餐廚垃圾厭氧消化后產(chǎn)生的餐廚廢水具有有機物含量高、水質(zhì)成分復雜、氨氮濃度高、鹽分高等特點(diǎn)，采用常規生化工藝處理難以穩定達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)一級標準，廢水中殘留較高濃度的溶解態(tài)親水性難降解有機物，常規深度處理技術(shù)效果不佳且處理成本極高、二次污染大。電催化氧化技術(shù)利用電子的轉移及轉移過(guò)程中產(chǎn)生的強氧化自由基降解污染物德籍，具有低選擇性的降解特征，無(wú)需投加化學(xué)藥劑，無(wú)二次污染，反應條件溫和，運行操作簡(jiǎn)單拨域，在實(shí)現污染物超低排放方面極具應用前景到腥。目前關(guān)于電催化技術(shù)深度處理餐廚廢水的研究鮮見(jiàn)報道咒舰。

   三維電催化技術(shù)在傳統二維陰陽(yáng)極板間增加粒子電極愧橄，形成無(wú)數的微電池參與電化學(xué)反應，增大了電極比表面積，縮小陰陽(yáng)極間距，相比傳統二維電催化技術(shù)，能顯著(zhù)提高電能效率和傳質(zhì)效率。電流參數對降解性能和能耗具有重要的影響。脈沖供電利用斷電時(shí)間使有機物充分擴散，緩解濃度極化了谅，理論上可降低由傳質(zhì)限制造成的能耗，而脈沖參數的選擇尤為關(guān)鍵。本研究采用脈沖三維電催化技術(shù)深度處理餐廚廢水，通過(guò)試驗確定脈沖頻率、占空比(在一個(gè)脈沖周期內，通電時(shí)間占總時(shí)間的比例)對污染物去除及電耗的影響，根據充放電方程計算理論最佳占空比及頻率，為該技術(shù)在餐廚廢水深度處理的應用提供參考。

1、材料與方法

1.1 試驗廢水

   試驗廢水采用某餐廚垃圾處理廠(chǎng)廢水處理站出水。該廠(chǎng)廢水來(lái)自餐廚垃圾固體漿料厭氧消化沼渣脫水產(chǎn)生的沼液辆泄，廢水處理采用預處理+好氧生化+氣浮工藝，該廢水處理站出水(即本試驗研究對象)主要水質(zhì)指標及《污水綜合排放標準》(GB8978一1996)一級標準限值見(jiàn)表1彰怒。

1.2 實(shí)驗裝置

   本實(shí)驗所用電催化裝置如圖1所示，主要包括自制電解反應槽、一組金屬涂層鈦基電極、自制粒子電極箩祥、脈沖電源、鼓風(fēng)機去破、曝氣頭、轉子流量計。具體參數為：極板間距15cm喇斗，極板面積100cm2，脈沖電源最大輸出電壓24V。

   自制粒子電極由外購顆镣把ⅲ活性炭與蜂巢狀多孔塑料體組裝得到，顆粒活性炭?jì)惹队诳紫吨行托停嗷シ稚ⅰ⒔^緣银苗，每一顆粒子均能復極化，從而充分發(fā)揮微電池的效能。顆辆洌活性炭粒徑3~5mm，碘吸附值約1000mgg'，堆積密度約500g·L'咖耘，塑料體直徑約1cm。顆料什冢活性炭經(jīng)水洗、堿洗姥硬、酸洗、干燥預處理后浸泡于餐廚廢水中至吸附飽和。

1.3 儀器和材料

   儀器：DBR200型消解器、DR2700型分光光度計纱裤、PHS-3E型pH計、SXL-016型馬弗爐、AUY120型電子天平茅早。

   試劑：重鉻酸鉀、硫酸銀霎箍、硫酸、硫酸汞伏伐、碘化汞、碘化鉀勾疏、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉虽才，均為分析純。

