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        過硫酸鹽氧化強(qiáng)化餐廚垃圾發(fā)酵沼液固液分離研究

        2022-10-20 02:36徐繼超秦玉坤楊廣龍李夢(mèng)慧張玉生董瑞麒宮長斌陳英文
        綠色科技 2022年18期
        關(guān)鍵詞:硫酸鹽絮凝劑餐廚

        吳 畏,徐繼超,秦玉坤,楊廣龍,李夢(mèng)慧,張玉生,董瑞麒,宮長斌,陳英文

        (1. 南京環(huán)境集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210026;2. 南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

        1 引言

        餐廚垃圾是目前世界產(chǎn)生量最多的生物垃圾之一[1]。厭氧發(fā)酵后的沼液含有大量的N、P、K等營養(yǎng)元素,還富含微量元素、腐殖酸、有機(jī)質(zhì)等,因此常常被用作液態(tài)有機(jī)肥[2]。但由于沼液的氨氮濃度、重金屬、鹽度含量較高,氣味較大等特點(diǎn),餐廚沼液的處理成了行業(yè)難題[3,4];且沼液內(nèi)部有機(jī)物濃度和膠態(tài)物質(zhì)含量高,難以固液分離[5],因此,需尋求一種有效的沼液預(yù)處理方法。

        化學(xué)絮凝是一種簡單、高效、廉價(jià)的沼液處理方法[6],可以有效降低廢水中有機(jī)物、固體懸浮物量[7]。無機(jī)高分子絮凝劑是在傳統(tǒng)的鐵鹽和鋁鹽絮凝劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,具有適應(yīng)性強(qiáng)、效能高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[8],但需多種藥劑聯(lián)用、運(yùn)行和藥劑費(fèi)用偏高[9]。高級(jí)氧化法中的過硫酸鹽體系,具有很強(qiáng)的氧化性和非選擇性[10],可以氧化絕大部分有機(jī)物[11],對(duì)胞外聚合物有很好的破壞與分解作用[12],能促進(jìn)污泥絮體中部分水的釋放,改善污泥脫水性能[13]。采用過硫酸鹽預(yù)氧化沼液,其有機(jī)物含量減少并且改善其脫水性能后,再進(jìn)行絮凝,可減少藥劑投加量,節(jié)約處理成本。本文研究了過硫酸鹽高級(jí)氧化技術(shù)的沼液預(yù)處理性能,優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),形成了高級(jí)氧化-絮凝組合工藝,實(shí)現(xiàn)了沼液經(jīng)濟(jì)性高效預(yù)處理。

        2 材料與方法

        2.1 水質(zhì)

        本試驗(yàn)選取的餐廚沼液來自南京某餐廚垃圾處理廠,采用國標(biāo)法對(duì)沼液成分進(jìn)行分析,由于實(shí)際生產(chǎn)中水質(zhì)具有一定波動(dòng),表1中數(shù)據(jù)為平均值,具體實(shí)驗(yàn)計(jì)算以當(dāng)批水樣數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

        表1 水質(zhì)指標(biāo)

        2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本實(shí)驗(yàn)以發(fā)酵后的餐廚沼液為研究對(duì)象,分別進(jìn)行過硫酸鹽高級(jí)氧化實(shí)驗(yàn)、絮凝實(shí)驗(yàn)、過硫酸鹽-絮凝組合實(shí)驗(yàn)。以Fe(Ⅱ)作為活化劑,分別探究了Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比、摩爾濃度、反應(yīng)pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)過硫酸鹽氧化性能的影響。以3‰ PAM為助凝劑,考察了聚合氯化鋁(PAC)、AlCl3、FeCl3、聚合氯化鋁鐵(PAFC)、Al2(SO4)3和聚合硫酸鋁(PAS)6種絮凝劑對(duì)沼液的絮凝效果。

