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行業(yè)動(dòng)態(tài)

餐飲廢水 | 生物質(zhì)材料預(yù)處理

2018-04-16 08:12:19 小沐管家 0

隨著第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,餐飲廢水排放量也日益劇增,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人體健康的造成嚴(yán)重危害,已成為水體的主要污染源之一。目前,空氣浮選法、電化學(xué)技術(shù)、吸附、固定化脂肪酶分解、微生物法、凝聚和絮凝和膜處理工藝等都被用來(lái)進(jìn)行處理餐飲廢水。

吸附法以工藝簡(jiǎn)單快捷的特點(diǎn),被許多研究者利用,吸附劑多為活性炭、殼聚糖和橡膠等,但這些吸附劑價(jià)格偏高;價(jià)廉、處理效果好、綠色環(huán)保的吸附材料,正快速成為研究的熱點(diǎn),生物質(zhì)材料在水處理中應(yīng)用前景廣闊。廉價(jià)生物質(zhì)材料替代常規(guī)材料,是環(huán)境領(lǐng)域眾多研究人員感興趣的課題,它具有技術(shù)簡(jiǎn)單、小加工成本和較好吸附能力等特點(diǎn)。餐飲廢水中以膠體分散狀態(tài)存在的微細(xì)分散油、乳化油,由于劇烈的碰撞、剪切,造成電離、吸附和摩擦,加上表面活性劑的作用,會(huì)使組成油珠界面的基團(tuán)變?yōu)镃OO-和O-,生物質(zhì)表面較多的活性物質(zhì)和官能團(tuán)與油珠通過(guò)化學(xué)鍵發(fā)生吸附。生物質(zhì)材料還具有多孔性和良好的孔徑分布,可對(duì)餐飲廢水中的部分浮油、分散油和其他溶解性有機(jī)物進(jìn)行物理吸附。

本研究嘗試?yán)盟J、柚子皮、木屑和核桃殼四種生物質(zhì)對(duì)餐飲廢水進(jìn)行預(yù)處理,探討了生物質(zhì)粒徑、廢水初始pH、生物質(zhì)投加量、反應(yīng)溫度、時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果的影響,以此實(shí)驗(yàn)參數(shù)為研究課題餐飲廢水一體化處理裝置提供理論依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器及材料

實(shí)驗(yàn)儀器:TDL-40B離心機(jī)、IR-200A紅外三波數(shù)測(cè)油儀、JSM-6360LA掃描電子顯微鏡、AutosorbiQ2-MP快速全自動(dòng)比表面和孔徑分析儀材料:餐飲廢水收集自學(xué)校食堂,核桃殼、柚子來(lái)自某超市,水葫蘆取自滆湖邊,木屑來(lái)自木材加工廠(chǎng)。

1.2生物質(zhì)材料比表面積及SEM分析

材料的比表面積是影響其吸附性能的主要指標(biāo),經(jīng)測(cè)試核桃殼、木屑、柚子皮、水葫蘆的比表面積分別為0.35、5.31、1.87和5.86m2/g。

表面形態(tài)通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察,圖1為核桃殼、木屑、柚子皮、水葫蘆的SEM圖片,可以看出核桃殼表面呈現(xiàn)團(tuán)狀結(jié)構(gòu),層層包裹;木屑表面粗糙,呈現(xiàn)鋸齒狀;柚子皮表面有褶皺,呈現(xiàn)溝壑狀;水葫蘆具有緊湊的組織結(jié)構(gòu),排列緊密。

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1.3實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1餐飲廢水的預(yù)處理及分析

餐飲廢水中含有大量浮油、膠體和懸浮雜質(zhì),將取回的廢水通過(guò)4層無(wú)紡布過(guò)濾,得到實(shí)驗(yàn)中所用廢水;廢水COD為2021.5~3053.3mg/L,油含量為200.9~431.6mg/L,其中,油脂對(duì)COD的貢獻(xiàn)率為2.3~2.8,可見(jiàn)油脂是COD產(chǎn)生的主要來(lái)源,除油是餐飲廢水處理的關(guān)鍵。

1.3.2生物質(zhì)材料的預(yù)處理及制備

將所得生物質(zhì)材料進(jìn)行剪碎(其中柚子皮去掉黃色表皮),再用蒸餾水進(jìn)行水洗,去除色素及其他溶解性物質(zhì),至水變得澄清,將水洗過(guò)生物質(zhì)置于恒溫干燥箱中,烘干至恒重,用高速粉碎機(jī)粉碎并過(guò)篩,獲取所需粒徑的生物質(zhì)材料。

