電化學(xué)氧化老齡垃圾滲瀝液研究*

代晉國，宋乾武，吳 琪，王宏亮

（1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2．中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

電化學(xué)氧化老齡垃圾滲瀝液研究*

代晉國1，2，宋乾武2，吳 琪1，2，王宏亮2

（1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2．中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

通過不同電極電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液處理的對比研究，選擇以Ti/Ru-Ir作為電極陽極材料，研究了電流密度、氯離子濃度、初始pH對電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液的影響。結(jié)果表明：電流密度為30 mA/cm2，氯離子濃度5 000 mg/L，pH在8．09的情況下，電解6 h垃圾滲瀝液，氨氮去除率達到100%，COD去除率為50%，UV254去除率為61．09%，垃圾滲瀝液BOD/COD從0．14提高到0．22，垃圾滲瀝液生化性得到極大提高。經(jīng)濟性分析表明垃圾滲瀝液電化學(xué)處理6 h后，氨氮去除率達到100%時，單位能耗為0．08 kW·h/g。

垃圾滲瀝液；電化學(xué)；氨氮；電流密度

近年來，電化學(xué)氧化技術(shù)作為垃圾滲瀝液處理技術(shù)之一成為了研究熱點［1-2］，由于該技術(shù)在常溫常壓下進行，同時不需要投加藥劑、不產(chǎn)生二次污染、易于控制等，被認為是一種環(huán)境友好技術(shù)。電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液關(guān)鍵影響因素包括電極材料、氯離子濃度、電流密度、pH等，目前諸多研究著重在高效電極材料的開發(fā)研究［3-4］，筆者采用在電解工業(yè)化過程中應(yīng)用的釕銥電極為研究對象對垃圾滲瀝液進行電化學(xué)處理，重點分析其對氨氮、COD的去除效果，垃圾滲瀝液可生化性改變以及經(jīng)濟可行性，旨在為電化學(xué)處理垃圾滲瀝液技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置見圖1。實驗過程中電極板陽極采用釕銥電極（板狀），陰極采用了鈦板。直流電源采用龍威電源TPR3010D（電壓0～30 V，電流0～10 A），反應(yīng)槽由有機玻璃制成，有效容積900 mL，攪拌過程采用六聯(lián)攪拌器。

1.2 分析方法

COD監(jiān)測采用HACH COD測試分析儀，氨氮采用國標(biāo)法——納氏比色法，pH采用pH測定儀測定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測定。

1.3 垃圾滲瀝液水質(zhì)

垃圾滲瀝液采自廣東東莞某城市生活垃圾填埋場，該垃圾填埋場目前已封場，填埋齡在10 a以上，屬于典型老齡垃圾滲瀝液。其水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.4 實驗過程

由于釕銥電極具有較高的析氧電位，能夠減少陽極副反應(yīng)的發(fā)生，極大提高了Cl-在陽極氧化為Cl2的能力，從而產(chǎn)生更多的HClO以氧化垃圾滲瀝液中的氨氮及COD。實驗過程采用陜西寶雞祁鑫鈦業(yè)有限公司購買的釕銥電極作為陽極，采用鈦板作為陰極。雖然電極間距越小能夠增強極板間電場強度使帶電粒子遷移速率增大，使極板上放電直接進行電化學(xué)的幾率增大，但是如果極板間距過小陽極表面會產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，使能耗增大，溶液的濃度極化增大；相反，極板間距增大，極板間電阻增大，電能消耗提高，電解效率降低［5］。因此實驗過程中極板間距采取2 cm，分別考察了不同影響因素對電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的影響以及技術(shù)經(jīng)濟性分析。

表1 垃圾滲瀝液水質(zhì)指標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氯離子濃度下垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除

采用電流密度為30 mA/cm2，通過添加NaCl調(diào)整氯離子濃度為2 500、5 000、7 000、9 000 mg/L，研究不同氯離子濃度對垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除效果。由圖2、3可以看出，氯離子濃度對氨氮及COD的去除影響較大。由于污染物的去除主要是基于氯離子參與的間接氧化過程，當(dāng)氯離子濃度較低時（2 500 mg/L，即垃圾滲瀝液原液），電解6 h氨氮去除率為78．36%，電解速率為 5．7 mg/（L·min）；增加氯離子濃度到 5 000 mg/L時，電解6 h氨氮去除率幾乎達到100%，此時的電解速率為 7．0 mg/（L·min）。隨著氯離子濃度的增大，氨氮氧化速率逐漸增大，但是氯離子濃度逐漸增大后，電荷轉(zhuǎn)移成為體系中控速步驟，氯離子濃度從7 000 mg/L到9 000 mg/L，氨氮電解速率基本沒有發(fā)生變化。因此，實驗過程中氯離子濃度調(diào)整為5 000 mg/L。還可發(fā)現(xiàn)，不同氯離子濃度下氨氮的電解速率總是大于COD的電解速率，也證明了電解垃圾滲瀝液過程中氨氮的氧化要先于COD的氧化。

