脈沖電暈自由基簇射技術處理垃圾滲濾液的實驗研究

陳江 章旭明 張曉

摘 要：垃圾滲濾液是一種成分非常復雜的高濃度有機廢水，常規的處理方法很難適應其水質的變化情況， 開發新型的垃圾滲濾液處理方法成為近期科學界和工程界研究的熱點。液相非平衡態低溫等離子體技術，可有效提高液電等離子體的能量轉化效率，在低能耗運行狀態下，能夠有效提高垃圾滲濾液的可生化性，有利于垃圾滲濾液的后續處理。

關 鍵 詞：等離子技術；垃圾滲濾液；可生化性

中圖分類號：TQ 000 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1708-03

Abstract： Landfill leachate is a kind of waste water which is very difficult to treat. To develop new type of waste leachate treatment method is becoming a hot spot of recent scientific and engineering research. Through the experimental research， its demonstrated that the high voltage pulse discharge plasma technology can be used to pretreat leachate. After the pretreatment， its biochemical capability can be improved， which is benefit for subsequent treatment.

Key words： plasma； landfill leachate； bio-chemical capability

近年來，隨著經濟社會的迅速發展，城市居民生活垃圾產生量也隨之增長，垃圾圍城的現象備受關注。由于垃圾成分、資金、技術等多方面復雜因素，我國垃圾的處理仍以衛生填埋為主。當前，急劇增加的城市垃圾的產生和排放已成為制約地方經濟發展的重要因素，對周邊居民的生活環境也構成了潛在威脅[1]。如何經濟有效地在垃圾填埋中防止污染，日益成為全社會關注，迫切需要解決的熱點問題。

垃圾滲濾液是指城市生活垃圾處理過程中進入垃圾填埋場的雨水和雪水等液體經歷垃圾層和覆土層而形成的一種高濃度污水[2]。垃圾滲濾液一般包含以下特點：BOD和COD含量高、重金屬濃度高、氨氮含量高，微生物營養元素比例失調。如不妥善處理，會對周圍的環境、水體和土壤造成嚴重污染。近年來發展的液相非平衡態低溫等離子體技術，是一種復合型的高級氧化技術[3]。利用高壓交流、直流或脈沖放電過程中產生的溫度場、電場、能量場等綜合效應，產生各種對污染物具有強氧化作用的高能電子、活性自由基及紫外光等，可迅速而無選擇性地將垃圾滲濾液中的有機物降解為分子量更小、毒性更低的有機物甚至將其無機化，其運行過程中無需外加高溫、高壓等苛刻條件，是一種全新、高效、低能耗的處理難降解有機廢水技術。

1 實驗部分

1.1 水質分析

試驗用垃圾滲濾液取自杭州天子嶺垃圾填埋場，用塑料瓶密封后運回實驗室，在使用和分析前儲存在4 ℃的恒溫箱中。水質指標見表1。

水質分析采用標準方法，具體見表2。

1.2 實驗裝置

該裝置包括等離子體電源和等離子體反應器，同時該凈化裝置還包括等離子體高壓電極和強化曝氣系統，所述強化曝氣系統包括鼓風機和空氣導管，所述空氣導管與鼓風機和等離子體反應器依次連接（圖1）。

參照圖1，垃圾滲濾液的前處理高級氧化裝置主要包括等離子體電源（1）和等離子體反應器（3），其特征在于：該凈化裝置還包括等離子體高壓電極（2）和強化曝氣系統（4），所述強化曝氣系統（4）包括鼓風機（5）和空氣導管（6），所述空氣導管（6）與鼓風機（5）和等離子體反應器（3）依次連接。

等離子體反應器是一密閉絕緣反應器，由塑料制成，內壁經特殊處理，以保證不粘附水膜而導電。反應器內有多組不銹鋼材料制成的電極，電極間距約為10cm。等離子體高壓電極與垃圾滲濾液面相互分離。等離子體電源為高壓脈沖電源，等離子體電源為峰值電壓在1～±120 kV、脈寬在0.005～900 μs、頻率在1～2 000 Hz的正負脈沖高壓電源或頻率在1 Hz～10 MHz的交流高壓電源，等離子體高壓電極為線狀或針狀高壓電極。在強化曝氣系統（4）的參與下，氣、液相可同時進行放電。采用等離子體與曝氣工藝相結合的方式，使得氣、液相可同時進行放電。

1.3 實驗方案

實驗主要通過控制等離子體系統參數、垃圾滲濾液在等離子反應器中的停留時間，曝氣強度等參數，對經過處理的垃圾滲濾液進行TP、BOD、COD、氨氮等常規數據的監測，分析不同條件下的處理效果。

