工業(yè)廢水通常是有毒的和不可生物降解的，因此不能應(yīng)用常規(guī)的生物處理方法，成為影響缺水問題的最重要因素之一。在這種情況下，高級氧化過程(AOPs)吸引了研究人員的注意，因為這些過程可以氧化幾乎任何類型的污染物，這是由于產(chǎn)生了高活性的過渡物種(主要是羥基自由基)。本研究評估了初始光催化劑濃度和輻照度對光芬頓效率的綜合影響。對于最低的鐵濃度8毫克/升，鐵限制了工藝性能。20毫克/升的實驗系列表明在光限制下進行，而對于最高的鐵濃度，過氧化氫的消耗不必要地增加，而處理時間和QUV值沒有改善。在所研究的條件下，經(jīng)濟評估顯示總成本在0.76和1.39 €/m3之間，對于20 mg/L鐵和46 W/m2獲得較佳結(jié)果。在低紫外線輻照度下，從經(jīng)濟角度考慮，建議使用低濃度的鐵。
缺水是一個世界性的問題。保護水資源免受污染對人類的未來至關(guān)重要。在這種情況下，工業(yè)廢水的安全處理成為影響這一問題的最重要因素之一，這些廢水通常是有毒的和不可生物降解的，因此不能應(yīng)用常規(guī)的生物處理方法。高級氧化過程(AOPs)吸引了研究人員的注意，因為這些過程可以氧化幾乎任何類型的污染物，這是由于產(chǎn)生了高活性的過渡物種(主要是羥基自由基)。其中，專門研究了可以利用太陽能的處理方法，如光芬頓法。
光化學(xué)反應(yīng)速率是反應(yīng)區(qū)位置的函數(shù)，即使在穩(wěn)定物質(zhì)完全混合的條件下也是如此。這是由于光子吸收引起的輻射場不可避免的不均勻性。最近，據(jù)報道，雖然光-芬頓處理效率隨著UV輻射的增加而增加，但是它達(dá)到飽和值，超過該飽和值，UV輻射的任何增加都不會導(dǎo)致光-芬頓過程的改善。這樣，可用的UV輻照度和負(fù)責(zé)光子吸收的催化劑之間的相互作用對于光-芬頓處理變得至關(guān)重要。
本研究評估了初始光催化劑濃度和輻照度水平對光芬頓效率的綜合影響，當(dāng)該處理作為預(yù)處理應(yīng)用于有毒和不可生物降解的廢水凈化時。選擇了三個輻照度水平(18、32和46 W/m2)和三個鐵濃度(8、20和32 mg/L)，同時選擇農(nóng)藥嘧霉胺作為模型污染物。獲得的實驗結(jié)果用于進行經(jīng)濟評估。
試劑、操作條件和分析方法
SCALA® 400 SC是殺蟲劑嘧霉胺的商業(yè)配方，從拜耳公司購買并溶解在去礦物質(zhì)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獲得。
光-芬頓處理在較佳pH值(2.8)下進行。初始溶解有機碳(DOC)濃度為100毫克/升，相當(dāng)于0.7毫米的嘧霉胺。本研究選擇的鐵濃度為8、20和32毫克/升，而使用的紫外線輻照度為18、32和46瓦/平方米。H2O2的初始濃度為35 mM，以便在過量的情況下工作，使得該試劑不會限制凈化過程。
礦化之后，用Shimadzu-VCHP TOC分析儀測量DOC濃度，用鄰菲羅啉標(biāo)準(zhǔn)化光譜程序(ISO 6332)測定鐵濃度，用偏釩酸銨比色法測量H2O2濃度。
光反應(yīng)器
該系統(tǒng)的總體積為4.5升，加入到與放置在太陽能箱(SunTest CPS +)內(nèi)的管道池反應(yīng)器連接的充分混合的罐中，其中燈的功率可以變化以達(dá)到不同的輻照度水平。這些處理以分批方式進行。液體通過保持在暗處的外部充分混合的罐和光反應(yīng)器再循環(huán)。選定的采樣時間為:0、5、15、30、45、60、75、90、105和120分鐘。
經(jīng)濟評估
本研究中考慮的試劑成本為:硫酸亞鐵0.71€/千克，硫酸0.10€/升(98% w/v)，電力0.1€/千瓦時，氫氧化鈉0.12€/千克，33% H2O2溶液0.45€/升(w/v)。目標(biāo)處理量為每天100 m3，每年工作365天，共3055小時。據(jù)報道，水渠池反應(yīng)器的安裝成本為10€/立方米?；谠摮杀?，設(shè)備安裝、儀表和控制、管道、電氣、建筑、服務(wù)設(shè)施、工程監(jiān)督、施工費用、承包商費用和意外開支使用別處描述的%進行計算?？紤]4%利息的攤銷成本(AC)也是根據(jù)西班牙數(shù)據(jù)計算的。
使用QUV (kJ/L)值計算水渠池反應(yīng)器表面，該值是達(dá)到特定礦化水平所需的累積紫外線能量，可通過以下等式確定:
其中G,n+1(W/m2)是在照射時間tn+1和tn之間測量的平均太陽UV輻射，Ai是被照射的表面，Vs是系統(tǒng)中裝載的水的總體積。
最后，總成本(TC)計算為AC和操作成本(OC)之和，其中考慮了試劑消耗、人員、泵送和維護成本。
光-芬頓處理動力學(xué)
嘧霉胺是一種有毒且不可生物降解的化學(xué)品，對于選定的初始DOC濃度，建議的處理是光-芬頓和生物處理的組合。這是合理的，因為在日光處理過程中，毒性降低，同時生物降解性增加，因此，在一定的處理強度下，凈化過程可以用生物處理來完成，其成本低得多。因此，凈化目標(biāo)定在30%礦化度(生物處理的理論耦合點)，本研究中的結(jié)果參照了這一處理強度(表1)。
