電化學組合工藝深度處理垃圾滲濾液生化出水

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

近年來，隨著城市化進程的飛速發展，城市中的垃圾產量也在不斷增長。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物含量較高[3]，在其儲存階段會產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，將對地表水及地下水造成嚴重污染，甚至對生態系統造成嚴重破壞[6-8]。現今，垃圾填埋場一般采用生物法和膜法相結合的工藝對滲濾液進行處理，先采用厭氧好氧組合的生物處理工藝，大大降低有機物及氮磷的含量，再經過微濾、超濾、納濾和反滲透等膜濾技術對生化后的滲濾液進行深度處理[9]。按照我國《生活垃圾填埋場污染控制指標》GB16889—2008），傳統的生化處理工藝很難能夠達標排放，對垃圾滲濾液進行深度處理才可達到排放要求。當前廣泛應用的深度處理技術為膜技術，但此方法需經過多級膜過濾技術才可達到規定的排放標準，處理成本高、膜污染嚴重，且會產生更難處理的膜濃縮液等問題[10]。

隨著電化學技術的不斷發展，如電絮凝（EC）電氧化（EO）和電芬頓（EF）工藝等，這些技術的單一或者組合工藝，已被廣泛應用于各類廢水處理中[11-12]。通過采用電化學及其組合工藝深度處理垃圾滲濾液也已成為國內外的研究熱點[13]。在利用電化學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，并對促進電化學反應過程中傳質過程的進行提供了較大幫助[14-15]

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

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如表1所示。

1.2實驗裝置與儀器

電源選用GKPD數控型雙脈沖電源（深圳市實誠電子科技有限公司）來提供持續穩定的脈沖電流，直流電源、磁力攪拌器等。電極板尺寸均為 8cm× 5cm×1mm 。電化學反應裝置圖如圖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的陰、陽極，反應器容積為 220mL ，采用亞克力板制作，反應接觸面積均為 5cm×4cm 。基于之前直流電絮凝工藝的最佳實驗參數條件，采用單因素變量法，調節脈沖頻率、占空比等影響因素，進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 電化學氧化

電化學氧化階段采用 Ti/Ru0₂?Ir0₂ 電極板作為陰陽極，反應裝置與電絮凝反應一致，反應接觸面積均為 5cm×4cm 。基于之前直流電氧化工藝的最佳實驗參數，采用單因素變量法，考察脈沖電源參數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，數據分析均取3次實驗數據的平均值。

2 結果與討論

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，采用鐵鋁極板分別作為電絮凝反應的陰、陽極，在間距為1.2cm 、電流密度為 6mA?cm^-2 、初始 pH 為7.9、磁轉子轉速為 350r?min^-1 的條件下，進一步考察脈沖頻率、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 脈沖頻率參數優化

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。當脈沖頻率為 1000Hz 時，去除率達到最大值 58.0% ；當頻率大于 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 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原，幾乎不產生濃差極化現象，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，導致接近直流電，發揮不了脈沖作用并會加快極板鈍化，影響有機污染物的去除效率。因此，選擇脈沖電源的脈沖頻率為 1000Hz 較為合適。

2.1.2 占空比參數優化

占空比是一個脈沖周期內，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的通電時間越長，對應能耗也就越大。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，反應后測得兩者去除率最高達到 61.4% 。隨著占空比的不斷升高，COD的去除率增速呈現出先升高后降低的趨勢，且反應速率也隨反應時間的延長而逐漸趨于平緩。原因在于當占空比較小時，有效通電時間較短，相同時間內向體系內輸入的電能較少，且產生的金屬離子也較少，電化學反應較慢，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、吸附、脫附等現象發生得越充分，處理效率隨之升高[17]；當占空比繼續增大時，脈沖電源的性能越接近于直流電源，濃差極化趨勢增加導致脈沖效果不占優勢，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優化

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行了電絮凝處理垃圾滲濾液生化出水的實驗，結果如圖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增大，去除率卻略有下降。當正反向工作時間比過大時，正向溶出金屬離子過多，在等同時間內相當于反向時間減少，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 脈沖電化學氧化

基于之前直流EO的最佳實驗參數，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、磁轉子轉速為 350rmin^-1 的條件下，進一步開展脈沖頻率、占空比等因素對脈沖電化學氧化處理效果的影響。

2.2.1 脈沖頻率參數研究

基于直流電化學氧化最佳實驗參數，在占空比為 50% 、電解20s后轉換極性的條件下對滲濾液進行 120min 的電化學處理，考察不同脈沖頻率下電化學氧化處理垃圾滲濾液生化出水的效果，結果如圖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 時去除率達到最大值，COD的去除率為 81.5% 。但繼續增大脈沖頻率至 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，相應的電化學反應時間越長，越容易形成表面擴散層，污染物分子由溶液向界面處擴散的過程不通暢，便不利于降解過程；隨著頻率升高，單位時間內通斷電次數也隨之增加，優化了電極表面活性物質（如羥基自由基、活性氯等強氧化性物質）的產生與污染物傳質之間的關系，不易于表面擴散層建立，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，產生的表面活性物質數量減少，無法充分氧化污染物質，有機物在電極表面的吸附-反應-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 占空比參數研究

