Fe3O4/Na2S2O8體系處理垃圾滲濾液生化尾水的實驗研究

張琪，占鵬，，聶發(fā)輝，胡松，劉占孟

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013；2.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西南昌330013）

Fe3O4/Na2S2O8體系處理垃圾滲濾液生化尾水的實驗研究

張琪1，占鵬1，2，聶發(fā)輝1，胡松2，劉占孟1

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013；2.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西南昌330013）

采用Fe3O4/Na2S2O8體系催化氧化處理垃圾滲濾液生化尾水，研究了Na2S2O8與Fe3O4投加量、pH、反應(yīng)時間等因素對處理效果的影響。結(jié)果表明，在pH=3，m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，F(xiàn)e3O4投加量為1.5 g/L，反應(yīng)時間為24 h的條件下，COD與色度去除率分別為63%和100%。FTIR分析結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4/Na2S2O8體系的小分子有機物含量比未處理水樣小分子有機物含量有所降低。

滲濾液生化尾水；Na2S2O8；Fe3O4；催化氧化

垃圾滲濾液是一種成分異常復(fù)雜并且具有毒性的高濃度液態(tài)污染物，被列入我國優(yōu)先控制污染物的“黑名單”。生物法因具有運行費用低、處理效率較高、不會出現(xiàn)二次污染等優(yōu)點在國內(nèi)外廢水處理中得到廣泛應(yīng)用。然而對于垃圾滲濾液這種高濃度、成分復(fù)雜的廢水，僅僅依靠生物技術(shù)無法將其處理至達標(biāo)排放，需進行深度處理。

基于過硫酸鹽（PS）活化產(chǎn)生的硫酸根自由基（SO4-·）深度處理垃圾滲濾液，是國內(nèi)外新近發(fā)展起來的垃圾滲濾液深度處理方法〔1〕。熱、紫外光等活化方式可以實現(xiàn)過硫酸鹽的活化，然而能耗高，不適合大規(guī)模應(yīng)用〔2〕。過渡金屬離子活化過硫酸鹽無需能量，并且活化效率高，其中最引人矚目的是Fe2+/過硫酸鹽體系。但是，F(xiàn)e2+活化過硫酸鹽存在明顯缺陷：（1）多余的Fe2+與發(fā)生競爭反應(yīng)會消耗導(dǎo)致副反應(yīng)多，體系的氧化效率及利用率不高；（2）Fe2+在水溶液中無法回收，造成處理成本升高。研究發(fā)現(xiàn)〔3〕，采用納米Fe3O4活化過硫酸鹽產(chǎn)生的SO4-·降解有機物相比采用Fe2+活化具有明顯的優(yōu)勢：（1）由于Fe3O4具有磁性，在反應(yīng)結(jié)束后易于磁選回收和重新利用，不會造成二次污染；（2）納米Fe3O4表面對水中的有機物具有一定的吸附性能；（3）納米Fe3O4中的Fe3+具有混凝效果，可使大分子有機物發(fā)生絮凝沉淀。

本研究采用Fe3O4/Na2S2O8體系處理垃圾滲濾液生化尾水，研究了Na2S2O8與Fe3O4投加量、pH、反應(yīng)時間等因素對處理效果的影響，優(yōu)化了相關(guān)工藝參數(shù)。該項研究對過硫酸鹽活化技術(shù)在環(huán)境方面的應(yīng)用具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 實驗水樣

實驗所用水樣為南昌市麥園垃圾滲濾液處理廠氧化溝-A/O工藝處理后的出水。水樣顏色為黃褐色，無明顯惡臭，其水質(zhì)：COD 800～1 400mg/L，氨氮350～450mg/L，色度640～720倍，pH 6～7。

1.2 實驗方法

取100mL廢水水樣置于250mL錐形瓶中，用NaOH或H2SO4調(diào)節(jié)廢水初始pH，然后投加一定量的Na2S2O8和催化劑Fe3O4，在溫度為30℃，轉(zhuǎn)速為200 r/min的條件下反應(yīng)一定時間。靜置數(shù)小時后，取上清液進行分析。考慮Na2S2O8分子質(zhì)量是O2分子質(zhì)量的6倍，所以可用12倍的COD質(zhì)量來表示Na2S2O8的用量。

