電催化氧化技術(shù)在垃圾濾滲液有機廢水處理中的應(yīng)用研究

趙云鋒

摘 要：垃圾濾滲液是于垃圾衛(wèi)生填埋期間形成的高濃度有機廢水，內(nèi)含成分豐富，且危害性強，必須經(jīng)過處理且達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之后方可排入環(huán)境與市政污水管道之中。伴隨我國環(huán)保愈漸嚴格，我國許多填埋場嘗試采用電催化技術(shù)處理垃圾濾滲液，效果較為理想。本次研究即介紹了電催化氧化技術(shù)以及垃圾滲濾液特點，并通過實驗的方式，從pH值、槽電壓以及曝氣量等因素討論電催化氧化技術(shù)如何應(yīng)用在垃圾滲濾液有機廢水處理之中，為我國垃圾濾滲液有機廢水處理提供參考。

關(guān)鍵詞：電催化氧化技術(shù);垃圾濾滲液;有機廢水處理

引言

垃圾濾滲液是城市生活垃圾填埋之后形成的有機廢水，內(nèi)含成分豐富，且水質(zhì)將伴隨時間推移而改變，已經(jīng)是我國垃圾衛(wèi)生填埋場亟待解決的環(huán)境污染問題[1]。垃圾濾滲液凈化通常應(yīng)用回灌以及生化處理等常規(guī)方法，實際運行期間，生物菌往往由于不能適應(yīng)垃圾滲濾液水量以及水質(zhì)改變而受到抑制，乃至死亡，所以需要新穎的方式予以處理。電催化氧化是解決難以降解有機污染物的重要方式之一，在垃圾濾滲液有機廢水處理中的應(yīng)用較為頻繁，而如何控制相關(guān)影響因素，以最大程度提高垃圾濾滲液處理效率，受到許多學(xué)者的關(guān)注與重視。

一、垃圾濾滲液與電催化氧化技術(shù)概述

（一）垃圾濾滲液特點

垃圾濾滲液水質(zhì)成分相對復(fù)雜，各個指標(biāo)波動明顯，這與本地氣候環(huán)境、填埋場垃圾類型構(gòu)成以及填埋方式有直接關(guān)系。整體表現(xiàn)為如下特點：第一，表觀特點：垃圾濾滲液色度較高，通常在 500倍至1500倍之間，表現(xiàn)為棕黑色，容易起泡，基本無法看到雜質(zhì)以及顆粒等各種懸浮物品，無顯著的異味。

第二，成分復(fù)雜，含有大量有機污染物。垃圾濾滲液內(nèi)的組分通常有總?cè)芙庑怨腆w、總?cè)芙庑杂袡C物以及重金屬離子。其中，總?cè)芙庑怨腆w包含了不同類型溶解性鹽，例如二價離子Ca2+、Mg2+、Ba2+等，通常濃縮液電導(dǎo)率數(shù)值較高，證明溶解物類型復(fù)雜;垃圾濾滲液內(nèi)的溶解性有機物包括甲苯、有機酸以及多環(huán)芳烴等，同時含有許多難以降解的腐殖質(zhì);重金屬離子包含了鉛、鉻等離子。

第三，可生化性不佳。垃圾濾滲液自身可生化性不理想，納濾浸水通常已經(jīng)接受了生化加工，所以BOD5含量偏低，許多小分子有機物能夠穿透納濾膜，使得垃圾濾滲液生化性降低[2]。加之垃圾濾滲液內(nèi)含有苯系物、不同類型腐殖質(zhì)類有機物以及重金屬離子等，嚴重破壞微生物活性，造成垃圾濾滲液可生化性并不理想。

（二）電催化氧化技術(shù)

電催化氧化技術(shù)是解決難以降解有機廢水的重要處理方式，指將電力作為催化劑，在電機以及水內(nèi)形成氧化還原反應(yīng)，以達到分解有機污染物目標(biāo)的過程[3]。優(yōu)勢在于如下方面：氧化相對徹底，最終形成的物質(zhì)為水以及二氧化碳;反應(yīng)條件更為容易獲得，通過低壓直流電并于常溫與常壓狀態(tài)下開展;操作便捷，可控性強，工作參數(shù)能夠結(jié)合現(xiàn)實水質(zhì)情況進行調(diào)節(jié)，容易發(fā)展為自動化技術(shù)[4]。垃圾濾滲液Cl-濃度以及電導(dǎo)率較高，為電催化氧化技術(shù)的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)，有益于去除難以降解的有機物以及NH3-N，所以開始廣泛應(yīng)用在垃圾滲濾液無害化處理工作之中。

二、實驗環(huán)節(jié)

（一）實驗樣本

垃圾濾滲液源自本地生活垃圾衛(wèi)生填埋場，外觀呈棕黑色，有異味，廢水內(nèi)經(jīng)檢測含有大量無法降解的有機物質(zhì)，可生化性不佳。各項指標(biāo)如下所示：

