高析氧電極處理垃圾滲瀝液MBR出水的技術(shù)研究

郭 燕，高興旺，戴 昕

（南京萬德斯環(huán)保科技股份有限公司，南京 211100）

垃圾滲瀝液是一種成分復(fù)雜的高濃度難降解有機(jī)廢水，處理不當(dāng)將會(huì)對(duì)環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。常規(guī)處理工藝是膜處理方法（超濾、NF、RO、DTRO等），但由于膜污染及濃縮液出路問題，現(xiàn)考慮從非膜法工藝著手，探索一種垃圾滲瀝液非膜法處理技術(shù)，避免濃液產(chǎn)生嚴(yán)重問題。而電化學(xué)方法無額外添加劑的加入，利用電能在電極表面反應(yīng)，使廢水內(nèi)有機(jī)物及其他離子得以去除，相較于其他水處理方法具有能量效率高、反應(yīng)條件及裝置簡單、工藝靈活、可控制性強(qiáng)、易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，可用于處理各類難降解廢水[1]。但由于現(xiàn)有電極材料的電流效率低、能耗高、處理費(fèi)用高，電化學(xué)處理生物難降解有機(jī)廢水在國內(nèi)外的工業(yè)化程度較低。因此，選用高析氧電極材料來處理生物難降解廢水有著重要的實(shí)際意義[2]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與條件

試驗(yàn)裝置尺寸20 cm×10 cm×0 cm，處理規(guī)模為50 L/d，如圖1所示。裝置采用10 A恒電流直流電源，內(nèi)置5組陽極試驗(yàn)電極，尺寸為100 mm2×100 mm2，5組陰極碳鋼電極，尺寸為100 mm2×100 mm2，陽極電極與陰極電極交叉放置，極間距為2 cm。裝置底部布有穿孔布水管，通過蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)被處理液體在裝置內(nèi)的循環(huán)。

圖1 電解裝置實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)用極板的選取

選用江蘇安凱特科技股份有限公司提供的鈦板作為基材，采用的5種鈦基極板為Ti/Pt、Ti/PbO2、Ti/RuO2、Ti/SnO2SbO3CuO、Ti/BDD。

1.3 試驗(yàn)用垃圾滲瀝液來源

針對(duì)安徽某垃圾填埋場滲瀝液處理系統(tǒng)，取其MBR出水作為處理對(duì)象，COD為830 mg/L，氨氮為47 mg/L，TN為103 mg/L，電導(dǎo)率為13 000 μS/cm，pH為7.90。水體呈棕黃色，無明顯氣味。

1.4 模擬廢水組成

富里酸構(gòu)成中COD濃度為470 mg/L，Na2SO4濃度為0.25 mol/L。本研究通過改變?nèi)芤褐新入x子濃度來考察Cl-對(duì)COD去除效果的影響。

1.5 檢測指標(biāo)及方法

1.5.1 電極析氧電位檢測方法

在0.5 mol/L Na2SO4溶液中，以1.0～2.0 V（汞/氯化汞電極）為電極電勢的掃描范圍，采用1 mV/s掃描速度獲得伏安掃描曲線，測定不同研究電極表面的析氧電位。

1.5.2 垃圾滲瀝液中污染物檢測方法

COD采用重鉻酸鹽法，氨氮采用納氏試劑法，TN采用堿性過硫酸鉀法，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率測定儀，pH采用pH測定儀。

2 高析氧電極篩選

2.1 各電極表面析氧電位檢測分析

對(duì)各電極表面的析氧電位進(jìn)行檢測，Ti/Pt電極析氧電位≈1.35 V；Ti/PbO2電極析氧電位≈1.70 V；Ti/RuO2電極析氧電位≈1.15 V；Ti/SnO2SbO3CuO電極析氧電位≈2.0 V；Ti/BDD電極析氧電位≈2.30 V。其中，Ti/BDD電極析氧電位最高，達(dá)到2.3 V，其次為Ti/SnO2SbO3CuO電極，析氧電位達(dá)2.0 V。在垃圾滲瀝液電化學(xué)處理過程中，電極表面可產(chǎn)生高氧化性物質(zhì)，可更高效地降解廢水中有機(jī)物。但BDD電極在制作過程中需采用氣相沉積等方法制備，目前的設(shè)備制作水平限制了其工業(yè)化生產(chǎn)，尚無能夠市場化應(yīng)用的大尺寸BDD極板[3]。