2.2 不同電流密度對垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除

采用NaCl調(diào)整垃圾滲瀝液氯離子濃度為5 000 mg/L，分別采用10、20、30、40 mA/cm2的電流密度研究6 h內(nèi)垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除，見圖4、5，不同電流密度下氨氮及COD的去除率相差比較大。電流密度40 mA/cm2時，經(jīng)過6 h電解氨氮濃度從2 521 mg/L降到2．43 mg/L，去除率基本上達到100%，COD去除率為54．21%；而電流密度為10 mA/cm2時，氨氮濃度降到2 402 mg/L，去除率僅為9．41%，COD去除率為3．29%?？梢钥闯鲭娏髅芏葘τ诎钡癈OD的去除率有重要的影響。隨著電流密度的增加，氨氮及COD的去除率相應(yīng)增加。但是電流密度越高，系統(tǒng)的能耗也越高，電流效率降低，因此在實驗過程中電流密度采用30 mA/cm2較經(jīng)濟合理。

圖4 不同電流密度電解氨氮去除率

圖5 不同電流密度電解COD去除率

2.3 不同初始pH下電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液研究

以電流密度30 mA/cm2，氯離子濃度5 000 mg/L，電極間距2 cm，改變初始pH分別為2．93、4．91、7．02、8．09、9．03、10．96，電解 6 h，研究氨氮及COD的去除率。pH對去除率的影響見圖6、7。不同的初始pH下垃圾滲瀝液氨氮的去除效果不同，在pH偏堿性的條件下氨氮去除率最好，電解6 h氨氮去除率幾乎達到100%，COD去除率達到50%。氯離子在不同pH下，電解生成的ClO-的量不同，pH在8左右時，生成的ClO-等有效氯濃度最高，從而能夠強化電化學(xué)的間接氧化作用［6］。弱堿性條件下，氨氮去除率以及電解速率也最高，隨著pH的升高，氨氮降解速率及去除率相應(yīng)降低。當(dāng)pH達到10．96時，氨氮去除率僅為60%，氨氮的電解速率為4．16 mg/（L·min）。在酸性條件下，電解產(chǎn)生的氯氣較容易逸出，從而影響了氨氮的氧化。隨著pH的增加，陽極產(chǎn)生的氯氣在溶液中的溶解度增加，從而增加了氨氮的氧化速率，當(dāng)pH大于10以后，不僅產(chǎn)生的次氯酸根發(fā)生反應(yīng)，而且還會發(fā)生如下反應(yīng)產(chǎn)生，從而導(dǎo)致游離氯下降，因此氨氮的氧化速率也隨之下降。

由以上分析得出，實驗初始pH以弱堿性較適宜。

圖6 不同pH下電解氨氮去除率

圖7 不同pH下電解COD去除率

2.4 電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的可生化變化

水中有機物通常在254 nm波長處出現(xiàn)吸收峰，以UV254表征溶解性有機物（芳香族） 難降解物質(zhì)。在以電流密度為30 mA/cm2，調(diào)節(jié)垃圾滲瀝液氯離子濃度為5 000 mg/L，電解6 h后考察COD和UV254的去除效果，見圖8?？梢钥闯?，COD的去除與UV254的去除有一致性，經(jīng)過6 h電解后COD去除率為49．98%，UV254去除率為61．09%，說明在電解過程中溶解性有機物（芳香族）難降解物質(zhì)得到了很大的去除，也間接反映出垃圾滲瀝液的可生化性得到了提高，原垃圾滲瀝液中BOD/COD為 0．14，電解 6 h后升高到 0．22，有利于垃圾滲瀝液后續(xù)生化處理。

