工業(yè)廢水通常是有毒的和不可生物降解的，因此不能應(yīng)用常規(guī)的生物處理方法，成為影響缺水問(wèn)題的最重要因素之一。在這種情況下，高級(jí)氧化過(guò)程(AOPs)吸引了研究人員的注意，因?yàn)檫@些過(guò)程可以氧化幾乎任何類(lèi)型的污染物，這是由于產(chǎn)生了高活性的過(guò)渡物種(主要是羥基自由基)。本研究評(píng)估了初始光催化劑濃度和輻照度對(duì)光芬頓效率的綜合影響。對(duì)于最低的鐵濃度8毫克/升，鐵限制了工藝性能。20毫克/升的實(shí)驗(yàn)系列表明在光限制下進(jìn)行，而對(duì)于最高的鐵濃度，過(guò)氧化氫的消耗不必要地增加，而處理時(shí)間和QUV值沒(méi)有改善。在所研究的條件下，經(jīng)濟(jì)評(píng)估顯示總成本在0.76和1.39 €/m3之間，對(duì)于20 mg/L鐵和46 W/m2獲得較佳結(jié)果。在低紫外線輻照度下，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議使用低濃度的鐵。
缺水是一個(gè)世界性的問(wèn)題。保護(hù)水資源免受污染對(duì)人類(lèi)的未來(lái)至關(guān)重要。在這種情況下，工業(yè)廢水的安全處理成為影響這一問(wèn)題的最重要因素之一，這些廢水通常是有毒的和不可生物降解的，因此不能應(yīng)用常規(guī)的生物處理方法。高級(jí)氧化過(guò)程(AOPs)吸引了研究人員的注意，因?yàn)檫@些過(guò)程可以氧化幾乎任何類(lèi)型的污染物，這是由于產(chǎn)生了高活性的過(guò)渡物種(主要是羥基自由基)。其中，專(zhuān)門(mén)研究了可以利用太陽(yáng)能的處理方法，如光芬頓法。
光化學(xué)反應(yīng)速率是反應(yīng)區(qū)位置的函數(shù)，即使在穩(wěn)定物質(zhì)完全混合的條件下也是如此。這是由于光子吸收引起的輻射場(chǎng)不可避免的不均勻性。最近，據(jù)報(bào)道，雖然光-芬頓處理效率隨著UV輻射的增加而增加，但是它達(dá)到飽和值，超過(guò)該飽和值，UV輻射的任何增加都不會(huì)導(dǎo)致光-芬頓過(guò)程的改善。這樣，可用的UV輻照度和負(fù)責(zé)光子吸收的催化劑之間的相互作用對(duì)于光-芬頓處理變得至關(guān)重要。
本研究評(píng)估了初始光催化劑濃度和輻照度水平對(duì)光芬頓效率的綜合影響，當(dāng)該處理作為預(yù)處理應(yīng)用于有毒和不可生物降解的廢水凈化時(shí)。選擇了三個(gè)輻照度水平(18、32和46 W/m2)和三個(gè)鐵濃度(8、20和32 mg/L)，同時(shí)選擇農(nóng)藥嘧霉胺作為模型污染物。獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估。
試劑、操作條件和分析方法
SCALA® 400 SC是殺蟲(chóng)劑嘧霉胺的商業(yè)配方，從拜耳公司購(gòu)買(mǎi)并溶解在去礦物質(zhì)水中。FeSO4-7H2O（99%）由Fluka提供，H2O2（30% w/v）由Sigma-Aldrich提供，而硫酸（95-97%）由J.T. Baker獲得。
光-芬頓處理在較佳pH值(2.8)下進(jìn)行。初始溶解有機(jī)碳(DOC)濃度為100毫克/升，相當(dāng)于0.7毫米的嘧霉胺。本研究選擇的鐵濃度為8、20和32毫克/升，而使用的紫外線輻照度為18、32和46瓦/平方米。H2O2的初始濃度為35 mM，以便在過(guò)量的情況下工作，使得該試劑不會(huì)限制凈化過(guò)程。
礦化之后，用Shimadzu-VCHP TOC分析儀測(cè)量DOC濃度，用鄰菲羅啉標(biāo)準(zhǔn)化光譜程序(ISO 6332)測(cè)定鐵濃度，用偏釩酸銨比色法測(cè)量H2O2濃度。
光反應(yīng)器
該系統(tǒng)的總體積為4.5升，加入到與放置在太陽(yáng)能箱(SunTest CPS +)內(nèi)的管道池反應(yīng)器連接的充分混合的罐中，其中燈的功率可以變化以達(dá)到不同的輻照度水平。這些處理以分批方式進(jìn)行。液體通過(guò)保持在暗處的外部充分混合的罐和光反應(yīng)器再循環(huán)。選定的采樣時(shí)間為:0、5、15、30、45、60、75、90、105和120分鐘。
