混凝電催化氧化深度處理垃圾滲濾液*

崔 麗， 許 濤， 李虹翰， 張立寶， 梁吉艷

(沈陽工業(yè)大學 理學院， 沈陽 110870)

垃圾滲濾液是在垃圾填埋過程中產生的一種棕黑色帶有惡臭氣味的廢水.垃圾滲濾液具有成分復雜多變、重金屬含量高、毒性大、難降解等特點[1-2].垃圾滲濾液的處理現已成為水污染領域面臨的主要問題之一[3].目前，常用垃圾滲濾液的深度處理方法主要包括：膜技術、機械式蒸汽再壓縮技術(MVR)、生物處理等方法，但在實際處理過程中，膜技術和MVR技術往往存在工程投資大、運行成本高、濃縮液需要再次處理等問題[4].生物處理方法對處理一些早期垃圾滲濾液較為有效，但對中期及老齡垃圾滲濾液無法實現有效處理[5-6].因此，開發(fā)一種垃圾滲濾液深度處理技術及工藝迫在眉睫.

相關研究表明，采用適當預處理方法來去除水中部分有機物、氨氮和重金屬，可以有效降低滲濾液的生物毒性，提高垃圾滲濾液的可生化性，減緩后續(xù)工藝的運行壓力[7].預處理工藝主要包括：絮凝沉淀、鐵碳微電解[8]、臭氧氧化、氨吹脫等.申麗芬等[9]以高鹽垃圾滲濾液為研究對象，通過投加PAC和PAM對垃圾滲濾液進行混凝沉淀，結果表明在PAC投加量為1 050 mg/L、PAM投加量為0.8 mg/L的條件下，垃圾滲濾液的化學需氧量(COD)由4 876 mg/L降至2 436 mg/L，COD去除率為50.04%，可見，混凝沉淀作為預處理工藝具有較好的處理效果.然而，簡單混凝過程只能去除一部分腐殖質、固體懸浮物和一些有機物等，無法達到深度處理達標排放的要求.

近年來，電催化氧化工藝因具有無需添加氧化劑、二次污染少、能量利用率高等特點而得到廣泛研究，并取得較好的去除效果[10].汪昕蕾等[11]利用自制Ti/Ru/SnO2+Sb2O5電極處理垃圾滲濾液后發(fā)現，COD去除率可以達到93.33%.電催化氧化過程主要通過物理化學過程產生大量活性極強的羥基自由基(·OH)，羥基自由基具有強氧化性，可以直接與難降解有機物進行反應，最終氧化分解為CO2和H2O[12].

1 實驗材料與儀器

實驗廢水為某垃圾填埋場產生的垃圾滲濾液.垃圾滲濾液水質參數為：COD 1 897 mg/L；氨氮濃度1 177 mg/L.實驗所用化學試劑與儀器分別如表1、2所示.電催化氧化裝置示意圖如圖1所示.實驗電極為Ti/PbO2與Ti/Ru-Ir電極.

表1 實驗所用化學試劑Tab.1 Chemical reagents used in experiments

表2 實驗所用儀器Tab.2 Instruments used in experiments

圖1 電催化氧化裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrocatalytic oxidation device

2 結果與分析

2.1 混凝實驗

采用三種不同混凝方式對垃圾滲濾液進行預處理.實驗一采用PAC進行預處理實驗；實驗二采用NaOH+PAM+FeCl3進行預處理實驗；實驗三采用Ca(OH)2+PAM+FeCl3進行預處理實驗.

通過比較三種預處理方法，探討不同預處理方法對垃圾滲濾液的處理效果.

2.1.1 PAC預處理實驗

量取1 000 mL垃圾滲濾液置于燒杯中，緩慢加入5 mL濃度為1 g/L的PAC混凝劑，勻速攪拌(轉速為100 r/min)5 min后靜置30 min，取上清液測定COD.

2.1.2 NaOH+PAM+FeCl3預處理實驗

量取1 000 mL垃圾滲濾液置于燒杯中，加入10 mL質量分數為10%的NaOH溶液調節(jié)垃圾滲濾液的pH值，隨后加入5 mL濃度為1 g/L的PAM混凝劑并勻速攪拌(轉速為100 r/min)，靜置60 min后取上層液體并加入5 mL質量分數為10%的FeCl3溶液，靜置沉淀后取上清液測定COD.

2.1.3 Ca(OH)2+PAM+FeCl3預處理實驗

量取1 000 mL垃圾滲濾液置于燒杯中，加入10 mL質量分數為10%的Ca(OH)2溶液后，加入5 mL濃度為1 g/L的PAM混凝劑并勻速攪拌(轉速為100 r/min)，靜置后首先會產生大量絮狀棕綠色沉淀，之后沉淀變?yōu)榛野咨页恋砹枯^少，靜置60 min后取上清液并加入5 mL質量分數為10%的FeCl3溶液，隨后產生大量紅色沉淀，靜置沉淀后取上清液測定COD.