1.4 水質(zhì)分析測定

   COD惋铅、pH值、TDS蔽气、氨氮和Cl-質(zhì)量濃度的測定均根據《水和廢水監測分析方法》(第4版)。

1.5 餐廚廢水的電催化氧化處理

   采用單因素試驗法考察脈沖電源關(guān)鍵參數占空比(25%砸脊，50%，75%和100%)及頻率(100躲惰，200和300Hz)對污染物去除效果及能耗的影響。

   向電催化裝置內加入餐廚廢水，連接脈沖電源輸出端和陰陽(yáng)極板搬瑰，脈沖輸出電壓10~13V，設置占空比及頻率封断，打開(kāi)脈沖電源及鼓風(fēng)機電源，分別在0澈歉，10，20，30，45及60min取樣測定COD和氨氮質(zhì)量濃度。因餐廚廢水含鹽量較高铆惑，故未添加電解質(zhì)。

2砍艾、結果與討論

2.1 占空比對污染物去除及能耗的影響

   在輸出電壓10~13V、脈沖頻率200Hz條件下，考察不同占空比(25%咐呻，50%，75%及100%)對三維電催化去除COD扬跋、氨氮的情況猴波，結果如圖2、圖3所示帮辟。

   由圖2可見(jiàn)，占空比對餐廚廢水的去除率有較大影響。隨著(zhù)占空比的增大，餐廚廢水COD去除率也隨之增大熊楼，在占空比為25%闹翼，50%，75%和100%條件下，反應60min，COD去除率分別達到66.2%望住，92.1%，92.8%和94.6%。整體而言占空比為50%，75%和100%條件下黑忱，COD去除率差異不顯著(zhù)，但均遠高于占空比25%條件下的COD去除率龟虎。當占空比較小時(shí)媳翼，通電時(shí)間短，產(chǎn)生的強氧化自由基較少曹傀，強氧化自由基的濃度成為了有機污染物降解的限制因素，因此COD去除率較低酗失。在同樣的脈沖周期下败沸，放電時(shí)間越長(cháng)，單位時(shí)間內產(chǎn)生的強氧化自由基越多华糖，更多的有機污染物能通過(guò)直接氧化、間接氧化作用被降解岁且，當占空比大于50%時(shí)咕宿，單位時(shí)間內產(chǎn)生的強氧化自由基已足夠多，傳質(zhì)速度成為了有機污染物降解的限制因素煞肾，因此COD去除率均較高且差異不顯著(zhù)。

   由圖3可見(jiàn)葛账，餐廚廢水氨氮的去除率變化與COD去除率類(lèi)似。在占空比為50%，75%及100%條件下，氨氮去除率差異不顯著(zhù)递沪，但均遠高于占空比25%條件下的氨氮去除率韧验。餐廚廢水中Cl濃度較高，在電催化過(guò)程中C在陽(yáng)極被氧化生成活性氯覆获。餐廚廢水中的氨氮盘呀，一部分在陽(yáng)極表面發(fā)生直接電化學(xué)氧化被去除，另一部分與廢水中的活性氯發(fā)生間接氧化反應被去除鸦扳。

   占空比25%條件下，通電時(shí)間較短奖锦，產(chǎn)生的活性氯濃度較低挨措，氨氮去除率不高袱衷。占空比較高時(shí)其爵，單位時(shí)間內產(chǎn)生的活性氯已足夠多吧讲，傳質(zhì)速度成為了氨氮降解的限制因素，因此氨氮去除率均較高且差異不顯著(zhù)悬襟。

   在占空比25%谭狸，50%暴氏，75%及100%條件下泛范，將COD降至50mg·L-1所需的時(shí)間分別為60故极，30蓖乘，30及25min旅掂，能耗分別為2.7帝火，4.0，7.7及9.8kWh·t-1，去除單位COD的電耗分別為0.015芦倒，0.022确铛，0.043和0.055kWh·g-1COD李狼。圖4表示在各占空比條件下姆歹，不同COD去除率對應的能耗脓擅。由圖4可見(jiàn)明青，在COD去除率達到40%以前弦银，各占空比下的電耗基本呈線(xiàn)性增長(cháng)喊括，在COD去除率高于40%后朦乏，在占空比100%及75%條件下谅阿，能耗增長(cháng)呈快速增加的趨勢骤公。在反應前期废徙，COD去除率較低，體系中污染物濃度較高，電能有效利用；隨著(zhù)污染物的逐步去除，占空比越大的體系內富余的電能轉化為熱能敞潜，廢水溫度升高击胜，能耗增加。