1.3 分析方法

COD采用微波密閉快速消解法進行測定；色度采用稀釋倍數(shù)法進行測定；采用IRPrestige傅立葉紅外光譜儀進行紅外光譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化劑投加量對處理效果的影響

在Fe3O4投加量為1.5 g/L，反應(yīng)時間為24 h的條件下，考察了Na2S2O8投加量對處理效果的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 Na2S2O8投加量對處理效果的影響

由圖1可以看出，隨著Na2S2O8投加量的增加，COD去除率呈先增加后降低的變化趨勢，當(dāng)m∶12m（COD）=1.2時，COD去除率達到最高，為56.7%。采用Fe3O4/Na2S2O8催化氧化體系處理垃圾滲濾液生化尾水，納米Fe3O4結(jié)構(gòu)中的Fe2+將電子傳遞給溶液中的Na2S2O8使其活化生成，因此隨著Na2S2O8投加量的增加，SO4-·的產(chǎn)生量也隨之增多，COD去除率增加。但Na2S2O8投加量過大，產(chǎn)生的過量的會相互淬滅〔4-5〕，導(dǎo)致COD去除率降低。出于經(jīng)濟方面的考慮，當(dāng)出水COD為700～1 300 mg/L，F(xiàn)e3O4投加量為1.5 g/L時，m∶12m（COD）=1.2較為適宜。

隨著Na2S2O8投加量的增加，色度去除率增大，當(dāng)m∶12m（COD）=1.2時，色度去除率高達90%，繼續(xù)增加Na2S2O8投加量，色度去除率的增速有所放緩。在Fe3O4/Na2S2O8體系中，F(xiàn)e3O4中的Fe2+活化Na2S2O8產(chǎn)生的高活性的與有機物進行氧化反應(yīng)，大分子有機物被氧化成小分子有機物，小分子有機物直接被碳化成CO2與H2O，此氧化過程使得色度大幅度降低。

2.2 Fe3O4投加量對處理效果的影響

圖2 Fe3O4投加量對處理效果的影響

從圖2可以看出，COD去除率隨著Fe3O4投加量的增加先迅速升高而后降低，當(dāng)Fe3O4投加量為1.5 g/L時，COD去除率達到最高，為55%。Fe3O4投加量過大，溶液中會產(chǎn)生大量的，大量的除了與有機物發(fā)生氧化反應(yīng)外，還將與Fe3O4提供的過量的Fe2+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，且之間會發(fā)生反應(yīng)而淬滅，導(dǎo)致COD去除率下降。過量的Fe3O4的投加不僅會使處理成本提高，還會惡化Fe3O4/Na2S2O8氧化體系。因此，工程應(yīng)用中需針對廢水水質(zhì)合理控制Fe3O4投加量。

隨著Fe3O4投加量的增加，色度去除率增大，當(dāng)Fe3O4投加量為0.5 g/L時，色度去除率達81%。色度去除效果較好的主要原因可能是：一方面Fe3O4中的Fe2+活化Na2S2O8生成的SO4-·可較好地氧化有機物；另一方面Fe3O4中的Fe3+具有絮凝作用，使水體中大分子有機物發(fā)生絮凝沉淀，從而使色度大幅度降低。

2.3 pH對處理效果的影響

在m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，F(xiàn)e3O4投加量為1.5 g/L，反應(yīng)時間為24 h的條件下，考察了廢水初始pH對處理效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 pH對處理效果的影響