        基于以上獲得的最優(yōu)結(jié)果,進(jìn)行過硫酸鹽氧化-絮凝組合工藝研究,以COD、SS為檢測(cè)指標(biāo)。同時(shí),通過沼液比阻(γ)參數(shù)分別對(duì)過硫酸鹽氧化、絮凝、過硫酸鹽氧化-絮凝工藝進(jìn)行沼液脫水性分析。

        2.3 分析方法

        檢測(cè)方法采用國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法,COD采用快速消解分光光度法測(cè)定,pH值采用手提式多參數(shù)測(cè)試儀測(cè)定,SS的測(cè)定采用重量法,沼液比阻的測(cè)定采用布氏漏斗-真空抽濾法。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 過硫酸鹽氧化實(shí)驗(yàn)分析

        3.1.1 Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比

        在原始沼液pH、Fe(Ⅱ) = 10 mmoL/L、室溫條件下探究了不同F(xiàn)e(Ⅱ)和S2O82-摩爾比對(duì)沼液COD去除效率的影響。由圖1可知,當(dāng)摩爾比為1∶1時(shí),沼液COD去除率最高。當(dāng)S2O82-濃度降低時(shí),反應(yīng)體系中SO4-·減少;當(dāng)S2O82-濃度提高時(shí),沒有足夠的Fe(Ⅱ)活化S2O82-,導(dǎo)致沼液COD去除率降低。因此,1∶1為最佳摩爾比。

        圖1 不同F(xiàn)e(Ⅱ)和S2O82-摩爾比下沼液COD去除率

        3.1.2 Fe(Ⅱ)和S2O82-濃度

        圖2 不同F(xiàn)e(Ⅱ)和S2O82-濃度下COD去除率

        3.1.3 反應(yīng)pH值

        在室溫、Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比為1∶1且濃度為2 mmoL/L時(shí),考察pH值對(duì)沼液COD去除率的影響。由圖3知,隨著pH值的增加,沼液COD去除率呈降低的趨勢(shì),當(dāng)pH值為3時(shí),COD去除率較高,這是因?yàn)檫^酸會(huì)抑制Fe3+水解生成Fe(OH)3,進(jìn)而使Fe(Ⅱ)保持較高的活性。繼續(xù)升高pH值,由于過硫酸鹽產(chǎn)生大量SO4-·[15],所以在高pH值條件下,仍然保持較高COD去除率,最終優(yōu)選沼液原水pH值。

        圖3 不同pH值條件下COD去除率

        3.1.4 反應(yīng)時(shí)間

        在原始沼液pH = 8.18、Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比為1∶1且濃度為2 mmoL/L時(shí),考察時(shí)間對(duì)沼液COD去除率的影響。結(jié)果如圖4所示,在0~30 min內(nèi),COD去除率隨時(shí)間延長而增加。在氧化時(shí)間為30 min時(shí),COD去除率達(dá)到41.12%,此后隨著時(shí)間的延長,COD去除率增加不明顯,說明體系中的S2O82-已全部參與反應(yīng)。

        圖4 不同時(shí)間下COD 去除率

        3.2 絮凝實(shí)驗(yàn)分析

        3.2.1 絮凝劑種類

        考察6種不同絮凝劑對(duì)沼液COD去除率的影響(圖5),結(jié)果發(fā)現(xiàn),相較于其他5種絮凝劑,AlCl3作用下沼液COD和SS去除率最高,分別達(dá)到60.59%和83.48%,因此,本實(shí)驗(yàn)選用AlCl3做絮凝劑。

        圖5 不同絮凝劑種類下沼液COD和SS去除率

        3.2.2 絮凝劑濃度

        以AlCl3為絮凝劑,不同投加濃度下沼液指標(biāo)去除率結(jié)果見圖6。由圖可知,AlCl3濃度越高,COD和SS去除率就越高,但是當(dāng)AlCl3濃度過高時(shí),沼液會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡,綜合考慮,選用6%質(zhì)量濃度的氯化鋁。