   脈沖供電時(shí)以“通電-斷電-通電”的方式，因此能耗只包括通電時(shí)的能耗饱苟，在相同的周期下辖狞，占空比越高，能耗越高，當占空比達100%時(shí)已相當于直流電源。從能耗上看，采用脈沖供電節能效果十分明顯。在占空比25%時(shí)，COD去除速率顯著(zhù)降低導致達標時(shí)間延長(cháng)一倍悄泥，在相同的處理規模下呢蛤，裝置的制造成本將成倍增加。綜合污染物去除率、達標時(shí)間、能耗，最佳占空比確定為50%。

2.2 脈沖頻率對污染物去除及能耗的影響

   在輸出電壓10~13V、占空比50%條件下费封，考察在不同頻率(100割钧，200，300Hz)下三維電催化對COD畔绞、氨氮的去除情況悬蔽，并以直流供電作為對照，結果如圖5、圖6所示。

   由圖5可見(jiàn)，在反應初期廷赴，直流供電下COD去除率遠高于脈沖供電省拌，隨著(zhù)反應的進(jìn)行穴愕，在200Hz下COD去除率逐漸接近直流供電下COD去除率，高于100和300Hz。在直流供電下，持續性地產(chǎn)生強氧化自由基，單位時(shí)間內自由基與污染物接觸的機會(huì )更多，因此在反應初期對污染物的去除率遠高于脈沖供電。

   由圖6可見(jiàn)颊糜，直流供電、脈沖頻率200和300Hz條件下鸿戒，反應少于30min，對氨氮的去除率差異不顯著(zhù)，且明顯優(yōu)于脈沖頻率在100Hz下的氨氮去除率牺道；在30min后，各供電條件下氨氮的去除率均接近100%涌叙，差異不顯著(zhù)堂憔。在反應初期，餐廚廢水中Cl-在陽(yáng)極被氧化生成活性氯花绰，與氨氮反應被消耗苔寝，在直流及頻率較高的脈沖供電條件下，活性氯能得到及時(shí)補充作伦，因此氨氮的去除率明顯高于較低頻率憎瘸。在反應后期，隨著(zhù)體系中的氨氮濃度降低衍盐，體系中的活性氯濃度高于需求值惰蜜，所以各條件下對氨氮去除率均較高且差異不顯著(zhù)。

   在脈沖頻率100，200，300Hz及直流供電下赖条，將COD降至100mg·L-1所需的達標時(shí)間分別為45六赢，30，35及25min，能耗分別為6.6蠢蚓，4.0，4.7及9.8kWh·t-1唐闭，去除單位COD電耗分別為0.037，0.022鹤鳞，0.026及0.055kWh·g-1COD。圖7表示在各頻率下，不同的COD去除率對應的能耗。由圖7可見(jiàn)僵井，在COD去除率達到40%之前，各頻率下的電耗基本呈線(xiàn)性增長(cháng)，在COD去除率高于40%后，直流供電钾抛、脈沖頻率100和300Hz下能耗增長(cháng)呈不同程度快速增加的趨勢，脈沖頻率在200Hz下能耗維持線(xiàn)性增長(cháng)趨勢。在反應前期，COD去除率較低户辞，體系中污染物濃度較高，電能有效利用幔虏；隨著(zhù)污染物的逐步去除，直流供電询时、脈沖頻率100和300Hz的體系內富余的電能轉化為熱能，廢水溫度升高锄弱，能耗增加。綜合污染物去除率、達標時(shí)間羊飒、能耗，最佳脈沖頻率確定為200Hz颊雇。

