水力空化降解印染废水的初步研究.pdf

水力空化降解印染废水的初步研究 ＊ 魏 群 1,2 肖 波 2 1.湖南城市学院土木工程学院, 益阳 413000; 2.华中科技大学环境科学与工程学院, 武汉 430074 摘要 水力空化技术是一种新的废水处理技术。 为探讨操作条件和几何参数等因素对降解的影响, 利用多洞孔板水 力空化装置对含有若丹明 B 染色剂的模拟印染废水进行降解试验研究。 试验结果表明 水力空化对若丹明 B 确实有 降解作用, 处理系统中存在最佳的孔板几何参数和操作运行条件 , 并且若丹明 B 的降解速率随修正空化数的减少而 增大。 关键词 水力空化 印染废水 多洞孔板 空化降解 修正空化数 ＊湖南省教育厅资助科研项目 04C171 0 引言 水力空化技术是一种新的物化废水处理技术。 当液体通过一个收缩装置 如孔板 、 文丘里管 时会产 生压降,当压力降至相应水温饱和蒸汽压及以下时, 溶解在液体中的气体会释放出来, 同时液体汽化而产 生大量空化泡, 空泡遇到周围的压力增大时 ,体积将 急剧缩小直至溃灭。空泡溃灭过程发生的瞬间 微秒 级 会产生极高的压强和温度。据有关文献 [ 1] 报道, 当产生空化后, 在空化泡溃灭瞬间, 会在其周围极小 的空化范围内产生出1 900 ～ 5 200 K高温和超过 5. 065 10 7 Pa 的高压, 温度变化率高达 10 9 K s,并伴 有强烈的冲击波和时速高达 400 km h 的射流 。本研 究利用几种不同的多洞孔板装置, 对印染废水进行了 初步的试验研究 。 1 试验设计 试验设计的思路, 当水流通过空化装置时, 流速 增大 、 压力降低 ,当降低到相应水温饱和蒸汽压及以 下时 ,水流产生空化。空化泡进入正压区后溃灭, 利 用空化效应达到废水处理的目的。 1. 1 孔板设计 在试验中, 共设计 6 种孔板, 材料为有机玻璃, 6 种孔板的外径为 50 mm 。6 种孔板的几何参数见 表1 ,小孔的平面布置按等面积布置 , 孔板上孔的排 列布置见图1。 1. 2 装置设计 该装置是一套封闭的水力循环处理系统 见 图2 。 加压设备采用离心水泵 2 900 r min、5. 5 kW ; 水力空化装置采用多洞孔板 ; 水箱有效容积为 220 L 并带有薄壁三角计量堰 。主管线和旁通管内径为 50 mm ,同时为便于观察空化现象, 在孔板出口安装 一段有机玻璃管 ; 吸水管 、 旁通管和主管线上分别安 装阀 1、 阀 2 和阀 3,阀 2 的作用是用来调节和控制孔 板的进口压力。 表 1 孔板的几何参数 板号 孔数 n 个 孔径 d mm 面积 A mm2 α mm- 1 面积比 β0 1332. 0103 . 622. 000 . 0528 2322. 5157 . 001. 600. 08 3242. 5117 . 751. 600. 06 4313. 0219 . 021. 330 . 1116 5413. 0289 . 671. 330 . 1476 6492. 5240 . 411. 600 . 1225 图 1 孔板平面布置 图 2 水力空化系统示意图 21 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 2 试验方法 1 最佳操作条件的试验 试验时 ,阀 1、阀 3 始 终保持全开状态 , 通过部分调节阀 2 调出相应的工 况,在每种工况下 , 分别在 0、15、30、45、60 、75、90、 105、120 min 收集水样, 用 721 型分光光度计 λ 553 nm 检测若丹明 B 的浓度 , 然后分析出最佳操作 条件 。 2 综合试验 试验时, 阀 1、 阀 3 始终保持全开 状态 ,调节阀 2 使孔板的进口压力控制在最佳条件。 在0、40、80、120、160、200、240、280、 320、360 min 各时 刻采集水样。进行综合分析。 在整个试验过程中, 若丹明 B 的初始浓度控制 在5 ～ 6 μ g mL; 系统温度控制在 35～ 40 ℃。 3 试验结果与讨论 3. 1 孔板最佳操作参数 在研究最佳操作条件试验中,2 种孔板分别做了 5 种工况 。每种工况的测试数据通过整理和计算分 析,得出具体数据见表 2。 表 2 孔板的水力特性 板号参数工况 1工况 2工况 3工况4工况 5 孔 板 2 孔 板 3 H0 m17. 9125. 9528. 2829. 0730. 48 Q s- 1 2. 162. 562. 702. 742. 79 V孔 ms- 113. 7816. 2917. 1717. 4317. 75 Cv1. 240. 890. 780. 670. 62 H0 m25. 4026. 0228. 2830. 6732. 70 Q s- 11. 841. 911. 962. 042. 09 V孔 ms- 115. 6316. 2216. 5517. 3317. 75 Cv1. 030. 710. 660. 600. 55 图 3 表示了 2 种孔板装置分别在工况 3 中的若 丹明 B 浓度随时间的关系 。在孔板 2 和孔板 3 的水 处理过程中 ,若丹明 B 浓度是随时间下降的 ,并且没 有出现反弹的现象, 说明浓度的下降并不是因为变色 或褪色引起的, 而是因为水力空化空化泡溃灭去除了 发色基团的结果 。通过对孔板 2 和孔板 3 的水处理 试验数据进行分析, 发现若丹明 B 的降解速度与此 时刻的浓度一次方成正比例关系, 即满足关系式 1 dC dt kC 1 式中 C 某时刻若丹明 B 的浓度值 μ g mL ; t 处理时间 min; k 速率常数 min -1 。 同时, 通过数据处理分析, 得出孔板 2 的降解速 率常数为 5. 