        圖6 不同氯化鋁濃度對(duì)沼液COD和SS的去除率

        3.2.3 復(fù)合絮凝劑

        雖然AlCl3表現(xiàn)出了優(yōu)異的COD和SS去除效果,但其價(jià)格較高,增加了沼液處理成本,因此,本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)選價(jià)格較低的PAC絮凝劑和AlCl3進(jìn)行復(fù)配,進(jìn)行了PAC∶AlCl3質(zhì)量比分別為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4和7∶3的絮凝實(shí)驗(yàn)。由圖7可知,當(dāng)AlCl3和PAC的質(zhì)量比為1∶1時(shí)和單獨(dú)使用AlCl3時(shí)的COD和SS去除率較為接近。而PAC的價(jià)格僅為AlCl3的一半,因此結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際處理效果,選用質(zhì)量比為1∶1的AlCl3∶PAC復(fù)合絮凝劑。

        圖7 不同質(zhì)量比下沼液COD 和SS的去除率

        3.3 組合工藝效果分析

        3.3.1 COD和SS去除效果分析

        在Fe(Ⅱ):S2O82-=1∶1,S2O82-和Fe(Ⅱ)的濃度為2 mmoL/L、原沼液pH值、室溫、反應(yīng)時(shí)間30 min的最優(yōu)條件下進(jìn)行過硫酸鹽氧化,再選用不同濃度的復(fù)合絮凝劑(PAC+AlCl3)絮凝,考察組合工藝對(duì)沼液COD和SS的去除率。如圖8所示,PDS+6%復(fù)合絮凝劑組去除率最高,但是相對(duì)于PDS+3%復(fù)合絮凝劑組,去除率沒有明顯提高,所以PDS+3%復(fù)合絮凝劑組處理效果最優(yōu)。該組沼液的COD和SS的去除率分別達(dá)到了75.73%和96.40%,比單獨(dú)使用復(fù)合絮凝劑時(shí)去除率顯著提高。

        圖8 組合工藝對(duì)COD和SS去除效果的影響

        3.3.2 沼液脫水性能分析

        考察了原沼液、絮凝劑處理后沼液、過硫酸鹽氧化后沼液、絮凝劑+過硫酸鹽氧化后沼液的沼液比阻,具體結(jié)果見表2。

        沼液比阻(γ)是表征沼液過濾特性的綜合指標(biāo),沼液比阻越小,表示沼液脫水效果越好[16],由表2可知,經(jīng)過硫酸鹽氧化后,γ降低,因?yàn)镕e(Ⅱ)活化過硫酸鉀產(chǎn)生的SO4-·可對(duì)沼液EPS結(jié)構(gòu)和部分化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行破壞,促使沼液絮體中部分束縛水的釋放,從而改善沼液脫水性能[13];絮凝劑單獨(dú)處理后,γ下降,原因在于有機(jī)絮凝劑使絮凝物的粒徑更大、比表面積更小、分型維數(shù)更小[17];經(jīng)過硫酸鹽氧化和絮凝劑處理后γ進(jìn)一步降低,絮凝劑和過硫酸鹽聯(lián)合處理沼液,脫水效果達(dá)到了1+1>2的效果,可能在于兩者協(xié)同處理,使體系達(dá)到了平衡,所以加強(qiáng)了效果。

        表2 沼液比阻數(shù)據(jù)

        結(jié)合圖8和表2,經(jīng)過硫酸鹽氧化和絮凝劑絮凝組合工藝處理后沼液的COD、SS、比阻比單獨(dú)使用絮凝劑或過硫酸鹽氧化都得到了強(qiáng)化,且減少了絮凝劑的投加。綜合所述,選用過硫酸鹽氧化-絮凝組合工藝效果最佳。

        4 結(jié)論

        (2)根據(jù)絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性,優(yōu)選6%的PAC+AlCl3·6H2O為復(fù)合絮凝劑。

        (3)最適過硫酸鹽氧化條件和最適絮凝條件下,絮凝劑減半投加后,過硫酸鹽高級(jí)氧化-絮凝組合工藝中沼液COD去除率可達(dá)75.74%,SS去除率可達(dá)96.40%,沼液比阻降低了97.69%。

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