經(jīng)濟(jì)評(píng)估
本研究中考慮的試劑成本為:硫酸亞鐵0.71€/千克，硫酸0.10€/升(98% w/v)，電力0.1€/千瓦時(shí)，氫氧化鈉0.12€/千克，33% H2O2溶液0.45€/升(w/v)。目標(biāo)處理量為每天100 m3，每年工作365天，共3055小時(shí)。據(jù)報(bào)道，水渠池反應(yīng)器的安裝成本為10€/立方米。基于該成本，設(shè)備安裝、儀表和控制、管道、電氣、建筑、服務(wù)設(shè)施、工程監(jiān)督、施工費(fèi)用、承包商費(fèi)用和意外開(kāi)支使用別處描述的%進(jìn)行計(jì)算。考慮4%利息的攤銷(xiāo)成本(AC)也是根據(jù)西班牙數(shù)據(jù)計(jì)算的。
使用QUV (kJ/L)值計(jì)算水渠池反應(yīng)器表面，該值是達(dá)到特定礦化水平所需的累積紫外線能量，可通過(guò)以下等式確定:
其中G,n+1(W/m2)是在照射時(shí)間tn+1和tn之間測(cè)量的平均太陽(yáng)UV輻射，Ai是被照射的表面，Vs是系統(tǒng)中裝載的水的總體積。
最后，總成本(TC)計(jì)算為AC和操作成本(OC)之和，其中考慮了試劑消耗、人員、泵送和維護(hù)成本。
光-芬頓處理動(dòng)力學(xué)
嘧霉胺是一種有毒且不可生物降解的化學(xué)品，對(duì)于選定的初始DOC濃度，建議的處理是光-芬頓和生物處理的組合。這是合理的，因?yàn)樵谌展馓幚磉^(guò)程中，毒性降低，同時(shí)生物降解性增加，因此，在一定的處理強(qiáng)度下，凈化過(guò)程可以用生物處理來(lái)完成，其成本低得多。因此，凈化目標(biāo)定在30%礦化度(生物處理的理論耦合點(diǎn))，本研究中的結(jié)果參照了這一處理強(qiáng)度(表1)。
對(duì)于最低的UV輻照度實(shí)驗(yàn)系列，18 W/m2，反應(yīng)時(shí)間和QUV值隨著鐵濃度的增加而減少。然而，在使用20或32毫克/升鐵之間，這種改善幾乎可以忽略不計(jì)。由于低紫外線輻射水平，在兩種情況下使用的光子數(shù)量非常相似，即該過(guò)程是在光限制下進(jìn)行的。相反，當(dāng)使用8 mg/L的鐵時(shí)，由于限制礦化的低鐵濃度而產(chǎn)生較少量的自由基，從而獲得更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。正如所料，過(guò)氧化氫的消耗量隨著鐵濃度從735毫克/升增加到889毫克/升和1020毫克/升。
對(duì)于32 W/m2的實(shí)驗(yàn)系列，發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的結(jié)果。反應(yīng)時(shí)間和QUV都隨著鐵濃度的增加而減少，但是，20 mg/L和32 mg/L測(cè)定之間的差異可以忽略不計(jì)。對(duì)于20毫克/升和32毫克/升的鐵實(shí)驗(yàn)，達(dá)到30%礦化度所需的反應(yīng)時(shí)間為36分鐘和33分鐘，而QUV為0.77和0.70千焦/升，遵循相同的順序。因此，可以得出結(jié)論，該過(guò)程也是在這些條件下在光限制下進(jìn)行的。使用8毫克/升的鐵導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間和QUV值增加兩倍以上。
最高的紫外線輻照度實(shí)驗(yàn)系列，46 W/m2，導(dǎo)致了不同的趨勢(shì)。達(dá)到30%礦化度所需的反應(yīng)時(shí)間從8毫克/升鐵的80分鐘減少到20毫克/升鐵的18分鐘，但是，在32毫克/升鐵的實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)時(shí)間增加到24分鐘。理論上，該實(shí)驗(yàn)提供了最快的自由基產(chǎn)生，然而，其結(jié)果與總的工藝效率相反。產(chǎn)生的自由基的量太高，以至于非有效反應(yīng)，即與溶解氧產(chǎn)生而不是礦化相關(guān)的反應(yīng)是有利的。