3310 -4 min,孔板 3 的降解速率常数为 图3 若丹明 B浓度随时间关系 4. 3310 -4 min, 孔板 2 的降解速率常数比孔板 3 增 加了 23 。同时, 在图 3中还表明了孔板 2 的降解速 率整体上要比孔板 3的高, 这主要是因为孔板 2的孔 洞数增加 , 增加了过流的总周长, 使孔板 2 具有较强 烈的剪切流层和水流紊动 ,使板后的水流压力迅速恢 复而有助于空泡的溃灭 , 因此表现出较好的空化 效果 。 图4 表示孔板 2 和孔板 3 的进口压力与降解速 率常数的影响关系。从图 4 可以看出 在 2 种孔板的 水力空化处理装置中, 开始阶段若丹明 B 的降解速 率随着进口压力的增大而增加 ,当进口压力达某一值 时 k 达到最大值 , 然后随进口压力的增大 k 迅速减 小并渐趋于平缓。因此, 对于孔板, 有一个最佳的孔 板进口压力的范围, 在此范围内,降解速率是较高的。 这就为系统运行提供了可操作的运行参数。 图 4 孔板的进口压力与降解速率常数关系 3. 2 孔板几何参数对若丹明 B 降解的影响 为了研究孔板几何形状对降解的影响,考虑一个 孔板几何参数 α , α 的物理意义是孔洞的总周长与孔 板过流总面积的比值 。即 α2πn d h 2 nπ dn 2 2 4 dh 2 式中 dh 孔径 mm; n 孔数 。 在试验中, α为 1. 33 ～ 2. 00。从图 5 可以看出 6 种孔板 α 与若丹明 B 的降解程度的关系 ,其点分布 比较发散, 因为影响降解程度的因素有很多 ,不仅有 22 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 孔板的几何参数 ,还有系统的运行参数等。但对于有 相同 α 值的孔板 板4 和板 5; 板 2、 板3 和板6 , 若丹 明B 的降解程度是随孔洞数的增加而增加 。这主要 是因为孔洞数增加 ,增加了孔洞的过流总周长 ,从而 产生了更强烈的剪切流层, 提高了空化活性 ,加强了 水处理的效果。但在 Sivakumar. M . 等人 [ 2] 的实验研 究中 ,若丹明 B 的降解程度随 α 的增加有增加的趋 势。对于 α 影响若丹明 B 的降解程度的问题, 还有 待于深入研究。 图5 α与降解速率常数关系 表 1 中 , β0是表示孔板的另一个几何参数 ,即为 孔板上孔洞的总过流面积与管道的面积之比值。该 试验 β0为0. 052 8～ 0. 147 6。 图 6 描绘了 6 种孔板装 置的 β0与降解速率常数的影响关系。首先, 降解速 率常数是随孔板的 β0增加而增长的 ,然后达到一峰 值 板 6 的降解速率常数为 8. 30 10 - 4 min 后有下 降的趋势, 说明对于孔板 β0, 应该有一个最佳的 β0 范围 ,在此范围内,降解速率是较高的。 图 6 面积比与降解速率常数关系 3. 3 空化数对降解速率常数的影响 图7 表示 6 种孔板空化数与降解速率常数的影 响关系。在孔板的水力空化处理装置试验中 ,若丹明 B 的降解速率常数随着空化数的降低而增加, 达到一 个最高点后下降 ,这种现象与 Kumar. P . S . 等人的研 究有类似之处 [ 3] 。在很低的空化数时, 容易产生大量 的微气泡, 而这些微气泡又容易结合成大气泡 ,使之 随水流流动而没有溃灭, 从而降低了反应速度 。对于 板2 和板 5 是例外情况, 可以这样解释, 因为影响降 解的因素不仅有空化数, 还有孔板的几何参数等。 图 7 空化数与降解速率常数关系 3. 4 修正空化数对降解速率常数的影响 孔板的修正空化数 Cv′ 是对空化数进行修正, 并 考虑了孔板的几何边界条件。它的物理意义为 修正 空化数 Cv′ 是空化数 Cv与孔洞的总周长 管道周长 的比值之比值, 用公式 3 表示, 即 Cv′ Cv 孔洞总周长 管道周长 3 图8 表示了修正空化数对降解速率常数的影响。 图中表明, 降解速率常数是随修正空化数的降低而增 加的, 并且板 6 的降解速率常数 8. 30 10 -4 min 是 较高的, 这说明板 6 的空化活性要比其它孔板高, 因 为板 6 的修正空化数要比其它板低, 这主要是因为板 6 的孔洞数增加, 增加了过流的总周长, 使板 6 具有 较强烈的剪切流层和紊流区域 ,而剪切流层的强烈程 度和紊流区域长短影响了空化效果 。 图 8 修正空化数与降解速率常数关系 4 结论 1 水力空化装置对若丹明 B 确实有降解作用。 水力空化的降解规律类似于生物降解规律,即若丹明 B 的降解速度与该时刻的浓度一次方成正比关系 。 2 对于不同的孔板在水力空化处理系统中存在 最佳的操作运行参数即进口压力,通过调节孔板的进 口压力调节出最佳工况, 从而使之降解速率常数较 高,降解速度较快。 3 在水力空化处理系统中, 对于多洞孔板水力 空化装置, 存在一个最佳的面积比 β0的范围, 在此范 围内 ,降解速率是较高的 。 4 空化数对若丹明 B 的降解速率有一定的影 23 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 响,没有取得相对的规律 。因为影响降解的因素不仅 有空化数 ,还有孔板的几何参数等 。但是,在试验中, 若丹明 B的降解速率随修正空化数的减小而增大 。 参考文献 [ 1] 宁平, 徐金球, 徐晓军, 王景伟. 超声空化降解水中有机污染物 的研究进展. 化工环保, 2002, 22 5 265 -267. [ 2] SivakumarM . , Pandit A B. Water treatment a novel energy efficient hydrodynamic cavitational technique. Ultrason sonochemistry , 2002, 9 123 -131. [ 3] Kumar P . S, et al. Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamic cavition. Chemical Engineering Sicience , 2000, 55 9 1633 -1639. 作者通讯处 魏群 430074 武汉市 华中科技大学西三区 7-306 信箱 电话 027 87545024 E -mail weiqun1971126. com 2005- 11-09 收稿 水化氧化处理垃圾渗滤液生物处理后的尾水 ＊ 宋 玉 楼紫阳 赵由才 刘 清 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 摘要 经生物处理后垃圾渗滤液尾水的 CODCr约在 500～ 800 mg L, 此类 CODCr除部分为有机物外, 还含有大量还原性 无机类物质, 因此不适合采用常规的生物处理方法进行深度处理。 本研究在投药量较低的情况下, 采用水泥、NaAlO2 和Ca ClO 2等物质联合作用, 取得较好的尾水 CODCr去除效果 达到国家二级排放标准 。 机理研究表明 渗滤液尾水 CODCr的去除主要通过两种途径 一方面为常规的氧化作用, 另一方面通过特殊的水化作用, 可去除部分还原性无机类 物质。 关键词 渗滤液 尾水 水化反应 氧化反应 矿化垃圾生物反应床 ＊国家自然科学基金资助项目 20177014 ; 教育部“博士点基金”资 助项目 29777019 0 引言 目前对垃圾填埋场渗滤液的处理主要采用各种 生物处理单元的组合 [ 1,2] , 但处理后的渗滤液 CODCr 仍高达 500～ 800 mg L [ 3] ,只能达到渗滤液国家三级 排放标准 CODCr1 000 mg L以下 , 达到纳管标准。然 而,生物处理后的渗滤液尾水难以生物降解 ,虽然用 RO 、 活性炭吸附等技术处理可能有较好的处理效果, 但能耗和投入很高 ,且存在堵塞膜组件 、反渗透浓液 处理等问题 [ 4] 。用传统的氧化、 混凝等方法深度处理 尾水又难以取得理想的效果。 Ca ClO 2具有较强的氧化性, 广泛应用于难降 解废水的处理, 水泥 、 NaAlO2等物质混合过程能发生 复杂的水化反应 ,对于部分无机物质具有良好的吸附 氧化过程 。基于以上认识 , 本研究尝试采用水泥、 NaAlO2及 Ca ClO2联合处理垃圾渗滤液生物处理尾 水,并对其处理机理进行相关研究。 1 实验部分 1. 1 实验原料及药剂 实验采用 425 水泥 ; 实验用垃圾渗滤液尾水来 自上海老港垃圾填埋场经三级矿化垃圾生物反应 床 [ 5] 处理后的出水 。 实验用 Ca ClO2和 NaAlO2均为化学纯试剂 。 1. 2 实验方法 在 200 mL 渗滤液尾水中按设计的比例投加水 泥、 Ca ClO2及 NaAlO2, 用磁力搅拌器搅拌, 快搅 10 min后慢搅, 慢搅必须保持混合均匀, 使水泥颗粒 不结块 反应 6 h 后 考虑到水化反应持续时间较 长 [ 6] ,为了得到较好的处理效果 ,故采用较长的慢搅 时间 , 静置沉淀 1 h 后用定性滤纸过滤以滤去悬浮 物,对滤出水样的CODCr、 TOC、 TN 进行测试分析。 2 结果与讨论 2. 1 渗滤液尾水水质分析 实验用渗滤液尾水水质指标列于表 1。 24 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 PILOT STUDIES ON TREATING MUNICIPAL SEWAGE UNDER NORMAL TEMPERATURE BY MODIFIED EGSBZhang Xuanjun Ma Xiujuan Zhou Xuefei et al7 Abstract It is examined that the effects of circumfluence ratio, hydraulic retention time and volume loading rate on treating urban sewage by modified expaned granular sludge bed EGSB . The results show that the effluent CODfiltof modified EGSB is decreased as circumfluence ratio increasing and hydraulic retention time decreasing, however, effluent SS, CODfiltand CODCrare increased evidently when hydraulic retention time is lower than 2 h. As compared with unmodified EGSB, effluent CODCrof modified EGSB is decreased by 26. 7 mg L and CODfiltis decreased by 17. 8mg L, while SS is also decreased by 66. 