電化學(xué)組合工藝深度處理垃圾滲濾液生化出水

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）07-01161-05

近年來，隨著城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市中的垃圾產(chǎn)量也在不斷增長。焚燒和填埋是我國城市生活垃圾的主流處理方式[1]，但由于我國城市生活垃圾分類不到位[2]，生活垃圾含水量和有機(jī)物含量較高[3]，在其儲存階段會產(chǎn)生大量有毒有害的滲濾液，這是一種色度深、成分繁雜、污染物含量高且伴有惡臭氣味的廢水[4-5]，如若處理不當(dāng)，將對地表水及地下水造成嚴(yán)重污染，甚至對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[6-8]?，F(xiàn)今，垃圾填埋場一般采用生物法和膜法相結(jié)合的工藝對滲濾液進(jìn)行處理，先采用厭氧好氧組合的生物處理工藝，大大降低有機(jī)物及氮磷的含量，再經(jīng)過微濾、超濾、納濾和反滲透等膜濾技術(shù)對生化后的滲濾液進(jìn)行深度處理[9]。按照我國《生活垃圾填埋場污染控制指標(biāo)》GB16889—2008），傳統(tǒng)的生化處理工藝很難能夠達(dá)標(biāo)排放，對垃圾滲濾液進(jìn)行深度處理才可達(dá)到排放要求。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的深度處理技術(shù)為膜技術(shù)，但此方法需經(jīng)過多級膜過濾技術(shù)才可達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，處理成本高、膜污染嚴(yán)重，且會產(chǎn)生更難處理的膜濃縮液等問題[10]。

隨著電化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，如電絮凝（EC）電氧化（EO）和電芬頓（EF）工藝等，這些技術(shù)的單一或者組合工藝，已被廣泛應(yīng)用于各類廢水處理中[11-12]。通過采用電化學(xué)及其組合工藝深度處理垃圾滲濾液也已成為國內(nèi)外的研究熱點[13]。在利用電化學(xué)工藝深度處理滲濾液時，由于采用常見的直流供電模式，會面臨高能耗的問題，而脈沖供電模式，利用其獨特的周期供電方式，有利于能耗的降低，并對促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)過程中傳質(zhì)過程的進(jìn)行提供了較大幫助[14-15]

基于前期直流電化學(xué)反應(yīng)的最佳實驗參數(shù)，對垃圾滲濾液生化出水采用雙脈沖電源進(jìn)行電化學(xué)處理，分析不同影響因素對反應(yīng)的處理效果，進(jìn)而確定雙脈沖電化學(xué)反應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)條件，并確定2種電化學(xué)反應(yīng)的最佳組合方式。

1 實驗部分

1.1 試劑與材料

垃圾滲濾液生化出水取自某生活垃圾衛(wèi)生填埋場。重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸汞、氫氧化鈉、濃硫酸（ 98% ），分析純。垃圾滲濾液生化出水水質(zhì)如表1所示。

1.2實驗裝置與儀器

電源選用GKPD數(shù)控型雙脈沖電源（深圳市實誠電子科技有限公司）來提供持續(xù)穩(wěn)定的脈沖電流，直流電源、磁力攪拌器等。電極板尺寸均為 8cm× 5cm×1mm 。電化學(xué)反應(yīng)裝置圖如圖1所示。

1.3 實驗方法

1.3.1 電絮凝

將鐵、鋁極板分別作為電絮凝反應(yīng)的陰、陽極，反應(yīng)器容積為 220mL ，采用亞克力板制作，反應(yīng)接觸面積均為 5cm×4cm ?；谥爸绷麟娦跄に嚨淖罴褜嶒瀰?shù)條件，采用單因素變量法，調(diào)節(jié)脈沖頻率、占空比等影響因素，進(jìn)一步探究雙脈沖電絮凝對垃圾滲濾液生化出水中COD的去除效果。

1.3.2 電化學(xué)氧化

電化學(xué)氧化階段采用 Ti/Ru0₂?Ir0₂ 電極板作為陰陽極，反應(yīng)裝置與電絮凝反應(yīng)一致，反應(yīng)接觸面積均為 5cm×4cm ?；谥爸绷麟娧趸に嚨淖罴褜嶒瀰?shù)，采用單因素變量法，考察脈沖電源參數(shù)等因素對滲濾液生化出水COD去除效果的影響。