1.3.3預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

取500mL燒杯數(shù)個(gè),分別加入一定量的餐飲廢水,調(diào)節(jié)pH,加入定量的生物質(zhì)材料,恒溫水浴振蕩器內(nèi)振蕩一定時(shí)間,實(shí)驗(yàn)中搖床速率恒定為150r/min,實(shí)驗(yàn)完成后,取其上層清液稀釋一定倍數(shù),測(cè)定COD及油脂含量。

1.3.4COD及油脂含量的測(cè)定

采用快速密閉催化消解法測(cè)COD。紅外分光光度法測(cè)油脂含量,其測(cè)量原理是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16488-1996要求,在2930、2960cm-1及3030cm-1分別測(cè)出油分結(jié)構(gòu)中的亞甲基,甲基和芳香環(huán)的吸光度,計(jì)算出油分濃度,油脂的吸附量,公式如下:

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式中:v為餐飲廢水體積(L);w為生物質(zhì)的投加量(g);c0為吸附前油脂濃度(mg/L);c為吸附后油脂濃度(mg/L)。

2、結(jié)果與討論

2.1生物質(zhì)粒徑對(duì)處理效果的影響

按照1.3.3實(shí)驗(yàn)方法,生物質(zhì)投加量為28g/L,廢水pH為3,處理時(shí)間為3h,反應(yīng)溫度為20℃,考察不同粒徑對(duì)處理效果的影響,圖2所示,生物質(zhì)粒徑越小,處理效果越好,粒徑<0.2mm時(shí)處理效果最優(yōu);這與相關(guān)研究吻合,顆粒粒徑減小,總表面積增大,增加了生物質(zhì)在外表面的吸附幾率,而粒徑越大,傳質(zhì)擴(kuò)散阻力越大,影響處理效果。粒徑越小,材料整體毛細(xì)孔越豐富,根據(jù)毛細(xì)管凝聚理論,微孔有利于油脂之間相互作用,所以當(dāng)粒徑較小時(shí)不僅有表面吸附作用,可能還會(huì)產(chǎn)生微孔填充效應(yīng),從而增加處理材料對(duì)有機(jī)物和油脂的吸附量。而同一粒徑下,處理效果由大到小分別水葫蘆、木屑、柚子皮、核桃殼;水葫蘆對(duì)COD的去除率達(dá)到65%左右、油脂吸附量為16.42mg/g。

2.2廢水pH對(duì)處理效果的影響

按照1.3.3實(shí)驗(yàn)方法,生物質(zhì)粒徑<0.2mm,投加量為28g/L,處理時(shí)間為3h,反應(yīng)溫度為20℃,考察不同pH對(duì)處理效果的影響,結(jié)果如圖3所示。

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由圖3可知,pH對(duì)餐飲廢水處理效果影響顯著,處理效果隨著pH增加而降低。pH為4時(shí),水葫蘆、柚子皮處理效果最優(yōu),COD去除率分別達(dá)到了65.49%和54.77%,油脂的吸附量分別為15.56mg/g和7.77mg/g;而pH為2時(shí),木屑和核桃殼處理效果最優(yōu)。柚子皮和水葫蘆的纖維素含量高于木屑和核桃殼,pH為2,酸性較強(qiáng)時(shí),可能一部分有機(jī)物浸溶到廢水中,貢獻(xiàn)了COD,使去除率降低。總體來(lái)看酸性條件更有利于處理,在此條件下有機(jī)化合物和油脂表面帶負(fù)電荷,而生物質(zhì)材料表面帶正電荷,產(chǎn)生靜電吸附,而pH太大,降低處理效果。

2.3生物質(zhì)投加量對(duì)處理效果的影響

按照1.3.3實(shí)驗(yàn)方法,生物質(zhì)粒徑<0.2mm,廢水pH為3,處理時(shí)間為3h,反應(yīng)溫度為20℃,考察不同投加量對(duì)處理效果的影響,結(jié)果如圖4所示。

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由圖4可知,COD去除率隨投加量增加而提高。當(dāng)柚子皮和水葫蘆投加量為20g/L時(shí),COD去除率變化較小,而木屑與核桃殼投加量為28g/L時(shí),趨于穩(wěn)定。由于投加量增加,處理過(guò)程中吸附點(diǎn)位數(shù)量增加,有機(jī)物和油脂與材料位點(diǎn)接觸幾率提高,處理表面積增大。由于投加量大,總吸附點(diǎn)未達(dá)到飽和,導(dǎo)致單位生物質(zhì)油脂吸附量降低。