3 mg L. The modified EGSB and unmodified EGSB became unstable when volume loading rate increased abruptly ; however, modified EGSB can recover from impact easier than unmodified EGSB. Keywords EGSB, municipal sewage, volume loading rate and impact STUDY ON BIOLOGICAL FLUIDIZED REACTOR OF AEROBIC -ANOXIC INTEGRATED HIGH - EFFICIENCY SEPARATIONZhang Yukui Shi Guifang Shi Hanchang 10 Abstract As the requirementsof phosphorous removal and denitrificationinwastewater treatment, and there are some shortcomingsininner circulated three -phase biological fluidized bed, we designed and developed a kind of biological fluidized reactor of aerobic -anoxic integrated high- efficiency separation BRAIH . A kind of unique cellular structure is used in aerobic fluidized area of BR AIH. When volume of BRAIH is increased, and height of BRAIH is not added, height-diameter ratio of fluidized area H Dcan be ensured. While solid and liquid separation based on sedimentation on inner circulated fluidized bed can not ensure water quality of effluent, coupling of circulated fluidized reactor and high- efficiency air floatation can reduce suspended solid SSof effluent. Aerobic area and anoxic area are together in BRAIH, and through air lifting canrealize backflow of aerobic area effluent, so BRAIH can achieve denitrification and part phosphorous removal. By treatment of municipal wastewater, it is proved that BRAIH can effectively resist impact load and remove organic substance. Keywords aerobic -anoxic integration, high efficiency separation, biological fluidization, air floatation and carrier separator DISPOSING THE BACTERICIDE WASTEWATERWITHTHE PROCESS OF OXIDATION -MICRO- ELECTROLYSIS -MEMBRANE BIOREACTORHan Weiqing Zhou Gang Wang Lianjun et al 13 Abstract A production wastewater contains lots of organic compounds and inorganic salts, and especially it has isothiazoline -ketone and sulfide , which are harmfulto the bacteria disposing the wastewater. The ratio of BOD5to CODCris smaller. Therefore itisvery difficult to decompose by conventional biochemical treatment technologies. Making use of the wastewater disposing project of oxidation-microeleclrolysis-membrane bioreactor can get a good operation. And the inds of the effluent can meet the national emission standard. Keywords oxidation, micro -electrolysis, membrane bioreactor, isothiazoline -ketone and sulfide TREATMENT OF LOWC N LANDFILL LEACHATE BY PROCESS OF SHORT-RANGE NITRIFICATION -DENITRIFICATIONLi Jun Peng Feng He Jianping et al 15 Abstract As to the characteristics of landfill leachate and some problems in the traditional