Сравнение процессов очистки сточных вод прачечных
При плотности тока 10 мА/см² и скорости потока озона 200 мл/мин было проведено сравнение эффективности удаления ХПК с помощью двенадцати процессов очистки сточных вод прачечных, включая электрокоагуляцию (ЭК), окисление озоном, электрокоагуляцию в сочетании с магнитной сепарацией, электрокоагуляцию в сочетании с окислением озоном (Э-ОХО), электрокоагуляцию в сочетании с каталитическим окислением озоном (ЭК+O₃/O₃ катализатор), электрокоагуляцию в сочетании с электрокаталитическим окислением (ЭК+ЭО), электрокоагуляцию в сочетании с перекисью водорода (ЭК/H₂O₂), ультрафиолетовое излучение в сочетании с перекисью водорода (УФ/H₂O₂), ультрафиолетовое излучение в сочетании с окислением озоном (УФ/O₃), электрокоагуляцию в сочетании с ультрафиолетовым излучением в сочетании с окислением озоном (ЭК+УФ/O₃), ультрафиолетовое излучение в сочетании с перекисью водорода в сочетании с окислением озоном. (УФ/H₂O₂/O₃) и процесс сочетания железа с углеродом и перекисью водорода. Результаты показаны на рисунке 2 (где a~l на горизонтальной оси рисунка представляют собой последовательность двенадцати описанных выше процессов).
Как видно из рисунка 2, процессы с электрокоагуляцией (ЭК) в качестве основного компонента демонстрируют значительно более высокую эффективность удаления ХПК из сточных вод прачечных, чем другие процессы без ЭК, поэтому приоритет отдается процессам на основе ЭК. В одинаковых условиях комбинированные технологические системы и процессы окисления серии ЭК обеспечивают лучшие результаты удаления ХПК по сравнению с автономными процессами ЭК и окисления, при этом скорость удаления ХПК увеличивается на 16,3%–47%. По сравнению с процессом ЭК, скорость удаления ХПК в процессах E-ХОК, ЭК+O₃/O₃-катализатор, ЭК+ЭО и ЭК+УФ/O₃ увеличивается на 21,3%, 27,2%, 20% и 16,3% соответственно. Это может быть связано с тем, что введение озона и электрокатализ увеличивают образование ·ОЙ в системе, тем самым способствуя удалению органических веществ. Кроме того, электроды ДСА обладают высокой электрокаталитической активностью во время электролиза и могут генерировать ·ОЙ, что согласуется с результатами исследований Хеффрона и др. Системы с озоном и озоном/катализатором в ходе реакции производят ·ОЙ, ·O₂⁻ и H₂O₂, при этом ·O₂⁻ в системе превращается в ·ОЙ, что дополнительно повышает эффективность удаления ХПК.
По сравнению с автономным процессом окисления O₃, показатели удаления ХПК в процессах E-ХОК, ЕК+O₃/O₃-катализатор и ЕК+УФ/O₃ увеличиваются на 41,1%, 47% и 36,1% соответственно. Электрохимическая обработка (ЭХО) часто используется в качестве предварительной обработки для удаления мутности и природных органических веществ, генерируя коагулянты в ситу в воде с помощью жертвенных анодов. При использовании углеродного волокна в качестве катода также образуется H₂O₂, что способствует дальнейшему удалению ХПК из сточных вод прачечных. Бернал-Мартинес и др. Было установлено, что комбинированный процесс электрокоагуляции-озона позволяет достичь 60% удаления ХПК и БПК₅ в промышленных сточных водах, в то время как процесс E-ХОК позволяет достичь 84%, 79%, 95%, 96% и 99% удаления ХПК, БПК₅, цветности, мутности и общего количества колиформных бактерий соответственно. Гарсия-Моралес и др. получили аналогичные результаты, показав, что синергетический эффект комбинированного процесса электрокоагуляции-озона улучшает удаление цветности, мутности и ХПК.
Таким образом, в качестве предпочтительных процессов для очистки сточных вод прачечных были выбраны электрокоагуляционные процессы, включая процесс электрокоагуляции-озонового окисления (E-ХОК), электрокоагуляцию в сочетании с электрокаталитическим окислением (ЕК+EO), электрокоагуляцию в сочетании с озоновым каталитическим окислением (ЕК+O₃/O₃ катализатор) и электрокоагуляцию в сочетании с ультрафиолетовым-озоновым окислением (ЕК+УФ/O₃).
Анализ эффективности удаления загрязняющих веществ из сточных вод прачечных.
1. Эффекты удаления загрязняющих веществ при различных плотностях тока.
При контроле скорости потока озона на уровне 200 мл/мин были исследованы эффекты удаления ХПК, мутности и ЛАС в сточных водах прачечных с помощью пяти процессов (SS-E-ХОК, СЕ-ХОК, ЕК+O₃/O₃-катализатор, ЕК+УФ/O₃ и ЕК+EO) при плотности тока 5, 10, 15 и 20 мА/см² на стадии электрокоагуляции. Результаты представлены на рисунке 3. Видно, что при изменении только плотности тока на стадии электрокоагуляции процесс ЕК+УФ/O₃ демонстрирует наилучший эффект удаления ХПК, достигая максимальной степени удаления 89,8% при плотности тока 10 мА/см². За ним следуют процессы ЕК+O₃/O₃-катализатор и СЕ-ХОК. Для удаления мутности наилучшие результаты показывают процессы SS-E-ХОК и СЕ-ХОК, при этом степень удаления превышает 90%. Три процесса — ЕК+O₃/O₃-катализатор, ЕК+УФ/O₃ и СЕ-ХОК — демонстрируют лучшие результаты по удалению ЛАС, достигая степени удаления более 98,2%.
