微波/活性炭強化過硫酸鹽氧化處理垃圾滲濾液研究

李 娜,李小明,楊 麒,柳 嫻,伍秀瓊 (湖南大學環境科學與工程學院,環境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

微波/活性炭強化過硫酸鹽氧化處理垃圾滲濾液研究

李 娜,李小明*,楊 麒,柳 嫻,伍秀瓊 (湖南大學環境科學與工程學院,環境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

采用微波(MW)-活性炭(AC)強化過硫酸鹽(PS)氧化處理垃圾滲濾液,研究不同因素對垃圾滲濾液處理的影響,比較不同組合工藝對滲濾液處理的效果及活性炭的多次使用情況.結果表明,COD和氨氮(NH4+-N)的去除率隨著AC用量、PS用量(S2O82-:12COD0)、MW功率和輻射時間的增加而增大,pH值對COD的去除影響不明顯, NH4+-N在堿性條件下得到更理想的去除效果;在活性炭用量為10g/L,PS用量為:12COD0=1.2,pH=9,MW 功率和輻射時間分別為 500W 和 10min時,垃圾滲濾液中的 COD和 NH4+-N去除率分別為 78.2%和67.2%,BOD5/COD由0.17增至0.38;不同工藝對垃圾滲濾液處理效果顯示,MW-AC-PS工藝對垃圾滲濾液中COD和氨氮去除率明顯高于其他處理,且MW、AC和PS之間存在協同效應,MW熱效應顯著;活性炭四次實驗后,COD和NH4+-N的去除率分別為61.2%和46.1%.

垃圾滲濾液；微波；活性炭；過硫酸鹽氧化

目前,大多數國家都以衛生填埋作為處理城市固體廢棄物的最基本的方式[1].填埋場中產生的滲濾液是一種具有急性和慢性毒性的高濃度廢水[2].過硫酸鹽(PS)氧化技術是近年來新興起的新型高級氧化技術[3].由于 PS比較穩定,在常溫下反應速率較慢,對有機物的降解效果不明顯,許多研究利用熱[4]、光[5-6]、pH值[7]、過渡金屬Mn+(Fe2+、Ag+)[8-9]等活化PS產生氧化性更強的硫酸根自由基(, E0=2.6V),相關方程如下:

但關于PS活化技術的大多數研究僅限于合成廢水[4-9],只有少數應用于實際廢水和垃圾滲濾液中[2].

由于近年來,微波(MW)在環境領域的應用取得了較大的發展,而活性炭(AC)作為優良的MW 吸收材料,能夠有效吸收 MW 的能量并轉化為熱能,并且 MW-AC已經應用于廢水處理領域[10-11].本文采用MW-AC-PS構成MW催化體系預處理垃圾滲濾液,研究了該工藝對有機物的降解效率,以期降低滲濾液的有機負荷和毒性,提高可生化性,對PS活化技術在環境方面的應用有著重要的意義.

1 材料與方法

1.1 垃圾滲濾液水質特征

垃圾滲濾液取自長沙市黑麋峰垃圾衛生填埋場,呈黑褐色,有惡臭味,儲藏于 4℃.原水水質如下:原始 COD(COD0)7500～9500mg/L,BOD5/COD00.17,-N 1450～1600mg/L,-N 0.4mg/L-N 20mg/L,TP 24mg/L,SS 1124mg/L,pH值7.4,色度180.

1.2 主要儀器和藥品

MS-3型微波消解COD測定儀(華南環境科技開發公司制造);BOD測定儀;可調功率微波化學反應器LWMC-205(南京領獎科技開發有限公司);721分光光度計(上海精密科學儀器有限公司);電子天平(上海精科有限公司);pH計:pHS-25型數顯酸度計(雷磁分析儀器廠);過硫酸鈉(Na2S2O8),實驗所用藥品皆為 A.R級(國藥集團化學試劑有限公司);AC(經10% NaOH浸泡2h,用去離子水洗滌至 pH 值為中性,于 105℃干燥24h)粒徑為1～1.5mm.