process of biologic nitrogen removal, combined with research conditions at the present both at home and abroad, it is put forward a new process that can treat landfill leachate with short -range nitrification -denitrification. The nitrite accumulation and ammonia removal rate have been pered steadily by controlling average dissolved oxygen concentrations of 2. 0mg L and temperature of 302 ℃ in the nitrifying activated sludge reactor, and nitrite accumulation rate [ NO - 2-N NO - 2-NNO - 3-N ] and ammonia removal rate can be maintained at 83 and 85, respectively. The results of the experimentation indicate that as compared with traditional process of biologic nitrogen removal, the process has obvious higher sludge load rate, lower oxygen consumption and carbon requirement aswell as a higher efficiency and velocity of denitrification, and so it has a higher TN removal rate accordingly . Keywords biologic nitrogen removal, landfill leachate, low C N and short-range nitrification-denitrification TREATMENT OF SLIGHTLY POLLUTED YELLOW RIVER RAW WATER USING TWO BIOFILM REACTORSShi Dongwen Chen Jianbo Xi Danli et al 18 Abstract CODMnremoval by bio -ceramic filter was similar to that by moving bed biofilm reactor, however, the er process demonstrated a much higher removal efficiency of UV254, chloro precursors and chlorophyll a Chla.Bio -ceramic filter also had better ammonia removal rate and nitrite in its effluent was lower. Keywords moving bed biofilm reactor, bio -ceramic filter, pretreatment and Yellow River water PRELIMINARY STUDY ON THE DYIEING WASTEWATER TREATMENT BY HYDRODYNAMIC CAVITATION TECHNIQUEWei Qun Xiao Bo 21 Abstract Hydrodynamic cavitation is a new technique in wastewater treatment. The degradation of rhodamine B has been studied on a hydrodynamic cavitation set-up using multiple hole orifice plates. The experimental results showed that rhodamine B is really decomposed by hydrodynamic cavitation. There are the optimal geometric parameters and operating conditions in the system and the degradation rate of rhodamine B increaseswith decreasing the value of the modified cavitation number. 