以上每種單因素實驗做3次平行，數(shù)據(jù)分析均取3次實驗數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖電絮凝處理

基于前期直流電絮凝的最佳實驗參數(shù)，采用鐵鋁極板分別作為電絮凝反應(yīng)的陰、陽極，在間距為1.2cm 、電流密度為 6mA?cm^-2 、初始 pH 為7.9、磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 350r?min^-1 的條件下，進(jìn)一步考察脈沖頻率、占空比和正反向工作時間比等因素對脈沖電絮凝處理效果的影響。

2.1.1 脈沖頻率參數(shù)優(yōu)化

為考察脈沖電絮凝時脈沖頻率對COD去除效果的影響，在脈沖電源占空比為 60% 、正反向工作時間比為 5：1 的條件下，探究不同脈沖頻率下電絮凝處理垃圾滲濾液生化出水的效果，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著頻率的增大，COD的去除率均呈上升趨勢。當(dāng)脈沖頻率為 1000Hz 時，去除率達(dá)到最大值 58.0% ；當(dāng)頻率大于 1000Hz 時對污染物的處理效果反而下降。原因可能是脈沖頻率的大小會直接決定脈沖寬度 t_on 與脈沖間歇 ?t_off 的大小。若脈沖頻率太小，則 t_on 和 ∣t_off 會增大。當(dāng) t_on 較大時，脈沖消除鈍化的功效就會消失；而 t_off 較大時，不必要的處理時間就會增加[16]。隨著脈沖頻率增大電極能快速復(fù)原，幾乎不產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，從而提升處理效率。但脈沖頻率過大，脈沖電流之間間隔過短，導(dǎo)致接近直流電，發(fā)揮不了脈沖作用并會加快極板鈍化，影響有機(jī)污染物的去除效率。因此，選擇脈沖電源的脈沖頻率為 1000Hz 較為合適。

2.1.2 占空比參數(shù)優(yōu)化

占空比是一個脈沖周期內(nèi)，通電時間與總周期時間之比[15]。占空比越大代表整個周期內(nèi)的通電時間越長，對應(yīng)能耗也就越大。在脈沖頻率為 1000Hz 正反向工作時間比為 5：1 的條件下，進(jìn)行了不同占空比下電絮凝處理垃圾滲濾液生化出水的實驗，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，占空比為 70% 和 80% 時對COD的處理效果較好，且兩者差距不大，反應(yīng)后測得兩者去除率最高達(dá)到 61.4% 。隨著占空比的不斷升高，COD的去除率增速呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且反應(yīng)速率也隨反應(yīng)時間的延長而逐漸趨于平緩。原因在于當(dāng)占空比較小時，有效通電時間較短，相同時間內(nèi)向體系內(nèi)輸入的電能較少，且產(chǎn)生的金屬離子也較少，電化學(xué)反應(yīng)較慢，處理效率不高；隨著占空比增大，電能也隨之增加，在脈沖電流下溶液中的傳質(zhì)、吸附、脫附等現(xiàn)象發(fā)生得越充分，處理效率隨之升高[17]；當(dāng)占空比繼續(xù)增大時，脈沖電源的性能越接近于直流電源，濃差極化趨勢增加導(dǎo)致脈沖效果不占優(yōu)勢，污染物處理效率降低。因為占空比為 70% 時，COD的去除效果與占空比為80% 的處理效果接近，且能耗較小，因此選擇占空比為 70% 較為合適。