2.4反應(yīng)溫度對(duì)處理效果的影響

按照1.3.3實(shí)驗(yàn)方法,生物質(zhì)粒徑<0.2mm,生物質(zhì)投加量為28g/L,廢水pH為3,處理時(shí)間為3h,考察不同溫度對(duì)處理效果的影響,結(jié)果如圖5所示。

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由圖5可知,溫度對(duì)處理效果的影響較小,隨著溫度的升高,COD去除率和油脂吸附量逐漸降低,但變化較小。溫度在20~40℃范圍內(nèi),生物質(zhì)材料對(duì)COD的去除率變化在6%~8%之間;由圖5(b)可知,隨溫度變化,每種生物質(zhì)油脂吸附量變化不超過(guò)3mg/g。溫度升高,油脂吸附量逐漸降低,表明油脂在生物質(zhì)材料上的吸附是放熱反應(yīng),低溫有利于吸附,餐飲廢水在室溫下即可處理,不需特意升高溫度。

2.5反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果的影響

按照1.3.3實(shí)驗(yàn)方法,生物質(zhì)粒徑<0.2mm,投加量為28g/L,廢水pH為3,反應(yīng)溫度為20℃,考察處理時(shí)間對(duì)處理效果的影響,結(jié)果如圖6所示。

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由圖6可知,生物質(zhì)材料對(duì)餐飲廢水的處理效果隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸顯著,并趨于穩(wěn)定。由圖6(a)可知,對(duì)于COD去除率,水葫蘆、柚子皮處理2h后趨于平衡,而木屑、核桃殼處理2.5h后達(dá)到了平衡;水葫蘆、柚子皮、木屑達(dá)到平衡后處理效果均有不同程度的下降。由圖6(b)可知,水葫蘆和柚子皮在2h內(nèi)油脂的吸附量達(dá)到平衡,而水葫蘆對(duì)廢水中的油的吸附效果明顯,呈直線(xiàn)上升趨勢(shì),而其他3種生物質(zhì)吸附效果變化緩慢。水葫蘆的快速吸附表明油脂分子在水葫蘆表面快速擴(kuò)散,固液兩相接觸面積大,有利于油脂分子向水葫蘆表面活性位點(diǎn)的擴(kuò)散。

2.64種材料處理效果差異分析

比表面積的大小會(huì)影響吸附材料的處理效果,材料的微孔的含量越多、比表面積越大,材料的吸附量越大。各處理材料比表面積的大小關(guān)系為:水葫蘆>木屑>柚子皮>核桃殼。另外從孔徑分布來(lái)看,核桃殼表面結(jié)構(gòu)呈塊狀,固液接觸面積較小,其吸附能力較弱。木屑結(jié)構(gòu)呈片狀,孔隙結(jié)構(gòu)以大孔為主,而中孔和微孔吸附性能較好,所以木屑的孔徑大小分布不合理,吸附能力較弱。柚子皮結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀,有大量的孔洞,孔徑大小分布均勻有序,具有很大的表面積,吸附能力強(qiáng)。水葫蘆結(jié)構(gòu)呈管狀,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、孔徑大小分布合理,與餐飲廢水的接觸面積較大大,處理效果明顯。

3、結(jié)論

(1)利用生物質(zhì)對(duì)餐飲廢水進(jìn)行預(yù)處理,確定了各生物質(zhì)材料最佳的處理工藝,其中水葫蘆和柚子皮的最佳處理?xiàng)l件為:生物質(zhì)粒徑<0.2mm,投加量為20g/L,pH為4,處理時(shí)間為2h,反應(yīng)溫度為20℃;木屑和核桃殼的最佳處理?xiàng)l件為:生物質(zhì)粒徑<0.2mm,投加量為28g/L,pH為2,處理時(shí)間為2.5h,反應(yīng)溫度為20℃。

(2)生物質(zhì)材料均能有效地降低餐飲廢水的油脂含量和COD,總體處理效果順序?yàn)?水葫蘆>木屑>柚子皮>核桃殼。

(3)4種生物質(zhì)對(duì)餐飲廢水的處理效果明顯,去除了部分淀粉類(lèi)和纖維類(lèi)的有機(jī)物與動(dòng)植物油脂。利用生物質(zhì)處理廢水,達(dá)到以廢治廢目的,為解決環(huán)境和資源問(wèn)題提供了新的策略。


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