1.3 試驗方法及條件

以“通信網”課程為例，實驗課程體系架構如表1所示，該架構中體現了“原理—技術—系統—網絡”的內在聯系。

1.4 監測項目和分析方法

2 結果與討論

2.1 AC用量對垃圾滲濾液處理效果的影響

圖1 AC用量對COD和-N去除影響Fig.1 Effect of AC dose on COD and -N removal efficiency

方干有七律《題寶林山禪院》、七絕《題寶林寺禪者壁》。據《雍正浙江通志》越州寶林寺條載：“唐元徽元年，法師惠基于寶林山下建，唐會昌中廢，乾符元年(874)重建，改名應天寺。”[5]6421同時，方干有七律《題應天寺上方兼呈謙上人》，應寫于乾符元年方干65歲之后，從其中詩句“勢橫綠野蒼茫外，影落平湖瀲滟間”來看，應天寺即寶林山禪院就在鏡湖岸邊，方干在歸隱鏡湖前后對應天寺即寶林山禪院進行過多次造訪。

2.3 兩組產婦情況比較 兩組產婦的產后出血量、輸血量、術后并發癥發生率、轉入ICU率比較，差異均無統計學意義(P>0.05)。見表4。

農產品中有機磷檢測的前處理一般分三步，如圖1：從樣品基質中將目標物提取出來；凈化除去目標物之外的其他成分；將含目標物的溶液進行濃縮。

2.2 過硫酸鈉用量對垃圾滲濾液處理效果的影響

保持AC用量為10g/L,pH值為7.4,MW輻射功率及時間分別為400W和10min的實驗條件,考察過硫酸鈉用量對垃圾滲濾液中的 COD和-N去除效果的影響.由圖2可知,COD的去除率是隨著過硫酸鈉用量的增加而快速增大,在:12COD0>1.2時趨于緩慢,-N的去除率隨著過硫酸鈉用量增加而緩慢增加.PS在MW-AC作用下被活化產生高活性的,隨著PS用量的增加,的量也隨之增加,有利于降解有機物.隨著PS用量的增加,-N去除率增加表明有部分是通過的強氧化去除的,可能是因為作為強氧化劑從還原性的-N中獲得電子,將氧化成高價態的物質[2].

圖2 過硫酸鈉用量對COD和-N去除影響Fig.2 Effect of sodium persulfate dose on COD andN removal efficiency

2.3 pH值對垃圾滲濾液處理效果的影響

圖3 pH值對COD和-N去除影響Fig.3 Effect of pH value on COD and-N removal efficiency

2.4 輻射時間和輻射功率對垃圾滲濾液處理效果的影響

取100mL滲濾液于500mL的錐形瓶中,加入數粒玻璃珠,以NaOH和H2SO4調節pH值,先后加入一定量的活性炭和過硫酸鈉,由于與O2的分子質量比為12,所以可用與12倍的COD0的質量比(:12COD0)來表示過硫酸鈉的用量[2].將錐形瓶放入微波反應器中,調節微波功率和反應時間,反應結束后取出用冰水迅速冷卻,調節pH值至7.4,用去離子水定容至反應前體積,過濾,測定相關水質指標.

這是一支忙碌的隊伍，從年初一直忙碌到年尾；這是一支責任大于榮譽的隊伍，守衛人民群眾生命健康安全就是他們的天職。對食品安全監管事業的無限忠誠和對人民群眾的滿腔熱愛，已成為天津市靜海區市場監管局食品安全監管科全體干部職工的激情之源。

圖4 微波輻射時間和微波功率對COD去除影響Fig.4 Effect of microwave radiation time and microwave power on COD removal efficiency

圖5 微波輻射時間和微波功率對-N去除影響Fig.5 Effect of microwave radiation time and microwave power on -N removal efficiency

2.5 不同處理方法的比較

COD采用標準重鉻酸鉀法(密閉消解),BOD5采用稀釋接種法,-N采用納氏試劑分光光度法-N采用 N-(1-奈基)-乙二胺光度法,-N采用紫外分光光度法,TP采用鉬銻抗分光光度法,SS采用重量法,色度采用稀釋倍數法.

