微波法降解反渗透浓水有机物试验研究_尹力.pdf

工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022尹力1，张红2，费剑影1，施依娜1（1.上海明华电力科技有限公司，上海200090；2.上海漕泾热电有限责任公司，上海201507）基金项目：自主科技项目废水零排放预处理关键技术及数值模拟设计研究（33002506210101）反渗透技术广泛应用于电厂补给水制备，排出的浓水呈现有机物浓度高1、含盐量高、水量大等特点。反渗透浓水成分与原水水质直接相关，含有的有机物主要包括腐殖质、微生物和新兴污染物等2-3。目前，针对反渗透浓水有机物降解的方法可归纳为物理吸附法、化学处理法和生物法3类；化学处理法又可细分成混凝沉淀法和高级氧化法。相较于混凝沉淀法和物理吸附法，高级氧化法处理效摘要：采用正交试验和单因素试验考察微波法对反渗透浓水有机物降解效果的影响。结果表明，在敏化剂存在的体系中，微波可有效降解反渗透浓水中的有机物，3个关键因素的影响排序为：药剂量微波功率微波时间，药剂量是决定处理效果的关键因素。优选组合为敏化剂加药量500 mgL，微波辐照时间5 min，微波功率600W，可将COD质量浓度由121 mgL降至40 mgL左右，低于上海市地方标准DB31 1992018污水综合排放标准规定的排放限值。从经济运行和达标排放的角度考虑，在维持微波参数不变的条件下，可将敏化剂加药量进一步降至300 mgL，此时出水COD值依然满足排放标准。敏化剂在有机物降解反应中主要起到能量强化和传递的作用，将使用后的敏化剂滤干后回用，可以进一步节约药剂成本。关键词：反渗透浓水；有机物；微波法；敏化剂；COD中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：%10092455（2022）06003404Experimental study on microwave degradation of organic matters inreverse osmosis concentrated waterYIN Li1，ZHANG Hong2，FEI Jianying1，SHI Yina1（1.Shanghai Minghua Electric Power Science and Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China;2.Shanghai Caojing Thermal Power Co.,Ltd.,Shanghai 201507,China）Abstract：Orthogonal experiment and single factor experiment were used to investigate the effect of mi-crowave method degrading organic matters in reverse osmosis concentrated water.The results showed that,in thepresence of sensitizer,microwave could effectively degrade the organic matters in reverse osmosis concentratedwater,the influence order of the three key factors is:reagent dosage microwave power microwave time,whichindicates that reagent dosage was the key factor determining the treatment effect.The optimal combination is asfollows:the sensitizer dosage is 500 mg/L,the microwave irradiation time is 5 min,and the microwave power is600 W,under the above condition,the COD mass concentration could be reduced from 121 to about 40 mg/L,which lower than the emission limit in DB31/199-2018 Intergrated wastewater discharge standard.From theperspective of economic operation and discharge standard,under the condition that the microwave parameters areinvariable,the COD mass concentration of the effluent water still met the discharge standard when the sensitizerdosage was reduced to 300 mg/L.Sensitizer mainly plays the role of energy enhancement and transmission in or-ganic matters degradation,the used sensitizer can be filtered and reused so as to further save the reagent cost.Keywords：reverse osmosis concentrated water;organic matter;microwave method;sensitizer;COD微波法降解反渗透浓水有机物试验研究34果更优异，但存在药剂量大、成本高等弊端4；生物法受限于适宜微生物的探寻和生物反应器的开发。