電氧化法處理垃圾滲濾液膜濾濃縮液的試驗(yàn)研究

黃凱興　雷濤　陳石　王磊　李武　宋國標(biāo)

(1.深圳市下坪固體廢棄物填埋場　廣東深圳 518023；　2.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院

有限公司　武漢 430081；　3.貴陽市高雁城市生活垃圾填埋場　貴陽 550002)

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電氧化法處理垃圾滲濾液膜濾濃縮液的試驗(yàn)研究

黃凱興1雷濤2陳石1王磊2李武2宋國標(biāo)3

(1.深圳市下坪固體廢棄物填埋場廣東深圳 518023；2.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院

有限公司武漢 430081；3.貴陽市高雁城市生活垃圾填埋場貴陽 550002)

摘要垃圾滲濾液膜濾濃縮液是垃圾滲濾液經(jīng)生物降解后再經(jīng)RO或NF膜截留的殘余液，可生化性差、含鹽量高、處理困難。本文采用電氧化法處理納濾濃縮液，試驗(yàn)結(jié)果表明：電氧化法在納濾濃縮液的處理上具有優(yōu)勢。在反應(yīng)時間6 h，對納濾濃縮液的COD，TDS，Cl-去除率分別達(dá)到82%，12%，51%，噸水耗電45 kW·h。本試驗(yàn)研究在處理效果、能耗等方面達(dá)到了預(yù)期效果，為電氧化技術(shù)在納濾濃縮液處理中的實(shí)際應(yīng)用取得突破。

關(guān)鍵詞垃圾滲濾液膜濾濃縮液電氧化法陽極

Experimental Study on the Treatment for Membrane Filtration Concentrate of Landfill Leachate by Electro-Oxidation

HUANG Kaixing1LEI Tao2CHEN Shi1WANG Lei2LI Wu2SONG Guobiao3

(1.ShenzhenXiapingSolidWastesLandfillShenzhen，Guangdong518023)

AbstractLandfill leachate membrane filtration concentrate is the raffinate intercepted by reverse osmosis membrane or nanofitration membrane, with low biodegradability, high salt content and difficult to be treated. In the research the electro-oxidation technology is applied to dispose the landfill leachate nanofiltration concentrated solution and it is satisfactory. Under the circumstances of 6 hours of electro-oxidation, the removal rates of COD,TDS and Cl-in the nanofiltration concentrated solution can reach 82%, 12% and 51% respectively, with 45 degrees of power consumption per ton of water. The experiment has achieved the expected results in terms of energy consumption, treatment effect and so on, making a breakthrough in the practical application of electro-oxidation technology in the treatment of nanofiltration concentrated solution.

Key Wordslandfill leachatemembrane filtration concentrateelectro-oxidationanode

0引言

城市生活垃圾處理廠垃圾滲濾液濃度高、污染大，其污染控制一直是國內(nèi)外污水處理方面的難題。隨著社會的進(jìn)步，目前國內(nèi)垃圾滲濾液的處理技術(shù)已取得很大發(fā)展，特別是膜技術(shù)的應(yīng)用，使處理后的滲濾液完全可以達(dá)到嚴(yán)格的排放要求。但膜技術(shù)的引入，也帶來了一種更難處理的副產(chǎn)物----膜濾濃縮液。納濾或反滲透濃縮液是一種棕黑色液體，一般為進(jìn)水體積的20%～50%，生化性很差。

用DSA陽極處理降解有機(jī)廢水，不需要加入任何化學(xué)物質(zhì)，在常溫常壓下就可以將其中難降解有機(jī)物氧化為易降解的有機(jī)物，甚至徹底氧化為二氧化碳和水[1]。本文采用DSA陽極電氧化技術(shù)處理江蘇某垃圾焚燒廠滲濾液納濾濃縮液，對濃縮液處理過程中污染物消減程度、能耗等進(jìn)行試驗(yàn)研究，并取得一定效果。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)裝置及工藝流程

