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過氧化氫用于黑膜沼氣池沼液回用預處理的研究
時間 : 2019-05-06 瀏覽量 : 1

2015年全國餐廚垃圾產生量高達9500萬噸,  日均產量達26萬噸。根據《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》的目標,到“十三五”末,新增餐廚垃圾日處理能力將達到3.44萬噸(2)。餐廚垃圾作為一種有機固體廢棄物,對其處置不當不僅會造成嚴重的環境污染問題,更是對有機質資源的浪費3?,F階段我國餐廚垃圾黑膜沼氣池厭氧消化工程以濕式黑膜沼氣池厭氧消化工藝為主,而黑膜沼氣池厭氧消化產生沼氣的同時會產生大量的沼液4,成為限制黑膜沼氣池厭氧消化工程大規模應用的瓶頸之一。黑膜沼氣池厭氧消化產生的沼液成分復雜,屬于高濃度的有機廢水5,沼液的處理,一直受到廣泛關注。  高級氧化技術是利用氧化劑產生的高活性羥基  自由基使廢水中有機污染物質分解或礦化。因其氧  化速度快,處理效率高,在難降解有機廢水的預處理


和有毒工業廢水的處理方面取得較好效果6。H2O2作為一種高效的氧化劑,在很多廢水處理領域有應用。李新等用H2O2處理印染廢水,COD降解率可以達到69%。張波等在用水力空化技術處理羅丹明B廢水時,發現投加H2O2能有效強化該技術對羅丹明B的降解能力。有研究用 Fenton試劑氧化預處理焦化廢水,COD去除率可達40%9。也有研究采用復配混凝一磷酸銨鎂沉淀— Fenton氧化的組合技術處理高濃度養豬廢水,  可以使COD的總去除率達到94.16%0。但是,目  前在H2O2處理餐廚垃圾黑膜沼氣池厭氧消化沼液方面報道很少  本文初步探究了H2O2對餐廚垃圾黑膜沼氣池厭氧消化沼  液的處理效果。通過單因素試驗,研究3種因素:化  學氧化劑的投加量,反應初始pH值以及氧化時間


對沼液COD去除率的影響;通過正交試驗分析,探  求最佳工藝參數;在此基礎上,考察了H2O2預處理  后的沼液回用對黑膜沼氣池厭氧消化系統的影響。

1材料與方法


1.1試驗材料


沼液性質


餐廚垃圾( Kitchen Waste,KW)取自北化工  學食堂,主要由蔬菜、肉類、大米和豆制品等  人工去除餐廚垃圾中大塊雜質(果核骨夾、紙  餐具等)后,用垃圾處理器( Waste King,M  SS3300,美國)將餐廚垃圾粉碎成漿狀,混合均  裝瓶置于-20℃冰箱中冷凍待用,在使用之前對性質進行測定。如表1所示。


以餐廚垃圾為黑膜沼氣池厭氧消化底物,利用全混合黑膜沼氣池厭氧  反應器( Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)進  行中溫黑膜沼氣池厭氧消化,日產沼氣量和沼氣中各氣體成分含量穩定在正常范圍時,收集黑膜沼氣池厭氧消化液(出料混合液)進行離心,在4500mp的轉速下,使用臥式高速離心機將黑膜沼氣池厭氧消化液離心30min,取其上清液沼液)儲存待用


1.1.2儀器與試劑  


主要儀器:Oion3star型pH計;奧豪斯FA1004精密電子天平;DRB-200型COD快速消解  儀;UV200型紫外可見分光光度計;H1650-W臺式離心機

試劑:30%過氧化氫(分析純),實驗用水為蒸餾水,使用之前用純水配制成5%的溶液;NaOH(分析純);HCL(分析純)。


1.2試驗方案


1.2.1單因素試驗


試驗考察3種因素對沼液中COD去除率的影響:5%過氧化氫投加量、初始pH值、氧化時間。取  300mL沼液,依次改變單個影響因素的大小,反應結束  后取上清液,用重鉻酸鉀法測定處理后沼液的COD。  1.2.2正交試驗

在單因素試驗的基礎上,設計正交試驗并采用  極差分析法對氧化劑投加量、初始pH值和氧化時  間3個主要因素的顯著性程度進行分析,每個因素  選定3個水平。根據試驗條件選擇L(34)正交表,  所用的正交因素水平如表3所示。


pH值:玻璃電極法;氨氮濃度采用凱  1.3分析方法  (K7260,丹麥福斯公司)測定;堿度采用滴定法  定:COD采用重鉻酸鉀法,利用COD測定儀  DR2000,USA)測得。


2結果與分析


2.1單因素試驗結果  


通過單因素試驗,初步研究3種因素:過  的投加量、反應初始pH值以及氧化時間對  COD的去除效果  2.1.1過氧化氫投加量的影響  控制反應時間為30min,初始pH值為10  取5%過氧化氫,投加量分別為20,25,3035,  45,50,56065g817液COD的去除有如圖  所示。由圖1可知,在投加量20-58140  去除率大幅度升高;投加量為5gL時C  除效果最好,達到了35.2%。當投加量為于  g:L時,COD去除率急劇降低。隨著過氧化  加量的增加,沼液COD去除率先增加后下,主由于HQ2是產生OH的主體,HO2的增提  OH的濃度和持續性。當過氧化氫投加量較少時其產生的·OH含量較低,只能作用于少量有機質:隨著過氧化氫投加量的增加,OH的數量濃度也逐漸增大,從而提高了對污染物的降速使COD的去除率從最初的11.73%增加到