由圖3可以看出，pH對處理效果具有顯著影響〔6〕。隨著pH的提高，COD與色度去除率顯著降低，當(dāng)pH=3時，COD與色度去除率分別為64%和100%。整體而言，酸性條件比堿性條件更加有利于氧化反應(yīng)的進行。這是因為在酸性條件下，F(xiàn)e3O4+ 8H+=4H2O+Fe2++2Fe3+，而Fe2+具有催化活化Na2S2O8產(chǎn)生的性能；而在堿性條件下Fe2+會生成Fe（OH）2沉淀，使Fe2+失去活化性能。綜合考慮COD與色度去除率，確定最佳pH為3。

2.4 反應(yīng)時間對處理效果的影響

從圖4可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，COD去除率先快速增加而后增速減緩，當(dāng)反應(yīng)時間為18 h時，COD去除率達到51%。對于色度而言，隨著反應(yīng)時間的延長，色度去除率增大，當(dāng)反應(yīng)時間為24 h時，色度去除率為82%。

圖4 反應(yīng)時間對處理效果的影響

2.5 紅外譜圖分析

在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)，采用溴化鉀壓片法對處理前后的滲濾液生化尾水進行了紅外光譜掃描，結(jié)果如圖5所示。水樣處理條件：Fe3O4投加量為1.5 g/L，m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，反應(yīng)時間為24 h，pH=3。

圖5 水樣處理前后紅外光譜

由圖5可知，處理前后水樣體系在3 450 cm-1與1 635 cm-1附近均存在特征峰，說明處理前后的水樣中均含有羥基與羧基。這主要是因為所處理水樣中含有腐殖酸、富里酸類物質(zhì)。相比處理前的水樣，處理后水樣在1 380 cm-1附近處的特征峰消失。這可能是由于水體中大量的蛋白質(zhì)類等大分子有機物被氧化成小分子物質(zhì)，而小分子物質(zhì)直接碳化成CO2與H2O，且飽和烴基被裂解，生成穩(wěn)定性更差以及相對分子質(zhì)量更小的有機物。

3 結(jié)論

（1）采用Fe3O4活化過硫酸鹽生成的高氧化還原電位的處理垃圾滲濾液生化尾水，當(dāng)pH=3，m∶12m（COD）=1.2，F(xiàn)e3O4投加量為1.5 g/L，反應(yīng)時間為24 h時，COD和色度去除率分別達64%與100%。該體系對色度具有非常高的去除率，說明納米Fe3O4不僅能夠活化Na2S2O8產(chǎn)生高活性的SO4-·，而且具有絮凝和吸附作用。

（2）FTIR分析結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4/Na2S2O8催化氧化體系有利于水樣中的小分子有機物碳化成CO2與H2O。

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Experimentalstudy on the treatm entof land fill leachate
biochem icaltailwaterby the Fe3O4/Na2S2O8system

Zhang Qi1，Zhan Peng1，2，Nie Fahui1，Hu Song2，Liu Zhanmeng1
（1.Schoolof Civil Engineering and Architecture，EastChina Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.JiangxiWater Resources Institute，Nanchang330013，China）

The Fe3O4/Na2S2O8system catalytic oxidation process has been used for treating landfill leachate biochemical tailwater.The influences of the factors，such as the dosages of Na2S2O8and Fe3O4，pH，reaction time，etc. on the treatmenteffects are studied.The results show thatwhen pH is 3，m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，F(xiàn)e3O4dosage 1.5 g/L，and reaction time 24 h，the removing rates of COD and chroma are 63%and 100%，respectively.Fourier transform infrared（FTIR）spectroscopyanalyticalresultsshow that thecontentsofsmallmolecularorganic substances in Fe3O4/Na2S2O8system are obviously reduced，compared with that of smallmolecular organic substances in untreatedwater samples.

leachatebiochemical tailwater；Na2S2O8；Fe3O4；catalytic oxidation

X703.1

A

1005-829X（2016）06-0043-04

張琪（1970—），在讀博士，講師。電話：13870812012，E-mail：snyxzq@sina.com。

2016-03-07（修改稿）

國家自然科學(xué)基金項目（51168013，51468016）；江西省自然科學(xué)基金項目（20142BAB203027）；江西省科技支撐計劃項目（20141BBG70003，20151BBG70020）