本試驗(yàn)裝置主要由電解槽、穩(wěn)流穩(wěn)壓直流電源、斷路器及附件等組成。具體試驗(yàn)裝置見圖1。

1—直流電源；2—擋板；3—4 L循環(huán)裝置；4—陽極；

試驗(yàn)選擇3種DSA類陽極作為本次試驗(yàn)的陽極，編號依次是陽極1、陽極2、陽極3，使用鈦網(wǎng)為陰極。陽極和陰極具體尺寸見表1。

表1　陽極及陰極尺寸

1.2試驗(yàn)用水

試驗(yàn)所用水質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2　試驗(yàn)所用水質(zhì)

1.3主要分析指標(biāo)與方法

COD：重鉻酸鉀法；TDS：烘干恒重法；Cl-：梅特勒-托爾多多功能離子測量儀測量；pH：數(shù)顯酸度計(jì)測量。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1污染指標(biāo)試驗(yàn)分析結(jié)果

試驗(yàn)極板間距為2.5 cm。原水樣中氯離子、COD、TDS含量分別為5 350，1 260、16 800 mg/L，pH為7.2，在恒定電流為3.3 A的情況下，電解時間為6 h，電解時每隔1 h取樣。

2.1.1氯離子的去除效果

濃縮液中氯離子作為參與氧化的重要物質(zhì)，氯離子去除率對濃縮液的處理效果有明顯的影響。

氯離子在陽極放電生成分子態(tài)氯，氯氣在溶液中溶于水生成HClO，同時還伴隨其他反應(yīng)。HClO作為主要的氧化劑，可以有效地氧化溶液中的有機(jī)物。電氧化試驗(yàn)中產(chǎn)生的氯氣越多，HClO濃度越大，越有利于間接氧化濃縮液中有機(jī)物。氯離子的去除效果見圖2。

圖2不同陽極氯離子的去除效果隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系

從圖2可以看出，陽極1對濃縮液中氯離子的去除率優(yōu)于陽極2和陽極3。反應(yīng)時間為6 h時，陽極1、陽極2、陽極3處理后濃縮液中氯離子的質(zhì)量濃度分別為2 621，3 590，4 300 mg/L，去除率分別為51%，33%和24%。

2.1.2COD的去除效果

濃縮液中COD的去除率見圖3。

圖3不同陽極下COD的去除率隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系

由圖3可知，3種陽極對濃縮液COD的去除率都隨著反應(yīng)時間的增加而增加。0～1 h，3種陽極對COD的去除速率最快；1～5 h，3種陽極對COD的去除速率開始下降；5～6 h，3種陽極對COD的去除率趨于穩(wěn)定。反應(yīng)6 h時，陽極1、陽極2、陽極3處理后濃縮液中COD質(zhì)量濃度分別為227，320，620 mg/L，去除率分別為82%，75%和51%。另外，在相同的反應(yīng)時間內(nèi)，陽極1優(yōu)于陽極2和3對COD的去除率。

2.1.3TDS的去除率

試驗(yàn)納濾濃縮液中TDS的含量為16.8 g/L。濃縮液若直接排放，其含有的高濃度TDS會對環(huán)境造成很大的傷害；若回灌到系統(tǒng)，多次濃縮會造成膜系統(tǒng)的崩潰。對于電氧化法處理濃縮液，TDS去除的多少也是陽極性能的指標(biāo)之一。

反應(yīng)6 h后，陽極1、陽極2、陽極3處理后濃縮液中TDS質(zhì)量濃度分別為14 784，14 957，15 370 mg/L，去除率依次為12%，11%，9%。TDS的減少部分主要包括有機(jī)物被陽極直接氧化為CO2和H2O、部分氯氣在陽極析出以及有機(jī)物在陰極上的析出等。

2.1.4pH的變化

電氧化過程中pH的變化見圖4。

圖4pH的變化隨反應(yīng)時間的關(guān)系

由圖4可知，3種陽極電氧化法處理納濾濃縮液過程中pH經(jīng)歷了“先升高再降低并逐漸趨于穩(wěn)定”的過程。反應(yīng)6 h后，陽極1、陽極2、陽極3處理后濃縮液pH值分別為8.30，8.39，8.36。

