低表面处理论文（精选11篇）
低表面处理论文 篇1
1 水质情况
水源取至吉林地区松花江水, 但受季节的变化, 水的流量也经常有变化。百年一遇的洪峰时最高水位标高为184.55m, 在枯水期最低水位标高为176.3m, 并且水质变化幅度也很大, 特别在冬季, 水温降到0-3℃, 浊度降到10-20NTU。这种低温低浊水处理很难达到出水水质标准。因为水温低, 凝聚与絮凝非常缓慢, 形成的絮凝体体积小、轻松、不易下沉使沉淀效果很差, 过滤后出水很难达到要求。但采用涡漩混凝低脉动沉淀方法处理后出水水质很好。
2 原水水质表
3 出水水质
经涡漩混凝低脉动沉淀方法处理后出水主要指标为下表:
4 净水场工艺流程
混合:采用撞击流微涡管式混合器。
反应:采用翼片格板反应器。
沉淀:采用小间距斜板沉淀池。
过滤:采用均质石英砂滤料的V型滤池。
在运行中反应池里形成的矾花颗粒大、数量多, 并沉后水浊度达0.8NTU, 这于采用先进而相互配套的设备是分不开的。
净水处理过程中形成矾花的大小及密实度是起关键作用, 絮凝效果的好坏取决于:1) 混凝剂水解后产生的吸附架桥的联结能力, 这是由混凝剂的性质决定;2) 微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞, 这是由设备的动力学条件所决定, 也就是混合和反应设备决定。
混合的本质是混凝剂的水解产物向水体中扩散过程, 扩散分为宏观扩散和亚微观扩散。宏观扩散取决于浓度梯度和水体湍动强度, 一般的混合设备均能完成宏观扩散, 微观微粒的碰撞反应取决于热力学条件和微粒的物理化学特性。亚微观扩散是扩散阻力最大的一环, 它决定了混合效果, 对于扩散系数可描述如下:
式中:λ涡漩尺度
λ0涡漩特征尺度
ε0能耗项
ν运动粘滞系数
α、β流态和热力学性质有关的系数
由上式可以看出, λ<λ0时的k值比λ>λ0时的k值小几个数量级, 因此它的扩散阻力最大, 亚微观扩散的实质是层流扩散。因此使混凝剂水解产物扩散到水体每一个细部是很困难的。但湍流过程中物质扩散过程主要是由惯性效应使物质迁移造成的, 特别是湍流微涡漩的离心惯性效应。但以前只重视宏观扩散而忽视了亚微观扩散。撞击流管式微涡漩混合器正是克服了以往的缺点, 在混合器中设置了多个孔板, 水通过孔板时产生速度变化和水流空间的尺寸以及速度零区的范围来造成高比例、高强度的微涡漩, 利用微涡漩的离心惯性效应来实现颗粒迁移, 克服亚微观传质阻力, 增加亚微观传质速率, 促进亚微观传质而达到良好的混合效果。
上面已提到决定混凝效果好坏因素, 以前认为要想增加水中颗粒的碰撞几率应增加速度梯度。公式如下:
P:单位体积流体所耗功率.W/m 3。
U:水的动力粘度Pa.S。
由上式中可知要增加颗粒的碰撞就增加速度梯度, 也就是增加反应池中的流速。但是絮凝过程是速度受限过程, 随着矾花的长大, 水流速度应不断减少, 所以以前设备受以上的条件限制反应效果不好。翼片格板反应器的设计克服了以往靠提高流速而达到颗粒碰撞的作法。水通过反应器时随着断面积的不一致而流速也不一致, 因此根据伯努力方程动能, C常数) 可知经过格板处和格板后的压力不一致, 有逆向压力梯度存在, 由于过格板后的流线分离而形成速度空白区, 从而格板后产生涡漩, 在涡漩中颗粒受到离心力F1和水的压力F2和运动产生的绕流阻力Fd的作用。F1和F2的合力决定了颗粒沿径向运动。
绕流阻力Fd=CDWρV12/2
CD:绕流阻力系数
W:物体与流体方向正交的断面投影面积
ρ:流体密度
V1:一束流流体在未受绕流影响以前流体与物体的相对速度
由上式中可以看出, 在水体中运动的颗粒大小不同而所受的阻力也不同, 因此涡漩内不同尺度的颗粒有碰撞的可能。由于离心惯性效应, 颗粒由原速度区向新速度区运动时, 因速度差异而与新速度区的颗粒发生碰撞合并, 漩涡内相邻的速度层间产生滑移也为层系之间的颗粒碰撞提供条件, 因此在同等流速下大大提高颗粒的碰撞机会。也就是反应效果明显好于以前的其它设备。
低表面处理论文 篇2
新华网长沙１２月８日电（记者 于磊焰、苏晓洲、段羡菊）从早年的“垃圾围村”，到如今一些地方几乎“垃圾埋村”，中国乡村千百年来似乎“不成问题”的生活垃圾污染问题，近些年成为一个迫切的社会热点和难点。
记者近期探访湖南省浏阳市三口镇等地，发现当地官方和民间齐心合力，创造性地将农民自主治理、市场机制和公共管理介入三大要素结合起来，探索一套比较有效的方式，“三口模式”初步破解了“垃圾围村”难题。
城里“后生”们“嫌弃”回乡
地处湘赣边境的湖南省浏阳市，人口过百万，５０００多平方公里的地域，自西向东，从平原而丘陵，进而至于海拔千米以上的罗霄山系。
记者一行，出浏阳城区北上，车进三口镇，给人最突出的感受就是干净！房前屋后、阡陌之间，很难看见垃圾和杂物，景色特别“养眼”。
“以前不是这个样子。”三口镇年过七旬的老人冯辉明、李寿兰夫妇指着后院空坪一角大块黑灰色印迹说，过去乡间无人收垃圾，无奈他们只好将自家垃圾全倒在院子后面的空地一角。垃圾腐烂变质后，气味很难闻。隔段时间自己烧一次，浓烟滚滚，人呆在附近连气都透不过来。
看见有人拍照，冯辉明的几位邻居围拢了过来。大家七嘴八舌，形容过去的农村是“一条街，两排房；到处臭水沟，随地垃圾场”。一位老人说：“卫生条件太差，在城里长大的孙辈们回来吃饭都作呕，来一次就再也不愿意回来！” 三口镇党委书记王桃文告诉记者，三口镇称得上是中国农村生活垃圾污染问题的一个“标本”：２．２万人口聚居于５平方公里范围内，每天产生约３０吨垃圾，没有去处，只好就地消化。
环保部门和科研机构的调查表明，从早年的“垃圾围村”，到如今一些地方几乎“垃圾埋村”，中国农村生活垃圾污染问题日益触目惊心。湖南一个百万人口、经济比较发达的县统计，每天农村产生的生活垃圾接近千吨水平，而每年乡镇污水排放量更超过１５００万吨，这相当于一个中等城市生活废物排放。
但与城市拥有相对完善的固体废弃物和污水处理体系不同，有调查数据显示，全国４万多个乡镇中绝大多数缺乏最基本的环保设施。而数以十万计的行政村，绝大多数生活污染治理还处于空白状态。
分类“减少”九成垃圾
农村生活垃圾污染问题关注起来容易，但治理起来需要能力和智慧。
在浏阳市三口镇，记者发现这里走出了一条“分类减量、上户收集、村民自治、政府补助、公司运营”的新路子。
在三口镇，每个农家院墙角，都有绿色和白色两个垃圾桶，分别收储“可回收”和“不可回收”垃圾。居民居住相对密集的“屋场”上，还有两尺见方的水泥垃圾池，配有密封盖板。当地村民周才建说，这个垃圾池专门用来倾倒煤灰、剩饭剩菜等垃圾。自从垃圾池进了村，乡间过去四处飘荡的臭味减轻了，蚊子苍蝇也少了很多。
王桃文说，三口镇垃圾“分类减量”是被逼出来的：全镇“日产”垃圾３０吨左右，一天的垃圾清运费达到２４５０元，如果搞“村收集、镇中转、市处理”，全镇全年处理垃圾的运输费就需８８万元，财政无力承担，浏阳市垃圾处理厂也无法容纳。为此，三口镇探索把垃圾分为三类，尽可能放在三个不同地方。
其一是“可堆肥垃圾”，如剩饭菜、瓜果皮、烂菜叶等。农户学着在家附近挖坑集中堆放，发酵后作为有机肥，或者投入邻近的沼气池，实现资源化利用。其二为“可无害化处理垃圾”，如煤渣、炉灰、石块等，拿去铺路填坑。剩下“不可回收、有毒有害垃圾”，则投入垃圾池，统一收集，送镇中转站处理。
“分类减量可以把三口镇垃圾减少９０％，全年垃圾转运费只需要１０万元左右，解决起来就轻松多了。”王桃文说。
“破烂王”改行当保洁员
乡村卫生治理，离开了公共财政寸步难行。２０１０年初，浏阳市和三口镇投入专项预算资金３０万元，用于给村民统一配备垃圾桶，以及镇垃圾中转站建设。后又增加２０万元预算经费，主要用于村级小区基础设施建设和后续环境整治宣传。
在分类的基础上，三口镇引入市场机制一些要素，消化农村生活垃圾：以镇废品回收中心为依托，将所有保洁员纳入其体系，成立合作性质的农村保洁公司——三口镇为民农村保洁服务有限公司。保洁员对三口镇所有可回收废品进行统一回收，并由公司统一出售，所得利润作为保洁员的收入补贴给保洁员。
这样，农村保洁公司相当于城市的物业公司，户主理事会相当于城市小区的业主委员会，三口镇的垃圾收集转运管理就被纳入到市场化运作、公司化管理的良性轨道上来。循着一条乡村小路，记者找到了外表上看似一座新“洋房”的垃圾站。围着一堆刚从三轮车上卸下的垃圾，沈学成和几个人一道正用耙子仔细翻拣，将可以回收的瓶子、纸张、塑料等选出来。
沈学成告诉记者，这座垃圾站属于三口镇金园村。而他则是从过去走村串户收废品的“破烂王”转型而来的保洁员。按照现行机制，沈学成从金园村５００多户中，每户每月收取５元卫生费。村上每月补贴三轮车汽油费５００元。
垃圾站外，一个有着绿色纹饰的白色封闭式汽车货箱非常引人注目。垃圾站负责人周康友说，他负责使用各种机械化设备，将沈学成等人分拣后需要填埋的垃圾在站内入池、压实、装箱，发短信通知浏阳市固体废弃物处理中心后，马上就有专门为跑乡村公路设计的垃圾运输车开来，卸下空箱，将装满垃圾的车厢运走。
阳光下，沈学成、周康友忍着垃圾堆发出的阵阵臭味，汗流浃背地埋头干活。“在农村能有一份固定收入不容易。”沈学成说，“每年乡里要对我们考核，如果有超过２０％的农户对我们的工作不满意，就要被扣钱甚至‘下岗’。”
探索环境治理模式 开展乡村清洁工程 ——湖南省浏阳市三口镇农村垃圾治理样本剖析
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三口镇位于湘东的浏阳市东部山区，三面环山，总面积55.6平方公里。全镇辖7个村（社区），224个村（居）民小组，2.2万人口。因境内三条河流交汇，故称三口，是一个典型的南方农村乡镇。
一、中国村镇环境治理的困局
