非熱等離子體技術在難降解廢水處理中的應用進展

陳 江

（浙江建設職業(yè)技術學院城市建設工程系， 浙江 杭州 311231）

非熱等離子體技術在難降解廢水處理中的應用進展

陳 江

（浙江建設職業(yè)技術學院城市建設工程系， 浙江 杭州 311231）

以有機廢水和垃圾滲濾液處理為例，討論了非熱等離子體在難降解廢水處理中的應用進展。

等離子體；難降解廢水；垃圾滲濾液

等離子體是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外的第四種物質存在形式，內含大量高能電子、正負離子、自由基、激發(fā)態(tài)分子等活性粒子[1]。對于整個宇宙來說，以等離子體狀態(tài)存在的物質超過99%，而在地球表面自由電子的密度一般只有約106/cm3。通常需要采用微波輻射、射頻放電、電子束照射和高電場氣體擊穿等方式達到電子密度高達1015～1020/cm3的等離子體態(tài)。目前，不同能量（溫度）狀態(tài)的等離子體在微電子、化工、醫(yī)療、食品、機械和環(huán)保等領域正發(fā)揮著極其重要的作用。本文討論的是高場強下氣體擊穿所產生的低溫等離子體在污水處理中的應用。

低溫等離子體又叫非平衡態(tài)等離子體，指的是等離子體形成過程中電子能量（溫度）達到 1～20 eV，而其它較大質量的粒子則溫度較低，接近于室溫狀態(tài)，系統(tǒng)內粒子間的能量分布遠未到達平衡?；诘蜏氐入x子體的高級氧化處理技術被認為是一條處理難降解、可生化性差廢水的有效途徑；它具有運行費用低，處理效率高、極少產生二次污染、對絕大多數(shù)的難降解物質破壞較徹底等諸多優(yōu)點。該技術的有益效應得益于其在形成過程中產生的活性粒子、紫外光、液電空化作用、超臨界作用以及高能電子輻射。從時域上講，低溫等離子體引發(fā)的化學反應大致可以分為以下幾個過程：首先是皮秒級的電子雪崩；緊接著在納秒級，不同能量（溫度）狀態(tài)的電子通過旋轉激發(fā)、振動激發(fā)、激發(fā)、離解和電離等非彈性碰撞形式將內能傳遞給氣體分子后一部分以熱量的形式散發(fā)掉，另一部分則用于產生自由基等活性粒子；接下來是微秒級的自由基及正負離子間的線性或非線性鏈反應；最后是毫秒到秒量級的分子間熱化學反應。

本文以有機廢水和垃圾滲濾液處理為例，討論了非熱等離子體在難降解廢水處理中的應用進展。

1 污水處理進展

1.1 有機廢水

國內較早開展等離子體有機廢水凈化處理的單位主要有浙江大學、大連理工大學和華中科技大學等。浙江大學閆克平教授[2]開發(fā)的新型火花開關已在平均輸出功率為20 kW的高電壓、短脈沖電源中成功應用，其主要特點為：重復頻率高且穩(wěn)定，上升時間(<20 ns)及脈寬（<250 ns）短，使用壽命（>1010脈沖）長，可用于處理工業(yè)廢水、廢氣。雷樂成[3]研究了不同等離子反應器、電源放電特性和載氣對難降解有機廢水的凈化效果影響，實驗結果肯定了放電對染料分子的破壞和廢水可生化性的提高。華中科技大學郭香會[4]等研究了直流放電產生的等離子對垃圾滲濾液的處理效果，結果顯示等離子過程產生的自由基可顯著地去除滲濾液中的氨氮。大連理工大學李杰[5]等研究了液相等離子對廢水的殺菌作用，放電產生的強壓力沖擊波、強紫外光可有效殺滅細菌。文岳中[6]等進行了高壓脈沖放電降解水中苯乙酮、對氯苯酚以及與臭氧聯(lián)用等基礎研究。

在國外，Clements[7]率先注射針作為高壓放電電極，通過針孔向水中曝氧氣，在液相檢測到臭氧的存在。Grymonpre[8]等采針板反應器處理含苯酚廢水，他對比了投加活性炭與否的降解效果，結果顯示，電暈放電在有活性碳顆粒存在條件下可以誘發(fā)表面化學反應，從而使苯酚的降解率大大增加。SunBing[9]研究了多針-板反應器水中脈沖電暈放電的特性并對其影響因素進行了探討，通過實驗檢測到當溶液的電導率在60～80 uS/cm時，活性離子的生成量達到最大值，而且輻射光的強度隨著放電電壓的升高而增強。Sugiarto[10]等研究了在不同放電形式對有機染料和苯酚的去除作用。總結出了羥基自由基氧化機理和紫外光輻射作用。