本次實驗研究應(yīng)用FEI Quanta 2000型掃描電鏡觀測催化劑外觀。同時應(yīng)用日本Rigaku-D/Max-2500型X射線粉末衍射設(shè)備檢驗催化劑晶相結(jié)構(gòu)。COD應(yīng)用微波密封消解COD速測方式;NH4+-N質(zhì)量濃度檢驗應(yīng)用納氏試劑比色方式，垃圾滲濾液pH數(shù)值應(yīng)用Mettler Toledo 320酸度設(shè)備檢測確定。

（三）CuO·CeO2/γ-Al2O3催化劑制備方式

本次研究應(yīng)用浸漬法制作負載型催化劑。實驗人員制備9%硝酸鈰浸漬液，運用等體積浸漬方式制作CuO·CeO2/γ-Al2O3，置于105℃環(huán)境下干燥，持續(xù)10小時之后，置入400℃環(huán)境中焙燒，持續(xù)4小時。之后，將所制作的粒子浸漬在2%Cu（NO3）2溶液內(nèi)，經(jīng)過24小時之后予以過濾洗滌，然后置于105℃環(huán)境下干燥，持續(xù)10小時之后，置入400℃環(huán)境中焙燒，持續(xù)4小時，即為試驗中應(yīng)用的CuO·CeO2/γ-Al2O3催化劑。

（四）實驗流程

電催化氧化反應(yīng)實驗所應(yīng)用的設(shè)備包括直流電源、電解槽、主電機板以及床體填料。陽極采用IrO2-TiO2/Ti電機，陰極采用石墨電極，主極板面積為6cm-12cm。將100mL體積比值為1：1的GAC以及CuO·CeO2/γ-Al2O3催化劑混合，確保均勻之后，充當(dāng)床體填料。

實驗運行期間，把混合填料放置在垃圾滲濾液內(nèi)，直至吸附與完全飽和，避免吸附效果對去除效果產(chǎn)生影響。實驗過程中，將填料反放置在兩個主電極內(nèi)，之后把350mL垃圾滲濾液添加在電解槽內(nèi)，開啟空壓機調(diào)整氣體流量，并與電源相接，在電極兩端添加額定電壓，即可開始電解實驗。本次實驗采用間歇靜態(tài)實驗，反應(yīng)結(jié)束后，針對槽內(nèi)溶液各項指標(biāo)予以分析。

三、電催化氧化反應(yīng)在垃圾滲濾液有機廢水處理中的應(yīng)用

（一）槽電壓控制

電催化氧化反應(yīng)在處理垃圾滲濾液過程中，電極表面的電勢Φm和液相電位Φs的差值關(guān)系著氧化反應(yīng)速度，兩者之間數(shù)值差異越大，則反應(yīng)速度越大[5]。Φm與槽電壓之間呈正比關(guān)系，槽電壓數(shù)值越大，則對應(yīng)的Φm數(shù)值越高。然而，如果槽電壓數(shù)值超過一定標(biāo)準(zhǔn)，副反應(yīng)隨之更為強烈。故而，垃圾衛(wèi)生填埋場應(yīng)重視槽電壓指標(biāo)的控制。處于pH為中性、極間隔距離為3cm、曝氣量為0.08m3/h的環(huán)境下，對垃圾滲濾液進行電解，持續(xù)3小時之后，槽電壓不同，垃圾滲濾液處理效果有明顯差異，具體體現(xiàn)為，伴隨電壓的不斷增加，滲濾液之中活性炭的極化強度顯著增加，電化學(xué)反應(yīng)動力加強，COD與NH4+-N消除率確實得到一定的提高。在槽電壓數(shù)值達到15V之后，垃圾滲濾液COD以及NH4+-N消除率分別為94%與100%。此后，如果進一步加強電壓，NH4+-N可實現(xiàn)完全消除的，然而COD消除率卻有所減少。可見，盡管槽電壓增加可以使總反應(yīng)加速，但是析氧副反應(yīng)會隨之增加。不僅如此，金屬氧化物活動成分的溶出將加劇，上述因素造成垃圾滲濾液COD降解效果減弱。

（二）曝氣量設(shè)計

本次實驗過程中，借由在反應(yīng)器底部安裝鼓入空氣的設(shè)備，以構(gòu)成三維三相電化學(xué)體系。故而，反應(yīng)期間，存在氣—液—固各相彼此接觸與界面反應(yīng)。曝氣布置可以達到攪拌溶液的效果，使得催化劑和溶液最大限度接觸，同時可以為系統(tǒng)供應(yīng)源自外部的氧氣，實現(xiàn)在陰極表面借由電子還原反應(yīng)形成H2O2，加速有機物反應(yīng)。本次研究在槽電壓設(shè)定為15V，極間隔距離為3cm、pH中性環(huán)境下，持續(xù)電催化氧化反應(yīng)3小時，以分析曝氣量與滲濾液降解之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，伴隨曝氣量的增加，COD以及NH4+-N消除率隨之提升，然而在曝氣量高于0.08m3/h之后，消除率反而有降低的趨勢。原因在于當(dāng)曝氣量升高，有關(guān)反應(yīng)從動力學(xué)作用轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)作用，且體系內(nèi)部溶解氧逐漸穩(wěn)定。如果曝氣量不低于0.08m3/h，滲濾液內(nèi)的Cl-于陽極釋放電子，進而產(chǎn)生Cl2，而曝氣量繼續(xù)增加，導(dǎo)致Cl2不能進一步在溶液內(nèi)構(gòu)成HCIO，HCIO所產(chǎn)生的氧化效果可以清除廢水內(nèi)部的COD以及NH4+-N，導(dǎo)致降解效果下降。故而，垃圾衛(wèi)生填埋在使用電催化氧化技術(shù)時，曝氣量應(yīng)設(shè)定在0.08m3/h上下。

