三維電極催化氧化技術深度處理垃圾滲濾液

杜軍

（中化學南方運營管理有限公司，廣東 惠州 516003）

1 引言

填埋作為一種城市固廢的處理方式，因其處理費用低廉、實踐技術成熟，已被國內外廣泛應用。在垃圾的堆放、填埋處理過程中，由于厭氧發酵、有機物分解、雨水沖淋、地下水浸泡等產生多種代謝物質和水分，并通過萃取、水解和發酵而過濾出來，形成了成分復雜的垃圾滲濾液。

國內某垃圾填埋場滲濾液處理工程設計處理規模為1 000 m3/d，主體工藝采用“A/O－MBR”工藝，處理出水進入工業園區污水處理廠進一步處理。垃圾滲濾液經生化處理后，仍殘留大量可溶性難生物降解的腐殖酸類物質［1］，導致該工程處理出水COD 濃度約1 000 mg/L，對后續工業園區污水處理廠的影響較大。

電化學法是一種有效去除難降解和有毒有機物的方法，由于其處理效率高、設備體積小、占地少、易于自動控制等優點，在垃圾滲濾液處理中有其獨特優勢［2］。三維電極催化氧化技術是一種比傳統二維電極更加高效的電化學水處理方法［3］，通過在電化學反應器中填充粒子電極，在電解反應過程中，粒子電極在電場的作用下帶電，形成獨立的電極單元，并在粒子電極表面產生催化作用，同時發生氧化還原反應，具有催化效率穩定、操作簡便、運行成本低等特點。三維電極催化氧化技術降低了反應成本，避免了大量含鐵污泥的產生，同時提高了整體反應過程的可控性，具有良好的應用前景［4－5］。

為減少垃圾滲濾液生化出水對后續園區污水處理廠的影響，本研究采用三維電極催化氧化技術對垃圾滲濾液進行深度處理，通過單因素實驗確定最優工藝條件，為垃圾滲濾液深度處理提供參考。

2 廢水來源與性質

實驗所用廢水來源某垃圾填埋場滲濾液處理工程“A/O－MBR”生化工段出水，呈紅棕色，基本已無臭味。其水質情況見表1。

表1 某垃圾填埋場滲濾液生化出水水質

3 實驗方法

實驗裝置由進水調節池、循環泵、電催化氧化裝置、曝氣裝置及直流電源組成，如圖1 所示。實驗用陽極為釕銥涂層鈦電極，陰極為SS304 不銹鋼，電極間距為20 cm。電催化氧化裝置內填充經過預處理的活性炭顆粒（實驗前使用待處理水樣浸泡，使其吸附飽和），活性炭填充量為25 g/L。實驗過程中，將生化工段處理出水在進水調節池內進行pH 調節，后通過循環泵進入電催化氧化裝置，在曝氣條件下開啟可調直流穩壓電源，進行電催化氧化實驗。采用單因素實驗法確定最佳工藝參數。

圖1 實驗裝置

實驗采用美國哈希（HACH）公司生產的COD 消解—比色管封閉回流消解水樣及DR89 比色計測定處理前后廢水COD 濃度，計算COD 去除率。

4 結果與討論

4.1 反應時間對COD 去除率的影響

在電流密度15 mA/cm2、曝氣量500 mL/min、溶液pH=5.0 條件下，反應時間對滲濾液生化處理出水中COD 的去除影響如圖2 所示。

圖2 反應時間對滲濾液COD 去除率的影響

由圖2 可知，滲濾液COD 去除率在反應初始20 min 內大幅度增加，隨后增幅逐漸緩慢，并在60 min 左右趨于平緩。在反應初期，水樣中有機物濃度偏高，粒子電極能夠與目標污染物充分接觸，因而COD 去除率隨時間的延長顯著增加；隨著反應時間繼續延長，有機物濃度降低，電催化氧化效率下降，COD 去除率增加緩慢。延長電催化氧化反應時間后，電量消耗大幅度增加，因此選取60 min 為最優反應時間。

4.2 電流密度對COD 去除率的影響

在反應時間60 min、曝氣量500 mL/min、溶液pH=5.0 條件下，考察電流密度對滲濾液生化處理出水中COD 的去除影響，結果如圖3 所示。

圖3 電流密度對滲濾液COD 去除率的影響

由圖3 可知，在電流密度由2.5 mA/cm2增加至15 mA/cm2過程中，滲濾液廢水COD 去除率由20.17%升至79.61%，去除率顯著提高；當電流密度繼續增加至25 mA/cm2時，COD 去除率變化不明顯。這一結果的原因為，隨著電流密度的增加，電極電量顯著增加，更多污染物在電極表面發生電化學反應，有機物發生轉化或被直接電解得以去除［6］；同時電極電量增加后，粒子電極在電解過程中原位產生更多氧化性極強的活性物質，如·OH，H2O2，Cl2等［3］，間接氧化作用增強，COD 去除效率提高；但當電流密度過大時，隨著電壓升高，電解造成的副反應增強［7］，廢水COD 的去除效率無顯著增加。