對于最低的UV輻照度實驗系列，18 W/m2，反應(yīng)時間和QUV值隨著鐵濃度的增加而減少。然而，在使用20或32毫克/升鐵之間，這種改善幾乎可以忽略不計。由于低紫外線輻射水平，在兩種情況下使用的光子數(shù)量非常相似，即該過程是在光限制下進行的。相反，當(dāng)使用8 mg/L的鐵時，由于限制礦化的低鐵濃度而產(chǎn)生較少量的自由基，從而獲得更長的反應(yīng)時間。正如所料，過氧化氫的消耗量隨著鐵濃度從735毫克/升增加到889毫克/升和1020毫克/升。
對于32 W/m2的實驗系列，發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。反應(yīng)時間和QUV都隨著鐵濃度的增加而減少，但是，20 mg/L和32 mg/L測定之間的差異可以忽略不計。對于20毫克/升和32毫克/升的鐵實驗，達(dá)到30%礦化度所需的反應(yīng)時間為36分鐘和33分鐘，而QUV為0.77和0.70千焦/升，遵循相同的順序。因此，可以得出結(jié)論，該過程也是在這些條件下在光限制下進行的。使用8毫克/升的鐵導(dǎo)致反應(yīng)時間和QUV值增加兩倍以上。
最高的紫外線輻照度實驗系列，46 W/m2，導(dǎo)致了不同的趨勢。達(dá)到30%礦化度所需的反應(yīng)時間從8毫克/升鐵的80分鐘減少到20毫克/升鐵的18分鐘，但是，在32毫克/升鐵的實驗中，反應(yīng)時間增加到24分鐘。理論上，該實驗提供了最快的自由基產(chǎn)生，然而，其結(jié)果與總的工藝效率相反。產(chǎn)生的自由基的量太高，以至于非有效反應(yīng)，即與溶解氧產(chǎn)生而不是礦化相關(guān)的反應(yīng)是有利的。
因此，當(dāng)使用8 mg/L的鐵時，缺乏催化劑，因為不是所有到達(dá)光反應(yīng)器的輻射都能用于該過程。對于20 mg/L的鐵實驗系列，該過程在光限制下進行，因為該過程總是隨著輻照度而改善。對于32 mg/L的鐵實驗系列，催化劑濃度太高，使得產(chǎn)生的過量自由基對該過程產(chǎn)生反作用。
經(jīng)濟評估
由于獲得了與相應(yīng)的20 mg/L鐵實驗相似的反應(yīng)時間和QUV值，但是H2O2消耗量高得多，因此可以認(rèn)為處理成本更高，所以在研究的這一部分中放棄了32 mg/L鐵實驗系列。
投資成本的計算需要知道水渠池反應(yīng)堆的表面。這樣，使用表1中所示的數(shù)據(jù)，確定了該變量(圖1)。隨著紫外線輻照度的增加，表面積值減小，因此表面積從180平方米減小到120平方米(鐵含量為8毫克/升)，從70平方米減小到30平方米(鐵含量為32毫克/升)。一旦工廠根據(jù)不同的紫外線輻照度和鐵濃度組合確定了規(guī)模，就可以計算投資成本和AC(表2)。
關(guān)于OC，維護成本被認(rèn)為是投資成本的2%。根據(jù)MirallesCuevas等人2016年的研究，人員成本取決于光反應(yīng)器表面，因此，對于所研究的條件，并考慮到西班牙技術(shù)人員的年薪總額，計算了該成本。范圍從0.01€/立方米到0.04€/立方米?？紤]到處理前pH值調(diào)節(jié)、太陽能解毒裝置中的再循環(huán)和中和后處理所需的能量，計算了抽水成本。由于在每種情況下處理量是相同的，所以電費也是相同的，相當(dāng)于0.06€/立方米。
考慮到試劑成本、過氧化氫和進行光芬頓過程的鐵消耗、實現(xiàn)酸性pH所需的硫酸和用于后處理中的中和的氫氧化鈉。對于8毫克/升的鐵實驗系列，試劑成本為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)，而對于20毫克/升的實驗系列，試劑成本為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)。這樣，試劑成本就是影響TC的最重要因素。圖2顯示了試劑成本的明細(xì)。
當(dāng)在46 W/m2的UV輻照度下使用20 mg/L的鐵時，獲得較佳結(jié)果，這相當(dāng)于0.76 €/m3的TC。如果紫外線輻射水平減少到32瓦/平方米和18瓦/平方米，總輻射分別增加到1.08€/立方米和1.39€/立方米。事實上，在18 W/m2下，結(jié)果表明，從經(jīng)濟角度來看，使用較低的鐵濃度是有利的。
在這項工作中，評估了催化劑濃度和紫外輻照度對光芬頓動力學(xué)和處理成本的綜合影響。對于最低的鐵濃度(8 mg/L ),鐵限制了工藝性能，因此獲得了整個研究的最高處理時間和QUV值。20 mg/L實驗系列的結(jié)果表明，該過程在光限制下運行，而對于最高鐵濃度，過氧化氫消耗不必要地增加，因為沒有獲得處理時間和質(zhì)量值的改善。
關(guān)于經(jīng)濟評估，采購和維護成本導(dǎo)致最低的相對值。最高的相對成本對應(yīng)于試劑消耗，其中過氧化氫消耗是迄今為止獲得的最重要的成本，在每種情況下占試劑成本的85%以上。在所研究的條件下，TC在0.76和1.39 €/m3之間，對于20 mg/L的鐵和46 W/m2獲得較佳結(jié)果。在低紫外線輻照度下，從經(jīng)濟角度考慮，建議使用低濃度的鐵。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
