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化学品洗箱废水处理技术

港口和水运行业的迅猛发展极大地促进了化学品的运输,而装运化学品的集装箱在清洗过程中将产生高浓度化学品废水。由于化学品种类繁多,其废水成分极其复杂,且多为有毒、有害或致癌物质,如不进行有效处理,将严重威胁港口生态环境和人类健康。目前港口废水的处理多采用隔油、混凝、电化学、氧化、吸附、气浮及生化等传统处理工艺,而由于化学品集装箱清洗废水为间歇操作,且产生的废水也因货种的不同变化较大,传统组合工艺很难达到处理要求,因此迫切需要开发一种高效且普遍适用的洗箱废水处理技术。

微波诱导催化氧化作为一种新型的高级氧化技术具有无选择性、降解速度快、降解程度高等诸多优势,其对染料废水、苯酚废水、焦化废水和农药废水等的处理效果已得到广泛认可和证实。将微波诱导催化氧化技术用于港口化学品洗箱废水处理中,以此技术为核心开发普遍适用的化学品洗箱废水的处理和回用装置,无疑为港口化学品洗箱废水的资源化处理开辟了新的途径。

为此本研究以实际化学品洗箱废水为研究对象,研究了微波-活性炭催化氧化技术对洗箱废水的处理效果,重点考察了不同运行条件下的微波- 活性炭催化氧化能力,探究了活性炭在催化氧化体系中的作用,分析了处理前后活性炭理化特性的变化和作为“敏化剂”的使用活性,以期为后续处理装置的设计开发提供重要信息和依据。

1 试验部分

1.1 试验仪器及材料

试验仪器:哈希DR2800 分光光度计,美国哈希公司;DRB200 消解仪,美国哈希公司;Liqui TOC 总有机碳分析仪,德国元素分析系统公司;微波反应装置,中国南京汇研微波系统工程有限公司;BT100- 2J 恒流泵,中国保定兰格;Mill-Q Element 超纯水系统,德国密理博公司;TD5002A 电子天平,天津市天马仪器厂;AT460 分析天平,瑞士梅特勒公司。

活性炭: 试验所用活性炭为上海活性炭厂的原煤破碎炭,粒径为0.83~2.8 mm,比表面积为902.9 m2/g,孔容积为0.44 cm3/g,平均孔径为0.98 nm。使用前用超纯水洗净,于120 ℃下烘干。

1.2 试验装置

试验装置如图 1 所示。

图 1 微波诱导催化氧化试验装置

本系统由微波发生器、环形器、水负载、双定向耦合器、三螺钉调配器和反应腔体组成,微波发生器与反应腔体之间由相关波导和电缆连接,其微波入射电流和反射电流显示在微波发生器控制面板上。微波能从微波发生器的激励腔输出后经环形器进入双定向耦合器,再经过三螺钉调配器进入馈能波导,然后辐射进入反应腔体(30 cm×30 cm×40 cm)。待处理水样从反应柱(ID=3 cm,H=50 cm)上端进入,采用气液同向进气方式; 出水经过冷凝后由水样收集罐接收,尾气经活性炭柱吸附后排空。

2 结果与讨论

2.1 活性炭吸附对化学品洗箱废水的处理效果

活性炭作为一种高效吸附剂被广泛应用于废水处理中。试验首先考察了单独活性炭吸附对化学品洗箱废水的处理效果,其中吸附柱直径为3 cm,填装高度为30 cm,活性炭填装量为100 g,进水流量为3.2 mL/min,试验结果如图 2 所示。

图 2 活性炭吸附对化学品洗箱废水的处理效果

由图 2 可知,当进水COD 和TOC 分别为1 516 mg/L 和203 mg/L 时,经活性炭柱处理2 h 后出水 COD 为86.5 mg/L、TOC 为23.7 mg/L,4 h 后出水 COD 达到255 mg/L、TOC 为61.2 mg/L,随着处理时间的延长,炭柱出水污染物浓度呈显著上升趋势。由此分析可知,活性炭对该化学品洗箱废水有一定的吸附能力,但由于污染物浓度较高,活性炭很容易达到吸附饱和,其出水无法满足排放标准及回用要求;另外从处理成本上看也是非常不经济的。

