生物炭处理大蒜废水工艺流程
作品内容简介我们通过对已有大蒜废水处理工艺进行改进，设计出生物炭辅助处理大蒜废水工艺的创新型模式。在废水处理过程中加入生物炭的工艺设计，利用了生物炭吸附，催化的功能,帮助处理大蒜废水中的有机污染物。首先在提取池中加入生物炭，增强装置对大蒜素的吸附力,其次,作为固体催化剂,生物炭帮助催化氧化池,加速氧化分解废水中的有机物,以降低废水的COD含量和色度的。最后设置生物炭吸附池，利用生物炭的物理吸附、化学吸附、氧化、催化氧化和还原等性能去除废水中多种污染物，提升净水效果。同时，工艺中的生物炭可由猪粪和大蒜残渣进行震荡、加热、干燥、研磨、冷却、酸洗等工艺提取，对技术设备要求较低，具有灵活性、高效性等特点。生物炭辅助处理大蒜废水流程简单可行，更好地减少有机污染物的排放，且成本低，性价比高。大蒜加工企业采用此工艺，资金压力较小，最终净化的废水达污水综合排放标准，该工艺有广泛的实际应用价值。
1设计背景我国是最大的大蒜生产国，不仅鲜蒜的生产和出口量高居世界第一，大蒜加工产业也在全国各地大量展开。其中山东省金乡作为全国大蒜的主要产地，有着“蒜乡”的称号。巨大的大蒜产量带动了大蒜加工业的发展，在大蒜加工过程中会产生的大量的大蒜废水。在大蒜加工过程中的浸泡、清洗、离心环节会产生大量废水，该废水中COD浓度较高，有机污染物较多。若其未经处理直接排放，有机物富集后形成的大蒜污泥，物性粘稠，颜色发黑，其成分本身并无很大毒性，但有很强的刺激性气味。其次，大蒜废水因其含有较高浓度的大蒜素，具有较强的杀菌能力，很难被微生物分解，属于难降解污染物。大蒜素中的硫醚能够透过病菌的细胞膜进入细胞质中，将含巯基的酶氧化为双硫键，从而抑制细胞分裂，破坏微生物的正常代谢，所以很难靠天然微生物降解。而现有的针对大蒜废水的处理方法仅停留在生物降解为主，这样的方法不仅处理效率低，产水难以达标，并且极大地浪费了废水中的大蒜素。故我们采用生物炭辅助处理大蒜废水的节能减排工艺。
2大蒜废水的治理特点大蒜废水因其含有一定量的大蒜素，具有较强的杀菌能力，很难被微生分解，属于难降解污染物。大蒜废水含有大蒜多糖和大蒜素等具有较高生理和药理功效的物质，将其分离提取制成产品可以最大化的实现大蒜废水的再利用。大蒜素的抗菌作用导致现有常用的有机废水微生物降解法难以取得良好的效果，其降解后的废水往往难以达标排放，废水呈现淡黄色，刺激性气味依然明显。
3工艺介绍3.1设计目的(1)大蒜废水达到污水综合排放标准(2)生物炭与大蒜废水的回收利用3.2设计原则(1)符合国家有关法规、规范及标准。(2)技术线路成熟、简单明了，操作管理方便。(3)在严格达标的情况下，做到投资少、运行费用低、节省占地面积。(4)贯彻节能减排方针，选用高效节能设备。(5)结合设备运行控制要求，合理确定系统的自动化程度。