2.1.3 正反向工作時間比參數(shù)優(yōu)化

在脈沖頻率為 1000Hz 、占空比為 70% 的條件下，在不同正反向工作時間比下進(jìn)行了電絮凝處理垃圾滲濾液生化出水的實驗，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，正反向工作時間比對COD的去除率有顯著影響。隨著正反向工作時間比從 1：5 增加至 10：1 ，COD的去除率呈不斷升高的走勢。在正反向工作時間比為 5：1 時，COD的去除效果最佳為 61.4% 。而隨著正反向工作時間比繼續(xù)增大，去除率卻略有下降。當(dāng)正反向工作時間比過大時，正向溶出金屬離子過多，在等同時間內(nèi)相當(dāng)于反向時間減少，對于緩解極板鈍化的能力有所減弱，所以污染物的去除效果也隨之下降；同樣，正反向工作時間比過小則會浪費電耗、材耗且達(dá)不到處理效果。因此，選擇正反向工作時間比為 5：1 較為合適。

2.2 脈沖電化學(xué)氧化

基于之前直流EO的最佳實驗參數(shù)，采用電極板為 Ti/Ru0₂?Ir0₂ ，在間距為 1.2cm 、電流密度為40mA?cm^-2 、初始 pH 為7.9、磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 350rmin^-1 的條件下，進(jìn)一步開展脈沖頻率、占空比等因素對脈沖電化學(xué)氧化處理效果的影響。

2.2.1 脈沖頻率參數(shù)研究

基于直流電化學(xué)氧化最佳實驗參數(shù)，在占空比為 50% 、電解20s后轉(zhuǎn)換極性的條件下對滲濾液進(jìn)行 120min 的電化學(xué)處理，考察不同脈沖頻率下電化學(xué)氧化處理垃圾滲濾液生化出水的效果，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，脈沖頻率由 1000Hz 增大至4000Hz 時，COD的去除率也隨脈沖頻率的增大而增大。頻率為 4000Hz 時去除率達(dá)到最大值，COD的去除率為 81.5% 。但繼續(xù)增大脈沖頻率至 5000Hz 時，COD的去除率有所降低。可見，脈沖頻率過高或過低，都不利于COD的去除。原因可能是：頻率越低，相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)時間越長，越容易形成表面擴(kuò)散層，污染物分子由溶液向界面處擴(kuò)散的過程不通暢，便不利于降解過程；隨著頻率升高，單位時間內(nèi)通斷電次數(shù)也隨之增加，優(yōu)化了電極表面活性物質(zhì)（如羥基自由基、活性氯等強(qiáng)氧化性物質(zhì)）的產(chǎn)生與污染物傳質(zhì)之間的關(guān)系，不易于表面擴(kuò)散層建立，且能有效緩解體系中的濃差極化，從而提高污染物的去除效率；而頻率過高時，放電時間過短，產(chǎn)生的表面活性物質(zhì)數(shù)量減少，無法充分氧化污染物質(zhì)，有機(jī)物在電極表面的吸附-反應(yīng)-脫附平衡被打破，從而減弱了降解效果[18]。因此，選擇脈沖電源的頻率為 4000Hz 較合適。

2.2.2 占空比參數(shù)研究

基于上述最佳實驗參數(shù)，在脈沖頻率為 4000Hz 、電解20s后轉(zhuǎn)換極性的條件下對滲濾液進(jìn)行 120min 的電化學(xué)處理，探究不同占空比下脈沖電化學(xué)氧化處理垃圾滲濾液生化出水的效果，結(jié)果如圖6所示

由圖6可以看出，當(dāng)占空比由 40% 增加至 60% 時，去除率也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢；當(dāng)占空比由 60% 增加至 80% 時，去除率沒有繼續(xù)增加，而是不斷下降。占空比為 60% 時的去除效果最佳，為 89.2% 。這可能因為：占空比的增大提高了通電時長，極板提供的電子數(shù)量以及電極周圍產(chǎn)生的活性物質(zhì)數(shù)量均顯著增多，提高了氧化降解效率，有利于有機(jī)物的去除。當(dāng)占空比繼續(xù)增大時，脈沖電源的性能越來越接近于直流電源，此時濃差極化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，伴隨副反應(yīng)的發(fā)生也越來越劇烈，導(dǎo)致污染物處理效率降低。同時，增大占空比也使得能耗、材耗隨之增加。因此，脈沖電源的占空比為 60% 較合適。