2.2 微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水的处理效果

试验研究了微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水的处理效果,运行参数分别为: 微波功率 142 W,进气量120 mL/min,进水流量3.2 mL/min,炭柱直径3 cm,填装高度30 cm,活性炭填装量100 g。试验结果如图 3 所示。

图 3 微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水的处理效果

由图 3 可以看出,微波诱导活性炭对该化学品洗箱废水具有非常好的处理效果,当进水COD 和 TOC 分别为1 516 mg/L 和203 mg/L 时,该系统对 COD 和TOC 的去除率基本在90%以上。微波诱导活性炭对COD 和TOC 的处理效果呈现明显的一致性,由此可以推断,去除的COD 没有因催化氧化形成中间产物,而是被完全矿化成CO2 和H2O。

在进水COD 为1 516~1 694 mg/L、TOC 为203 mg/L 的条件下,进一步对比了活性炭单独吸附和微波诱导活性炭对化学品洗箱废水的处理效果,结果表明,微波诱导活性炭对化学品洗箱废水的处理效果明显好于活性炭单独吸附,处理21 h 后,其出水 COD 仍在100 mg/L,TOC 维持在20 mg/L 以下,出水水质满足废水回用要求。由此可知,微波作用下,以活性炭作为“敏化剂”可使高浓度有机废水获得良好的处理效果,微波活性炭的“热点效应”应该是产生如此去除效果的主要原因。

2.3 不同工况下微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水的处理效果

研究表明,微波功率和进气量是微波诱导活性炭工艺的关键参数,通过试验分别考察了不同微波功率和进气量对处理效果的影响,运行参数设计如 表 1 所示。不同运行条件下微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水COD 的处理效果如图 4 所示。

图 4 不同运行条件下微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水COD 的处理效果

结合表 1 和图 4 可以看出,将微波功率由142W 降至110 W 时,COD 去除率从90%以上迅速降至 70%以下,而将进气量从120 mL/min 增加至250 mL/min 时,COD 去除率迅速上升至90%以上。由此可以推断,增加微波功率,活性炭表面“热点”吸收的能量变多,同时随着微波功率的升高,“热点”的数量也随之增加,进而提高了COD 去除率〔8〕;进气量的增加可以有效提高微波-活性炭系统中羟基自由基的产生量,进而提高处理效果〔9〕。

另外,结合表 1 和图 4 还可看出,当进水COD由 1 660 mg/L 增加至4 955 mg/L 时,将微波功率分别增加到174 W 和206 W,处理水量分别增加至4.3 mL/min 和6.3 mL/min,COD 去除率仍维持在90%以上。由此可知,微波-活性炭系统对高浓度有机废水具有良好的处理效果,且微波功率与处理水量具有一定的相关性。另外,在相同的进水和进气量下,当微波功率由206 W 增加到238 W 时,出水COD 未见明显下降,其原因是增加进水流量势必缩短废水与活性炭的接触时间,使之很难被充分氧化。

不同运行条件下微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水TOC 的处理效果如图 5 所示。

图 5 不同运行条件下微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水TOC 的处理效果

结合表 1 和图 5 可以看出,虽然进水COD 差别较大,但进水TOC 变化不大,TOC 去除趋势与COD 基本一致,但处理能力有所差别。当进水COD(1 516~ 1 694 mg/L) 较小时,TOC 去除率基本在90%以上,而当进水COD(4 765~4 955 mg/L)较大时,TOC 去除率明显降低,维持在60%左右。造成此现象的原因可能是进水流量的增加缩短了废水与活性炭的接触时间,致使污染物很难被氧化完全,形成的中间产物导致出水TOC 偏大。

3 结论

(1)微波诱导活性炭催化氧化对化学品洗箱废水具有良好的处理效果,COD 和TOC 去除率均达到 90%以上。

(2)微波功率和进气量对微波诱导活性炭催化氧化系统影响很大,增加微波功率和进气量可以有效提高该系统的处理能力。

(3)进水流量的增加缩短了废水与活性炭的接触时间,导致污染物很难被氧化完全,形成的中间产物容易使出水水质变差。

(4)微波诱导活性炭催化氧化对于处理高浓度有机废水具有明显优势,但在处理效果、处理能力以及运行成本优化方面尚需进一步研究。