3.3流程简介大蒜加工厂生产出的大蒜废水先经过集水池，收集污水，通过提升泵泵入沉砂池，在沉砂池中设置细格栅，除去水中的漂浮物，再通过重力分离去除水质中的泥沙。之后依次进入提取池，提取大蒜素并用生物炭吸附；曝气调节池，调节水质水量，收集及暂存污水；混凝池：加絮凝剂，去除污水悬浮物；生物炭催化氧化池，双氧水具有较强的氧化能力，能在活性炭表面迅速分解放出原子态氧或生成羟基自由基，这些强氧化剂能迅速氧化分解废水中的难以降解的有机物，达到降低废水的COD含量和色度的目的，且生物炭作为固体催化剂经适当处理可以多次重复使用；二沉池，接受氧化池出水,对出水进行泥水分离。上部的液体经吸附池、紫外消毒池达到出水排放和再利用的标准,下部的污泥经过浓缩池和脱水系统最终外运或焚烧处理。研究表明,生物炭在土壤中还有固水、固肥、固氮的功效，从而可以改良土壤、提高农作物产量。因此，我们将提取池和催化氧化池中的生物炭，作为肥料施入种植大蒜的土壤中，实现生物炭的资源化利用。图1废水处理流程图
3.4生物炭创新装置(1)生物炭的制备目前，我国的农田废弃物主要以秸秆、动物粪便为主，年产量巨大，有效利用率低。且粪便长期露天堆积，渗滤液会随径流污染地下水，使水体富营养化，并且水体中的病菌可能造成水体和土壤污染,使其变质[1-3]。猪粪质地较细含有较多的有机质和氮磷钾。而在大蒜加工过程中会有很多残渣产生，我们可以变废为宝，将大蒜残渣与猪粪结合生产生物炭作为大蒜废水处理的关键开端。将5g粉碎后的猪粪原料放入0．8mol/LKOH溶液中，搅拌混合均匀后于40°C下的恒温振荡箱振荡24h，然后将稠状物倒入培养皿干燥至恒量，将干燥后的固体研磨后置于管式真空炉中，以15°C/min的升温速度升至°C，进行生物炭的热裂解方法。待热解剩余物冷却到室温后用盐酸浸泡酸洗，再用去离子水反复冲洗，干燥后研磨过筛，得到猪粪生物炭。
图2生物炭热裂解方法
实验过程主要实验仪器如上表所示
（2）生物炭提取大蒜素将大蒜去皮洗净,用组织捣碎机捣成蒜泥，取5g蒜泥,在一定温度和pH值条件下酶解一定时间，后加入一定体积的90乙醇,在一定条件下振荡提取大蒜素。生物炭对疏水性物质吸附作用显著，而大蒜素是疏水的油状物。大蒜素又名二烯丙基硫代亚磺酸酯，其沸点与乙醇沸点相差较大（大于30°C），我们可以通过蒸馏的方法用生物炭吸附大蒜素。
蒸馏装置示意图
(3)双氧水具有较强的氧化能力，能在活性炭表面迅速分解放出原子态氧或生成羟基自由基，这些强氧化剂能迅速氧化分解废水中的有机物，达到降低废水的COD含量和色度的目的，且生物炭作为固体催化剂经适当处理可以多次重复使用[5]。我们在用大蒜残渣和猪粪制的生物炭的基础上，负载一定浓度的金属锌离子以提高在大蒜废水处理过程中其特殊性能和特定的吸附和催化功能。实验装置如图3。制备Zn负载猪粪生物炭的优化工艺参数：浸渍浓度为0.5mol/L，浸渍时间24h、活化温度°C、活化时间min。在废水COD为mg/L时投加0.02gZn/AC、0.mLH2O2，反应8hpH值为7温度在55°C的条件下COD去除率效果最好高达70.98.