农村是农民生存和农业发展的基地，农村生态环境的好坏直接影响农民的健康、农业的可持续发展和农村的长久稳定。当前中国乡村环境面临三大难题：第一，农村垃圾历史遗留问题多。第二，几千年形成的乡村生活陋习短时间难以改变，村民环境意识不高。第三，乡村环境治理基础设施缺失。
在三口镇，2.2万人口主要聚居于5平方公里范围内，人口密度大，环境污染较为突出，人民群众要求治理农村环境污染问题的愿望非常迫切。鉴于此，我们全面启动了“乡村清洁工程”，探索乡村环境治理之路。二、三口镇对农村垃圾治理模式的探索
2010年三口镇提出了创建“国家级生态乡镇和浏阳最美乡村”的目标，在全镇范围内全面开展农村垃圾整治。经过摸索和实践，三口镇探索出了一条“分类减量、上户收集、村民自治、政府补助、公司运营”的农村生活垃圾治理新路。
1.农村垃圾分类收集，实现资源化和减量化。
垃圾分类减量是三口镇镇农村垃圾处理的核心环节。三口镇日产垃圾30吨左右，一天的垃圾清运费达到2450元，如果完全实行“村收集、镇中转、市处理”，全镇全年处理垃圾的运输费就需88万元，财政无力承担，市垃圾处理厂也无法容纳。
三口镇率先在湖南实施了乡村生活垃圾分类，对农村垃圾实现资源化和减量化进行了探索。在三口镇，垃圾被分为三类，村民将它们分别盛装在三个不同的垃圾桶内。第一类为可堆肥垃圾，如剩饭菜、瓜果皮、烂菜叶等。对于这类垃圾，农户在家附近挖坑集中堆放，发酵后作为有机肥，邻近有沼气池的也可将其投入沼气池作沼气原料，实现资源化利用。第二类为可无害化处理垃圾，如煤渣、炉灰、石块等，用于铺路填坑。第三类为不可回收、有毒有害垃圾，如碎玻璃、废塑料、纤维、泡沫、尿不湿等，则统一收集，送镇中转站处理。
通过垃圾分类减量，三口镇垃圾实现减量化90%。目前，三口镇全年垃圾转运费降至10万元左右，社会经济效益和环境效益十分明显。
2.村民自治与市场化运作有机结合，建立起稳定的农村生活垃圾收集体系。
三口镇充分发挥村民的主体作用，采用村民自治的模式。根据村的大小和家庭户数多少，由各村清洁工程户主理事会聘请2 3名保洁员，保洁员自配垃圾清运车，定期上门将农户垃圾收集并运送至镇垃圾中转站，压缩后送往市垃圾处理场，形成了“户、屋场、村、镇四级垃圾处理作业链”。
各村召开村民代表会议，选出户主理事会，对保洁员实行月考核、季评比管理，形成了村（居）委会负责指导、户主理事会监督管理、保洁员上户收集、保洁费用农户分摊、政府考核补助支持的村民自治模式。
同时，三口镇以镇废品回收中心为依托，将所有保洁员纳入其体系，成立合作性质的农村保洁公司——三口镇为民农村保洁服务有限公司。保洁员对三口镇所有可回收废品进行统一回收，并由公司统一出售，所得利润作为保洁员的收入补贴给保洁员。
这样，农村服务保洁公司相当于城市的物业公司，户主理事会相当于城市小区的业主委员会，三口镇的垃圾收集转运管理就被纳入到了一个市场化运作、公司化管理的良性轨道上来。
3.政府适当补贴，完善垃圾治理基础设施设备
2010年初，镇财政投入专项预算资金30万元，用于给村民统一配备垃圾桶，以及镇垃圾中转站建设。2010年6月，镇财政又增加了20万元预算经费，主要用于村级小区基础设施建设和后续环境整治宣传，合计投入达到50万元。
三、农村环境整治难点与对策
1.广泛的宣传和动员是实施农村垃圾治理的保证。
农村环境整治是全民工程，整治农村环境，首先要从意识做起。为此，三口镇做了大量的、深入的宣传动员工作。第一，统一村镇骨干思想，形成支持农村生活垃圾整治的中坚力量。第二，组织干部深入群众，在全镇范围内开展全民素质教育。第三，树立标杆，进行榜样宣传。第四，采取多种形式的宣传。
2.清除历史垃圾解决历史问题是乡村环境整治的前提。
三口镇选择从群众意见强烈的环境问题进行破题，在群众心中树立起了整治垃圾的信心。
开展乡村环境整治以来，三口镇共组织了11次全镇范围的卫生大扫除，重点清理了全镇范围内历史陈积垃圾和河渠飘浮物，平整村级道路10.2公里，使三口镇村容镇貌得到了巨大的改善。
3.建立标杆示范点积累经验是乡村环境整治的必要条件。
三口镇明确了以“就地处理为主导”的农村垃圾分类处理理念，提出了“积极探索、缜密操作、先行试点、稳妥推进”的实施方针。三口镇党政班子成员通过到农户、企业座谈，进行充分的调查研究后，选定白路村作为试点村。
在试点村经过反复试验论证之后，最后确定了三口实行垃圾处理的主模式为“桶装分类、上户收集”，同时在偏僻边远区域实行“池装分类、屋场管理”和“散户分类、自行处理”的辅助模式。
4.科学的理念、系统的规划是乡村环境整治成败的关键。
在实施乡村清洁工程中，三口镇得到了中联重科的大力支持，两家合作，共同探索农村垃圾分类、就地处理和综合治理道路，全面推行农村垃圾“分类减量、上户收集、村民自治、政府补助、公司运营”的处理模式。这种模式既兼顾了村民对美好生活环境的需要，又保证了政府有足够的财力进行支撑和运作。
四、三口镇环境整治下一阶段的方向
三口镇垃圾治理已产生了明显成效。通过垃圾整治，群众提升了环保意识，对空气质量、生活污水排放、禽畜污染等问题越来越重视，对沟渠标准化、道路平整硬化、环境绿化的期望值越来越高。然而，有限的乡镇财力与群众不断上升的环境要求成为了一个新矛盾。
三口镇在巩固、完善、提升目前运行模式的基础上将进一步深化对农村环境的整治，未来的工作主要集中在三个方面：
第一，实施庭院整治。大力开展改厨、改厕、改水、改路工程；规范庭院养殖和类似形式的散养、圈养，推广健康养殖，人畜分开，畜禽圈养，圈舍定期清洁；垃圾实行容器存放，无卫生死角。
第二，加大河渠环境治理。搞好河渠清淤疏浚工作，清除水面飘浮物和河道堆积的垃圾；逐步建立污水收集系统，严禁将生产生活污水、生活垃圾直排或倾倒入河渠；做到河道无淤积，水面无水草杂物，河岸无垃圾，污水不直排。
如何改善城市生活垃圾低碳处理 篇3
【关键词】城市生活垃圾；低碳；处理；措施
一、生活垃圾源头减量化
城市生活垃圾产生之后，随着一系列的收集、运输、回收、处理过程中都会带来大量的温室气体的排放量，给气候和环境带来极大的危害。生活垃圾处理作为一个人为的碳源，减少其过程中的二氧化碳的排放量，对城市生态环境具有十分重要的意义。在整个生活垃圾处理过程中，控制其在源头的产生，是解决垃圾处理低碳发展的关键问题。
生活垃圾源头减量化要求，一切产品在成为垃圾之前要进行严格的控制和管理。政府应该通过大力引进国外先进的生产技术，减少企业在生产过程的废弃物的产生量。规范对商品的包装，尽量减少对一次性物品的使用，推行适度的包装行为，限制过度包装，尽可能使用可再生的包装材料，减少垃圾的产生，城市生活垃圾减量化最优先的原则就是对产生源头的控制，它不单是要减少城市生活垃圾产生的数量和体积，还包括尽可能减轻垃圾的危险指数，减少垃圾的种类，降低垃圾中有害物质的浓度。
二、推进生活垃圾的分类收集
城市生活垃圾的源头分类收集是实现垃圾有效管理的重要前提，是实现生活垃圾无害化、减量化和资源化的关键。生活垃圾的分类收集是从垃圾产生的源头出发，按照垃圾的不同成分，不同的处理方式的要求，将其中可回收利用的垃圾和其他垃圾分开，提高垃圾的回收利用率，降低生活垃圾处理的成本。
目前城市的垃圾分类收集的开展还有较大的困难，主要体现在公众的环境卫生意识高低不一，接受程度也有很大的差异。但是作为一项利国利民的垃圾资源化手段，要根据各地的具体情况，逐步的实行生活垃圾的分类收集。城市环保部门应该在各个地方都要摆放分类的垃圾桶，同时还要采取相关的警告和罚款制度，对于不听劝告的就要开出罚单。
各个城市还要完善垃圾分类的运输环节，其实绝大多数的居民具有垃圾分类的意识，但是在实际的操作过程中，每个人的参与度却远远不高。有的居民已经把垃圾分类了，但是却被环卫工人混装到一个车上，使得前期的分类失去了意义，这样也打击了居民进行垃圾分类的积极性。政府应该采取优惠政策来促进居民进行垃圾分类，支持生活垃圾分类和回收企业的发展。
三、推进再生资源的回收利用
我国是一个自然资源匮乏的国家，很多资源的人均占有量远远低于世界的平均水平，甚至有些资源人均占有量不到世界平均水平的一半。再生资源的回收利用可以减少对原生资源的开采，节约有限的自然资源，从而减轻我国人均资源占有量不足的压力，减缓经济发展与自然资源不足之间的矛盾。因此，城市发展过程中应该积极推进再生资源的回收利用，将社会生产和消费后的废弃物回收再利用，对减少原生资源的开发、提高资源的综合利用率、节能减排和推动经济增长方式的转变具有重要的意义。同时还要逐步研究和开发废旧物资的二次加工与综合利用，实现就地资源化，进一步提高废物利用水平。
四、建立健全的城市生活垃圾收费制度
城市生活垃圾收费制度的建立势在必行，征收一定的垃圾处理费用，以补充垃圾清运、处理处置费用的缺口，减轻政府的财政负担，还可以增强居民对生活垃圾处理的环保意识。对城市生活垃圾进行收费，会在很大程度上减少城市生活垃圾的产生量。由于我国的地域广阔，名族众多，不同地域的生活习惯差距很大，很难制定出一套适合所有城市的生活垃圾收费制度。因此每个城市应该根据自己的实际情况，因地制宜，从城市生活垃圾的组成成分、地理情况、居民的构成情况、收入情况等进行综合评估，制定本区域城市的生活垃圾收费制度。
五、建立完善的城市生活垃圾处理法律法规
目前城市垃圾处理的法律还不够完善，我国出台的《固体废弃物污染环境防治法》对城市生活垃圾做出了基本的要求，但是还需要制定其他一些配套法律法规来落实细化。各级政府也要积极发挥作用，根据固废法制定和完善适合本地生活垃圾处理的相关法律和法规，制定实施细则以及各项的配套法律规定。明确各个政府职能部门的相关职能，改变现有的多头管理、相互推诿以及有职无权的乱象。制定明确的违反城市生活垃圾相关防治法律的行为的要相关的法律责任和处罚的具体的内容。还要尽快制定《城市生活垃圾回收管理条例》，以法律的形式确定城市生活垃圾的分类回收制度。使有关部门做到有法可依，依法执行，规范城市生活垃圾的处理。只有有了明确的法律规定，建立相关的监督部门，才能减少执法的程序，提高执法的效率。
