換熱器輔助太陽能氧化處理垃圾滲濾液的應(yīng)用

宣夢茹，申哲民，孫承興，朱英明，周德生，張美蘭

(1. 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240;2. 昆明理工大學(xué)市政工程系，云南昆明 650500;3. 上海老港廢棄物處置有限公司，上海 200240)

垃圾滲濾液因其污染種類繁多，污染物濃度高且變化范圍大而難以處理［1］。目前，國內(nèi)外垃圾滲濾液處理技術(shù)主要包括物化法、生化法、膜處理法、土地法等［2］。大量實(shí)踐表明處理工藝將以多種方法結(jié)合為方向，同時(shí)經(jīng)濟(jì)成本高低也是選擇處理形式的主要依據(jù)［3］。太陽能作為清潔能源已得到廣泛應(yīng)用，比如綠色建筑、海水淡化以及太陽能電池技術(shù)等，但其在工程上應(yīng)用于處理廢水的研究還比較少。本文研究了換熱器輔助太陽能氧化系統(tǒng)在處理垃圾滲濾液的應(yīng)用，分析了光照強(qiáng)度在太陽能Fenton 氧化反應(yīng)中對(duì)水中COD 去除效果的影響，以及換熱器在整個(gè)組合工藝中的效率和經(jīng)濟(jì)性，以期為處理高濃度廢水組合工藝的開發(fā)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

滲濾液取自上海某固廢棄物處理場。各項(xiàng)指標(biāo)具體如表1 所示。

表1 滲濾液原水水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Landfill Leachate

1.2 試驗(yàn)機(jī)理

Fenton 氧化法試劑為雙氧水和硫酸亞鐵。Fe2+與H2O2間反應(yīng)很快，生成氧化能力很強(qiáng)的·HO。其原理為:H2O2+Fe2+→·OH +OH-+Fe3+，影響Fenton 法氧化效果的因素［4］有pH、反應(yīng)溫度、試劑配比(Fe2+∶ H2O2)等，其中溫度的調(diào)節(jié)較為困難。

1.3 試驗(yàn)裝置

裝置如圖1 所示。原水由真空泵進(jìn)入換熱器預(yù)加熱，然后進(jìn)入太陽能加熱系統(tǒng)(由60 根58 mm ×2 100 mm的太陽能真空管組成)進(jìn)行加熱，之后的滲濾液進(jìn)入氧化罐(氧化罐由4 個(gè)串聯(lián)的氧化槽組成)，經(jīng)過一定時(shí)間的氧化反應(yīng)后再次經(jīng)過換熱器流入沉淀池出水。

圖1 換熱器輔助太陽能氧化系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Heat Exchanger Assisted with Solar Installations for Landfill Leachate Treatment

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)Fenton 法去除水中COD的影響

根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知溫度越高，反應(yīng)越快。對(duì)于Fenton 反應(yīng)，適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢约せ睢H。溫度增高，·OH 活性增大，COD 去除率提高。研究表明Fenton 法處理焦化廢水和三氯苯酚［5，6］時(shí)，當(dāng)溫度低于60 ℃時(shí)，COD 的去除率與溫度呈正相關(guān)。

由圖2 可知廢水經(jīng)過太陽能集熱器加熱后升高的溫度ΔT(經(jīng)過太陽能集熱器加熱后廢水的溫度與經(jīng)過換熱器后廢水溫度的差值)的變化趨勢和光照度的變化趨勢是類似的，均是由強(qiáng)變?nèi)酰⒃谥形?2 點(diǎn)時(shí)達(dá)到最高值，ΔT 可達(dá)到35 ～45 ℃。

9 月初處理過程未增加太陽能系統(tǒng)加熱，其COD 的去除率均在45%以下;10 月中下旬經(jīng)由太陽能系統(tǒng)加熱的廢水，COD 的去除率均在90%以上。其原因在于升高的溫度使·OH 處于活性范圍，大大提高了Fenton 氧化反應(yīng)的效率，因此換熱器輔助太陽能氧化系統(tǒng)可以大幅度提高廢水COD的去除率，如圖3 所示。

圖2 光照強(qiáng)度與ΔT 關(guān)系圖Fig.2 Relationship between Illuminance and Temperature