微波是一种穿透性很强的电磁波，在水处理方面具有良好的应用前景。微波既能直接加热反应物分子，提升反应活性，又能极化有机物分子，降低分子化学键强度，促进有机物氧化降解。由于微波仅对极性分子有作用，具有选择性加热的特性5，因此，单独微波辐射对水中有机物的降解效果并不理想。而加入敏化剂后，敏化剂特有的金属点位与辐射的微波能产生强烈相互作用，微波能迅速转化成热能，使某些表面点位快速升温，与之接触的有机物受热降解6。微波法在处理石油废水、印染废水等难降解有机废水方面具有良好效果，但对于以反渗透浓水为代表的低浓度有机物的处理效果还有待研究。本研究重点探索微波法辅以敏化剂对反渗透浓水有机物降解的可行性，通过正交试验和单因素试验考察敏化剂投加量、微波功率、微波时间等因素对反渗透浓水有机物降解的影响，确定最佳反应条件，以期为反渗透浓水有机物的有效处理提供实用选择。1材料与方法11主要仪器及试剂主要仪器：工业微波炉（220 V50 Hz，微波功率800 W），六联搅拌器，电子天平，COD消解仪,分光光度计，真空抽滤装置。主要试剂：活性炭基敏化剂，COD消解液。12试验用水试验用水为某电厂外接反渗透的浓水。该反渗透系统与补给水系统连接，进水为补给水系统反渗透浓水，回收率设定为50，产生的淡水回用，浓水为研究对象，水质情况见表1。13试验方法影响微波处理效果的因素及水平较多，结合相关研究和运行经验，采用正交试验进行影响因素探究，在此基础上进行单因素优化试验，有效减少试验次数。分别取300 mL试验用水至多个500 mL烧杯中，向其中投加一定量的敏化剂，使用六联搅拌器搅拌3 min后将其放入工业微波炉内，调节微波功率，进行一段时间的微波辐照后取出烧杯，测定试验前后反渗透浓水的COD值。14分析方法COD的测定采用HJT 3992007水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法。2结果与讨论21正交试验影响微波降解有机物的主要因素有3个：微波功率（A）、微波时间（B）及敏化剂加药量（C），特研究这3个影响因素的主次，采用3因素3水平正交试验设计，考察各因素对COD去除效果的影响，结果见表2。由表2可知，多组试验的出水COD质量浓度可降至31 44 mgL，说明在适宜的试验条件下，微波辐照辅以敏化剂可有效降解反渗透浓水中的有机物。根据极差大小判断各因素对反渗透浓水有机物去除率的影响排序为：药剂量微波功率微波时间，其中药剂量是影响有机物降解的重要因素，在处理效果中起绝对主导作用，因此，优选工艺项目数值pH值8.22电导率（mScm1）6.41（COD）（mgL1）121（悬浮物）（mgL1）（Cl-）（mgL1）4993项目数值（Ca2+）（mgL1）349（K+）（mgL1）26.6（Na+）（mgL1）201（Mg2+）（mgL1）（SO42-）（mgL1）74.3352表1反渗透浓水水质Tab.1Reverse osmosis concentrated water quality序号因素（COD）（mgL1）COD去除率AWBminC（mgL1）120011008926.4220055004166.13200101 0004463.6440015003471.9540051 0003273.66400101008827.3760011 0003868.6860051008133.19600105003174.4k152.155.628.9k257.657.670.8k358.755.168.6R6.62.541.9优水平A3B2C2表23因素3水平正交试验结果Tab.2L9（33）orthogonal experimental results尹力，张红，费剑影，等：微波法降解反渗透浓水有机物试验研究35工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022为：敏化剂加药量为500 mgL，微波辐照时间为5min，微波功率为600 W。分析正交试验数据，当敏化剂加药量为500mgL或1 000 mgL，微波功率为200 600 W时，COD去除率均可达到60以上，且相互之间差异很小；同时，在敏化剂加药量仅为100 mgL时，COD去除效果普遍不佳。因此，在该反应体系中微波所提供的辐射能可以满足反应需要，制约反应程度的主要因素是敏化剂加药量。在单独微波辐照的情况下，浓水中的部分有机物不能直接吸收微波能，微波的促进作用无法体现，主要起到均匀加热溶液的作用，对于有机物氧化效果有限。敏化剂存在很多活性点位，经微波辐照后，活性点位与微波能产生强烈相互作用，在形成高温热点的同时将微波能传递给待降解物质，使有机物的分子键更容易发生断裂6，从而达到氧化降解的目的。当敏化剂加药量较少时，起到能量传递的热点不足，能够被氧化的有机物量就会随之减少，呈现出COD去除率较低的试验结果。