生物炭催化氧化池图从图4可以看出猪粪生物炭在20°~30°、30°~35°出现宽而强的碳衍射峰，表明猪粪生物炭中有大量石墨微晶存在。经ZnCl改性后，衍射峰呈现出不同程度的削减，而2θ在30°~40°、47.46°、56.52°、62.78°、67.88°都存在着较为尖锐的ZnO衍射峰
[6](图5)。表明负载锌的猪粪生物炭主要成分为ZnO,衍射峰尖锐说明其有较高的结晶度[7]图4猪粪生物炭XRD谱
图5锌负载生物炭XRD谱
从图6-a、6-b可以看出，未负载金属的猪粪炭表面有很多空隙，而ZnCl,改性后的猪粪生物炭，孔结构增多，表面形状凹凸不平，使得其比表面积大大增加[8]。更多的ZnO附着在猪粪炭表面及孔隙内部,有利于吸附能力的提高。
图6猪粪生物炭/锌负载猪粪生物炭SEM图生物炭具有较强的吸附能力以及一定的催化能力，可能是由于其表面含有大量如羟基与酚羟基之类的酸性或碱性基团;生物炭具有如比表面积大、亲油性强等优良的理化特性，导致其对H2O2有较强的吸附能力，为反应提供较大的反应面积，从而提高反应速率。（1）高效生物炭吸附池在处理大蒜废水的尾端装置，利用生物炭的物理吸附、化学吸附、氧化、催化氧化和还原等性能去除废水中多种污染物。其中生物炭多由高度扭曲、堆积密集的芳香环片层组成，表面多孔性的特征显著，因此具有较高的表面能和较大的比表面积，使生物炭具有良好的吸附性能，可以有效保障污水的处理效果。我们采用三吸附装置，如下图所示：图7生物炭吸附池
4特色创新（1）在传统的废水处理装置中设计了生物炭处理工艺，主要包括吸附去除大蒜素和生物炭催化氧化工艺。（2）生物炭制备的填料来自于固体废弃物猪粪和大蒜加工过程的残渣，成本较低，对技术设备要求较低，对常规工艺过程的改动较小，流程具有可控性。通过固体废弃物再利用进行废水处理，实现了“以废治废”的目的。（3）生物炭可重复利用，助力可持续发展，从而达到节能减排。提取池和催化氧化池中的生物炭可以取出作为固水、固肥、固氮的原料，对农田的可持续发展产生积极的作用。5商业前景(1)我国大蒜生产量大，在其加工过程中的浸泡、清洗、离心环节会产生大量废水，该废水中COD浓度较高，有机物污染物较多。其中大蒜素具有较强的杀菌能力,很难被微生物分解，属于难降解污染物。生物炭尚未被广泛应用在与有机物污染的相关净水工序中，研发、应用的空间广阔，市场前景较好。(2)在我国环保政策逐渐严格的情况下，加入生物炭的净水工艺更加环保绿色，比同一效果的净水工艺更有竞争力。生物炭的吸附、助氧化有机物的效果好，效率高，且可以对其进行重复利用。与传统生物能提取原料相比，提取生物炭原料为农林废物，提炼过程不产生废物，较为环保。提炼和加工生物炭的工艺流程简单可行，廉价易制，净水效果好，且成本低，性价比高。该工艺可以通过中试后，实现大蒜加工企业的废水处理。该工艺进行改进和升级后，还可用于类似工业废水的治理。(3)生物炭独特的理化性质使其具有较强的吸附能力，成为其应用于大蒜废水治理的重要理论依据。参考文献[1]郭洪友．浅析畜禽粪便的危害及无害化处理技术［J］．农技服务，，34(7):．[2]周光，吴兆波．畜禽粪便的危害及防治对策［J］．中国资源综合利用，，27(10):26-27．[3]刘荣荣．畜禽粪便环境污染的产生及危害［J］．畜牧兽医科学，(5):27．[4]张志军,高奕钰,胡佳伟,程萍.猪粪生物炭基金属催化剂催化处理养猪废水的效果[J].江苏农业科学,,48(06):-.[5]MezohegyiGZeeFPVD,FontJ,etal.Towardsadvancedaqueousdyeremovalprocesses:ashortreviewontheversatileroleofactivatedcarbon[J].JournalofEnvironmentalManagement,:.[6]吴霞．负载金属催化剂的结构性能表征［J］．广东化工，(9):39，46．[7]周春晖，罗锡平，葛忠华等．酸化黏土负载ZnCl2催化剂的制备及其对苯苄基化反应的催化性能［J］．催化学报，，24(8):-．[8]刘南．改性吸附材料对恶臭气体的吸附效应与机理研究［D］．长春:吉林大学，