2.3電化學(xué)組合工藝的最佳處理工況

由上述實驗結(jié)果可知，單獨采用雙脈沖電絮凝或者電化學(xué)氧化工藝對垃圾滲濾液的深度處理均有明顯的去除效果，但出水水質(zhì)均無法達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，可充分結(jié)合EO和EC工藝的優(yōu)點，尋找適合的組合方式來進(jìn)一步提高電化學(xué)工藝的處理效果。

將EC反應(yīng)時間、EO反應(yīng)時間以及電化學(xué)組合工藝的先后順序作為影響因素，以COD去除率為考察標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行正交實驗設(shè)計，正交實驗因素水平表如表2所示。由于組合工藝的先后順序只有2種情況，所以選用擬水平正交設(shè)計，根據(jù)經(jīng)驗及原理分析， 的順序可能更優(yōu)一些，因此把C先后順序的1水平再重復(fù)一次，此項因子即可看成3水平的因子，按照 L₉（3³） 正交表設(shè)計實驗，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中均值 k 的結(jié)果，可得電化學(xué)組合最佳工況：電化學(xué)氧化 120min 、電絮凝 20min 以及 的反應(yīng)順序。極差 R 反映了各因素對考察指標(biāo)COD去除率的影響程度， R 越大，影響程度越大，可知電化學(xué)氧化時間的影響大于電絮凝反應(yīng)時間。在最優(yōu)方案的參數(shù)條件下，組合工藝對COD的去除率達(dá)到 96.14% ，殘余COD為 76.2mol?L^-1 ，能達(dá)到《生活垃圾填埋場污染控制指標(biāo)》（GB16889—2008）排放的標(biāo)準(zhǔn)。通過比較不同組合工況的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)氧化 120min+ 電絮凝 15min 的組合對COD的去除率達(dá)到了 95.15% ，殘余COD為 97.3mol?L^-1 ，也滿足污染物達(dá)標(biāo)排放的要求，與最佳組合工況相比，此組合方式能減少反應(yīng)的電能消耗及極板損耗，降低了處理成本。綜上，選擇電化學(xué)氧化 120min+ 電絮凝 15min 作為電化學(xué)組合工況較為合適。

3結(jié)論

在雙脈沖電源供電模式下，探索了不同電源參數(shù)分別對電絮凝和電化學(xué)氧化工藝去除污染物效能的影響，進(jìn)而確定了在電絮凝反應(yīng)階段中，脈沖頻率為 1000Hz 、占空比為 70% 、正反向工作時間比為 5：1 的最佳電源參數(shù)；在電化學(xué)氧化反應(yīng)階段中，脈沖頻率為 4000Hz 、占空比為 60% 、電解20s倒極的最佳參數(shù)。此外，通過正交實驗確定了電化學(xué)氧化反應(yīng) 120min+ 電絮凝反應(yīng) 15min 的電化學(xué)組合工況，對垃圾滲濾液生化出水的處理效果較好并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，而且與直流供電模式相比，在電能損耗、極板損耗等方面均有較大優(yōu)勢。

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Deep Treatment ofWasteLeachate Biochemical Effluent byElectrochemical Combination Process

CAI Jingyi， WANG Yujia， QIAO Bing （Shenyang Jianzhu University， ShenyangLiaoning11o168， China）

Abstract：Adouble-pulse \"electrochemicaloxidation + electro flocculation\"combination process was used for the deep treatment of biochemicalefuentfrom wasteleachate.Ontebasisofteprevious experiments，theoptimal testparametersofteflocclationand electrochemical oxidationprocesss underthepulsepowersupplymode were explored，andtheoptimalelectrochemicalcobiation process was obtained.The results showed that the electrochemical combination process of electrochemical oxidation for 120min+ electrochemical flocculation for 15min was more suitable， and the removal rate of COD in the effluent reached 95.15% ，and the residual COD was 97.3mol?L^-1 ， which was in line with the requirements of the emisson standards， and there was a big improvement in energy consumption and material consumption.Therefore，thiscombined processhasa beter development prospect inthe deep treatment of waste leachate.

Key words： Landfilleachate; Doublepulse power supply;Electrocoagulation; Electrochemicaloxidation; Deeptreatment