圖6 不同組合工藝對COD去除影響Fig.6 Degradation of COD by the combined different progresses

圖7 不同組合工藝對-N去除影響Fig.7 Degradation of-N by the combined different progresses

另外,根據實驗結果推算出 MW、AC、PS及AC-PS在組合工藝中對COD的去除率分別為39.7%、10.5%、16.6%和38.5%,對-N的去除率分別為33%、15.6%、10%和34.2%,可以看出 MW 熱效應在反應系統中是非常明顯的,AC-PS降解作用大于AC與PS單獨作用之和,且在降解有機物上,AC的催化作用大于吸附作用((38.5%-10.5%-16.6%)>10.5%).微波是一種電磁波,由于水具有很高的電容率,能夠很容易的吸收微波能量,加之AC是很好的微波吸收材料,使得 AC表面形成許多的高溫“電弧”能夠將吸附在其表面的物質進行熱解,垃圾滲濾液中的一部分揮發性物質通過高溫蒸餾揮發去除[11].AC在反應中充當吸附劑和催化劑,其吸附性能與其結構特點(比表面積和孔隙分布)、表面化學性質(例如官能團的種類和數量)、被吸附的物質和溶液性質以及吸附條件有關,一些研究表明活性炭的吸附能力與其表面官能團的類別和數量有很大關系[16-17],由于垃圾滲濾液是成分非常復雜的溶液,AC在吸附有機物的同時,會受到其他離子的干擾,另外,吸附是放熱過程,在微波加熱過程中,吸附在AC上的物質就會被解吸出來,最后達到平衡,表現為圖 6中 MW-AC在10min之后去除率幾乎不增加;AC能夠催化PS降解有機物[12,18],并在微波的作用下,強化污染物的傳質,使微波場中的物化反應速度加快,提高了污染物的降解速率.

2.6 活性炭再利用

圖8 AC在MW-AC-PS工藝中重復使用情況Fig.8 AC reuse in the MW-AC-PS combined system

3 結論

3.1 AC用量、PS用量、pH值、MW功率及輻射時間對COD和-N的去除都有著重要的影響.實驗最佳處理條件為:AC用量為10g/L、PS用量為:12COD0=1.2、pH值為9、MW功率為 500W 和輻射時間為 10min,垃圾滲濾液中的 COD和-N去除率分別達到 78.2%和67.2%,BOD5/COD由0.17增加到0.38.

3.2 采用 MW-AC-PS組合工藝對垃圾滲濾液進行處理時,COD和-N去除率顯著高于單純MW輻射、MW-AC和MW-PS, MW、AC和PS三者發生協同效應.

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Landfill leachate treatment by microwave-enhanced persulfate oxidation process using activated carbon as catalyst.

LI Na, LI Xiao-ming*, YANG Qi, LIU Xian, WU Xiu-qiong (Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082,China). China Environmental Science, 2014,34(1)：91～96

Microwave-enhanced persulfate (PS) oxidation using activated carbon (AC)as catalyst was originally applied to disposal landfill leachate. The comparison of different process was studied and so as to the effects of pH、dosage of AC、PS dosage、microwave power and radiation time. The obtained results showed that the rates of COD and NH4+-N removal increased with the increase of AC dosage、 PS dosage(:12COD0)、 microwave (MW)power and radiation time. The effect of pH value on COD removal was unconspicuous while-N removal got better efficiency under alkaline condition. The optimal condition was that: AC dosage =10g/L,:12COD0=1.2, pH =9, microwave power=500W and radiation time =10min. Under the optimal condition, the rates of COD and-N removal were 78.2% and 67.2% respectively, and the biodegradability (BOD5/COD)of the landfill leachate increased to 0.38. The results of comparison experiments showed that the rates of COD and-N removal in the process of MW-AC-PS were remarkable higher than the other treatments. There might be certain cooperation actions in MW-AC-PS system during the degradation of COD and-N and thermal effects of MW played a key role. When AC was used for the fourth time,the efficiencies of COD and-N removal were 61.2% and 46.1% respectively.

landfill leachate；microwave；activated carbon；persulfate oxidation

X703.5

A

1000-6923(2014)01-0091-06

2013-04-21

國家自然科學基金資助項目(51078128)

* 責任作者, 教授, xmli@hnu.edu.cn

李 娜(1989-),女,安徽阜陽人,湖南大學環境科學與工程學院碩士研究生,主要從事水污染控制研究.