餐飲廢水 | 生物質材料預處理
隨著第三產業迅速發展，餐飲廢水排放量也日益劇增，對生態系統及人體健康的造成嚴重危害，已成為水體的主要污染源之一。目前，空氣浮選法、電化學技術、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行處理餐飲廢水。
吸附法以工藝簡單快捷的特點，被許多研究者利用，吸附劑多為活性炭、殼聚糖和橡膠等，但這些吸附劑價格偏高;價廉、處理效果好、綠色環保的吸附材料，正快速成為研究的熱點，生物質材料在水處理中應用前景廣闊。廉價生物質材料替代常規材料，是環境領域眾多研究人員感興趣的課題，它具有技術簡單、小加工成本和較好吸附能力等特點。餐飲廢水中以膠體分散狀態存在的微細分散油、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，會使組成油珠界面的基團變為COO-和O-，生物質表面較多的活性物質和官能團與油珠通過化學鍵發生吸附。生物質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物進行物理吸附。
本研究嘗試利用水葫蘆、柚子皮、木屑和核桃殼四種生物質對餐飲廢水進行預處理，探討了生物質粒徑、廢水初始pH、生物質投加量、反應溫度、時間對預處理效果的影響，以此實驗參數為研究課題餐飲廢水一體化處理裝置提供理論依據。
1、實驗部分
1．1實驗儀器及材料
實驗儀器:TDL-40B離心機、IＲ-200A紅外三波數測油儀、JSM-6360LA掃描電子顯微鏡、AutosorbiQ2-MP快速全自動比表面和孔徑分析儀材料:餐飲廢水收集自學校食堂，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，經測試核桃殼、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團狀結構，層層包裹;木屑表面粗糙，呈現鋸齒狀;柚子皮表面有褶皺，呈現溝壑狀;水葫蘆具有緊湊的組織結構，排列緊密。
1．3實驗步驟
1．3．1餐飲廢水的預處理及分析
餐飲廢水中含有大量浮油、膠體和懸浮雜質，將取回的廢水通過4層無紡布過濾，得到實驗中所用廢水;廢水COD為2021．5～3053．3mg/L，油含量為200．9～431．6mg/L，其中，油脂對COD的貢獻率為2．3～2．8，可見油脂是COD產生的主要來源，除油是餐飲廢水處理的關鍵。
1．3．2生物質材料的預處理及制備
將所得生物質材料進行剪碎(其中柚子皮去掉黃色表皮)，再用蒸餾水進行水洗，去除色素及其他溶解性物質，至水變得澄清，將水洗過生物質置于恒溫干燥箱中，烘干至恒重，用高速粉碎機粉碎并過篩，獲取所需粒徑的生物質材料。
1．3．3預處理實驗
取500mL燒杯數個，分別加入一定量的餐飲廢水，調節pH，加入定量的生物質材料，恒溫水浴振蕩器內振蕩一定時間，實驗中搖床速率恒定為150r/min，實驗完成后，取其上層清液稀釋一定倍數，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，其測量原理是根據國家標準GB/T16488-1996要求，在2930、2960cm-1及3030cm-1分別測出油分結構中的亞甲基，甲基和芳香環的吸光度，計算出油分濃度，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、結果與討論
2．1生物質粒徑對處理效果的影響
按照1．3．3實驗方法，生物質投加量為28g/L，廢水pH為3，處理時間為3h，反應溫度為20℃，考察不同粒徑對處理效果的影響，圖2所示，生物質粒徑越小，處理效果越好，粒徑＜0．2mm時處理效果最優;這與相關研究吻合，顆粒粒徑減小，總表面積增大，增加了生物質在外表面的吸附幾率，而粒徑越大，傳質擴散阻力越大，影響處理效果。粒徑越小，材料整體毛細孔越豐富，根據毛細管凝聚理論，微孔有利于油脂之間相互作用，所以當粒徑較小時不僅有表面吸附作用，可能還會產生微孔填充效應，從而增加處理材料對有機物和油脂的吸附量。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實驗方法，生物質粒徑＜0．2mm，投加量為28g/L，處理時間為3h，反應溫度為20℃，考察不同pH對處理效果的影響，結果如圖3所示。
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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，水葫蘆、柚子皮處理效果最優，COD去除率分別達到了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，木屑和核桃殼處理效果最優。柚子皮和水葫蘆的纖維素含量高于木屑和核桃殼，pH為2，酸性較強時，可能一部分有機物浸溶到廢水中，貢獻了COD，使去除率降低。總體來看酸性條件更有利于處理，在此條件下有機化合物和油脂表面帶負電荷，而生物質材料表面帶正電荷，產生靜電吸附，而pH太大，降低處理效果。
2．3生物質投加量對處理效果的影響
按照1．3．3實驗方法，生物質粒徑＜0．2mm，廢水pH為3，處理時間為3h，反應溫度為20℃，考察不同投加量對處理效果的影響，結果如圖4所示。
由圖4可知，COD去除率隨投加量增加而提高。當柚子皮和水葫蘆投加量為20g/L時，COD去除率變化較小，而木屑與核桃殼投加量為28g/L時，趨于穩定。由于投加量增加，處理過程中吸附點位數量增加，有機物和油脂與材料位點接觸幾率提高，處理表面積增大。由于投加量大，總吸附點未達到飽和，導致單位生物質油脂吸附量降低。
2．4反應溫度對處理效果的影響
按照1．3．3實驗方法，生物質粒徑＜0．2mm，生物質投加量為28g/L，廢水pH為3，處理時間為3h，考察不同溫度對處理效果的影響，結果如圖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，生物質材料對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，表明油脂在生物質材料上的吸附是放熱反應，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反應時間對處理效果的影響
按照1．3．3實驗方法，生物質粒徑＜0．2mm，投加量為28g/L，廢水pH為3，反應溫度為20℃，考察處理時間對處理效果的影響，結果如圖6所示。
由圖6可知，生物質材料對餐飲廢水的處理效果隨著時間的延長而逐漸顯著，并趨于穩定。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后達到了平衡;水葫蘆、柚子皮、木屑達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內油脂的吸附量達到平衡，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的擴散。
2．64種材料處理效果差異分析
比表面積的大小會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，核桃殼表面結構呈塊狀，固液接觸面積較小，其吸附能力較弱。木屑結構呈片狀，孔隙結構以大孔為主，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。柚子皮結構呈蜂窩狀，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。水葫蘆結構呈管狀，孔隙結構發達、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、結論
(1)利用生物質對餐飲廢水進行預處理，確定了各生物質材料最佳的處理工藝，其中水葫蘆和柚子皮的最佳處理條件為:生物質粒徑＜0．2mm，投加量為20g/L，pH為4，處理時間為2h，反應溫度為20℃;木屑和核桃殼的最佳處理條件為:生物質粒徑＜0．2mm，投加量為28g/L，pH為2，處理時間為2．5h，反應溫度為20℃。
(2)生物質材料均能有效地降低餐飲廢水的油脂含量和COD，總體處理效果順序為:水葫蘆＞木屑＞柚子皮＞核桃殼。
(3)4種生物質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物與動植物油脂。利用生物質處理廢水，達到以廢治廢目的，為解決環境和資源問題提供了新的策略。