2.2 各電極處理滲瀝液MBR出水的效果分析

對(duì)垃圾滲瀝液MBR出水進(jìn)行電化學(xué)氧化試驗(yàn)，記錄不同時(shí)間下滲瀝液中COD的降解情況，電流密度采用25 mA/cm2，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同電極板對(duì)滲瀝液生化出水COD的降解情況

采用Ti/SnO2SbO3X電極對(duì)垃圾滲瀝液MBR出水中的COD降解最快，其次為Ti/PbO2電極。這是因?yàn)門i/SnO2SbO3X與Ti/PbO2均具有較高的析氧電位，電極表面產(chǎn)生大量的·OH，能夠迅速高效地降解有機(jī)物，且Ti/SnO2SbO3CuO具有更高的析氧電位，其對(duì)有機(jī)物的去除效果更好。因此，在處理垃圾滲瀝液MBR出水時(shí)，宜選用具有高析氧電位的Ti/SnO2SbO3CuO。

3 高析氧電極對(duì)滲瀝液處理的影響因素分析

3.1 氯離子濃度對(duì)富里酸構(gòu)成COD的降解影響

采用Ti/SnO2SbO3CuO電極在模擬高鹽廢水中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，控制COD廢水內(nèi)氯離子濃度、電流密度、溶液的初始pH值三個(gè)方面因素，考察氯離子濃度對(duì)高鹽廢水中COD去除效果的影響。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)廢水初始COD含量為470 mg/L，電流密度取25 mA/cm2，初始pH取7.0。

由圖3可以看出，當(dāng)[Cl-]=0 g/L時(shí)，溶液中COD隨電解時(shí)間的增加無明顯變化。隨著[Cl-]的增加，COD去除效果不斷提高，當(dāng)[Cl-]達(dá)到10 g/L時(shí)，COD從470 mg/L降解至54 mg/L。由Ti/SnO2SbO3CuO電極的析氯析氧特性可知，隨著氯離子濃度的增加，析氧反應(yīng)受到抑制，電極的析氯活性大于析氧活性，電極表面產(chǎn)生更多的有效氯，有利于間接電化學(xué)氧化降解COD。而當(dāng)Cl-濃度大于10 g/L時(shí)，其濃度的持續(xù)增加對(duì)COD的去除速率并無明顯影響。這是因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)中的電子轉(zhuǎn)移為控制步驟，Cl-濃度的增加并不會(huì)增加電子轉(zhuǎn)移的速率，因此COD的去除速率基本保持不變。

圖3 Cl-濃度對(duì)COD去除效果的影響

3.2 電流密度對(duì)COD降解的影響

分別將電流密度設(shè)為5、10、15、20、25、30 mA/cm2，考察在不同電流密度情況下Ti/SnO2SbO3CuO電極對(duì)垃圾滲瀝液MBR出水中COD的去除影響，如圖4所示。

圖4 不同電流密度條件下COD降解效果

電流密度不同時(shí)，COD濃度均呈現(xiàn)先降低再升高后降低的變化趨勢。初始階段，COD的降低主要源于廢水中小分子有機(jī)物的降解，中間階段，COD的升高是由于污水中的大分子物質(zhì)被分解為小分子，最后階段，COD的再降低是因?yàn)閺U水中的有機(jī)物基本被降解掉。在不同電流密度的條件下，Ti/SnO2SbO3X電極對(duì)此廢水中COD的降解速度差別較大，電流密度越大，COD的降解速率越快。采用本試驗(yàn)裝置處理垃圾滲瀝液MBR出水，當(dāng)電流密度分別為5、10、15、20、25、30 mA/cm2時(shí)，要將該廢水的COD降至《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889—2008）要求的100 mg/L，處理1 m3污水的耗電量分別為：9.94、21.25、26.65、18.48、15.53、33.81 kW·h，當(dāng)電流密度為5 mA/cm2時(shí)，需180 min，而當(dāng)電流密度為25 mA/cm2時(shí)，只需40 min。綜合處理時(shí)間和能耗考慮，25 mA/cm2是該系統(tǒng)電解時(shí)的最佳電流密度。

4 結(jié)論

Ti/SnO2SbO3CuO電極具有較高的析氧電位，其表面可產(chǎn)生大量的·OH，較好地降解廢水中的COD。在垃圾滲瀝液電解試驗(yàn)中，Ti/SnO2SbO3CuO較其他電極表現(xiàn)出較高的COD去除能力，最佳電流密度為25 mA/cm2。Ti/SnO2SbO3CuO電極可將垃圾滲瀝液MBR出水中COD降至小于100 mg/L，達(dá)到《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889—2008）表2排放標(biāo)準(zhǔn)。