4.3 曝氣量對COD 去除率的影響

三維電極催化氧化過程中，曝氣起到增加粒子電極流化狀態，提高電解效率，同時補充O2的作用。在反應時間60 min、電流密度15 mA/cm2、溶液pH=5.0 條件下，調節催化氧化裝置曝氣量為200，300，400，500，600，700 mL/min，研究曝氣量對COD去除率的影響，結果如圖4 所示。

圖4 曝氣量對滲濾液COD 去除率的影響

由圖4 可知，在曝氣量由200 mL/min 升高至700 mL/min 的過程中，滲濾液COD 去除率呈現先升高后降低的趨勢。當曝氣量由200 mL/min 升高至500 mL/min 時，COD 去除率由54.14%升高至78.56%；曝氣量繼續增加至700 mL/min 時，COD 去除率降低至66.87%。這是因為適當曝氣不僅補充了氧化還原反應所需的O2，還增強了電催化氧化裝置內非均相反應的傳質作用，同時一定程度上抑制了副反應的發生；但當曝氣量過大時，電催化氧化裝置內氣泡過多，粒子間隙過大，不利于粒子電極的穩定，反而造成體系傳質效果變差［8］。同時，曝氣量過大，容易造成作為粒子電極的活性炭顆粒磨損，降低處理效率。因此，曝氣強度在一定范圍內對滲濾液COD 的去除效果有所提升，本研究的最佳曝氣量在500 mL/min左右。

4.4 反應初始pH 對COD 去除率的影響

在反應時間60 min、電流密度15 mA/cm2、曝氣量500 mL/min 條件下，分別調節廢水反應初始pH至4.1，5.0，6.2，7.5，8.3，考察不同反應初始pH 對COD 的去除效果影響，結果如圖5 所示。

圖5 反應初始pH 對滲濾液COD 去除率的影響

由圖5 可以看出，在酸性條件下，三維電極催化氧化對滲濾液COD 去除率較高，當水樣pH 由4.1升高至6.2 時，COD 去除率由67.83%先升高至78.98%，后降低至61.68%，而當pH 繼續升高，COD去除率持續降低，在水樣偏堿性條件下（pH=8.3），COD去除率降低至44.59%，這一結果說明酸性條件下更有利于滲濾液COD 的去除。因為在酸性條件下，大量游離H＋更易與空氣中的O2作用生成H2O2，使系統內氧化能力提高；而堿性條件下，粒子電極表面生成的H2O2容易在OH－作用下迅速分解，導致其表面氧化能力下降［9］。因此，酸性條件更有利于催化氧化反應的進行。

4.5 三維電極催化氧化裝置連續運行穩定性研究

在電催化氧化工藝中，粒子電極的污堵和失活是影響其處理效果的重要因素。因此為考察該工藝的穩定性，依據單因素試驗研究結果，在最佳反應條件下（反應時間60 min、電流密度15 mA/cm2、曝氣量500 mL/min、初始pH=5.0）連續處理12 批次，以COD 濃度為918 mg/L 至1 007 mg/L 的滲濾液經生化處理出水為實驗水樣，考察系統運行穩定性，結果如圖6 所示。

圖6 連續運行滲濾液COD 去除率變化

如圖6 所示，在最佳反應條件下連續運行12 批次，三維電極催化氧化裝置對滲濾液COD 去除率隨運行批次的增加及進水COD 濃度的變化，呈現波動變化趨勢，但12 批次運行后仍能保持80%以上的去除率。這一結果證明，三維電極催化氧化工藝的穩定性較好，適用于大水量滲濾液深度處理要求。由于使用了吸附性強、穩定性高的活性炭顆粒作為粒子電極，并采用單因素試驗確定的最優曝氣量500 mL/min進行曝氣，活性炭表面吸附—電解—脫附過程不斷循環，有效地減緩了顆粒表面污染物沉積，并降低了活性炭顆粒在循環使用過程中的磨損程度。

5 結論

本研究利用三維電極催化氧化裝置對垃圾滲濾液生化工段處理出水進行深度處理，并研究了反應時間、電流密度、曝氣量及反應初始pH 對廢水COD去除效率的影響。結果表明，三維電極催化氧化技術深度處理垃圾滲濾液的最佳反應條件為：反應時間60 min，電流密度15 mA/cm2，曝氣量500 mL/min，溶液pH=5.0。在最佳工藝參數下連續處理滲濾液，實驗系統在進水COD 濃度均值935 mg/L 的情況下，處理出水COD 濃度均值201 mg/L，系統運行穩定性較好，COD 平均去除率能夠達到78.50%。