比為50%,75%及100%條件下,氨氮去除率差異不顯著,但均遠(yuǎn)高于占空比25%條件下的氨氮去除率。餐廚
 
  廢水中Cl濃度較高,在電催化過程中C在陽極被氧化生成活性氯。餐廚廢水中的氨氮,一部分在陽極表面發(fā)生直接電化學(xué)氧化被去除,另一部分與廢水中的活性氯發(fā)生間接氧化反
 
  應(yīng)被去除。
 
  占空比25%條件下,通電時間較短,產(chǎn)生的活性氯濃度較低,氨氮去除率不高。占空比較高時,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的活性氯已足夠多,傳質(zhì)速度成為了氨氮降解的限制因素,因此氨
 
  氮去除率均較高且差異不顯著。
 
  在占空比25%,50%,75%及100%條件下,將COD降至50mg·L-1所需的時間分別為60,30,30及25min,能耗分別為2.7,4.0,7.7及9.8kWh·t-1,去除單位COD的電耗分別
 
  為0.015,0.022,0.043和0.055kWh·g-1COD。圖4表示在各占空比條件下,不同COD去除率對應(yīng)的能耗。由圖4可見,在COD去除率達(dá)到40%以前,各占空比下的電耗基本呈
 
  線性增長,
 
  在COD去除率高于40%后,在占空比100%及75%條件下,能耗增長呈快速增加的趨勢。在反應(yīng)前期,COD去除率較低,體系中污染物濃度較高,電能有效利用;隨著污染物的逐步
 
  去除,
 
  占空比越大的體系內(nèi)富余的電能轉(zhuǎn)化為熱能,廢水溫度升高,能耗增加。
 
  脈沖供電時以“通電-斷電-通電”的方式,因此能耗只包括通電時的能耗,在相同的周期下,占空比越高,能耗越高,當(dāng)占空比達(dá)100%時已相當(dāng)于直流電源。從能耗上看,采用脈
 
  沖供電節(jié)能效果十分明顯。在占空比25%時,COD去除速率顯著降低導(dǎo)致達(dá)標(biāo)時間延長一倍,在相同的處理規(guī)模下,裝置的制造成本將成倍增加。綜合污染物去除率、達(dá)標(biāo)時間、
 
  能耗,最佳占空比確定為50%。
 
  2.2 脈沖頻率對污染物去除及能耗的影響
 
  在輸出電壓10~13V、占空比50%條件下,考察在不同頻率(100,200,300Hz)下三維電催化對COD、氨氮的去除情況,并以直流供電作為對照,結(jié)果如圖5、圖6所示。
 
  由圖5可見,在反應(yīng)初期,直流供電下COD去除率遠(yuǎn)高于脈沖供電,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,在200Hz下COD去除率逐漸接近直流供電下COD去除率,高于100和300Hz。在直流供電下
 
  ,持續(xù)性地產(chǎn)生強(qiáng)氧化自由基,單位時間內(nèi)自由基與污染物接觸的機(jī)會更多,因此在反應(yīng)初期對污染物的去除率遠(yuǎn)高于脈沖供電。
 
  由圖6可見,直流供電、脈沖頻率200和300Hz條件下,反應(yīng)少于30min,對氨氮的去除率差異不顯著,且明顯優(yōu)于脈沖頻率在100Hz下的氨氮去除率;在30min后,各供電條件
 
  下氨氮的去除率均接近100%,差異不顯著。在反應(yīng)初期,餐廚廢水中Cl-在陽極被氧化生成活性氯,與氨氮反應(yīng)被消耗,在直流及頻率較高的脈沖供電條件下,活性氯能得到及時
 
  補(bǔ)充,因此氨氮的去除率明顯高于較低頻率。在反應(yīng)后期,隨著體系中的氨氮濃度降低,體系中的活性氯濃度高于需求值,所以各條件下對氨氮去除率均較高且差異不顯著。
 
  在脈沖頻率100,200,300Hz及直流供電下,將COD降至100mg·L-1所需的達(dá)標(biāo)時間分別為45,30,35及25min,能耗分別為6.6,4.0,4.7及9.8kWh·t-1,去除單位COD電耗
 
  分別為0.037,0.022,0.026及0.055kWh·g-1COD。圖7表示在各頻率下,不同的COD去除率對應(yīng)的能耗。由圖7可見,在COD去除率達(dá)到40%之前,各頻率下的電耗基本呈線
 