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 2,Apr. ,2007 Keywords hydrodynamic cavitation, dyestuff wastewater, multiple hole orifice plates, cavitional degradation and modified cavitional number HYDRATION ANDOXIDATION TREATMENTOFLANDFILL LEACHATE TREATEDBY BIOLOGICAL PROCESSESSong Yu Lou Ziyang ZhaoYoucai et al 24 Abstract CODCrof effluents from traditional biological treatment process is about 500～ 800 mg L, and both the refractory substances and inorganic compounds in leachate contributed to CODCr. Combined cement, NaAlO2with Ca ClO 2 were applied to advanced treatment of the leachate from agedrefuse bio -filter process, and it canmeet the second class leachate discharge standards CODCr300mg L . It is presumed that the removal of CODCrin leachate resulted from two ways one is the oxidation, while hydration is also an important way to remove the reduction inorganic compounds in leachate. Keywords landfill leachate, tail water, hydration, oxidation and aged refuse bio -filter reactor THE TREATMENT OF THICK OIL WASTEWATER BY HYDROLYSIS-AEROBIC PROCESS Feng Yingming Chen Jinfu Cao Zonglun et al 27 Abstract It is introduced the technique of biological membrane hydrolytic acidification -biological membrane contact oxidation to treat the thick oil wastewater from an oilfield oil density ρ 0. 86～ 0. 97g L. The treatment system established is stable and excellent with a capacity of sewage drainage about 3 000 m3 d. The sewage drainage can meet the class Ⅱ of National Wastewater Discharge Standard GB8978 -96. Keywords oily wastewater, hydrolytic acidification, contact oxidation, thick oil wastewater and biological membrane STUDY ON INFLUENCE FACTORS OF ACCLIMATED STRAINS BIODEGRADING MGO- WASTEWATERShen Yiyong Mi Yonghong Wei Chaohai 30 Abstract On the basis of investigating the ability of biodegrading some compounds, three acclimated strains were used to treat wastewater which produced in the process of manufacturing gas with oil MGO, and the condition s influences on acclimated bacteria biodegrading this wastewater were investigated, the influencing factors include temperature, pH, oxygen supply , concentration of pollutant and co -metabolic substance as phosphorous source, carbon source. The results indicate that these three bacteria could keep the CODCrremoval rate under scale of natural condition; by adding glucose and ethanol, the CODCrremoval rates could be improved by 16. 9～ 26. 5 and 17. 6～ 25. 6, respectively. Keywords MGO -wastewater, acclimated strains and influencing factors THE PROCESSSTUDYOFTREATINGOCTANOLPRODUCTION WASTEWATERBY COMBINED ACIDIFICATION AND DEMULSIFICATIONLi Xiangfu 33 Abstract The process of acidification and demulsification was used to treat octanol production w