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辐照度和铁浓度对光芬顿处理成本的综合影响

摘要

工业废水通常是有毒的和不可生物降解的,因此不能应用常规的生物处理方法,成为影响缺水问题的最重要因素之一。在这种情况下,高级氧化过程(AOPs)吸引了研究人员的注意,因为这些过程可以氧化几乎任何类型的污染物,这是由于产生了高活性的过渡物种(主要是羟基自由基)。本研究评估了初始光催化剂浓度和辐照度对光芬顿效率的综合影响。对于最低的铁浓度8毫克/升,铁限制了工艺性能。20毫克/升的实验系列表明在光限制下进行,而对于最高的铁浓度,过氧化氢的消耗不必要地增加,而处理时间和QUV值没有改善。在所研究的条件下,经济评估显示总成本在0.76和1.39 €/m3之间,对于20 mg/L铁和46 W/m2获得最佳结果。在低紫外线辐照度下,从经济角度考虑,建议使用低浓度的铁。

介绍

缺水是一个世界性的问题。保护水资源免受污染对人类的未来至关重要。在这种情况下,工业废水的安全处理成为影响这一问题的最重要因素之一,这些废水通常是有毒的和不可生物降解的,因此不能应用常规的生物处理方法。高级氧化过程(AOPs)吸引了研究人员的注意,因为这些过程可以氧化几乎任何类型的污染物,这是由于产生了高活性的过渡物种(主要是羟基自由基)。其中,专门研究了可以利用太阳能的处理方法,如光芬顿法。

光化学反应速率是反应区位置的函数,即使在稳定物质完全混合的条件下也是如此。这是由于光子吸收引起的辐射场不可避免的不均匀性。最近,据报道,虽然光-芬顿处理效率随着UV辐射的增加而增加,但是它达到饱和值,超过该饱和值,UV辐射的任何增加都不会导致光-芬顿过程的改善。这样,可用的UV辐照度和负责光子吸收的催化剂之间的相互作用对于光-芬顿处理变得至关重要。

本研究评估了初始光催化剂浓度和辐照度水平对光芬顿效率的综合影响,当该处理作为预处理应用于有毒和不可生物降解的废水净化时。选择了三个辐照度水平(18、32和46 W/m2)和三个铁浓度(8、20和32 mg/L),同时选择农药嘧霉胺作为模型污染物。获得的实验结果用于进行经济评估。

材料和方法

试剂、操作条件和分析方法

SCALA® 400 SC是杀虫剂嘧霉胺的商业配方,从拜耳公司购买并溶解在去矿物质水中。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获得。

光-芬顿处理在最佳pH值(2.8)下进行。初始溶解有机碳(DOC)浓度为100毫克/升,相当于0.7毫米的嘧霉胺。本研究选择的铁浓度为8、20和32毫克/升,而使用的紫外线辐照度为18、32和46瓦/平方米。H2O2的初始浓度为35 mM,以便在过量的情况下工作,使得该试剂不会限制净化过程。

矿化之后,用Shimadzu-VCHP TOC分析仪测量DOC浓度,用邻菲罗啉标准化光谱程序(ISO 6332)测定铁浓度,用偏钒酸铵比色法测量H2O2浓度。

光反应器

该系统的总体积为4.5升,加入到与放置在太阳能箱(SunTest CPS +)内的管道池反应器连接的充分混合的罐中,其中灯的功率可以变化以达到不同的辐照度水平。这些处理以分批方式进行。液体通过保持在暗处的外部充分混合的罐和光反应器再循环。选定的采样时间为:0、5、15、30、45、60、75、90、105和120分钟。

经济评估

 本研究中考虑的试剂成本为:硫酸亚铁0.71€/千克,硫酸0.10€/升(98% w/v),电力0.1€/千瓦时,氢氧化钠0.12€/千克,33% H2O2溶液0.45€/升(w/v)。目标处理量为每天100 m3,每年工作365天,共3055小时。据报道,水渠池反应器的安装成本为10€/立方米。基于该成本,设备安装、仪表和控制、管道、电气、建筑、服务设施、工程监督、施工费用、承包商费用和意外开支使用别处描述的%进行计算。考虑4%利息的摊销成本(AC)也是根据西班牙数据计算的。

使用QUV (kJ/L)值计算水渠池反应器表面,该值是达到特定矿化水平所需的累积紫外线能量,可通过以下等式确定:

所需的紫外线能量公式

其中G,n+1(W/m2)是在照射时间tn+1和tn之间测量的平均太阳UV辐射,Ai是被照射的表面,Vs是系统中装载的水的总体积。

最后,总成本(TC)计算为AC和操作成本(OC)之和,其中考虑了试剂消耗、人员、泵送和维护成本。

结果和讨论

光-芬顿处理动力学

嘧霉胺是一种有毒且不可生物降解的化学品,对于选定的初始DOC浓度,建议的处理是光-芬顿和生物处理的组合。这是合理的,因为在日光处理过程中,毒性降低,同时生物降解性增加,因此,在一定的处理强度下,净化过程可以用生物处理来完成,其成本低得多。因此,净化目标定在30%矿化度(生物处理的理论耦合点),本研究中的结果参照了这一处理强度(表1)。