當過氧化氫投加量超過一定值時,一方面,0H會與過量的H2O2發生副反應,生成氧化能力  HO2,使得沼液中難降解污染物的去除率下  一方面,過量的H1O2也會影響COD的檢測  結果造成干擾叫:綜合考慮二者的影響,當  氫投加量超過5gL時OD的去除率從  降低至19%。因過氧化氫的氧化作用  靠OH自由基對有機質的降解,但由于存在副應  以過氧化氫的投加量總是存在一個最優值。數過高或過低,都會影響COD的去除效果  2.1.2初始pH值的影響  調節各反應組的初始pH值分別為2.2


3.5,4,5,6,在過氧化氫投加量55g·L1,反應時間  30min的條件下,沼液COD去除率的變化如圖2所  示。由圖2可知,沼液COD的去除率受初始pH值  的影響較大。過低或過高的pH值都對去除CoD  有不利的影響。調節沼液的初始pH值為2時,  COD去除率較差,僅為224%。隨著pH值的增  加,COD的去除率逐漸增加,當pH值為3.5時,COD去除率最大,達到37.99%。之后,當pH值>4時,COD去除率較低,基本在27%左右。

出現這種變化的原因主要是,pH值過低會提高  H2O2穩定性,分解效率變低,·OH自由基的產生量  和生成速率變慢,不利于COD的去除;但沼液中存  在的H+又可以阻止其分解產生的·OH的無效損  耗,因此酸性范圍內,COD去除率隨pH值增大而增  加3。pH值太高,H2O2穩定性降低,不僅會造成  H2O2自身的氧化分解,降低對有機物的氧化能力,  也會抑制·OH自由基的生成,進而使COD去除率有所下降14


2.1.3氧化時間的影響  


調節沼液的初始pH值為3.5,在過氧化氫投加  量55g·L,反應時間30min的條件下,氧化時間  對沼液COD的去除率如圖3所示。由圖3可知,由  于過氧化氫的氧化速度較快,因此在反應前50min  內,隨著氧化時間的延長,沼液中有機污染物的氧化  分解程度會更加充分,COD去除率明顯升高。當時


間超過50min后,隨時間的增加,反應基本達到平  衡,COD去除率不再明顯增加,到最后甚至有所下  降,表明有機物在很大程度上得到了去除。


2.2正交試驗  


根據表2中選定的因素水平進行正交試驗設  計。按照L(3)正交試驗表,試驗共設計9組,分  別取300mL沼液于9個燒杯中進行氧化實驗,反應  結束后取上清液測其COD。每1組試驗重復測定3  下衣化試驗結果如表4所示。


根據表4的極差分析結果,可知當以COD的去  除率為指標時,pH值對COD去除效果影響最顯著,  其次是過氧化氫投加量,而氧化時間的影響較小。  這表明調節沼液的初始pH值是提高其中COD去除率的有效措施。  用H2O2去除COD的最優試驗參數為:過氧化  氫投加量為60.00g·L-,初始pH值為3.5,氧化時  間為50min;在該條件下對餐廚黑膜沼氣池厭氧消化的沼液進  行處理,可以使COD去除率達到4837%。


2.3H2O2預處理后的KW沼液回用效果


進行了將H2O2預處理后的沼液回用于KW批式黑膜沼氣池厭氧消化的試驗,考察其對產氣性能的影響。反應過程中對照組與回用組日產氣量和甲烷體積分數的變化如圖4和圖5所示。由圖4中可知,回用組  與對照組均在第1天出現第1個產氣高峰,日產氣量分別為2760和2400mLd-1,之后日產氣量均開始迅速下降第9天開始,兩組產氣量均開始逐漸增長,回用組在第12天出現了2000mL.d-的產氣高峰,而對照組則在第20天出現了1200mLd-的產  氣高峰,之后兩組的日產氣量均開始逐漸下降,從第  33天開始,日產氣量低于100mL·d-1。整體看來,回用組與對照組日產氣量在前10天變化規律基本  保持一致,但從第10天到第17天,對照組日產氣量  均明顯低于回用組。從圖5可以看出,回用組與對照組甲烷體積分數變化規律基本相似,但從第4天到第12天,甲烷體積分數逐漸增長階段,對照組均低于回用組。結合日產氣量、甲烷體積分數綜合分析可以說明預處理沼液回用于批式黑膜沼氣池厭氧消化反應不會對產氣性能產生影響。


3結論


(1)通過單因素試驗,研究了H2O2投限量初  始pH值、氧化時間對餐廚黑膜沼氣池厭氧消化的沼液Cs  除效果的影響。其中,隨H2O2投加量、初始  的增大,COD去除率都會先增加后下降;隨時同  增加,COD的去除率會在50min后基本達到平衡  


(2)通過正交試驗分析,得出各因素對沿液  COD去除效果的影響程度為:初始pH值>過氧化  氫投加量>氧化時間。而且當過氧化氫投加量為  60.00gL-1,初始pH值為3.5,氧化時間為50m  時,COD去除效果最佳,可達到4837%。  


(3)H2O2預處理后的沼液用于餐廚垃圾批式黑膜沼氣池厭氧消化,并未對產氣效果產生抑制作用。


摘自《中國沼氣》2018第3期


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