圖3 兩種系統(tǒng)下COD 去除率的對(duì)比Fig.3 Comparison of Removal Ratio of COD under Two Different Systems

2.2 換熱器性能評(píng)價(jià)

為考察換熱器的換熱效果，通過在線檢測系統(tǒng)記錄各個(gè)水溫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理后得到系列關(guān)系曲線(如圖4)。由圖4 可知隨著時(shí)間的推移，原水溫度緩慢上升后維持在25 ～30 ℃。而經(jīng)過換熱器的水溫開始便保持較高增速，此后換熱后的水溫保持動(dòng)態(tài)平衡，接近且略低于反應(yīng)完成后的溫度。從換熱前后溫度差ΔT 也可以看出，ΔT 保持在15 ～20 ℃動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)換熱器已經(jīng)達(dá)到了最大換熱效率。

太陽能集熱器接收的能量通過Q = c·m·ΔT來計(jì)算，在沒有換熱器的太陽能加熱系統(tǒng)下，由于光能量Q 與時(shí)間t 是一次函數(shù)關(guān)系，在光能量不足的清晨和傍晚，僅僅依靠太陽能而沒有換熱器情況下，ΔT 的變化是不穩(wěn)定的。加入換熱器輔助太陽能對(duì)廢水進(jìn)行加熱，水溫可以全天保持40 ～50 ℃，彌補(bǔ)了隨光照強(qiáng)度變化導(dǎo)致Fenton 氧化效果不穩(wěn)定。整個(gè)裝置連續(xù)5 d 分時(shí)段COD 去除率的變化曲線如圖5 所示。由圖5 可知大部分COD 去除率達(dá)到了90%以上，換熱器對(duì)于太陽能氧化系統(tǒng)具有一定的輔助功能，整個(gè)裝置效果穩(wěn)定，連續(xù)性較好。

圖4 換熱前后對(duì)比關(guān)系圖Fig.4 Relationship before and after Heat Exchange

圖5 COD 去除率隨時(shí)間變化曲線圖Fig.5 Removal Rate of COD with Time

根據(jù)倪振偉等［7］在換熱器的熵增計(jì)算法與總熵增率中介紹，以換熱器的總熵增率Ys，作為換熱器的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如下式所示。

此即換熱器每傳過單位熱量時(shí)所消耗的可用能，Ys越小換熱器的經(jīng)濟(jì)性越高。本研究環(huán)境溫度取20 ℃，機(jī)械能和可用能之間折算系數(shù)n 取6.25，換熱器的總熵增率Ys為0.044 7。對(duì)比李煒煒［8］管殼式換熱器殼程強(qiáng)化傳熱研究中介紹的花隔板換熱器和折流板換熱器的Ys數(shù)值，本研究的Ys較小，表現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 運(yùn)行成本分析

換熱器輔助太陽能氧化處理垃圾滲濾液的費(fèi)用由電費(fèi)、人工費(fèi)、藥劑費(fèi)等組成。電費(fèi)按照0.65元/kW·h計(jì)算，用電需0.6 元/m3，人工費(fèi)需33.3元/m3，藥劑費(fèi)需4.3 元/m3，因此太陽能氧化系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用為38.2 元/m3。同時(shí)，換熱器輔助太陽能氧化組合工藝的應(yīng)用，較其他類Fenton 氧化法更節(jié)能和環(huán)保，符合當(dāng)前節(jié)能減排，資源再利用的發(fā)展趨勢。

3 結(jié)論與展望

換熱器輔助太陽能氧化系統(tǒng)的應(yīng)用提高了垃圾滲濾液COD 的處理效果，較高濃度COD 廢水經(jīng)處理之后達(dá)到了納管要求(COD ＜500 mg/L)，較低濃度COD 廢水經(jīng)處理后基本達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。換熱器的應(yīng)用使氧化反應(yīng)保持了較好的持續(xù)性和高效性，換熱器本身表現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)性。換熱器輔助太陽能氧化系統(tǒng)運(yùn)行成本較低，是比較有前景的廢水前期處理技術(shù)。在實(shí)際的工作中，可以在傳熱溫差ΔT 與熱強(qiáng)度Q 之間(也就是能耗和投資之間)進(jìn)行權(quán)衡，以求全系統(tǒng)總費(fèi)用最低。

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