餐饮废水 | 生物质材料预处理
随着第三产业迅速发展，餐饮废水排放量也日益剧增，对生态系统及人体健康的造成严重危害，已成为水体的主要污染源之一。目前，空气浮选法、电化学技术、吸附、固定化脂肪酶分解、微生物法、凝聚和絮凝和膜处理工艺等都被用来进行处理餐饮废水。
吸附法以工艺简单快捷的特点，被许多研究者利用，吸附剂多为活性炭、壳聚糖和橡胶等，但这些吸附剂价格偏高; 价廉、处理效果好、绿色环保的吸附材料，正快速成为研究的热点，生物质材料在水处理中应用前景广阔。廉价生物质材料替代常规材料，是环境领域众多研究人员感兴趣的课题，它具有技术简单、小加工成本和较好吸附能力等特点。餐饮废水中以胶体分散状态存在的微细分散油、乳化油，由于剧烈的碰撞、剪切，造成电离、吸附和摩擦，加上表面活性剂的作用，会使组成油珠界面的基团变为COO-和O-，生物质表面较多的活性物质和官能团与油珠通过化学键发生吸附。生物质材料还具有多孔性和良好的孔径分布，可对餐饮废水中的部分浮油、分散油和其他溶解性有机物进行物理吸附。
本研究尝试利用水葫芦、柚子皮、木屑和核桃壳四种生物质对餐饮废水进行预处理，探讨了生物质粒径、废水初始pH、生物质投加量、反应温度、时间对预处理效果的影响，以此实验参数为研究课题餐饮废水一体化处理装置提供理论依据。
1、实验部分
1．1 实验仪器及材料
实验仪器: TDL-40B 离心机、IＲ-200A红外三波数测油仪、JSM-6360LA 扫描电子显微镜、AutosorbiQ2-MP 快速全自动比表面和孔径分析仪材料: 餐饮废水收集自学校食堂，核桃壳、柚子来自某超市，水葫芦取自滆湖边，木屑来自木材加工厂。
1．2 生物质材料比表面积及SEM 分析
材料的比表面积是影响其吸附性能的主要指标，经测试核桃壳、木屑、柚子皮、水葫芦的比表面积分别为0．35、5．31、1．87 和5．86 m2/g。
表面形态通过扫描电镜观察，图1 为核桃壳、木屑、柚子皮、水葫芦的SEM 图片，可以看出核桃壳表面呈现团状结构，层层包裹; 木屑表面粗糙，呈现锯齿状; 柚子皮表面有褶皱，呈现沟壑状; 水葫芦具有紧凑的组织结构，排列紧密。
1．3 实验步骤
1．3．1 餐饮废水的预处理及分析
餐饮废水中含有大量浮油、胶体和悬浮杂质，将取回的废水通过4 层无纺布过滤，得到实验中所用废水; 废水COD 为2 021．5～3 053．3 mg/L，油含量为200．9～431．6 mg/L，其中，油脂对COD 的贡献率为2．3～2．8，可见油脂是COD 产生的主要来源，除油是餐饮废水处理的关键。
1．3．2 生物质材料的预处理及制备
将所得生物质材料进行剪碎(其中柚子皮去掉黄色表皮)，再用蒸馏水进行水洗，去除色素及其他溶解性物质，至水变得澄清，将水洗过生物质置于恒温干燥箱中，烘干至恒重，用高速粉碎机粉碎并过筛，获取所需粒径的生物质材料。
1．3．3 预处理实验
取500 mL 烧杯数个，分别加入一定量的餐饮废水，调节pH，加入定量的生物质材料，恒温水浴振荡器内振荡一定时间，实验中摇床速率恒定为150 r/min，实验完成后，取其上层清液稀释一定倍数，测定COD 及油脂含量。
1．3．4 COD 及油脂含量的测定
采用快速密闭催化消解法测COD。红外分光光度法测油脂含量，其测量原理是根据国家标准GB/T16488-1996 要求，在2 930、2 960 cm-1 及3 030 cm-1 分别测出油分结构中的亚甲基，甲基和芳香环的吸光度，计算出油分浓度，油脂的吸附量，公式如下:
式中: v 为餐饮废水体积(L); w 为生物质的投加量(g); c0为吸附前油脂浓度(mg/L); c 为吸附后油脂浓度(mg/L)。
2、结果与讨论
2．1 生物质粒径对处理效果的影响
按照1．3．3 实验方法，生物质投加量为28 g/L，废水pH 为3，处理时间为3 h，反应温度为20℃，考察不同粒径对处理效果的影响，结果如图2 所示。
由图2 可知，生物质粒径越小，处理效果越好，粒径＜0．2 mm时处理效果最优; 这与相关研究吻合，颗粒粒径减小，总表面积增大，增加了生物质在外表面的吸附几率，而粒径越大，传质扩散阻力越大，影响处理效果。粒径越小，材料整体毛细孔越丰富，根据毛细管凝聚理论，微孔有利于油脂之间相互作用，所以当粒径较小时不仅有表面吸附作用，可能还会产生微孔填充效应，从而增加处理材料对有机物和油脂的吸附量。而同一粒径下，处理效果由大到小分别水葫芦、木屑、柚子皮、核桃壳; 水葫芦对COD的去除率达到65%左右、油脂吸附量为16．42 mg/g。