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

由圖6可以看出，當占空比由 40% 增加至 60% 時，去除率也呈現逐漸上升的趨勢；當占空比由 60% 增加至 80% 時，去除率沒有繼續增加，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，極板提供的電子數量以及電極周圍產生的活性物質數量均顯著增多，提高了氧化降解效率，有利于有機物的去除。當占空比繼續增大時，脈沖電源的性能越來越接近于直流電源，此時濃差極化現象越來越嚴重，伴隨副反應的發生也越來越劇烈，導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電化學組合工藝的最佳處理工況

由上述實驗結果可知，單獨采用雙脈沖電絮凝或者電化學氧化工藝對垃圾滲濾液的深度處理均有明顯的去除效果，但出水水質均無法達到可排放標準。因此，可充分結合EO和EC工藝的優點，尋找適合的組合方式來進一步提高電化學工藝的處理效果。

將EC反應時間、EO反應時間以及電化學組合工藝的先后順序作為影響因素，以COD去除率為考察標準，進行正交實驗設計，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計，根據經驗及原理分析， 的順序可能更優一些，因此把C先后順序的1水平再重復一次，此項因子即可看成3水平的因子，按照 L₉（3³） 正交表設計實驗，結果如表3所示。

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

3結論

在雙脈沖電源供電模式下，探索了不同電源參數分別對電絮凝和電化學氧化工藝去除污染物效能的影響，進而確定了在電絮凝反應階段中，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；在電化學氧化反應階段中，脈沖頻率為 4000Hz 、占空比為 60% 、電解20s倒極的最佳參數。此外，通過正交實驗確定了電化學氧化反應 120min+ 電絮凝反應 15min 的電化學組合工況，對垃圾滲濾液生化出水的處理效果較好并達到排放標準，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勢。

參考文獻：

[1] CHENGW，QUANX，HUANGX，etal.Enhancementof micro-filtration performancefor biologically-treated leachate frommunicipal solidwaste byozonationinamicrobubblereactor[J].SeparationandPurification Technology，2018，207：535-542.

[2]UMAMAHESWARI J，BHARATHKUMART， SHANTHAKUMAR S， et al.Afeasibilitystudyonoptimizationofcombinedadvancedoxidation processes for municipal solid waste leachate treatment[J].Process Safety andEnvironmentalProtection，2020，143：212-221.

[3]DINGY，ZHAOJ，LIUJW， et al.A review of China’smunicipal solid waste（MSW） and comparison with international regions：Management andtechnologiesin treatment and resource utilization[J].Journal of cleanerproduction，2021，293：126144.

[4]YANC，TIANY，CHENGZ， etal.Simultaneousdesalinationandremoval ofrecalcitrant organics from reverse osmosis leachate concentrate by electrochemical oxidation[J].ACSomega，2021，6（24）：16049-16057.

[5]PISHARODYL，GOPINATHA，MALHOTRAM，etal.Occurrenceof organicmicropollutantsinmunicipal landfillleachateand itseffective treatmentby advanced oxidation processes[J]. Chemosphere，2022，287： 132216.

[6]KULIKOWSKAD，KLIMIUK E. The effect of landfill age on municipal leachate composition[J].Bioresource technology，2008，99（13）：5981-5985.

[7]LIUY，WANGJ.Treatment of fresh leachate froma municipal solid waste incineration plant by combined radiation with coagulation process[J]. RadiationPhysicsandChemistry，2020，166：108501.

[8] JIANG Z，CHENG Z，YANC， etal.Simultaneous removal of nitrogen and refractory organics from a biologically treated leachate by pulse electrochemical oxidation ina multi-channel flow reactor[J].ACSomega， 2021，6（39）：25539-25550.

[9] 司桂芳，呂建波，王振華，等.電絮凝法深度處理垃圾滲濾液的效能 和工藝強化[J].煙臺大學學報（自然科學與工程版），2021，34（2）： 231-239.

[10]DENGY，ZHUX，CHENN， et al.Review onelectrochemical systemfor landfill leachate treatment：Performance，mechanism，application， shortcoming，and improvement scheme[J].Science of the total environment，2020，745：140768.

[11]DING J，WANGK，WANGS， etal.Electrochemical treatment of biotreated landfill leachate：Influenceof electrode arrangement，potential， and characteristics[J].Chemical EngineeringJournal，2018，344：34-41.

[12]LABIADHL，FERNANDESA， CIRiACO L， etal.Electrochemical treatment of concentrate from reverse osmosis of sanitary landfill leachate[J].JournalofEnvironmentalManagement，2016，181：515-521.

[13]于洋，陳立波，劉治中，等.電化學法去除工業垃圾滲濾液中的總磷 [J].工業水處理，2022，42（11）：145-152.

[14]SOOMROG S，QUC，RENN，etal.Efficient removal of refractory organics in landfill leachate concentrates by electrocoagulation in tandem with simultaneous electro-oxidation and in-situ peroxone[J]. Environmental research，2020，183：9249.

[15]樊玉新，張海兵，黃偉強，等.電化學工藝處理油田聚合物型壓裂返 排液[J].工業水處理，2022，42（10）：139-145.

[16]羅皓鵬．脈沖電絮凝處理農村微污染飲用水的工藝優化[D].哈爾濱： 哈爾濱工業大學，2021.

[17]黃雪琪，靖波，陳文娟，等.電絮凝過程中倒極消除極板鈍化[J].環境 工程學報，2019，13（11）：2661-2667.

[18] 雷佳妮，李曉良，袁孟孟，等.脈沖電化學氧化降解亞甲基藍[J].中國 環境科學，2018，38（5）：1767-1773.

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