六、建立社会主义市场经济的城市垃圾管理体系
我国现行的政企合一的城市生活垃圾管理体制阻碍了垃圾处理产业的发展，改变现有管理体制上的被动格局，政府部门应转变职能，主要参与法律政策的制定和监督管理工作，专业的保洁公司来提供具体的垃圾处理的管理模式，建立一个与中国特色社会主义市场经济相适应的城市垃圾处理管理体制。将城市垃圾处理工作从政府部门中分割出去，由计划经济的事业单位管理体制转为市场经济的企业管理体制，建立生活垃圾处理公司，形成生活垃圾处理的产业化。鼓励公司企业参与到城市生活垃圾的处理中来，垃圾处理公司市场化运作，由他们负责具体的生活垃圾的收集、运输、处理和处置。这样不仅能引人市场经济的竞争体制，还有利于提高垃圾处理的效率，减轻了政府在垃圾处理方面的财政压力。
培育降低垃圾处理主体的运行成本和公平竞争的环境，促进市场集中度提高。有效竞争的回收市场结构需要创造行业发展的有利环境，首先对于那些在垃圾回收过程中符合标准要求的各个主体，通过引入多种利益主体，获得足够的资金对其支持外，更重要的是通过各种措施提高其自身的盈利能力。我国要进一步的完善税收制度，对符合条件的企业进行实质性的支持；促进物流平台的建设，提高企业的物流效率，降低物流运行的成本；鼓励企业之间的技术创新和研发活动。努力创造公平竞争环境，促进市场集中度的提高，最终形成有效竞争的社会主义市场结构。
七、鼓励公众的参与积极性
公众是各种政策的最终的作用对象，他们的参与程度直接影响和觉得政策的效果。工作参与首先体现在对政府政策的响应程度和对自身行为的约束上；其次，要通过行业协会或者是其他的渠道，参与到城市生活垃圾管理的相关政策制定。因此，建议各个城市制定有关尘世生活垃圾相关的管理政策制定听证制定，保证公民对各项政策措施的知情权和发言权，通过媒体或者发布会的形式把拟定出台的相关政策公示出来，鼓励公众的参与积极性。同时，对于公众的参与决策权要在相关的城市政策和法律中加以保障，努力创造公众参与与决策的各种渠道。
生物法处理低浓度有机废气 篇4
我国目前只对高浓度有机废气采取了净化处理措施, 如催化燃烧法、吸收法、吸附法等, 但对于低浓度工业有机废气至今尚未采取有效的治理措施。生物化学法是针对工业低浓度、无回收价值又严重污染环境的有机废气而开发出的一种新型废气处理方法。生物化学法应用在废水处理领域已有百年历史, 但利用微生物处理废气的历史则很短。自80年代末起, 国内外的环保工作者越来越关注利用生物法去除气态污染物的处理工艺, 并逐渐成为世界工业废气净化研究的前沿热点课题之一。在德国、荷兰及日本等国在脱臭及近几年的有机废气净化实践中已有一些成功的范例, 据1991年统计, 欧洲有500多座生物滤池在运行, 大部分的处理效率在90%以上[1]。国内在生物法去除气态污染物的研究方面尚处于起步阶段, 可以预见生物处理技术在大气污染控制领域具有广阔的应用前景。
2 工作机理
工业废气的生物净化过程实质上是利用微生物的生命活动将废气中的有害物质转变为简单的有机物 (如CO2和H2O) 及细胞质。根据荷兰学者Ottengraf提出的、国际上常用的吸收—生物膜理论, 生物化学法处理有机废气时一般要经历以下几个步骤:
(1) 废气中的有机污染物首先与水接触并溶解于水中 (即由气膜扩散至液膜) ;
(2) 溶解于液膜中的有机污染物在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜, 进而被其中的微生物捕获并吸收;
(3) 进入微生物体内的有机污染物在其自身的代谢过程中被作为能源和营养物质而被分解, 经生物化学反应最终转化为无害的化合物 (如CO2和H2O) 。昆明理工大学的杨显万等[2]通过针对吸收—生物膜理论动力学模式的研究发现, 该理论在描述生物法净化低浓度挥发性有机废气的机理过程中有不足和缺陷。他们通过对生物膜填料塔净化低浓度甲苯废气过程机理的进行分析, 提出了吸附—生物膜的新理论。根据新理论, 生化法净化处理低浓度挥发性有机废气一般要经历以下几个步骤:
(1) 废气中的挥发性有机物扩散通过气膜并被吸附在湿润的生物膜表面;
(2) 吸附在生物膜表面的有机污染物成分被其中的微生物捕获并吸收;
(3) 进入微生物细胞的有机污染物在微生物体内的代谢过程中作为能源和营养物质被分解, 经生物化学反应最终转化成为无害的化合物, 如CO2和H2O。他们依据这一新理论建立了生物膜填料塔净化低浓度甲苯废气的动力学模式, 实验结果表明, 其模拟计算值与实验值之间有很好的相关性, 相关系数R>0.93。扬显万等[3]继续以含有低浓度挥发性有机污染物的甲苯废气为研究对象, 采用国内的微生物菌种, 针对过程机理进行研究表明, 生物膜填料塔净化低浓度甲苯气体是一个以气膜控制为主的传质过程, 其中甲苯的生化降解属于瞬时快速化学反应, 即甲苯的生化降解反应速率远远超过甲苯在液膜中的扩散速率, 甲苯的生化降解在气液相界面处即可发生, 其宏观表现即为甲苯气体直接吸附在湿润的生物膜上后被微生物生化降解。因此可以从气体吸附理论的新角度去解释生物法净化废气中低浓度挥发性有机物的动力学过程。对于低浓度挥发性有机废气的生物法净化装置的设计与操作而言, 凡能改善传质条件、减少气膜阻力的措施均能强化这一生物吸收净化过程。
用来进行气态污染物降解的微生物可分为自养菌和异养菌两类。自养菌可在无机碳和氮的条件下靠硫化氢、硫和铁离子及氨的氧化获取能量, 其生存所必需的碳由二氧化碳通过卡尔文循环提供。异养菌则通过有机物的氧化来获得营养物和能量, 适合进行有机物的转化, 在适当的温度、酸碱度和有氧的条件下, 可较快地完成污染物的降解。同废水的生物处理一样, 特定的待处理成分都有其特定的、适宜的微生物群落。在某些情况下, 起净化作用的多种微生物在相同的条件下均可正常繁殖, 因此在一个装置里可同时处理含多种成分的气体。在大多数生物反应器中, 微生物种类以细菌为主, 真菌为次, 极少有酵母菌。为了加快反应器的启动, 有必要预先接种微生物。对易生物降解物质的处理, 从污水处理厂排出的活性污泥可作为反应器启动的接种污泥直接投入。对难生物降解或有毒的化合物, 只能以极少数微生物来降解。为缩短反应器的启动时间, 缩短其滞后期, 可投加通过实验分离和富集的纯菌种。浙江大学的王玮[4]进行了有关脱硫性能细菌的分离与特性研究, 通过从含硫土壤中分离到的一株无机化能自养型的脱氮硫杆菌菌株L1。该菌株可利用硫代硫酸钠、硫酸盐作为能源, 在细胞内、外储存硫粒, 在好气或厌气条件下能以硝酸盐为氮源, 最适生长pH6.0。在约1%接种量时, 该菌7d可使硫代硫酸盐和硫酸盐的脱硫率分别达到34.37%和9.79%。国外一些实验室和公司专门供应纯菌种。
3 处理工艺
主要的生物处理工艺[6]:
(1) 生物过滤法:
该工艺研究最早, 且技术比较成熟。废气从反应器下部进入, 通过附在填料上的微生物, 被氧化分解成为CO2、H2O、NO3—和SO42—, 达到净化的目的 (见图3) 。生物滤池的填料多种多样, 通常有土壤、堆肥和泥碳等, 与一些比表面积大、孔隙率大或表面粗糙的惰性材料混合在一起, 以保持床层填充均匀和减小对气流的阻力。生物滤池中填料的气/液比表面积在300～1000 m2/mi2[15]。
(2) 生物吸收法:
该法由两部分工艺组成 (见图1) 。一部分为废气吸收段, 即废气从反应器的下部进入, 向上流动与喷淋的含微生物的悬浮液在惰性填料层接触, 气相中的污染物质被传递到水相中并被微生物所吸收, 净化后的空气从反应器上部排出。另一部分为悬浮液再生段, 即活性污泥曝气池。悬浮液从反应器的底部流入该段, 污染物被生物氧化得到再生, 再生后的悬浮液又从吸收塔上部喷入, 吸收废气中的污染物, 反复循环运行。由于该工艺的吸收和生物氧化在两个独立单元中进行, 易于分别控制, 达到各自的最佳运行状态。
(3) 生物滴滤法:
生物滴滤法工艺集生物吸收和生物氧化于一体。象生物吸收法一样, 吸收液在反应器中循环, 与进入反应器的废气接触, 吸收废气中的污染物质, 达到废气净化的目的。但反应器中的填料上生长有生物膜, 可象生物滤池一样, 对气相和液相中的污染物质进行生物氧化 (见图4)
4 工艺参数及填料的选择
在将生物技术应用于废气处理时, 进气浓度不宜超过5g/m3。生物滤池的高度一般在0.5～1.5m之间, 滤池太高会增加气流的流动阻力, 太低会增加沟流现象, 影响处理效果。在结构上可考虑多层填装, 以减小占地面积, 下部布气要均匀。生物反应器最好以封闭为主, 使运行操作易于控制。运行温度应控制在20～40℃为宜。控制进气湿度, 在生物滤池中填料与生物固体的水份含量一般须高于40%。为增加废气的湿度, 即可在生物滤池上方安装喷水器, 也可在进气中喷水。控制生物反应器的水相pH在6～9范围内。在降解含氯、氮、硫的化合物时, 反应器内会发生酸的积累:如处理硫化氢气体时会有硫酸的积累;处理含NH3气体时会发生硝酸的积累;在处理氯化物时会发生盐酸的积累。因此在液相中投加碱或缓冲物质, 调节 pH是十分必要的。也可以对反应器进行定期冲洗和排放。处理有大量酸性物质产生的气体时, 宜采用生物吸收法或生物滴滤法, 这是由于这些工艺的生物降解过程是在水相中进行, pH值易于控制[6]。用生物过滤器处理二甲基硫化物废气时, 在运行两个半月后, 由于二甲基硫化物被氧化成硫酸, 会造成已接种过滤器的酸性化, 使生物过滤器的最大去除能力从30g/m3-day降至12g/m3-day。通过在生物过滤器上喷洒一种缓冲无机溶剂进行中和, 便可使去除能力上升至50g/m3-day[7]。国外的研究学者制造了一种新型的生物反应器, 它利用填装物上生长的真菌来处理废气中的苯乙烯, 其最大持续苯乙烯处理能力可达到80g/m3过滤床层/h, 反应的pH可降至3, 但不会影响到过滤器的去除能力, 这是由于该反应器在低pH条件下更有效。但必须严格控制生物过滤器中的水汽湿度>40%[8]。