2 結果與討論

2.1 電極結構影響實驗

量取10 mL垃圾滲濾液到反應器中，將高壓針尖（用細的針）與液面的距離調到0.6 mm，改變針尖根數（1，3，5， 9）進行實驗，考察不同電極數對垃圾滲濾液相關污染物指標的降解影響（圖2）。

依據實驗數據分析可知，經過等離子體及曝氣處理后，氨氮去除效果比較一般，受外部因素影響較小，處理效率為50%～80%。BOD變化相對平穩，但是實驗數據受外界因素影響比較大，處理效果達到實驗假設效果。COD去除率受電極結構影響較大，甚至有COD增長的情況，分析是強氧化自由基的斷鏈、裂解作用[4]，但是總體處理效果達到了70%～85%，相對比較理想。經過處理，垃圾滲濾液的可生化性BOD/COD比值大部分達到>0.5，此外等離子體結合曝氣技術對于去除部分水樣中的色度有較好的效果。

2.2 放電數對COD影響實驗

圖3為COD與放電次數的關系曲線。從圖中可見，COD變化曲線先是有小幅度升高，緊接著處于下降階段，這是由于實驗中采用重鉻酸鉀法測定垃圾滲濾液中的COD，對于芳香烴如苯、甲苯等物質無法氧化。而且，經過等離子體放電處理后，滲濾液中多環芳烴有機物與等離子體如羥基自由基等發生作用，部分大分子有機化合物裂解為可化學氧化的小分子有機化合物，水樣中的COD有所升高[5，6]。同時，放電到一定程度以后，放電所產生的自由基氧化作用、臭氧氧化、紫外光等多重降解效應疊加，使得滲濾液COD又逐步下降。

2.3 pH值對COD影響實驗

為進一步了解低溫等離子體放電次數對COD的影響，我們調節了水樣的pH值，通過多次放電，考察垃圾滲濾液中COD的變化情況，實驗數據經過分析，得出：不同pH值條件下，放電次數與COD的關系曲線見圖4，不同pH值條件下，放電次數與COD去除率的關系曲線見圖5。

從圖中可以看出，在不同pH值的條件下，放電一次處理后，垃圾滲濾液的COD值均有所提高。特別是在pH值為9.92時，隨著放電次數的增加，垃圾滲濾液中的COD呈現出大幅度的增長情況。通過分析可以這樣認為：羥基自由基在弱堿性條件下其氧化性能較弱，不能完全發揮其斷鏈作用[7]，而在堿性較強條件下，可以誘發表面化學反應，氫離子與·OH生成水合粒子·H2O，隨著放電過程中電離產生強氧化性自由基·O、·OH、·OH2等與激發態分子、破碎基團及其他自由基等發生一系列等離子體化學反應[8]，生成更多的自由基。所以，在堿性較強情況下，經過多次放電，難降解有機物比較容易開環、斷鏈，變成易化學氧化物質，垃圾滲濾液中的COD大幅度增加。

3 結 論

（1）在垃圾滲濾液處理中，單個電極的處理效率一般不太穩定，對于污水的處理效果呈現較大的變化，而多個電極總體去除效果好，處理效率也相對穩定。同時，垃圾滲濾液的處理效率會隨著放電時間的延長而逐步提高，時間越長降解效果越好。

（2）水樣經過多次放電后pH值略有上升，一次放電可使水樣中的COD有所升高，多次放電可使水樣中的COD值持續下降。

（3）在堿性較強情況下，經過多次放電，難降解有機物比較容易開環、斷鏈，變成易化學氧化物質，垃圾滲濾液中的COD大幅度增加。對垃圾滲濾液進行適當稀釋，有利于提高垃圾滲濾液中COD的處理效果。從實驗數據可知，COD處理效果在40%～85%，總體處理效果較好，可生化性BOD/COD比值達到>0.5。

參考文獻：

[1] 葉齊政，萬輝，雷燕，等. 放電等離子體水處理技術中的若干問題[J]. 高電壓技術，2003，29 （4）：32-35.

[2] 周愛姣，陶濤. 高壓脈沖放電等離子體處理垃圾滲濾液[J]. 武漢城市建設學院學報，2001，18 （3 - 4）：44-47.

[3] Yan Keping. Application of Corona- Induced Non- thermal Plasma in Gas Cleaning [J]. Science &Technology Review， 2007， 5： 69-74.

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[8] 陳江，章旭明，劉建陽. 非熱等離子體技術在難降解廢水處理中的應用進展[J]. 當代化工，2012，41（6）：632-634.