餐飲廢水 | 生物質(zhì)材料預(yù)處理
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進(jìn)行處理餐飲廢水。
吸附法以工藝簡單快捷的特點(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、柚子來自某超市，水葫蘆取自滆湖邊，木屑來自木材加工廠。
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)通過掃描電鏡觀察，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。
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4層無紡布過濾，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COD的貢獻(xiàn)率為2．3～2．8，可見油脂是COD產(chǎn)生的主要來源，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)，測定COD及油脂含量。
1．3．4COD及油脂含量的測定
采用快速密閉催化消解法測COD。紅外分光光度法測油脂含量，其測量原理是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16488-1996要求，在2930、2960cm-1及3030cm-1分別測出油分結(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:
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對處理效果的影響，結(jié)果如圖3所示。
延伸閱讀：
廢水的預(yù)處理—格柵和篩網(wǎng)、調(diào)節(jié)池
由圖3可知，pH對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?？傮w來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℃，考察不同投加量對處理效果的影響，結(jié)果如圖4所示。
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，考察不同溫度對處理效果的影響，結(jié)果如圖5所示。
由圖5可知，溫度對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)間對處理效果的影響，結(jié)果如圖6所示。
由圖6可知，生物質(zhì)材料對餐飲廢水的處理效果隨著時(shí)間的延長而逐漸顯著，并趨于穩(wěn)定。由圖6(a)可知，對于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，而水葫蘆對廢水中的油的吸附效果明顯，呈直線上升趨勢，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)對餐飲廢水的處理效果明顯，去除了部分淀粉類和纖維類的有機(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)境和資源問題提供了新的策略。