因此，當(dāng)使用8 mg/L的鐵時(shí)，缺乏催化劑，因?yàn)椴皇撬械竭_(dá)光反應(yīng)器的輻射都能用于該過(guò)程。對(duì)于20 mg/L的鐵實(shí)驗(yàn)系列，該過(guò)程在光限制下進(jìn)行，因?yàn)樵撨^(guò)程總是隨著輻照度而改善。對(duì)于32 mg/L的鐵實(shí)驗(yàn)系列，催化劑濃度太高，使得產(chǎn)生的過(guò)量自由基對(duì)該過(guò)程產(chǎn)生反作用。
經(jīng)濟(jì)評(píng)估
由于獲得了與相應(yīng)的20 mg/L鐵實(shí)驗(yàn)相似的反應(yīng)時(shí)間和QUV值，但是H2O2消耗量高得多，因此可以認(rèn)為處理成本更高，所以在研究的這一部分中放棄了32 mg/L鐵實(shí)驗(yàn)系列。
投資成本的計(jì)算需要知道水渠池反應(yīng)堆的表面。這樣，使用表1中所示的數(shù)據(jù)，確定了該變量(圖1)。隨著紫外線輻照度的增加，表面積值減小，因此表面積從180平方米減小到120平方米(鐵含量為8毫克/升)，從70平方米減小到30平方米(鐵含量為32毫克/升)。一旦工廠根據(jù)不同的紫外線輻照度和鐵濃度組合確定了規(guī)模，就可以計(jì)算投資成本和AC(表2)。
關(guān)于OC，維護(hù)成本被認(rèn)為是投資成本的2%。根據(jù)MirallesCuevas等人2016年的研究，人員成本取決于光反應(yīng)器表面，因此，對(duì)于所研究的條件，并考慮到西班牙技術(shù)人員的年薪總額，計(jì)算了該成本。范圍從0.01€/立方米到0.04€/立方米?？紤]到處理前pH值調(diào)節(jié)、太陽(yáng)能解毒裝置中的再循環(huán)和中和后處理所需的能量，計(jì)算了抽水成本。由于在每種情況下處理量是相同的，所以電費(fèi)也是相同的，相當(dāng)于0.06€/立方米。
考慮到試劑成本、過(guò)氧化氫和進(jìn)行光芬頓過(guò)程的鐵消耗、實(shí)現(xiàn)酸性pH所需的硫酸和用于后處理中的中和的氫氧化鈉。對(duì)于8毫克/升的鐵實(shí)驗(yàn)系列，試劑成本為1.06€/米3(18瓦/米2)、1.12€/米3 (32瓦/米2)和1.17€/米3(46瓦/米2)，而對(duì)于20毫克/升的實(shí)驗(yàn)系列，試劑成本為1.31€/米3(18瓦/米2)、1.00€/米3(32瓦/米2)和0.69€/米3(46瓦/米2)。這樣，試劑成本就是影響TC的最重要因素。圖2顯示了試劑成本的明細(xì)。
當(dāng)在46 W/m2的UV輻照度下使用20 mg/L的鐵時(shí)，獲得較佳結(jié)果，這相當(dāng)于0.76 €/m3的TC。如果紫外線輻射水平減少到32瓦/平方米和18瓦/平方米，總輻射分別增加到1.08€/立方米和1.39€/立方米。事實(shí)上，在18 W/m2下，結(jié)果表明，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，使用較低的鐵濃度是有利的。
在這項(xiàng)工作中，評(píng)估了催化劑濃度和紫外輻照度對(duì)光芬頓動(dòng)力學(xué)和處理成本的綜合影響。對(duì)于最低的鐵濃度(8 mg/L ),鐵限制了工藝性能，因此獲得了整個(gè)研究的最高處理時(shí)間和QUV值。20 mg/L實(shí)驗(yàn)系列的結(jié)果表明，該過(guò)程在光限制下運(yùn)行，而對(duì)于最高鐵濃度，過(guò)氧化氫消耗不必要地增加，因?yàn)闆](méi)有獲得處理時(shí)間和質(zhì)量值的改善。
關(guān)于經(jīng)濟(jì)評(píng)估，采購(gòu)和維護(hù)成本導(dǎo)致最低的相對(duì)值。最高的相對(duì)成本對(duì)應(yīng)于試劑消耗，其中過(guò)氧化氫消耗是迄今為止獲得的最重要的成本，在每種情況下占試劑成本的85%以上。在所研究的條件下，TC在0.76和1.39 €/m3之間，對(duì)于20 mg/L的鐵和46 W/m2獲得較佳結(jié)果。在低紫外線輻照度下，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議使用低濃度的鐵。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