Кроме того, в процессе ЕК+EO плотность тока на стадии электрокоагуляции контролировалась на уровне 10 мА/см², а плотность тока на стадии электрокатализа изменялась до 5, 10, 15 и 20 мА/см² соответственно, чтобы исследовать влияние процесса на удаление ХПК, мутности и ЛАС в сточных водах прачечных. Результаты показывают, что при всех четырех плотностях тока степень удаления ХПК в процессе ЕК+EO составляет менее 80%. При плотности тока на стадии электрокатализа 10 мА/см² степень удаления мутности в процессе ЕК+EO является самой высокой и превышает 90%. При плотности тока на стадии электрокатализа 10, 15 и 20 мА/см² соответственно степень удаления ЛАС в процессе ЕК+EO превышает 90%.
Эффекты удаления загрязняющих веществ при различных скоростях потока озона
Контролируя плотность тока на стадии электрокоагуляции на уровне 10 мА/см², были исследованы эффекты удаления ХПК, мутности и ЛАС из сточных вод прачечных при условиях расхода озона 100, 200, 300 и 400 мл/мин соответственно. Результаты представлены на рисунке 4. Видно, что степень удаления ХПК в процессах СЕ-ХОК и ЕК+УФ/O₃ может достигать более 90%, максимальная степень удаления мутности в процессах SS-ЭХОК и СЕ-ХОК достигает 100%, а степень удаления ЛАС в процессах ЕК+O₃/O₃-катализатор, ЕК+УФ/O₃ и СЕ-ХОК может достигать более 99%. Хотя степень удаления ХПК в процессе ЕК+O₃/O₃-катализатор может превышать 80%, качество сточных вод не соответствует стандартам повторного использования.
После всестороннего анализа в качестве метода очистки сточных вод прачечных был выбран процесс электрокоагуляции-озонирования (E-ХОК). При плотности тока 15 мА/см² и скорости потока озона 400 мл/мин (что соответствует дозировке озона 69,12 мг/л) степень удаления ХПК, мутности и ЛАС из сточных вод прачечных с помощью этого процесса составляет 97,6%, 99,9% и 99,6% соответственно. Качество очищенной воды соответствует стандартам, указанным в Великобритания/T 18920—2020 (Стандарт качества воды для городских очищенных сточных вод различного назначения) и Великобритания/T 19923—2005 (Стандарт качества воды для городских очищенных сточных вод промышленного назначения), удовлетворяя требованиям повторного использования. Кроме того, катодом процесса является пластина из углеродного волокна. Концентрация H₂O₂ через 10 минут реакции, измеренная спектрофотометрическим методом с использованием солей титана, составила 4,42 мг/л, что доказывает образование H₂O₂ в ходе реакции.
Стоимость обработки оценивается на основе генератора озона, мощности источника постоянного тока, времени реакции и т. д., как показано в уравнении (1). Энергетическая эффективность (ЭЭО) определяется как электрическая энергия (кВт·ч), необходимая для снижения концентрации загрязняющего вещества в 1 м³ воды на один порядок, где U — напряжение (В), I — приложенный ток (А), T — время электролиза (ч), V — объем воды в реакторе (м³), а C₀ и C — начальная и конечная концентрации ХПК (мг/л) соответственно. При оптимальных условиях эксплуатации энергопотребление процесса составляет 86,2 кВт·ч/(м³·порядок), и эта технология может применяться для очистки сточных вод больниц, гостиниц и прачечных.
Кинетический анализ и характеристики удаления микропластика
1. Кинетический анализ
На основе полученных результатов был проведен кинетический анализ удаления ХПК и ЛАС из сточных вод прачечной методом C-ЭХОК при скорости потока озона 400 мл/мин и плотности тока 5, 10, 15 и 20 мА/см². Общее время реакции составляло 60 минут, пробы отбирались каждые 10 минут. Кривые удаления ХПК и ЛАС показаны на рисунке 5. По мере протекания реакции скорость удаления как ХПК, так и ЛАС быстро возрастала в первые 30 минут, в то время как в последующие 30 минут темпы роста замедлялись, а кривые удаления становились более пологими. Для ХПК скорость удаления в первые 30 минут была самой высокой при плотности тока 15 мА/см²; для ЛАС скорость удаления в первые 30 минут была самой высокой при плотности тока 20 мА/см². Результаты аппроксимации показали, что процессы удаления ХПК и ЛАС с помощью процесса C-ЭХОК соответствуют кинетической модели реакции первого порядка, как показано на рисунке 6.
Характеристики удаления микропластика
Микропластик обычно представляет собой пластиковые волокна, фрагменты и частицы размером менее 5 мм. Микропластик, выделяющийся из синтетических тканей в процессе стирки, считается основным источником микропластика в океанах и очистных сооружениях. В данном исследовании подсчитано, что в окружающую среду при стирке бытовых сточных вод попадает (40–150) × 10⁴ микропластиков на 100 л воды. Процесс СЕ-ХОК позволяет эффективно удалять микропластик из сточных вод после стирки. При плотности тока 15 мА/см² и скорости потока озона 400 мл/мин степень удаления микропластика в процессе СЕ-ХОК достигает 94,2%. Предполагается, что эффективное удаление микропластика в процессе СЕ-ХОК в основном обусловлено электрокоагуляцией. Алюминиевые аноды способны в процессе реакции генерировать коагулянты на основе солей алюминия, которые образуют хлопьевидные осадки, удаляющие микропластик из воды посредством таких механизмов, как электрическая нейтрализация, адсорбционное связывание и улавливание частиц.