1.2 垃圾滲濾液處理

隨著經濟發(fā)展，城市化水平和人們生活水平的提高，我國城市生活垃圾的年產生量已達1.6億t，并以超過10%速率增長[11]。我國由于資金與技術等原因，絕大多數(shù)城市垃圾采取衛(wèi)生填埋和填埋的方式。填埋中不可回避的就是垃圾滲濾液污染問題。滲濾液來源于降水、廢棄物本身水分、廢物受熱分解時產生液體等。垃圾滲濾液污染物的濃度非常高，水質相當惡劣：BOD和COD濃度高、重金屬含量較高、氨氮的含量較高,微生物營養(yǎng)元素比例失調等。處理垃圾滲濾液的方法通常有物理化學法和生物法兩種。物化處理不受水質水量變動的影響，尤其是對BOD／COD比值較低(<0.20)，難以進行生物處理的垃圾滲濾液，有較好的處理效果，但其有處理費用高、操作復雜、能耗高等缺點。生物化學法工藝成熟，運行成本低，是用于去除廢水中的溶解有機物和膠體有機物的主要方法，但是由于垃圾滲濾液組成復雜，含有的有毒物質可能使得微生物無法正常工作，甚至中毒死亡。

目前國內外對于基于等離子體技術的垃圾滲濾液的凈化處理報道很少。過去3年，我們在垃圾滲濾液處理方面進行了大量的實驗。結果表明：處理效率隨著放電時間的延長而提高，時間越長降解效果越好。單電極處理效率不穩(wěn)定，處理效果波動較大，多電極處理效率相對單電極要穩(wěn)定，處理效果優(yōu)于單電極。實驗中pH的變化比較平穩(wěn)，處在7～8之間，符合污染物排放標準。氨氮處理效果比較穩(wěn)定，受外部因素影響較小，處理效率達到50%～80%，處理效果沒達到實驗假設處理效果。BOD變化波動比較大，受外因影響比較大，處理效果達到實驗假設效果。COD的變化受條件的改變而改變，波動起伏大，處理的效果70%～85%，相對比較理想。可生化性BOD/COD比值大部分達到>0.5，此外非平衡等離子體可去除部分水樣色度的。電壓結構的實驗結果表明：氨氮比較穩(wěn)定，受外部因素影響較小，處理效率隨著電壓的升高而提高，電壓處于8 kV處理效果最好，處理效果達到50%～85%。COD的變化受條件的改變而改變，過高或過低的電壓，處理效果不夠理想。電壓處于6 kV處理效果較好，處理效果達45%～90%處理的效果相對比較理想。綜合各種因素而言，處理時間越長，處理效果越好，相對較理想的處理時間為30～45 min。此外，液膜厚度的實驗結果表明氨氮比較穩(wěn)定，受外部因素影響較小，處理效果達到 60%～95%，取水樣在 20 mL時處理效果最好。處理效果達到實驗假設處理效果。對于COD而言，COD的變化受條件的改變而改變，波動起伏大，處理效果達50%～85%，處理效率隨液膜厚度的減小而降低。取10 mL時處理效果相對理想，處理的效果相對比較理想。稀釋倍數(shù)實驗：稀釋對滲濾液pH影響較大，pH在稀釋倍數(shù)的實驗中波動情況很明顯，出現(xiàn)的值在3～8之間，稀釋倍數(shù)越多，pH值之越低，且處理時間大于20 min之后溶液pH下降明顯，這很好的證明了在放電過程中電離產生強氧化性自由基·O、·OH、·OH2等與激發(fā)態(tài)分子、破碎基團及其他自由基等發(fā)生一系列等離子體化學反應這一過程，將水中污染物有機分子氧化為CO2和H2O，在污染物較低濃度的溶液中次變化尤其明顯，從而表現(xiàn)為溶液pH值顯著降低。

綜合以上實驗現(xiàn)象得出，氨氮處理效果比較穩(wěn)定，受外部因素影響較小，處理效果隨放電時間的延長而提高。對于COD而言適當稀釋，有利于COD處理效率的提高，對比數(shù)據(jù)不難看出COD處理效果在30%～85%, COD的變化受條件的改變而改變，處理效果跨越很大，處理的效果較好?？缮訠OD/COD比值達到>0.5。

2 研究方向與展望

在等離子體處理難降解廢水領域，如何深入研究液體催化劑對進一步提高凈化效率的可行性。

繼續(xù)探討不同放電形式對凈化效果的影響以及進一步提高液相放電的化工傳質、傳遞效應，并科學評價等離子技術對比傳統(tǒng)廢水處理技術在運行中節(jié)能降耗的優(yōu)越性等問題的解決顯得迫在眉睫。相信在不久的將來，等離子技術會成為一種常規(guī)治理難降解廢水的方法，等離子體技術的工業(yè)化應用前景將更加廣闊。

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Application of Non-thermal
Plasma in Treatment of Refractory Wastewater

CHEN Jiang
( Department of City Construction, Zhejiang College of Construction, Zhejiang Hangzhou 311231，China)

Taking treatments of VOCs wastewater and landfill leachate as examples, the recent progress in application of non-thermal plasma in treatment of refractory wastewater was reviewed.

Plasma; Refractory wastewater; Landfill leachate

X 703

A

1671-0460（2012）06-0632-03

2011年度浙江省建設科研和推廣項目,項目號：1108。

2012-05-31

陳江（1979-），男，浙江開化人，講師，碩士，2005年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學環(huán)境工程專業(yè)，研究方向：環(huán)境污染治理技術。從事環(huán)境技術工作。E-mail：chenjiang66@yahoo.cn。