2.2電流效率及能耗分析

2.2.1電流效率

電化學(xué)降解有機(jī)污染物過程的電流效率可以用平均電流效率(ACE)和瞬時電流效率(ICE)來表示，采用化學(xué)需氧量方法[2]測定氧化有機(jī)物的ACE和ICE。其計(jì)算公式分別如下：

(1)

(2)

式中，t為反應(yīng)的時間，s；I為氧化反應(yīng)的電流強(qiáng)度，A；V為電解槽的體積，L；F為法拉第常數(shù)，96 485C/mol；COD0，CODt+Δt和CODt分別為初始時刻、t+Δt時刻和t時刻的COD化學(xué)需氧量，g/L；8為1/4摩爾質(zhì)量以O(shè)2g/L為單位的換算值。

不同陽極下ICE、ACE隨反應(yīng)時間的變化見圖5、圖6。

圖5　不同陽極下ICE隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系

圖6　不同陽極下ACE隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系

由圖5和圖6可知：

(1)在反應(yīng)0～1h時，陽極1及陽極2的ACE和ICE都大于100%。這是由于反應(yīng)的初始階段，有機(jī)污染物含量高，有機(jī)污染物被氧化速率快；同時氯離子含量充足，間接氧化和直接氧化同時進(jìn)行降解有機(jī)污染物所致。

(2)在反應(yīng)1～5h時，ACE及ICE下降速率較快，這是由于溶液中有機(jī)污染物和氯離子不斷減少，

導(dǎo)致直接氧化和間接氧化作用逐漸減弱所致。

(3)在反應(yīng)5～6h時，ACE及ICE下降速率變緩，這是由于溶液中的有機(jī)污染物和氯離子含量已經(jīng)很低，此階段直接氧化和間接氧化作用已經(jīng)很小，同時析氧等副反應(yīng)發(fā)生，再增加反應(yīng)時間已經(jīng)沒有任何意義。

2.2.2能耗分析

由于電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的原因是電子的得失。因此，處理每噸水所需能耗是描述電化學(xué)反應(yīng)能量消耗的重要參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中，W噸水為處理每噸水所消耗的能耗，(kW·h)/t；U為槽電壓，V；I為電流，A；V為處理溶液的體積，L。

在反應(yīng)時間同為6h的情況下，根據(jù)噸水電耗公式依次可計(jì)算出陽極1、陽極2和陽極3的電耗分別為45(kW·h)/t，52(kW·h)/t，48(kW·h)/t。

3結(jié)論

(1)電氧化法對濃縮液中COD有明顯的去除效果，從最終的效果來看，陽極1處理納濾濃縮液的效果優(yōu)于陽極2；陽極2處理納濾濃縮液的效果優(yōu)于陽極3。且在反應(yīng)時間6h的情況下，陽極1對濃縮液的COD，TDS，Cl-去除率分別達(dá)到82%，12%，51%，噸水耗電45kW·h。

(2)氯離子的含量對電氧化法處理濃縮液有重要的影響，新生態(tài)的氯氣溶于水后生成次氯酸可加快濃縮液的COD降解。

(3)對于難降解有機(jī)物的氧化過程，在反應(yīng)時間為0～1h，直接氧化和間接氧化共同作用；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，直接氧化和間接氧化的反應(yīng)速率在逐漸下降，反應(yīng)5h后，直接氧化和間接氧化作用已經(jīng)很小，同時析氧等副反應(yīng)發(fā)生，再增加反應(yīng)時間已經(jīng)沒有任何意義。

參考文獻(xiàn)

[1]肖小娥，趙國華，胡慧康，等.鹵代烴污染物的電化學(xué)氧化還原降解技術(shù)研究進(jìn)展[J]．環(huán)境污染與防治，2006，28(1)：48～50.

[2]C H COMNINELLIS, C PULGARIN．Anodic oxidation of phenol for waste water Electrochem．Treatment[J]．Journal of Applied Electrochemistry．1991，21(8)：703～708．

(收稿日期：2015-04-27)

作者簡介黃凱興，男，1969年生，工程師，主要從事垃圾滲濾液及濃縮液污染治理的研究。