2.3 電催化反應動(dòng)力學(xué)研究

   在最優(yōu)的脈沖供電條件(占空比50%奠旺、頻率200Hz)下，開(kāi)展三維電催化試驗箍负，縮短采樣間隔時(shí)間(5min采樣1次)，檢測出水COD濃度。通過(guò)分析COD的降解速率，擬合COD在三維電催化反應器的反應動(dòng)力學(xué)方程為-ln(C1/C0)=0.0449t-0.0373臊耳，R2為0.9989，呈較好的正線(xiàn)性關(guān)系，反應速率常數k為0.0449min'递笑，說(shuō)明三維電催化處理餐廚廢水中的COD降解遵循一級反應動(dòng)力學(xué)棠笑。出水COD濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖8，其中，C锐借，為反應時(shí)間t時(shí)的COD濃度，C屁诬。為反應起始時(shí)的COD濃度。

2.4 電催化反應器最佳占空比、脈沖頻率的理論計算

   由于電極和電解質(zhì)的存在，有機廢水電催化過(guò)程中會(huì )呈現較強的電容效應中國阳框。脈沖供電以“通電斷電通電”的方式，電催化反應器相當于電容，持續地進(jìn)行“充電放電-充電”涵井。通電時(shí)系統內產(chǎn)生強氧化性自由基，帶電粒子在電流的作用下發(fā)生定向移動(dòng)企蒂，同時(shí)發(fā)生直接電催化反應和間接電催化反應；斷電時(shí)電催化反應器進(jìn)行放電直至電流為零，在電容作用下電流由高電平轉為低電平的瞬間，電容兩端產(chǎn)生瞬間的反沖電壓珠闰，瞬間電流增高，可提高傳質(zhì)推動(dòng)力及強氧化性自由基的生成幾率，同時(shí)帶電粒子停止定向移動(dòng)怯宅，緩解濃差極化。在最佳的占空比和脈沖頻率下調控反應可使電催化反應器的電容恰好達到最大存儲量冯荷，從而使體系對有機物氧化達到最佳狀態(tài)。

   脈沖供電下電催化系統的通電-斷電過(guò)程遵循充電方程(1)和放電方程(2)。

   式中：E為時(shí)間為t時(shí)反應器的實(shí)時(shí)電壓，V；E通今。代表充電時(shí)間為0時(shí)反應器的初始電壓，V；U代表充電時(shí)反應器工作電壓缚俏，V疗胎；t為時(shí)間，s；R為充放電過(guò)程的電阻录教，Ω啤胧；C為電催化系統電容，F；E。代表反應器的放電電壓涯鲁，V杯壶。

   經(jīng)測量，R=14.77Ω，C=0.018mF能犯，計算可得充電時(shí)間為0.0025s，放電時(shí)間為0.0026s。計算理論最佳占空比為49%，最佳頻率196Hz内斯，與實(shí)驗結果較為接近。實(shí)驗結果也驗證了在最佳占空比、頻率下，污染物的去除效果及能耗相對最佳歪目。

3、結論

1)采用三維電催化法深度處理餐廚廢水跛鸵，可以達到《污水綜合排放標準》(GB8978一1996)一級標準。

2)綜合污染物去除率、達標時(shí)間、能耗，脈沖三維電催化處理餐廚廢水的最佳供電參數為：占空比50%、頻率200Hz。

3)在最佳供電參數下，反應30min可達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)一級標準童本，達標電耗為4.0kWh·t-1-1，去除單位COD的電耗為0.022kWh·g-1COD，比直流供電可節能59.2%。

4)可通過(guò)充放電方程計算脈沖電催化系統的理論最佳占空比加栋、頻率，并以此作為實(shí)踐中選擇脈沖參數的重要參考依據，這對于脈沖三維電催化法處理餐廚廢水及其他類(lèi)型廢水具有參考價(jià)值妇狮。