生物反应器中的填装材料必须具有良好的气渗透性, 湿气保持能力及良好的缓冲能力, 可使气体不会粘牢在填料上, 保证处理过程中100%的相对湿度, 中和污染物降解过程中所产生的酸。通过对泥碳、含珍珠岩的堆肥、城市堆肥、蛭石等填料进行评价, 发现堆肥作为填料时性能最好, 这主要是由于其高的生物群落含量、高的营养物含量、良好的湿气保持能力及空气渗透能力。堆肥生物过滤器在2～5天内便可适应甲苯和二甲苯, 当VOC浓度>700mg/m3、运行两个月时, 反应器的去除率始终>99%。去除率逐渐降低表明填料的寿命已到, 通过确定反应速率、内源代谢衰退和临界操作条件等设计参数, 可计算渗滤限值。当进气浓度在10～700mg/m3时, 该反应动力学为零级反应。根据生物过滤器的微生物生长动力学推算出的微生物群落平衡模型可预测出填料床层的寿命。除了操作参数, 进气浓度也会对动力学和床层寿命造成巨大影响[9]。膜生物反应器是采用多孔疏水性聚丙烯膜作为填料, 在实验中可以观察到聚丙烯膜上没有微生物的生长, 而且其渗透能力很强, 对RhMe和CH2CL2的去除率很高[10]。还可采用粉末状活性碳作为填装物, 用城市活性污泥进行接种, 培养丙酮降解微生物群落, 其去除率高于采用泥浆作为填充物的生物反应器, 粉末状活性碳可通过生物过程进行再生[11]。
日本专利JP04 74511[12]报道通过喷射喷嘴将臭气喷入生物降解池中的同时, 将有机废水和曝气后的出水引入生物降解池中, 该生物降解池中填装有蜂窝状的载体, 其上生长了大量的微生物群落, 通过微生物的降解作用可同时进行臭气和有机废水的处理。当进气中H2S的浓度为326.00ppm、有机废水TOC的浓度为1900kg/L时, 出气中H2S的浓度降至21.7 ppm、有机废水TOC浓度降至130mg/L。当气态污染物为疏水性或不溶性污染物时, 生物滤池的去除率会比较低。国外研究人员[13]通过实验发现, 对气态污染物进行预处理可有效提高生物滤池的降解能力。在利用生物滤池处理苯乙烯废气时, 先使苯乙烯废气通过一个光化学反应器, 进行UV辐照, 将苯乙烯转化为苯乙醛, 然后让苯乙醛通过生物滤池进行生物降解, 其体积降解能力高出直接处理苯乙烯生物滤池体积降解能力的三倍。
5 结论
随着工业的发展、人口的增长, 导致工业及城市污水处理量日益增加。由于未考虑到对空气的二次污染, 传统的大型污水处理场内的所有处理装置均为敞口设备。在污水处理过程中, 废水中所含有的大量挥发性有机污染物, 在空气的吹脱作用及生物化学反应作用下从水中逸出, 严重污染了周围的大气环境, 影响到了人类的健康。因此应封闭污水处理场的污水处理装置, 将收集起来的废气进行集中处理, 以减少因废水处理而造成的二次污染。该种有机废气虽然浓度低, 但对人体健康与生态环境的危害却不可忽视。生物净化工艺正是针对该类既无回收价值又严重污染环境的有机废气开发的。通过国内外10多年的实践表明, 生物法具有工艺流程简单、能耗小、处理费用低、效果好等诸多优点, 是现阶段净化处理工业低浓度有机废气的有效方法。在对该技术的研究开发上, 国外处于领先地位, 发表了大量的文献, 国内在这方面至今只有少数的研究报道。因此我国科学工作者应加强对该项技术的开发研究工作, 使其在低浓度有机废气的治理上发挥重要的作用。
摘要：文章详细介绍了生物化学法在处理有机低浓度废气时的工作原理及三种处理工艺, 分析了处理时应控制的工艺参数及填料的选择。阐明了开发该项废气处理技术的意义及广阔的应用前景。
低表面处理论文 篇5
研究发现低强度的`超声辐照可以有效促进微生物的活性,可将其用于强化污水的生物处理,通过增强反应器内微生物的活性来提高污水的处理效率.本文综述了超声波在生物工程和生物学上的国内外研究成果,对低强度超声波的生物效应以及在促进生物活性中的主要作用机制进行了探讨,并分析了其在强化污水生物处理中的应用前景.
作 者：闫怡新 刘红 YAN Yi-xin LIU Hong 作者单位：闫怡新,YAN Yi-xin(北京师范大学环境学院,北京,100875)
刘红,LIU Hong(北京航空航天大学环境工程系,北京,100083)
低表面处理论文 篇6
关键词：光催化生物法有机废水
中图分类号：TQ02文献标识码：A文章编号：100703973(2010)09－073－02
1、引言
近年来。工业废水，如农药、制药、造纸、印染等废水的直接排放，造成了水体严重的有机污染，严重威胁着人类的健康，已成为一个严峻的环境问题。目前全世界已发现的700多万种有机化合物中，地面水体中检出的有机物达到2221种，其中具有致癌、致畸达数百多种。
目前，虽然物理法、化学法、生物处理及高级氧化技术(Ad－vanced oxidation processes，AOPs)应用于难降解有机工业废水的处理，但仍缺乏经济而有效的实用技术。近年来，一些联合处理技术，如光催化氧化联合生物处理技术，应用于低浓度有机废水的处理显示出其独特的优越性，成为废水治理领域的研究热点，引起越来越多学者的关注和研究。
本文简要概述了水体中低浓度有机废水处理技术现状，综述了光催化氧化联合生物处理技术的研究进展。
2、低浓度有机废水处理技术
一般认为，有机废水浓度在1000mg／L以上的为高浓度有机废水，应首先考虑酚的回收利用：浓度在500mg／L以下的为低浓度有机废水，需净化处理后排放或循环使用。有机废水成分复杂、毒性大、有机物含量高，处理起来有极高的难度。目前，有机废水的处理方法主要有物理法、化学法、生物法及高级氧化技术。与物理法、化学法相比，生物法具有经济、高效、处理量大、无二次污染的特点，是目前低浓度有机废水处理应用最为广泛的技术。
近年来。一些学者利用高级氧化技术，如光催化技术，联合生物法处理低浓度有机废水，通过光催化氧化使得那降解有机化合物矿化，转变为易于生物降解的或毒性较小的有机物，一定程度上加速了生物降解速率，降解更彻底，无二次污染，具有突出的优势和广阔的应用前景。
3、光催化联合生物法处理低浓度有机废水技术
3.1光催化技术
光催化技术以光敏化半导体为催化剂，在紫外光或日光照射下产生电子一空穴对，催化剂表面羟基或水吸附后，形成氧化能力极强的羟基自由基，通过一系列自由基氧化反应降解有机物。该技术在常温常压下降解有机物，甚至完全矿化，经济，无二次污染。光催化剂TiO2以其价廉、稳定、无毒、无腐蚀性，具有广阔的应用前景。主要缺点是光催化剂不易烧制在载体表面，易在运行过程中脱落流失。
3.2生物法
生物法主要是利用微生物的新陈代谢作用，吸附、氧化、分解有机废水中的酚类化合物，将其转化为稳定的无害物质，使废水得到净化，是我国低浓度有机废水无害化处理的主要方法。生物法处理所用的微生物主要有真菌、细菌和藻类等·生物处理法多采用好氧处理、厌氧－好氧处理、活性污泥和生物膜法。缺点是对有机浓度较高、毒性较强的废水，由于存在毒性物质对微生物活性的抑制作用，处理效率较低。当废水中当生物法处理的废水中含有难降解的酚类化合物时，一般很难降酚类有机物彻底矿化，未充分降解的残余有机物积累或转化后，水体的危害进一步加剧。
3.3光催化技术联合生物法
光催化联合生物技术处理低浓度有机废水是近年来污水处理的研究热点之一。通过光催化作用，在有机废水中产生强氧化性的羟基自由基，一方面将大分子酚类化合物转化为易于生物降解的或毒性较小的有机物，另一方面将小分子物质直接氧化降解为CO2和H2O，接近完全矿化。通过发挥光催化技术和生物法两种方法各自的优点，低浓度有机废水的降解更彻底，无二次污染，处理效率更高。
3.4光催化法联合生物法研究现状与进展
李涛等探讨了“磁性颗粒负载型TiO2”用于光催化氧化－生物工艺，处理有机磷农药废水的可行性。试验结果表明，经80rain光催化氧化处理后，难降解废水在生物段的COD去除率可达到85％以上，但在光催化预处理时间为1h时COD去除率仅仅才35％，光催化预处理阶段初期生成的中间产物也是难生物降解物，只有经充分光催化氧化处理后才能达到好的效果。赵梦月等采用光催化－生化－光催化降解的方法处理有机磷农药废水，当农药废水的进水COD为2000mg／L，有机磷90mg／L时，经光催化1h～2h，后经生物降解16h，最再经光催化处理2h后，出水COD小于180mg／L，有机磷含量小于0.5 mg／L，总体有机磷去除率可达99％以上。
Hess等采用光催化，生化联合法处理TNT炸药废水得出结论，当只用生化法处理100 mg／LTNT废水时。其矿化率为14％，如果用光催化法先预处理2h，其矿化率则为23％，若预处理6h，则TNT矿化率为32％。Parra等用光催化－生化联合法处理异丙隆废水。对于经光催化预处理1h后的异丙隆废水(0.2mM)，BOD5／COD比值由O增至0.65，增加了可生化性。王怡中等采用光催化－生物法联合法处理100ppm的甲基橙废水，实验结果表明先生物法、后光催化氧化是一种比较好的组合方法，光催化氧化和生物氧化对甲基橙都有去除作用，24h生物氧化，溶液COD去除达69.68％，色度去除达22.39％，随后光催化氧化1h，COD去除达84.65％，色度去除达到91.31％。 Gomez等采用光催化，生物复合反应器降解Z,－－胺四乙酸铁氨(EDTA－Fe)溶液(2.5mM)，结果表明，2.5h光催化氧化后，50％的EDTA－Fe溶液被降解，与此同时，BOD5／COD的比例增加了4倍，明显增加了对EDTA－Fe溶液的可生化性。Mohanty等研究了H酸的光催化－生化降解过程。对于1000mg／LH酸溶液，经生化降解后，COD仅脱除了3.5％；经光催化预处理30 min后(此过程COD脱除了13.7％)，再经生化处理，COD总脱除率为46％；经光催化预处理1h后(此过程COD脱除了27.5％)，再经生化处理，COD总脱除率为61.3％。