2．2 废水pH 对处理效果的影响
按照1．3．3 实验方法，生物质粒径＜0．2 mm，投加量为28 g/L，处理时间为3 h，反应温度为20℃，考察不同pH 对处理效果的影响，结果如图3 所示。
由图3 可知，pH 对餐饮废水处理效果影响显著，处理效果随着pH 增加而降低。pH 为4 时，水葫芦、柚子皮处理效果最优，COD 去除率分别达到了65．49%和54．77%，油脂的吸附量分别为15．56mg/g 和7．77 mg/g; 而pH 为2 时，木屑和核桃壳处理效果最优。柚子皮和水葫芦的纤维素含量高于木屑和核桃壳，pH 为2，酸性较强时，可能一部分有机物浸溶到废水中，贡献了COD，使去除率降低。总体来看酸性条件更有利于处理，在此条件下有机化合物和油脂表面带负电荷，而生物质材料表面带正电荷，产生静电吸附，而pH 太大，降低处理效果。
2．3 生物质投加量对处理效果的影响
按照1．3．3 实验方法，生物质粒径＜0．2 mm，废水pH 为3，处理时间为3 h，反应温度为20℃，考察不同投加量对处理效果的影响，结果如图4 所示。
由图4 可知，COD 去除率随投加量增加而提高。当柚子皮和水葫芦投加量为20 g/L 时，COD 去除率变化较小，而木屑与核桃壳投加量为28 g/L时，趋于稳定。由于投加量增加，处理过程中吸附点位数量增加，有机物和油脂与材料位点接触几率提高，处理表面积增大。由于投加量大，总吸附点未达到饱和，导致单位生物质油脂吸附量降低。
2．4 反应温度对处理效果的影响
按照1．3．3 实验方法，生物质粒径＜0．2 mm，生物质投加量为28 g/L，废水pH 为3，处理时间为3 h，考察不同温度对处理效果的影响，结果如图5 所示。
由图5 可知，温度对处理效果的影响较小，随着温度的升高，COD 去除率和油脂吸附量逐渐降低，但变化较小。温度在20～40℃范围内，生物质材料对COD 的去除率变化在6%～8% 之间; 由图5(b) 可知，随温度变化，每种生物质油脂吸附量变化不超过3 mg/g。温度升高，油脂吸附量逐渐降低，表明油脂在生物质材料上的吸附是放热反应，低温有利于吸附，餐饮废水在室温下即可处理，不需特意升高温度。
2．5 反应时间对处理效果的影响
按照1．3．3 实验方法，生物质粒径＜0．2 mm，投加量为28 g/L，废水pH 为3，反应温度为20℃，考察处理时间对处理效果的影响，结果如图6 所示。
由图6 可知，生物质材料对餐饮废水的处理效果随着时间的延长而逐渐显著，并趋于稳定。由图6(a) 可知，对于COD 去除率，水葫芦、柚子皮处理2h 后趋于平衡，而木屑、核桃壳处理2．5 h 后达到了平衡; 水葫芦、柚子皮、木屑达到平衡后处理效果均有不同程度的下降。由图6(b) 可知，水葫芦和柚子皮在2 h 内油脂的吸附量达到平衡，而水葫芦对废水中的油的吸附效果明显，呈直线上升趋势，而其他3 种生物质吸附效果变化缓慢。水葫芦的快速吸附表明油脂分子在水葫芦表面快速扩散，固液两相接触面积大，有利于油脂分子向水葫芦表面活性位点的扩散。
2．6 4 种材料处理效果差异分析
比表面积的大小会影响吸附材料的处理效果，材料的微孔的含量越多、比表面积越大，材料的吸附量越大。各处理材料比表面积的大小关系为: 水葫芦＞木屑＞柚子皮＞核桃壳。另外从孔径分布来看，核桃壳表面结构呈块状，固液接触面积较小，其吸附能力较弱。木屑结构呈片状，孔隙结构以大孔为主，而中孔和微孔吸附性能较好，所以木屑的孔径大小分布不合理，吸附能力较弱。柚子皮结构呈蜂窝状，有大量的孔洞，孔径大小分布均匀有序，具有很大的表面积，吸附能力强。水葫芦结构呈管状，孔隙结构发达、孔径大小分布合理，与餐饮废水的接触面积较大大，处理效果明显。
3、结论
(1) 利用生物质对餐饮废水进行预处理，确定了各生物质材料最佳的处理工艺，其中水葫芦和柚子皮的最佳处理条件为: 生物质粒径＜0．2 mm，投加量为20 g/L，pH 为4，处理时间为2 h，反应温度为20℃; 木屑和核桃壳的最佳处理条件为: 生物质粒径＜0．2 mm，投加量为28 g/L，pH 为2，处理时间为2．5 h，反应温度为20℃。
(2) 生物质材料均能有效地降低餐饮废水的油脂含量和COD，总体处理效果顺序为: 水葫芦＞木屑＞柚子皮＞核桃壳。
(3) 4 种生物质对餐饮废水的处理效果明显，去除了部分淀粉类和纤维类的有机物与动植物油脂。利用生物质处理废水，达到以废治废目的，为解决环境和资源问题提供了新的策略。