表1.在不同的铁浓度和紫外线照射水平组合下,达到30的矿化作用所需的实验时间、累积能量和H2O2消耗

对于最低的UV辐照度实验系列,18 W/m2,反应时间和QUV值随着铁浓度的增加而减少。然而,在使用20或32毫克/升铁之间,这种改善几乎可以忽略不计。由于低紫外线辐射水平,在两种情况下使用的光子数量非常相似,即该过程是在光限制下进行的。相反,当使用8 mg/L的铁时,由于限制矿化的低铁浓度而产生较少量的自由基,从而获得更长的反应时间。正如所料,过氧化氢的消耗量随着铁浓度从735毫克/升增加到889毫克/升和1020毫克/升。

对于32 W/m2的实验系列,发现了类似的结果。反应时间和QUV都随着铁浓度的增加而减少,但是,20 mg/L和32 mg/L测定之间的差异可以忽略不计。对于20毫克/升和32毫克/升的铁实验,达到30%矿化度所需的反应时间为36分钟和33分钟,而QUV为0.77和0.70千焦/升,遵循相同的顺序。因此,可以得出结论,该过程也是在这些条件下在光限制下进行的。使用8毫克/升的铁导致反应时间和QUV值增加两倍以上。

最高的紫外线辐照度实验系列,46 W/m2,导致了不同的趋势。达到30%矿化度所需的反应时间从8毫克/升铁的80分钟减少到20毫克/升铁的18分钟,但是,在32毫克/升铁的实验中,反应时间增加到24分钟。理论上,该实验提供了最快的自由基产生,然而,其结果与总的工艺效率相反。产生的自由基的量太高,以至于非有效反应,即与溶解氧产生而不是矿化相关的反应是有利的。

因此,当使用8 mg/L的铁时,缺乏催化剂,因为不是所有到达光反应器的辐射都能用于该过程。对于20 mg/L的铁实验系列,该过程在光限制下进行,因为该过程总是随着辐照度而改善。对于32 mg/L的铁实验系列,催化剂浓度太高,使得产生的过量自由基对该过程产生反作用。

经济评估

由于获得了与相应的20 mg/L铁实验相似的反应时间和QUV值,但是H2O2消耗量高得多,因此可以认为处理成本更高,所以在研究的这一部分中放弃了32 mg/L铁实验系列。

图1.在所研究的不同紫外线辐照度/铁浓度条件下,每天处理100立方米的废水所需的水渠池反应器表面

投资成本的计算需要知道水渠池反应堆的表面。这样,使用表1中所示的数据,确定了该变量(图1)。随着紫外线辐照度的增加,表面积值减小,因此表面积从180平方米减小到120平方米(铁含量为8毫克/升),从70平方米减小到30平方米(铁含量为32毫克/升)。一旦工厂根据不同的紫外线辐照度和铁浓度组合确定了规模,就可以计算投资成本和AC(表2)。

表2.研究的不同紫外线辐照度/铁浓度组合的投资成本、购置成本和总成本。

关于OC,维护成本被认为是投资成本的2%。根据MirallesCuevas等人2016年的研究,人员成本取决于光反应器表面,因此,对于所研究的条件,并考虑到西班牙技术人员的年薪总额,计算了该成本。范围从0.01€/立方米到0.04€/立方米。考虑到处理前pH值调节、太阳能解毒装置中的再循环和中和后处理所需的能量,计算了抽水成本。由于在每种情况下处理量是相同的,所以电费也是相同的,相当于0.06€/立方米。

考虑到试剂成本、过氧化氢和进行光芬顿过程的铁消耗、实现酸性pH所需的硫酸和用于后处理中的中和的氢氧化钠。对于8毫克/升的铁实验系列,试剂成本为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),而对于20毫克/升的实验系列,试剂成本为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)。这样,试剂成本就是影响TC的最重要因素。图2显示了试剂成本的明细。

图2.研究的不同操作条件下的试剂成本明细。

当在46 W/m2的UV辐照度下使用20 mg/L的铁时,获得最佳结果,这相当于0.76 €/m3的TC。如果紫外线辐射水平减少到32瓦/平方米和18瓦/平方米,总辐射分别增加到1.08€/立方米和1.39€/立方米。事实上,在18 W/m2下,结果表明,从经济角度来看,使用较低的铁浓度是有利的。

结论

 在这项工作中,评估了催化剂浓度和紫外辐照度对光芬顿动力学和处理成本的综合影响。对于最低的铁浓度(8 mg/L ),铁限制了工艺性能,因此获得了整个研究的最高处理时间和QUV值。20 mg/L实验系列的结果表明,该过程在光限制下运行,而对于最高铁浓度,过氧化氢消耗不必要地增加,因为没有获得处理时间和质量值的改善。

关于经济评估,采购和维护成本导致最低的相对值。最高的相对成本对应于试剂消耗,其中过氧化氢消耗是迄今为止获得的最重要的成本,在每种情况下占试剂成本的85%以上。在所研究的条件下,TC在0.76和1.39 €/m3之间,对于20 mg/L的铁和46 W/m2获得最佳结果。在低紫外线辐照度下,从经济角度考虑,建议使用低浓度的铁。