（三）pH控制

進水pH數(shù)值關(guān)系著垃圾滲濾液于電催化反應(yīng)內(nèi)降解效果[6]。本次研究在槽電壓設(shè)定為15V、極間隔距離為3cm、曝氣量為0.8m3/h環(huán)境下，電解3小時，以觀察pH的影響效果。結(jié)果顯示，當(dāng)pH數(shù)值為5，COD降解速度最為理想，然而NH4+-N較低，影響亞硝態(tài)氮氧化反應(yīng)，同時干預(yù)之后的有機物降解。當(dāng)處于中性至堿性的環(huán)境下，NH4+-N能夠于陽極中直接氧化為氮氣和水，消除效果相較于酸性更為理想。然而，處于高pH環(huán)境下，電解產(chǎn)物為碳酸鹽以及重碳酸鹽，屬于OH主要消耗物質(zhì)，且電機表面相較于酸性環(huán)境下容易產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，使得COD消除率因pH的下降而下降。不僅如此，溶液pH與CuO·CeO2/γ-Al2O3內(nèi)部活性組分溶出之間關(guān)系密切。故而，滲濾液進水應(yīng)盡量控制為中性，不僅可以保證COD與NH4+-N保持較高消除率，且有效嚴懲電極的使用時長。

（四）極間隔距離設(shè)計

電化學(xué)反應(yīng)設(shè)備傳質(zhì)體現(xiàn)為電遷傳質(zhì)以及擴散傳質(zhì)，上述傳質(zhì)與極間隔距離之間呈負相關(guān)關(guān)系，即極間隔距離增加，則傳質(zhì)減少[7]。且相較于三維電極電化學(xué)體系來說，主電極極間隔距離與整體反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)粒電極群極化水平之間有密切關(guān)系。本次研究在槽電壓為15V、pH中性、曝氣量設(shè)定為0.08m3/h環(huán)境下，分析極間隔距離與滲濾液電解效果之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，當(dāng)極間隔距離降低，COD與NH4+-N表現(xiàn)為上升態(tài)勢。然而，隨著極間隔距離降低至2cm時，當(dāng)反應(yīng)時間增加，副反應(yīng)能源損耗不斷提高，滲濾液水溫明顯提高，COD去除率降低。同時，活性炭產(chǎn)生溶出現(xiàn)象，產(chǎn)生粉末狀微粒，色度增加，形成二次污染。不僅如此，當(dāng)極間隔距離降低，耗電量大幅增加。故而，垃圾衛(wèi)生填埋場需要充分考慮能源損耗以及處理效果兩個方面的因素，從中尋找適合點。

結(jié)束語

就本次研究結(jié)果顯示，垃圾衛(wèi)生填埋場在應(yīng)用電催化氧化技術(shù)處理垃圾滲濾液有機廢水時，應(yīng)合理控制槽電壓、極間隔距離以及pH等影響因素，其中槽電壓以及極間隔距離存在最佳值，只有保證各項影響因素控制合理，才能充分發(fā)揮電催化氧化技術(shù)的價值。

參考文獻：

[1] 陳蕊， 徐菁， 張鋼強. 高級氧化技術(shù)在難降解工業(yè)污水中的應(yīng)用研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理， 2019， 44（5）：99-102.

[2] 陳蕾， 王志鵬. 電化學(xué)高級氧化技術(shù)處理難降解有機廢水的影響因素[J]. 應(yīng)用化工， 2019， 48（1）：164-168.

[3] 郭壯. 過臭氧化技術(shù)處理低濃度有機廢水的過程強化及機理研究[D]. 中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院過程工程研究所）， 2019.

[4] 趙媛媛， 王德軍， 趙朝成. 電催化氧化處理難降解廢水用電極材料的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報， 2019， 33（7）：8.

[5] 張小平， 黃純欽， 覃理嘉，等. 催化氧化技術(shù)處理高濃度有機廢水的研究進展[J]. 大眾科技， 2020， 22（4）：4.

[6] 滕洪輝， 高澤， 韓丹丹，等. 三維電極電催化氧化技術(shù)處理工業(yè)廢水研究進展[J]. 水處理技術(shù)， 2020， 46（4）：4.

[7] 武世煊， 張峰， 楊帆，等. 高鐵酸鉀輔助PAC混凝沉淀+電化學(xué)氧化處理乳化液廢水研究[J]. 現(xiàn)代化工， 2021.

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