2.5 電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的經(jīng)濟性分析

采用Ti/Ru-Ir電極，在電流密度為30 mA/cm2，氯離子濃度為5 000 mg/L，pH為8．09，電解6 h條件下，分析電化學(xué)氧化過程中經(jīng)濟技術(shù)的可行性，結(jié)果見圖9。可以看出，隨著電解時間的延長，處理單位垃圾滲瀝液能耗逐漸增加，電解6 h氨氮100%被去除，氨氮單位能耗為0．08 kW·h/g，去除單位垃圾滲瀝液能耗為230 kW·h/m3，可見電解技術(shù)能耗較高，氨氮去除效率在60%時，能耗153 kW·h/m3。因此，如果使用電化學(xué)單獨處理垃圾滲瀝液能耗比較大，應(yīng)該考慮與后續(xù)生物處理技術(shù)的有機集成，聯(lián)合進行垃圾滲瀝液的處理，同時通過高效電極材料、高效電解槽設(shè)計以降低能耗、提高電流效率［7］。

3 結(jié)論

1）由于釕銥電極具有高的析氧電位，因此在電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液處理過程中效果比較好，在電流密度30 mA/cm2，氯離子濃度5 000 mg/L，pH為8．09的條件下，電解6 h，氨氮去除率達到100%，COD去除率達到50%。

2）電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液可以有效去除垃圾滲瀝液中難降解有機物，電解過程中UV254的去除率達到了61．09%，垃圾滲瀝液生化性得到提高，BOD/COD從0．14提高到0．22，有利于垃圾滲瀝液后續(xù)生化處理。

3）電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的處理成本是限制其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)，電化學(xué)6 h后氨氮去除率達到100%時，能耗為0．08 kW·h/g，因此降低能耗以及與生化處理聯(lián)合進行垃圾滲瀝液處理是電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液的一個研究方向。

［1］ Bashir M J，Lsa M H，Kutty S R，et al．Landfill Leachate Treatment by Electrochemical Oxidation［J］．Waste Manage，2009，29 （9）：2534-2541．

［2］ Radha K V，Stridevi V．Electrochemical Oxidation for the Treatment of Textile Industry Wastewater［J］．Bioresour Technol，2009，100：987-990．

［3］ Chiang L C，Chang J E，Wen T C．Indirect Oxidation Effect in ElectrochemicalOxidationTreatmentofLandfillLeachate［J］．WaterRes，1995，29 （2）：671-678．

［4］李小明，王敏，嬌志奎，等．電解氧化處理垃圾滲濾液研究［J］．中國給水排水，2001，17（8）：14-17．

［5］王鵬，劉偉藻，方漢平．電化學(xué)氧化與厭氧技術(shù)聯(lián)用處理垃圾滲瀝水［J］．環(huán)境科學(xué)，2001，22（5）：70-73．

［6］ Cabeza A，Urtiaga A．Ammonium Removal from Landfill Leachate by Anodic Oxidation［J］．J Hazard Mater，2007，144：715-719．

［7］ De Morais J L，Zamora P P．Use of Advanced Oxidation Processes to Improve the Biodegradability of Mature Landfill Leachates［J］．J Hazard Mater，2005，B123：181-186．

Aged Waste Leachate Treatment by Electrochemical Oxidation

Dai Jinguo1,2,Song Qianwu2,Wu Qi1,2,Wang Hongliang2
（1．College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing 100875;2．Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012）

In contrast to several different electrode,selecting Ti/Ru-Ir as the anode materials of electrochemical electrode,the influence of current density,chloride ion concentration,initial pH on waste leachate treatment by electrochemical oxidation was studied．On the condition that current density was 30 mA/cm2,chloride ion was 5 000 mg/L,and pH was 8．09,the results were indicated that the removal rates of NH3-N,COD,and UV254reached 100%,50%,and 61．09%,respectively,after 6 hours of electrolysis．BOD/COD of waste leachate was improved from 0．14 to 0．22,so the biodegradability of waste leachate was improved．Economic analysis showed that the energy consumption of unit NH3-N was 0．08 kW·h/g,when the removal rate of ammonia nitrogen was 100%after 6 hours of waste leachate electrochemical treatment．

waste leachate；electrochemistry；ammonia nitrogen；current density

X703．1

A

1005-8206（2012）05-0027-04

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2008 ZX07211-006）

2012-05-11

代晉國（1973—），在職博士，副研究員，主要研究方向為水污染控制。

E-mail：daijinguo11@sohu．com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）