  增長,在COD去除率高于40%后,直流供電、脈沖頻率100和300Hz下能耗增長呈不同程度快速增加的趨勢,脈沖頻率在200Hz下能耗維持線性增長趨勢。在反應(yīng)前期,COD去除
 
  率較低,體系中污染物濃度較高,電能有效利用;隨著污染物的逐步去除,直流供電、脈沖頻率100和300Hz的體系內(nèi)富余的電能轉(zhuǎn)化為熱能,廢水溫度升高,能耗增加。綜合污染
 
  物去除率、達(dá)標(biāo)時間、能耗,最佳脈沖頻率確定為200Hz。
 
  2.3 電催化反應(yīng)動力學(xué)研究
 
  在脈沖供電條件(占空比50%、頻率200Hz)下,開展三維電催化試驗,縮短采樣間隔時間(5min采樣1次),檢測出水COD濃度。通過分析COD的降解速率,擬合COD在三維
 
  電催化反應(yīng)器的反應(yīng)動力學(xué)方程為-ln(C1/C0)=0.0449t-0.0373,R²為0.9989,呈較好的正線性關(guān)系,反應(yīng)速率常數(shù)k為0.0449min',說明三維電催化處理餐廚廢水中的COD降解
 
  遵循一級反應(yīng)動力學(xué)。出水COD濃度隨時間變化見圖8,其中,C,為反應(yīng)時間t時的COD濃度,C。為反應(yīng)起始時的COD濃度。
 
  2.4 電催化反應(yīng)器最佳占空比、脈沖頻率的理論計算
 
  由于電極和電解質(zhì)的存在,有機(jī)廢水電催化過程中會呈現(xiàn)較強(qiáng)的電容效應(yīng)中國。脈沖供電以“通電斷電通電”的方式,電催化反應(yīng)器相當(dāng)于電容,持續(xù)地進(jìn)行“充電放電-充電”
 
  。通電時系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基,帶電粒子在電流的作用下發(fā)生定向移動,同時發(fā)生直接電催化反應(yīng)和間接電催化反應(yīng);斷電時電催化反應(yīng)器進(jìn)行放電直至電流為零,在電容
 
  作用下電流由高電平轉(zhuǎn)為低電平的瞬間,電容兩端產(chǎn)生瞬間的反沖電壓,瞬間電流增高,可提高傳質(zhì)推動力及強(qiáng)氧化性自由基的生成幾率,同時帶電粒子停止定向移動,緩解濃差
 
  極化。在最佳的占空比和脈沖頻率下調(diào)控反應(yīng)可使電催化反應(yīng)器的電容恰好達(dá)到最大存儲量,從而使體系對有機(jī)物氧化達(dá)到最佳狀態(tài)。
 
  脈沖供電下電催化系統(tǒng)的通電-斷電過程遵循充電方程(1)和放電方程(2)。
 
  式中:E為時間為t時反應(yīng)器的實時電壓,V;E。代表充電時間為0時反應(yīng)器的初始電壓,V;U代表充電時反應(yīng)器工作電壓,V;t為時間,s;R為充放電過程的電阻,Ω;C為電催
 
  化系統(tǒng)電容,F(xiàn);E。代表反應(yīng)器的放電電壓,V。
 
  經(jīng)測量,R=14.77Ω,C=0.018mF,計算可得充電時間為0.0025s,放電時間為0.0026s。計算理論最佳占空比為49%,最佳頻率196Hz,與實驗結(jié)果較為接近。實驗結(jié)果也驗證
 
  了在最佳占空比、頻率下,污染物的去除效果及能耗相對最佳。
 
  3、結(jié)論
 
  1)采用三維電催化法深度處理餐廚廢水,可以達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978一1996)一級標(biāo)準(zhǔn)。
 
  2)綜合污染物去除率、達(dá)標(biāo)時間、能耗,脈沖三維電催化處理餐廚廢水的最佳供電參數(shù)為:占空比50%、頻率200Hz。
 
  3)在最佳供電參數(shù)下,反應(yīng)30min可達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)一級標(biāo)準(zhǔn),達(dá)標(biāo)電耗為4.0kWh·t-1-1,去除單位COD的電耗為0.022kWh·g-1COD,比直流供電可
 
  節(jié)能59.2%。
 
  4)可通過充放電方程計算脈沖電催化系統(tǒng)的理論最佳占空比、頻率,并以此作為實踐中選擇脈沖參數(shù)的重要參考依據(jù),這對于脈沖三維電催化法處理餐廚廢水及其他類型廢水具有
 
  參考價值。
 

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