邢核等将多相光催化氧化法与生物氧化法组合，探讨了在太阳光条件下负载型催化剂降解染料化合物(50ppm的活性艳红K－2G溶液)的可行性，实验表明，光催化法对色度的去除作用明显，生物氧化法对溶液COD的去除作用明显。经24h生物氧化后，溶液的COD去除最高可达82.92％，经5h光催化氧化，色度的去除保持在20％－30％之间。谢翼飞等采用光催化与生化组合工艺处理印染模拟废水(活性艳红X－3B和阳离子艳红5GN)，脱色率达到94％，COD去除率为94％，远比单独用光催化或生化处
理优越。Balcioglu等采用光催化，生化联合法处理制浆漂白废水，该废水经光催化预处理后，其生物降解性能大大提高。
李川等采用三相内循环式流化床光反应器和固定床生物反应器联合处理难生物降解的对氯酚废水。固定床生物反应器处理效果及废水的COD／BOD5证实，光催化预处理能明显的增强对氯酚的可生化性，使之更易彻底矿化。刘虹通过将光催化与生物膜组合成一体处理苯酚废水，苯酚被光催化降解后立即被生物降解，在反应器中重复循环被降解的效果，难降解与可降解有机物同时得到转化与降解，大大提高了含苯酚废水的处理效率。研究表明，单独生物降解苯酚比单独紫外光辐射降解苯酚时速率较快：苯酚在紫外光与生物膜协同作用下，其去除负荷相比单独紫外辐射和生物膜降解要高；通过生物膜和紫外辐射共同作用，虽然苯酚的降解速率与单独采用生物膜降解时一样，但苯酚的矿化程度要比单独生物降解高。Zhang Y等采用光催化－生物复合反应器对苯酚的降解情况，单独经10h光催化仅能降解部分苯酚，矿化率也不是很高：单独生物降解虽然能几乎完全去除苯酚，但苯酚的矿化率不超过74％，光催化与生物氧化同时进行，能更迅速的去除苯酚，苯酚的矿化率接近92％。
Marsolek MD等人研究了一种新型光催化复合生物膜的循环床(PCBBR)，利用醋酸纤维做光催化剂和微生物的共同载体，载体表层负载浆液形式的Degussa P25 TiO2，微生物负载在载体内部大孔道中，避免了紫外光辐射及羟基自由基等有毒害物质杀死微生物，使光催化和生物法密切联系。实验结果表明，单独光催化作用下，TCP和COD去除率分别为32％和26％，载体负载微生物后，TCP和COD去除率分别提高到98％和96％，而单独生物降解不能去除TCP。
4、前景展望
光催化氧化联合生物法处理难降解有机废水作为一种新型的处理方法，通过光催化氧化处理和生物降解处理之间协同耦合作用，使难降解有机物，经过光催化氧化后转变为易于被微生物所利用或分解的中间产物，使难降解有机废水矿化程度进一步提高，两级联合处理废水后效率大幅度提高。与传统有机废水处理方法相比，光催化联合生物法，弥补了二者的缺点，在未来低浓度有机废水处理中，具有更广阔的发展和应用推广潜力。
5、结语
光催化氧化联合生物法处理有机废水，目前仍存在许多问题。需进一步深入研究。第一，光催化氧化协同生物降解的作用机理尚未完善，如反应器的组合式、分体式、组合的先后顺序等对处理效果的影响，及光催化氧化阶段对微生物生长及分布规律的影响等，都需做大量研究工作；第二，目前，光催化剂的负载、成型方式仍不太理想，有待提高，在实际应用中必须考虑，使得光催化剂具有良好的催化特性、经济型及耐用性。
参考文献：
[1]申森，王振强等，水体中有机污染物的治理技术[J]，科技咨询导报,2006,(14)：70－71，
低泡沫表面活性剂的种类与应用 篇7
泡沫是表面活性剂所形成的一层极薄的双分子层膜,由亲水基彼此之间向着内部、亲油基向着外部整齐有序地排列而成[2]。目前减少泡沫最常用的方法就是添加各种消泡剂,但也存在较多弊端,如消泡剂在使用过程中其消泡能力是不断下降的,直至最终没有消泡效果,因此需要不断地补充消泡剂方可达到持续的消泡和抑泡,导致成本上升,也会因前后泡沫量不同影响生产过程的连续稳定性;另外各种消泡剂自身也存在一些缺陷,如不耐高温、不耐高碱、不耐剪切力等,过多地使用消泡剂也会出现“漂油”、“破乳”等现象。减少泡沫最根本的方法就是表面活性剂自身为低泡沫产品,从根本上解决泡沫的困扰[3]。
1 泡沫产生机理
溶液在运动的过程中,随着空气进入,出现液膜包裹气体的现象,便会产生泡沫,有些溶液产生泡沫存在的时间很短,如纯净水、酒精等,其泡沫存在时间仅为0.3s,肉眼几乎感觉不到泡沫的出现。有些溶液所产生的泡沫就有持久性,如表面活性剂溶液,所产生的泡沫存在时间长,不断积累,便会形成大量泡沫[4]。
2 影响表面活性剂泡沫的因素
泡沫生成后,在重心引力的作用下,泡沫的液膜会由泡沫中心位置,即泡沫的最顶端向四周流动,并导致泡沫中心位置的液膜越来越薄,最终破裂,泡沫消失[5]。影响泡沫破裂快慢的主要因素为表面活性剂的粘度、表面张力和表面活性剂分子排列顺序。表面活性剂溶液的粘度会影响液膜的流动速度,粘度越小,泡沫表面的排液流动速率越快,泡沫越容易消失;表面活性剂的表面张力会影响液膜的强度,表面张力越大,泡沫的表面越绷紧,泡沫更容易破裂;表面活性剂分子之间的排列顺序也对泡沫破裂有影响,排列越是不规则,液膜表面越容易出现弱点,泡沫越容易破裂[6]。
3 低泡沫表面活性剂的种类
自身具备低泡沫性能的表面活性剂主要有4类:EO/PO嵌段聚醚、异辛醇磷酸酯衍生物、乙氧基化脂肪酸甲酯类衍生物、聚醚改性有机硅类表面活性剂。
3.1 EO/PO嵌段聚醚
该类表面活性剂多以脂肪醇、脂肪酸、低碳链多元醇为起始剂,与EO环氧乙烷(C2H4O)、PO环氧丙烷(C3H6O)按照一定的摩尔比例缩合制得。其中,聚氧乙烯基-HO(CH2CH2O)n为亲水基团,聚氧丙烯基-CH2(CH2CH2O)n为亲油基团,这种亲油亲水混合结构一方面在水溶液里面更易形成胶束,从而表面张力较大,另外这种亲水亲油基团交错混合排列,空间相互阻碍并形成大量液膜之间的空隙,减弱了液膜的强度,最终所形成的泡沫膜壁更容易破裂,从而具有低泡特性[7]。
在EO/PO嵌段聚醚的结构中,亲油的PO基团在分子式中所占的比例越大,泡沫越低[8]。根据EO、PO排列顺序不同,可分为3类。起始剂先与EO反应,再与PO反应,即PO封端产品,分子通式为RO-(EO)x-(PO)y-H,这类产品的泡沫在聚醚类产品中相对较高,无法达到低泡沫的要求与效果,当分子式中的X∶Y大于3时,甚至只能起到稳泡和发泡作用。起始剂先与PO反应,再与EO反应,即EO封端产品,分子通式为RO-(PO)x-(EO)y-H,这类产品具有良好的低泡沫与分散性,润湿与乳化性能一般,商品名为Pluronic系列低泡表面活性剂便是该种型号。起始剂与EO/PO的混合物反应,即EO/PO无规嵌段化合物,其反应流程简单,但是混合的EO与PO同时与起始剂反应,最终得到的产物容易受反应温度、时间、EO与PO比例等影响,得到聚醚的重现性较差,难以进行标准化的生产控制,该类无规聚醚目前的实际生产和应用较少[9]。因此,在EO/PO嵌段聚醚这类表面活性剂中,真正能降低自身泡沫并在实际生产中得到应用的是EO封端PO嵌段聚醚。
3.1.1 EO封端PO嵌段聚醚合成路线与工艺
首先足量的氮气吹扫反应釜,加入醇类起始剂、催化剂氢氧化钾(KOH)与环氧丙烷(C3H6O),升温至130℃,反应3~5h,加入环氧乙烷(C2H4O),环氧乙烷与醇的摩尔比为1.6∶1,恒温130℃至乙氧基化反应结束,通过测定产物的羟基值(Hydroxyl value)确定反应结束时间,最后用磷酸中和残余的氢氧化钾至p H值为7[9]。在该反应中,通过增加或减少环氧丙烷的量来获得不同性能的聚醚,表1为以丙二醇为起始剂,氢氧化钾为催化剂,环氧乙烷与环氧丙烷不同比例对产品浊点、泡沫、HLB值等参数的影响[10]。
EO/PO嵌段聚醚应用较为广泛,EO/PO嵌段聚醚作为减水剂具有很好的分散性和分散保持性。在水性农药中可以用作水乳剂,可以很好地调节农药的亲水-亲油的平衡性。EO/PO嵌段聚醚在工业清洗中也可以作为低泡沫的清洗剂[11]。
3.2 异辛醇及其衍生物磷酸酯盐
在各种醇类里面,异辛醇具有最佳的消泡效果,由异辛醇衍生的表面活性剂也具有低泡沫的效果。在异辛醇分子式中引入磷酸酯的结构,会提高产物的表面张力,进一步降低产品的泡沫[12]。这类表面活性剂常见的有异辛醇磷酸酯、异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯等。
3.2.1 异辛醇磷酸酯合成路线与工艺
异辛醇磷酸酯生产工艺较为简单,异辛醇与P2O5控制一定的投料比例,在室温投料,由于该反应是放热反应,开始反应后温度上升至70℃,控制随后的反应温度于70℃以内,反应2~3h,降温至室温并用氢氧化钠中和p H值为7即可获得无色至黄色的透明粘稠液体。
异辛醇磷酸酯化最终的产物是异辛醇的单双酯混合物,可以通过调整异辛醇与五氧化二磷的比例调整单双酯的含量,异辛醇的摩尔比例高则双酯含量高,五氧化二磷比例高则单酯含量高[13]。表2为异辛醇与五氧化二磷摩尔比例对单双酯含量的影响。
3.2.2 异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯合成路线与工艺