2.1.4 不同預處理去除效果對比

圖2 不同預處理方法的去除率效果Fig.2 Effect of removal rates of different pretreatment methods

2.2 電催化氧化實驗

電化學氧化法指常溫常壓下使用具有催化活性的電極在通電條件下反應，直接或間接產生·OH等強氧化性物質，以此降解難生物降解的有機污染物的過程，且污染物的去除效率主要受電極類型、電流密度、電極間距等因素的影響[14].

電催化氧化實驗在自制的電催化氧化反應槽中進行，電極采用三陰極兩陽極排列方式，垃圾滲濾液經Ca(OH)2+PAM+FeCl3預處理后，取400 mL上清液置于電催化氧化反應裝置中.反應過程中進行勻速磁力攪拌，每1 h取樣一次進行相關水質指標檢測[15].

2.2.1 電極間距對去除率的影響

電極間距是影響電催化氧化反應進行的一個重要因素，本文探究了不同電極間距對垃圾滲濾液去除效果的影響.實驗電極采用Ti/PbO2電極，電流密度設定為20 mA/cm2，反應時間為4 h，電極間距分別設置為10、20 mm.

在預處理方法和電極類型相同的條件下，探究不同電極間距對垃圾滲濾液的處理效果，結果如圖3所示.由圖3可見，在電極為Ti/PbO2電極、電流密度為20 mA/cm2、電極間距為10 mm的條件下，電催化氧化處理后垃圾滲濾液的COD和氨氮去除率分別為81.5%和80.5%；當電極間距為20 mm且其他條件不變的情況下，電催化氧化處理后COD和氨氮去除率分別為93.5%和97.5%.可見，當電極間距為20 mm時，電催化氧化處理效果優(yōu)于電極間距為10 mm時的情況.這主要是由于當極板間距較小時，較大的電流密度可能會導致短路情況的發(fā)生，從而影響反應的進行.

圖3 不同電極間距對去除率的影響Fig.3 Effect of different electrode spacing on removal rates

2.2.2 電極類型對去除率的影響

電極類型直接影響電催化氧化處理效果，本文探究了Ti/PbO2和Ti/Ru-Ir兩種電極對實驗效果的影響.在實驗過程中電流密度設置為20 mA/cm2，電極間距為20 mm，反應時間為4 h.

不同電極對垃圾滲濾液去除率的影響如圖4所示.在預處理方法相同且電流密度為20 mA/cm2、電極間距為20 mm的條件下，不同電極對垃圾滲濾液的處理效果不盡相同.當使用Ti/PbO2電極處理垃圾滲濾液時，COD和氨氮去除率分別為90.1%和95.3%；Ti/Ru-Ir電極對COD和氨氮的去除率分別為99.5%和98.9%.可見，Ti/Ru-Ir電極的處理效果好于Ti/PbO2電極，這主要是由于兩種電極的中間層不同，Ti/Ru-Ir電極中的釕元素不僅提高了電極的導電性和穩(wěn)定性，同時還影響了電極的電催化活性.相比Ti/PbO2電極，Ti/Ru-Ir電極具有更高的析氧能力，較好的電流效率和較強的羥基自由基釋放能力.因此，Ti/Ru-Ir電極更易降解垃圾滲濾液中的有機污染物，從而降低其COD.

圖4 不同電極對去除率的影響Fig.4 Effect of different electrodes on removal rates

2.2.3 不同電流密度對去除率的影響

電流密度是影響電催化氧化反應進行的重要因素，本文探究了不同電極電流密度對實驗效果的影響.實驗電極為Ti/Ru-Ir電極，電極間距為20 mm，電流密度分別設置為15、20 mA/cm2，反應時間為4 h.

在預處理方法和電極類型相同的條件下，不同電流密度對垃圾滲濾液的處理效果有所不同，具體結果如圖5所示.由圖5可見，在相同反應時間段內，當電流密度為20 mA/cm2時，垃圾滲濾液的COD和氨氮去除率分別為95.3%和99.5%；當電流密度為15 mA/cm2時，COD和氨氮的去除率分別為74.5%和88.1%.當采用Ti/Ru-Ir電極處理垃圾滲濾液時，電流密度為20 mA/cm2的處理效果好于電流密度為15 mA/cm2的情況.隨著電流密度的增加，電極會產生更多的高氧化性羥基自由基.同時，電極的電子傳遞速率也會增加，因而有機污染物在電極表面與電子和·OH接觸的幾率隨之增加[16].因此，當電流密度為20 mA/cm2時，更易降解垃圾滲濾液中的有機污染物，從而降低其COD，取得更好的去除效果.

圖5 不同電流密度對去除率的影響Fig.5 Effect of different current density on removal rates

3 結 論

1) 在不同預處理方法中采用Ca(OH)2+PAM+FeCl3方法對垃圾滲濾液進行處理，可以取得較好的預處理效果.

2) 經預處理后進行電催化氧化實驗，當采用Ti/Ru-Ir電極，且電流密度為20 mA/cm2、電極間距為20 mm時，COD和氨氮去除率較高，可以達到較好的處理效果.