22敏化剂加药量优化试验在敏化剂加药量为500 mgL的条件下，出水COD质量浓度可降至40 mgL左右，低于上海市地方污染物排放标准DB31 1992018污水综合排放标准中对于第二类污染物的二级标准排放限值（COD）60 mgL）。结合处理效果和运行成本两方面因素，考察降低敏化剂加药量的可行性。根据正交试验的优选组合，在微波功率为600W，辐照时间为5 min，敏化剂加药量分别为100、200、300、500、800、1 000 mgL的条件下，考察其对COD去除效果的影响，结果见图1。由图1可知，COD去除效果和敏化剂加药量呈正相关，当敏化剂加药量为100 500 mgL时，随着敏化剂投加量的增加，出水COD值不断降低，COD去除率从314逐渐升至719，此阶段药剂量是反应的控制因素，通过增加药剂量能有效提升处理效果；当敏化剂的加药量超过500 mgL时，COD去除率不再大幅提升，而是维持在70左右，说明此时无法通过继续提高敏化剂的加药量来促进有机物的去除。即使敏化剂含量足够多，体系所提供的能量或废水所吸纳的能量仍不足以打破某些难降解有机物的化学键7，因而无法实现有机物的完全降解。若要继续提升处理效果，可将微波法与混凝沉淀法或高级氧化法相结合，形成去除有机物的协同作用。结合排污限值并留有一定裕度，建议将敏化剂加药量选定为300 mgL，此时出水的COD质量浓度为40 mgL左右。23敏化剂回用试验考虑到敏化剂在有机物降解过程中主要起到能量传递的作用，本身损耗较小，从节约运行成本的角度出发，将已使用的敏化剂统一回收，经抽滤除水后按照500 mgL的加药量进行试验；试验后的敏化剂再次回收，进行二次回用试验，微波功率为600 W，辐照时间为5 min，加药量不变，考察敏化剂回用的可行性，试验结果见表3。在加药量同为500 mgL时，回收敏化剂的有机物降解效果同新鲜敏化剂相比有所衰减，但此时出水COD质量浓度为42 mgL，达到废水排放标准要求；进行二次回用时，出水COD质量浓度达到54 mgL，满足要求。已使用的敏化剂脱水复用后对试验用水依然具有处理效果，说明敏化剂本身并不参与有机物的降解反应，而呈现出类似催化剂的作用7。在使用过程中，孔隙污堵、结构破坏等问题不可避免，导致敏化剂的性能有所降低。从运行优化的角度出发，敏化剂回用是降低处理成本、提高运行经济性的有效手段。由于有机物降解效果图1敏化剂加药量优化试验结果Fig.1Experimental results of sensitizer dosage optimization?02004006008001000敏化剂加药量（mgL1）（COD）（mgL1）10080604020出水CODCOD去除率1007550250COD去除率试验名称药剂类型敏化剂加药量（mgL1）出水（COD）（mgL1）试验新鲜敏化剂50034试验回用敏化剂50042试验二次回用敏化剂50054表3敏化剂回用试验结果Tab.3Experimental results of sensitizer reuse36随着敏化剂回用发生梯级衰减，受原水水质波动影响，反渗透浓水COD也会呈现相应变化，同时多次回用可能会造成污染物富集，容易引入新的污染源，影响其他水质指标，因此，建议在实际运行中敏化剂仅回用1次。3结论（1）在投加敏化剂的条件下，利用微波技术可有效降解反渗透浓水中的有机物，在适宜的反应条件下，COD质量浓度可由121 mgL降至31 44mgL。正交试验结果表明，3种因素的影响程度由高到低依次为：药剂量微波功率微波时间，优选试验条件为：敏化剂加药量为500 mgL，微波辐照时间为5 min，微波功率为600 W。（2）从经济运行角度考虑，在敏化剂加药量为300 mgL，微波辐照时间为5 min，功率为600 W的条件下，出水COD浓度即可满足DB31 1992018二级排放标准。为进一步降低运行处理费用，可将使用过的敏化剂回收，在其加药量为500 mgL的条件下，虽同新鲜敏化剂相比处理效果有所衰减，但出水COD浓度仍可控制在排放限值内。（3）微波法处理的后续优化研究可从缩小药剂粒径和加大水流湍动2个方面着手，以此增加敏化剂同废水中有机物的有效接触面积和接触概率，如更改微波箱体内水流走向、增加搅拌等。需注意的是，敏化剂粒径不可过小，否则会影响后续沉降性能和出水品质。参考文献：1 王凌超滤技术及其在火电厂水处理工艺中的应用J湖南电力，2010，30（4）：26292WANG X，XIA J，DING S，et al Removing organic matters fromreverse osmosis concentrate using advanced oxidation biologicalactivated carbon process combined with Fe3+humus reducingbacteriaJ Ecotoxicology and Environmental Safety，2020，203：1109453 向磊，张进，何松，等含硅高含盐废水的膜浓缩处理工艺及应用J工业用水与废水，2020，51（3）：53-564 刘建明反渗透浓水中有机物的组成特性及去除方法研究J现代化工，2021，41（S1）：1141195 崔红梅，李芳，齐增禄，等微波辅助采油废水处理技术研究进展J工业用水与废水，2015，46（5）：156 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