异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯的合成分为两步,异辛醇与环氧乙烷按照摩尔比1∶5进行投料,在无水真空的条件下,以氢氧化钠作为催化剂,温度控制在120℃,保持0.2MPa的压力,反应5h。冷却降温至室温,投料P2O5,继续反应2h,并用片碱中和p H值至7,即可得到异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯的成品[14]。与异辛醇磷酸酯生产类似,异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯化最终的产物是异辛醇聚醚的单双酯混合物,表3为异辛醇醚与五氧化二磷摩尔比例对单双酯含量的影响。
异辛醇的磷酸酯类衍生物是一类低泡沫的阴离子型表面活性剂,一般具有较好的渗透与润湿性能,多用于纺织印染、制革、陶瓷渗花、造纸滤浆等领域,特别是异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯兼具一定的乳化性能,常用于酒瓶、幕墙等碱性清洗工艺中[15]。
3.3 EO/PO嵌段聚醚改性有机硅表面活性剂
有机硅表面活性剂是以无机硅氧烷(Si-O-Si)为骨架的包含有机基团侧链的一类有机无机杂化的合成材料,在物体表面的铺展效果好,具有很高的润湿性能[16]。单独的有机硅结构并不具有低泡和消泡的效果,常用的有机硅消泡剂只是利用了有机硅表面活性剂在泡沫表面具有快速铺展的作用,只有辅以疏水性的白炭黑方可起到破泡和消泡的效果。将有机硅结构中的甲基以聚醚取代,进一步提高表面张力可以有效减少有机硅表面活性剂的泡沫。
反应釜投入220kg甲基二氯硅烷与1300kg饱和碳酸氢钠溶液,反应温度控制于35℃,通入氮气作为保护气,水解约2h,升温至60℃,加入318kg甲基硅油,13kg硫酸作为催化剂,搅拌反应2h,减压蒸馏,截取130℃的蒸馏成分,得到低含氢硅油。加入550kg EO/PO嵌段聚醚,持续通入氮气,并搅拌5~10min,然后加温至70~80℃,滴加氯铂酸-异丙醇(H2Pt Cl6)催化剂,保温反应5h。反应结束后,减压除掉低沸物,最终获得EO/PO嵌段聚醚改性有机硅[17]。
EO/PO嵌段聚醚改性有机硅提高了有机硅的亲水性,无需乳化剂乳化即可迅速溶于水。聚醚改性的有机硅不仅降低了自身泡沫,也提高了有机硅表面活性剂的稳定性,使得有机硅具有一定的耐酸、碱、盐、热等性能[18]。
低泡沫的EO/PO嵌段聚醚改性有机硅可以用于纺织和造纸领域,用于提高纺织品或纸张的柔软性,并在间歇式的生产工艺中减少了泡沫的困扰。在农业领域,EO/PO嵌段聚醚改性有机硅作为农药的乳化与润湿剂,在农药喷洒过程中,能有效防止产生过多的泡沫,随风飞扬。在净洗领域,特别是针对疏水的固体表面,EO/PO嵌段聚醚改性有机硅表面活性剂可以显著加快对物体表面的润湿速度,增强除油污的效果,减少净洗所用的时间[19]。
3.4 乙氧基化脂肪酸甲酯及其衍生物
酯类均具有低泡沫的特性,有些酯类甚至可以在一些特定领域用作消泡剂,如天然油脂可用作豆浆生产工艺消泡剂,高碳链的脂肪酸甲酯可用作造纸领域耐强碱型消泡剂[20]。乙氧基化的脂肪酸甲酯(FMEE)也具有低泡沫的特点,并具有乳化、分散等表面活性。脂肪酸甲酯乙氧基化物属于聚醚酯类化合物,它继承了聚醚酯类表面活性剂易于分散、表面活性高、抑泡消泡能力强等优点,而且乙氧基化后亲水性进一步提高,削弱了原来聚氧乙烯链与水分子间的氢键,降低了泡沫膜层的强度,使泡沫更容易破裂[21]。
脂肪酸甲酯分子中的甲基(-CH3)的氢键属于不活泼氢,需要较大的活化能才能发生加成反应,乙氧基化转化率低。为了提高脂肪酸甲酯的乙氧基化程度,首先引入部分羟基,在脂肪酸甲酯的羟基与酯基两个位置同时乙氧基化[22]。
在一定真空度下将1840kg脂肪酸甲酯、165kg去离子水和55kg有机钯复合催化剂吸入11.7m3的高压釜中。开搅拌,缓慢升温加热至140℃(升温速率为3.5℃·min-1),升温结束,保持恒温,关掉搅拌后用N2置换反应釜内残余的空气,为确保空气残余量为0,二次N2置换釜内空气。开搅拌,吸入158kg Mg/Al/Co三元催化剂,通过计量泵缓慢加入5157kg环氧乙烷(环氧乙烷流速为28L·min-1)。环氧乙烷加入后,控制温度140~145℃,反应3h。升温至185℃,并补加约7kg的Mg/Al/Co催化剂,继续反应2.5h。反应结束后老化至约120℃,再通冷却水冷却到80℃,同时吸入2600kg去离子水、150kg异丙醇,搅拌10min,反应结束后需老化24h。在酯基的乙氧基化封端反应中,往往由于温度控制不当导致产物色泽偏深,也可以通过添加漂白剂如过氧化氢(H2O2)、次氯酸钠(Na Cl O),防止颜色加深[23]。
羟基与酯基同时乙氧基化的脂肪酸甲酯乙氧基化物,同时具备酯类聚醚的低泡沫特性与醇类聚醚的表面活性,具有优异的净洗性能,特别是分散力出众,在净洗过程中能够有效防止污垢的反沾污,适用于油脂和蜡质的清洗[24]。另外由脂肪酸甲酯乙氧基化物磺化后的阴离子型产品,脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐FMES也具有较低的泡沫性能,磺化机理如下[25]:
脂肪酸甲酯乙氧基化物及其磺酸盐耐酸、耐碱,目前广泛应用于油田开采二次驱油过程中。这类化合物也具有乳化与分散作用,在工业清洗、印染等领域用作净洗剂,在造纸工业中可以作为脱墨剂[26]。
4 结论
氯碱法处理低浓度含氰废水 篇8
低浓度含氰废水处理技术目前主要有氯碱氧化法、臭氧氧化法及生物处理 (主要针对有机腈废水) 三种方法。目前, 对于游离氰根的处理通常采用氯碱氧化法工艺, 氯剂主要有次氯酸钠 (NaClO) 、氯气 (Cl2) 、漂白粉 (Ca (ClO) 2) 等。以下根据工程实践阐述氯碱氧化法的反应原理、反应流程、计算方法及设计参数的确定。
1 氯碱氧化法的反应原理 (以次氯酸钠 (NaClO) 为例)
根据实验, 氯碱氧化法分为两步反应:
第一步:将CN-氧化成氰酸盐, 在PH=10～11的条件下, 反应速度较快, 反应时间大约10～15min。其反应方程式为:
NaCN+NaClO→NaCNO+NaCl
第二步:将氰酸盐进一步氧化为N2、CO2, 在PH=8～8.5时, 氰酸根的完全氧化最有效, 反应时间约30～40min。其反应方程式为:
2NaCNO+3NaClO+H2O→2CO2 +N2 +2NaOH+3NaCl
2 氯碱氧化法的处理流程
氯碱氧化法的处理流程分为一段法和两段法, 一段法是将反应的两个步骤在一个池体内进行, 它所需要的池体较大, 反应时间长, 要求PH在10左右, 然后还要进行中和处理, 所以一般不采用。经常采用的是二段工艺, 其主要流程为:
在第一段反应中, 要求废水的PH值应保持在10以上, 否则会释放出毒性很强的氯化氰气体 (CNCl) , 对工作人员造成危害。在反应池设置搅拌设施, 以保证反应进行充分、迅速, 为了严格控制反应进程, 应设置PH计、ORP (氧化还原电位) 传感器及自动投药装置, 一段反应的ORP值在180mV～360mV时, 一段反应基本完全。
二段反应的pH值以在8.0为宜, 反应时间约为25min, 当PH 值为10以上时, 则反应进程非常缓慢。二段反应仍然设置PH计及ORP传感器, 用于调节PH值及测定反应完成情况。表示二段反应完成的ORP值在400mV～600mV之间。
在实际运行过程中, 由于进水中的污染物含量复杂, 完全反应所示的ORP值不尽相同, 应根据具体的废水反应情况进行调整。
3 氯剂用量的确定
氯碱氧化法采用的氯剂主要有次氯酸钠 (NaClO) 、氯气 (Cl2) 、漂白粉 (Ca (ClO) 2) 等。根据反应方程式计算的氯剂的理论用量及每种氯剂的优缺点见下表:
在实际使用中, 次氯酸钠应用最广泛, 也比较方便。市售次氯酸钠一般有效成分含量为20%～23%, 使用时, 实际投加量应较理论用量增加15%～30%, 这样才能保证反应效果。
4 工程实例
某煤气化工程采用氯碱法处理低浓度含氰废水。
其设计水量:
正常:16.3m/h, 最大:18.0m/h
进水水质:
CN- 15mg/l CN complex (聚合) 25mg/l pH 为7～10
要求排放水质:
CN-≤1.0mg/l, pH 为6～9
设计采用二段氧化法, 氯剂采用NaClO。 某煤气化装置来至气化单元及酸性气体脱除单元的含氰废水首先进入调节池, 两股废水进行适当混合后用液下泵提升至第一氧化反应池, 经加碱调节至pH=10.5～11.5, 加入NaClO氧化剂, 通过对次氯酸钠溶液流量控制, 使得一段反应的氧化还原电位差 (ORP) 为180mV～360mV。
一段反应池容积为:2.0m×2.0m×1.5m (h) , 共两格。每个反应池设搅拌设施。废水停留时间 (单格) 为15min。
一段反应完成后, 含氰废水进入第二氧化反应池, 第二氧化反应池污水用硫酸调节至pH=7.0～8.5, 并投加NaClO, 同样通过对次氯酸钠溶液流量的控制, 使得氧化还原电位差 (ORP) 为400mV～600mV。
二段反应池容积为:3.0m×3.0m×1.8m (h) , 同样设两格。每个反应池设搅拌设施。废水停留时间 (单格) 为40min。
二段反应后的废水自流至废水排放池与其它污水混合, 用排污泵提升至大污水处理场继续处理。
经过运行, 在出水段测得CN- 含量<1.0mg/l, 达到处理目标。
5 注意事项
在一段反应中, 如果PH值低于10, 则会释放出氯化氰毒性气体 (CNCl) , 一方面要避免操作事故, 另一方面要有预防措施, 比如抬高第一氧化池, 并设警示, 或封闭第一氧化池, 将有害气体引至高空。
另外, 调节PH值采用的药剂为强碱、强酸, 次氯酸钠也具有腐蚀性, 所以反应池、管道、设备等应注意使用防腐蚀材料。
6 结论
氯碱法处理低浓度含氰废水是一种有效实用的处理方法, 经过工程实例应用, 对于游离氰根和聚合氰根的去除明显, 可普遍应用于低浓度含氰废水的治理。
