換熱器輔助太陽能氧化處理垃圾滲濾液的應用

宣夢茹，申哲民，孫承興，朱英明，周德生，張美蘭

(1. 上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240;2. 昆明理工大學市政工程系，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，國內外垃圾滲濾液處理技術主要包括物化法、生化法、膜處理法、土地法等［2］。大量實踐表明處理工藝將以多種方法結合為方向，同時經濟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用，比如綠色建筑、海水淡化以及太陽能電池技術等，但其在工程上應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用，分析了光照強度在太陽能Fenton 氧化反應中對水中COD 去除效果的影響，以及換熱器在整個組合工藝中的效率和經濟性，以期為處理高濃度廢水組合工藝的開發(fā)提供一定的基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原水水質

滲濾液取自上海某固廢棄物處理場。各項指標具體如表1 所示。

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

1.2 試驗機理

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

1.3 試驗裝置

裝置如圖1 所示。原水由真空泵進入換熱器預加熱，然后進入太陽能加熱系統(tǒng)(由60 根58 mm ×2 100 mm的太陽能真空管組成)進行加熱，之后的滲濾液進入氧化罐(氧化罐由4 個串聯(lián)的氧化槽組成)，經過一定時間的氧化反應后再次經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 結果與討論

2.1 反應溫度對Fenton 法去除水中COD的影響

根據(jù)反應動力學可知溫度越高，反應越快。對于Fenton 反應，適當?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，當溫度低于60 ℃時，COD 的去除率與溫度呈正相關。

由圖2 可知廢水經過太陽能集熱器加熱后升高的溫度ΔT(經過太陽能集熱器加熱后廢水的溫度與經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，均是由強變弱，并在中午12 點時達到最高值，ΔT 可達到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 光照強度與ΔT 關系圖Fig.2 Relationship between Illuminance and Temperature

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

2.2 換熱器性能評價

為考察換熱器的換熱效果，通過在線檢測系統(tǒng)記錄各個水溫的實時數(shù)據(jù)，經過整理后得到系列關系曲線(如圖4)。由圖4 可知隨著時間的推移，原水溫度緩慢上升后維持在25 ～30 ℃。而經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態(tài)平衡，接近且略低于反應完成后的溫度。從換熱前后溫度差ΔT 也可以看出，ΔT 保持在15 ～20 ℃動態(tài)平衡，此時換熱器已經達到了最大換熱效率。

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 與時間t 是一次函數(shù)關系，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廢水進行加熱，水溫可以全天保持40 ～50 ℃，彌補了隨光照強度變化導致Fenton 氧化效果不穩(wěn)定。整個裝置連續(xù)5 d 分時段COD 去除率的變化曲線如圖5 所示。由圖5 可知大部分COD 去除率達到了90%以上，換熱器對于太陽能氧化系統(tǒng)具有一定的輔助功能，整個裝置效果穩(wěn)定，連續(xù)性較好。

圖4 換熱前后對比關系圖Fig.4 Relationship before and after Heat Exchange

圖5 COD 去除率隨時間變化曲線圖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，作為換熱器的經濟性指標如下式所示。

此即換熱器每傳過單位熱量時所消耗的可用能，Ys越小換熱器的經濟性越高。本研究環(huán)境溫度取20 ℃，機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。對比李煒煒［8］管殼式換熱器殼程強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)了較好的經濟性。

2.3 運行成本分析

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

3 結論與展望

換熱器輔助太陽能氧化系統(tǒng)的應用提高了垃圾滲濾液COD 的處理效果，較高濃度COD 廢水經處理之后達到了納管要求(COD ＜500 mg/L)，較低濃度COD 廢水經處理后基本達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級A 標準。換熱器的應用使氧化反應保持了較好的持續(xù)性和高效性，換熱器本身表現(xiàn)了較好的經濟性。換熱器輔助太陽能氧化系統(tǒng)運行成本較低，是比較有前景的廢水前期處理技術。在實際的工作中，可以在傳熱溫差ΔT 與熱強度Q 之間(也就是能耗和投資之間)進行權衡，以求全系統(tǒng)總費用最低。

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［7］倪振偉，焦芝林.換熱器的熵增計算法與總熵增率［J］.工程熱物理學報，1998，9(1):4-6.

［8］李煒煒.管殼式換熱器殼程強化傳熱研究［D］. 武漢:華中科技大學，2007.