摘要：氯碱法是用次氯酸钠与氰根进行氧化反应, 反应分为两步进行, 首先在一定PH值条件下, 游离氰根和聚合氰根被氧化为氰酸盐, 通过调整PH值, 氰酸盐进一步被氧化为氮气, 二氧化碳、氯化钠等无毒无害物质, 以达到治理低浓度含氰废水的目的。本文主要就氯碱法处理低浓度含氰废水工艺进行介绍, 扼要阐述了设计与计算方法。通过某煤气化工程含氰废水处理的应用实践, 氯碱法处理低浓度含氰废水对于游离氰根和聚合氰根的去除效果明显, 可普遍应用于低浓度含氰废水的治理。
关键词：含氰废水,氯碱法,次氯酸钠,氧化还原电位,氧化反应
参考文献
低表面处理论文 篇9
1 矿井概况
贵州黔西石桥煤业有限公司(以下简称石桥煤矿)位于贵州省黔西县,井田面积1.797 2 hm2,储量1 925万t,开采4#和9#煤层,煤质属低硫、低灰、高热值无烟煤。矿井3个井筒,采用斜井开拓、中央并列式通风,矿井生产能力30万t/a。石桥煤矿属高瓦斯矿井,每年瓦斯排放纯量在400万m3以上,瓦斯发电利用在300万m3以上,利用率超过75%,相当于节省原煤3 500 t。
2 低浓度瓦斯发电原理
目前,瓦斯发电多采用火花塞发火方式使瓦斯在缸内燃烧,以高温高压的燃气膨胀做功推动活塞往复直线运动,并通过活塞—连杆—曲柄机构将往复直线运动转变为曲轴的圆周运动,从而带动发电机转子旋转,发出电能。其发电系统如图1所示。
3 故障分类
(1)气源故障。
主要包括瓦斯浓度、流量过低,或瓦斯输送管道上气液分离器、干式阻火器堵塞造成气体流通不畅,输送管道漏气等原因引起的机组供气不足的现象。
(2)机组故障。
主要包括机组零部件(润滑系统漏油,进、排气阀)损坏。
(3)电气故障。
主要包括点火系统不点火、电压低、二次连线接触不良、开关损坏等故障。
2011年,贵州部分煤矿低浓度瓦斯发电站故障率统计分布如图2所示。
4 常见故障原因及处理方法
4.1 气源故障
(1)发电机组开机前必要的准备工作:①检查管道是否有漏气现象,如果发现,及时处理;②确保满足瓦斯浓度不低于8%、纯流量不低于3 m3/台的要求。否则,可能发生机组无法启动的现象。
(2)如果机组正常启动并网后功率不足(额定600 kW或500 kW的只能提高到400 kW或300 kW以下),首先要确认机组排温是否正常:如果排温较高,可能是空气滤清器堵塞,空气量不足引起,应及时清理空气滤清器;若机组排温正常,机组功率不足可能是由气源不足引起的,此时,可通过安装在气液分离器和干式阻火器两侧的压力表,判断气液分离器或干式阻火器是否堵塞并及时处理。
4.2 机组故障
(1)机组无法启动。
若排除了气源故障后机组仍无法启动,则需分析以下原因。①启动系统中启动电磁阀和空气分配器工作状态是否正常。启动电磁阀内接线空间较小,接线时容易造成导线断线,或者运行一段时间后导线及端子氧化等造成接触不良,电磁阀无法启动;压缩空气压力不正常,空气屏内有积水和杂质、脏物均可造成主启动阀堵塞无法开启。由于机组运行时振动较大,油质较脏,空气分配器内滑块边缘易磨损,密封不严,也会导致机组因压力不足无法启动。②进气系统中电控混合器状况。因机组运行振动大,固定电控混合器螺母极易松动,造成混合器内活塞移动引起堵塞、活动不良现象;控制接线是否正确无误。③检查气门的气阀间隙是否合适。检查方法:打开机组箱盖,用塞尺测量顶杆滚轮与凸轮的基圆部分间的间隙,若不在(1±0.05)mm范围内应予以调整处理。④检查点火系统是否工作正常,包括点火系统DC 24 V电压是否正常,点火模块是否正常工作,信号灯指示和点火方式是否正确;霍尔传感器与磁电盘“X”处边缘是否成一直线,保证霍尔传感器端部与磁电盘外圆间隙在(1±0.25)mm;火花塞是否良好。具体方法:可以将火花塞随机取出几根,吹车检查火花塞是否点火,或者将火花塞取出后接好,松开磁电盘(松开前必须将与霍尔传感器中心线对齐的磁电盘部位做好标记),按磁电盘上箭头指示旋转磁电盘,并按上述内容逐项查找问题,及时处理。因机组振动原因,霍尔传感器上部固定螺丝易松动,造成与磁电盘间隙过大或过小,均会造成机组无法启动。若运行中出现松动,有可能导致机组因点火不均匀而发生“放炮”现象。⑤空燃比是否合适。空燃比与进气量是影响机组启动的重要因素。瓦斯浓度在9.5%时爆炸威力最大,此时气体刚好完全反应。如果空燃比调得过大,气体浓度大,造成不完全反应,有可能会发生“放炮”现象;空燃比过低时,混合气浓度低,爆炸时需要更高的点火温度。浓度太低时,达不到爆炸条件,机组无法启动。⑥开机时相互配合和进气球阀开启速度。发电机组多为手动启动,需2人进行配合,1人调液压调速器,1人开进气球阀。球阀开启速度过快或开度过大均会引起无法开机。
(2)运行过程中水温、油温过高。
①循环水中因某种原因进入或产生气体;②冷却管路或换热器结垢严重,造成冷却水流通不畅,水量减少。此时,应及时对水质进行检查,看软化水是否达标;另外,清理换热器及冷却水管道内污垢。
(3)排温过高。
排温过高多由空燃比调节不当或进气量太大、功率过高引起。发现排温告警时,应及时对空燃比及进气量进行调整。在调节过程中不能只调空燃比,要注意空燃比、进气量、调速器负荷限制的配合,将机组调节到最佳状态。
4.3 电气故障
电气故障出现较少,主要为电磁阀卡滞,动作不灵活,要及时更换。另外,由于启动电磁阀内空间较小,接线较困难,要注意保证启动电磁阀回路正常。根据无间隙供电的要求,把机组点火系统电源改至GPS不间断电源,这样,当地方电源停电时,也可保证机组正常运行。
4.4 失磁和并网故障
(1)气源的不稳定性经常造成逆功率现象。
逆功率即是发电机组无功率输出,反而吸收大网电能的一种现象。此时发电机成了电动机,发电机铁芯将会严重发热,破坏铁芯中原有磁序,使机组失磁。失磁后机组将无法提供励磁电源起励,需将另一台正常机组的励磁电压回路并入失磁机组励磁回路,对失磁机组进行补磁,补磁后应及时将并联回路断开,即可实现正常并网发电。
(2)机组运行过程中,要采取相应方法处理并网故障。
低表面处理论文 篇10
随着我国核能事业快速发展, 国内核燃料元件厂生产能力也逐年提高, 并在生产过程中产生大量低放射性废水。现阶段燃料元件厂废水处理工艺仅能将水中铀离子处理到0.05mg/L, 且缺乏对水中大量酸、碱、重金属离子等有毒有害物质的必要处理手段, 排放后对环境及公众安全造成长期而严重的危害。为满足国家环保要求, 亟需解决核工业低放废水的有效处置和合理减排问题。由于目前国内尚无成熟的工程案例以供借鉴, 本文选取国外较为先进的蒸发处理工艺和国内正在研发的高压反渗透处理工艺, 从其原理、性能、能耗、生产规模等方面出发加以比较, 探讨其在我国核工业生产中的适用性。
1 技术原理
1.1 蒸发处理工艺原理
蒸发处理工艺利用外加热能将低放射性废水加热气化, 对蒸汽进行清洗去污后导出系统, 作为蒸汽冷凝水回收或排放。蒸汽进入去污装置后首先通过旋风分离器去除较大的悬浮液滴, 然后通过多级淋洗去除蒸汽中的气溶胶微粒, 最后通过液封和鼓泡方式分离蒸汽中夹带的可溶性放射性气体, 完成低放射性废水的最终处理。
1.2 高压反渗透处理工艺原理
高压反渗透处理工艺利用外部压力克服原水渗透压, 使渗透过程逆向进行, 将低放射性废水通过反渗透膜进行分离, 其中水分子透过反渗透膜后被收集成为清相水, 包含放射性核素在内的多种盐分留在废水中成为浓缩液。
2 工程规模及相关参数
2.1 工程规模及配套设施
蒸发工艺处理设备需要设计独立的设备操作间, 并配套设计送、排风系统。其中处理量0.5m3/h的典型厂房面积要求为15m×10m, 最低高度需达到6.5m, 建议总净高度为10m。
高压反渗透工艺处理设备占地面积很小, 处理量0.5m3/h的设备尺寸仅为2100 mm×1500 mm×1877 mm, 且无需其他辅助系统支持。
2.2 工艺及工程设计要求
根据目前所掌握的技术资料, 蒸发处理工艺对操作环境温、湿度具有较高要求, 但尚未获得准确的数据范围。在我国北方环境随季节变化较大的地区, 对于维持设备稳定运行所需的室内环境设计存在不小的挑战。此外, 系统运行过程中允许温度和压力的波动范围较小, 对工艺系统的设计精度及自控仪表的灵敏度要求较高。
高压反渗透处理工艺对操作环境要求较宽泛, 在原水p H=2~11, 供电系统波动<5%, 接地电组≤4Ω, 空气最大相对湿度≤85%条件下即可正常工作。其中, 设备的适宜运行温度为23℃~30℃, 但是当环境温度低至10℃左右时仍能保持较好的水质处理效果[1]。
2.3 设备的经济性及可操作性
目前, 蒸发处理工艺在我国尚未开展工艺设计, 相关科研院所也缺乏相应的技术储备, 设备需要进口或通过国内代理商进行采购, 定价权掌握在外企手中, 工艺设备全套报价约为2000万欧元。相较而言, 高压反渗透处理工艺已经处于工程验证阶段, 样机造价约为96万元人民币, 产品价格相差悬殊。
蒸发处理工艺设备运行过程中耗能组件包括热交换器中的2套9k W加热器和1台37k W热泵, 其中2×9k W加热器在设备启动阶段提供系统升温所需的热能, 当系统进入正常运行阶段后可关闭加热器, 仅靠热泵维持系统运转。高压反渗透处理工艺设备耗能组件包括1台输料泵和1台高压泵, 总功率15k W。
蒸发处理工艺设备和高压反渗透处理设备均采用集成PLC控制, 运行过程中无需操作人员干预, 仅装卸料液和日常维护阶段需要人工操作。一般1~2人即可完成所有工作。
2.4 设备性能及生产能力
上述两种工艺方法均针对低放射性废水的处理, 其中蒸发处理工艺蒸残液浓度一般设定为33% (理论范围值30%~35%) , 处理后蒸汽冷凝水的放射性活度浓度低于106Bq/m3, 蒸残液的放射性活度浓度约为1012Bq/m3, 核素及可溶性离子去除率推测可达到99.5%以上。蒸发设备的处理能力可调节范围小, 适用于废水处理量变化不大的工程方案, 如需扩大生产只能增加设备台套数。
高压反渗透装置浓缩液浓度一般可达到20%~25%, 正常生产条件下系统脱盐率≥96%, 其中铀离子去除率99%~99.9%。设计水回收率50%~80%、处理能力 (1.0~1.5) m3/h, 可通过PLC连续调节, 操作压力随操作参数自动调节。根据现场试验经验, 当环境温度较低或原水浓度较高时, 系统脱盐率会降至92%~93%, 但不影响回用于水喷射吸收及酸雾净化塔等设备。
3 分析及结论
根据对蒸发处理工艺及高压反渗透处理工艺各项性能参数的对比分析, 蒸发处理工艺具有较高的放射性核素及离子去除率, 同时具有较高的水回收率, 在回收利用水资源及低放射性废物减容方面具有较大优势, 但其设备采购费用昂贵, 运行环境要求严苛, 在当前阶段不利于大规模工业化应用。如果能够引进吸收该项技术并进行自主化设计制造, 同时解决工艺及自动化设计方面的瓶颈, 将成为未来低放射性废水处理工艺的首选方案。
高压反渗透工艺在处理效果上不及蒸发处理工艺, 但是仍具有较好的水处理能力, 在废水回收利用和低放废物减容方面具有良好的经济效益和社会效益, 同时其采购价格较低, 环境适应性较好, 可以满足大部分核工业系统运行需要, 在当前阶段仍可作为低放射性废水处理的最优化方案。
摘要：本文对低放射性废水蒸发和高压反渗透处理工艺进行论述, 分析其运行特性及工程适用性, 尝试找出适用于我国核工业低放射性废水处理的方法。
关键词：低放废水处理,蒸发处理,反渗透处理
参考文献
自容式ADCP低功耗信号处理板 篇11
关键词：OMAP-L138,MSP430,Linux操作系统,自容式ADCP
1 引言
声学多普勒海流剖面仪 (Acoustic Doppler Current Profi ler, 下称ADCP) 是目前国际上测量多层海流剖面的最有效方法, 是海洋勘测领域的一项高新技术。其基本原理是向水中发射超声波脉冲接收反射回波并计算其频率偏移, 根据多普勒频移效应可以精确地测量水流的流速流向。ADCP对于合理地开发利用水资源, 使之造福予人类, 实现自然界、社会和人类的可持续发展有着重要的意义。
本文所提的自容式ADCP为国内自行研制的剖面仪, 是在改进传统的测量方法和科学发展的信号处理技术的基础上研制的新一代产品, 相比第一代产品其效率提高几十倍, 准确率也提高了很多, 而且实现了低功耗, 满足自容式的要求。本项目研制的信号处理板, 以TI公司的低功耗双核处理器OMAP-L138和极低功耗MCU单片机MSP430为核心进行设计, 满足了自容式ADCP的实时数据处理及低功耗要求, 并具有良好的扩展性, 是自容式ADCP产品实现的关键基础。
信号处理板主要承担着水声信息的实时处理及对外接口通讯任务, 具体完成高速数据采集、海底深度测算、海流剖面速度测量及对海底速度计算、值班电路等, 同时完成发射信号、发射包络信号等信号的产生, 并负责水声信息的交换。
2 技术指标
AD:8路, 16bits同步采样, 采样频率不小于600KHz, 单端输入幅度±10V;2路, 16bits异步采样, 采样频率10Hz, 单端输入幅度0~5V;
DA:2路, 16bits并行输入, 采样频率不小于2KHz, 单端输出幅度±5V;
发射信号频率:150KHz、75KHz、37.5KHz三种;
网口:1个10/100Mbps;
串口:4个独立的RS232/RS422接口;CAN2.0B接口:1个;
存储盘:容量不小于32GB;
RTC:精确年误差小于1分钟;
功耗:工作状态下小于2W。
3 基本结构和组成
3.1 基本结构
信号处理板原理功能框图如图1所示。
3.2 组成
根据自容式ADCP项目的设计要求, 信号处理板的硬件设计主要由值班电路和数字信号处理电路组成。值班电路在本系统中主要完成对信号处理电路以及其它电路板的电源控制, 完成整个系统的工作节拍控制及与上位机的数据通讯等。其组成框图如图2所示。数字信号处理电路主要完成发射信号等的产生、接收信号的采集和处理与存储、对外通讯等功能。其组成框图如图3所示。
4 技术设计改进
本信号处理板相比以前产品改动还是比较大的, 主要技术改进电路有:DSP电路、A/D转换电路、信号产生电路、数据存储电路、接口控制电路、RTC电路等。这里主要介绍这几个改进电路。
4.1 DSP电路
DSP电路是以OMAP-L138处理器、MSP430单片机和可编程FPGA为核心组成的功能模块。
其中OMAP-L138处理器集成了300MHz ARM926EJ-S内核及300MHz C6748 VLIW DSP核, 并提供了丰富的外设接口, 主要负责数字信号处理功能;MSP430单片机选用资源比较丰富的型号MSP430F5438, 功耗极低功能更强, 值班电路的大部分功能就是由单片机内部集成的模块完成的, 主要承担值班电路的功能。可编程器件FPGA选用ALTERA公司的Cyclone III系列, 在本设计中主要用于系统的各电路逻辑时序控制, 以及产生相应的信号输出等。
4.2 A/D转换电路
信号处理板总共带有8路高速数据同步采样电路;另外2路分别用于温度传感器和压力传感器的模拟信号的采集。
该电路的设计难点在于将以往设备的采样频率150KHz、300KHz、600KHz三种要合并到一起。本方案中对采集软件采用模块化的设计, 形成一个通用的数据采集系统, 从而对输入的采样频率没有固定值的要求了。
我们选用的A/D转换芯片为SPI串行接口高精度芯片AD7982, 其最高采样率可达到1Msps, 可以实现多路级联, 很好的满足项目要求。
4.3 信号产生电路
本设计中主要采用单频信号和m序列随机相位编码信号, 在FPGA中产生, 通过驱动器输出。在本设计中对FPGA的编程方法作了调整, 只要编写出最基本的信号, 需要的重复次数由CPU来控制, 这样既方便试验, 同时与以往测流设备可以兼容使用。
4.4 数据存储电路
在OMAP-L138上设计了一个32GB容量的mini SD卡, 用于对原始数据等和处理结果的存储, 以便进行数据回放和分析。为此需要在CCS环境下及Linux操作系统下对大容量FAT32文件系统设计, 这样非常方便SD卡上数据管理以及其与PC机的兼容数据读写, 使得该板具有通用性。由于这方面的资料相对较少, 设计有一定的难点。
4.5 RTC电路
RTC电路选用MAXIM公司的一款低成本超高精度实时时钟芯片DS3232, 它将晶体和温度补偿均集成在芯片内部, 提高了计时精度, 甚至部分误差可以小于20秒/一年。该芯片采用I2C接口, 挂靠在MSP430单片机的UCB0接口上。
4.6 接口控制电路
接口控制电路主要改进是对CAN2.0接口的修改, 采用一种新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515, 挂靠在SPI串行总线上, 解决原来的SAJ1000控制器的接口效率和数据吞吐率低下的缺点, 但需要对其驱动程序进行移植。另外增加了隔离电路, 具有抗干扰性和防雷特性。
5 软件设计
5.1 MSP430程序设计
根据值班电路的要求, 需要对MSP430芯片进行编程。本设计中充分利用MSP430单片机的“片上系统”资源优势, 完成RTC程序、SPI总线驱动程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等, 从而对系统进行供电电源控制、工作节拍控制以及数据通讯。
5.2 OMAP-L138软件设计
我们已经知道OMAP-L138处理器是双内核结构。本设计中基于Linux操作系统的BSP板级支持软件包, 运行在ARM端内核, 主要实现bootloader、Linux操作系统的内核移植、根文件系统的创建及各种驱动程序如SD卡设备、CAN接口驱动等。
ARM端主要运行基于Linux系统的非实时软件, 而DSP端则运行高强度的实时算法运算。值得一提的是, 这两端之间的数据交换是怎样的呢?OMAP-L138芯片在芯片设计时采用的是共享内存的机制, ARM端和DSP端都可以直接访问。它们之间的通讯, 我们是利用TI公司提供的双核通信模块DSPLink的软件架构, 以及CMem的共享内存分配功能和Codec Engie工程管理, 通过DSP端的实时操作系统DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系统在通信上实现无缝的链接。
OMAP-L138应用软件由接口软件、控制软件和算法软件三部分组成。其中接口软件完成与值班电路间的接口控制;控制软件根据接收到的指令和参数以及实际测量的航速、海深等参数, 控制发射信号脉宽、周期和算法等;算法软件完成相关海底回波信号的判别、提取和多普勒信息的分析, 最后给出结果等。总之, 整个应用软件比较复杂, 是一个有机整体。
6 试验验证与结束语
本文介绍了一种高性能、使用灵活的通用信号处理板, 选用基于低功耗处理器和开放式Linux操作系统, 保证了自容式ADCP的产品快速更新、成本降低、质量的提高。
该板经过水池试验和湖上试验, 工作稳定可靠, 功耗极低, 证明该板的设计是成功的, 为自容式ADCP的产品化通用化提供技术支持和借鉴, 同时具有较大的社会效益和经济效益, 有很好的推广利用价值。
参考文献
[1]TI, OMAP-L138 Low-Power Applications Processor, www.ti.com, 2009.
[2]TI, MSP430F543XA, www.ti.com, 2012.
[3]cyclone3_handbook, www.altera.com, 2009.