脈沖電暈自由基簇射技術(shù)處理垃圾滲濾液的實(shí)驗(yàn)研究

陳江 章旭明 張曉

摘 要：垃圾滲濾液是一種成分非常復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水，常規(guī)的處理方法很難適應(yīng)其水質(zhì)的變化情況， 開發(fā)新型的垃圾滲濾液處理方法成為近期科學(xué)界和工程界研究的熱點(diǎn)。液相非平衡態(tài)低溫等離子體技術(shù)，可有效提高液電等離子體的能量轉(zhuǎn)化效率，在低能耗運(yùn)行狀態(tài)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(xù)處理。

關(guān) 鍵 詞：等離子技術(shù)；垃圾滲濾液；可生化性

中圖分類號：TQ 000 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，城市居民生活垃圾產(chǎn)生量也隨之增長，垃圾圍城的現(xiàn)象備受關(guān)注。由于垃圾成分、資金、技術(shù)等多方面復(fù)雜因素，我國垃圾的處理仍以衛(wèi)生填埋為主。當(dāng)前，急劇增加的城市垃圾的產(chǎn)生和排放已成為制約地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，對周邊居民的生活環(huán)境也構(gòu)成了潛在威脅[1]。如何經(jīng)濟(jì)有效地在垃圾填埋中防止污染，日益成為全社會(huì)關(guān)注，迫切需要解決的熱點(diǎn)問題。

垃圾滲濾液是指城市生活垃圾處理過程中進(jìn)入垃圾填埋場的雨水和雪水等液體經(jīng)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(diǎn)：BOD和COD含量高、重金屬濃度高、氨氮含量高，微生物營養(yǎng)元素比例失調(diào)。如不妥善處理，會(huì)對周圍的環(huán)境、水體和土壤造成嚴(yán)重污染。近年來發(fā)展的液相非平衡態(tài)低溫等離子體技術(shù)，是一種復(fù)合型的高級氧化技術(shù)[3]。利用高壓交流、直流或脈沖放電過程中產(chǎn)生的溫度場、電場、能量場等綜合效應(yīng)，產(chǎn)生各種對污染物具有強(qiáng)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(jī)物降解為分子量更小、毒性更低的有機(jī)物甚至將其無機(jī)化，其運(yùn)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(jī)廢水技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水質(zhì)分析

試驗(yàn)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(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在使用和分析前儲存在4 ℃的恒溫箱中。水質(zhì)指標(biāo)見表1。

水質(zhì)分析采用標(biāo)準(zhǔn)方法，具體見表2。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

該裝置包括等離子體電源和等離子體反應(yīng)器，同時(shí)該凈化裝置還包括等離子體高壓電極和強(qiáng)化曝氣系統(tǒng)，所述強(qiáng)化曝氣系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)和空氣導(dǎo)管，所述空氣導(dǎo)管與鼓風(fēng)機(jī)和等離子體反應(yīng)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(yīng)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(qiáng)化曝氣系統(tǒng)（4），所述強(qiáng)化曝氣系統(tǒng)（4）包括鼓風(fēng)機(jī)（5）和空氣導(dǎo)管（6），所述空氣導(dǎo)管（6）與鼓風(fēng)機(jī)（5）和等離子體反應(yīng)器（3）依次連接。

等離子體反應(yīng)器是一密閉絕緣反應(yīng)器，由塑料制成，內(nèi)壁經(jīng)特殊處理，以保證不粘附水膜而導(dǎo)電。反應(yīng)器內(nèi)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(fù)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(qiáng)化曝氣系統(tǒng)（4）的參與下，氣、液相可同時(shí)進(jìn)行放電。采用等離子體與曝氣工藝相結(jié)合的方式，使得氣、液相可同時(shí)進(jìn)行放電。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)主要通過控制等離子體系統(tǒng)參數(shù)、垃圾滲濾液在等離子反應(yīng)器中的停留時(shí)間，曝氣強(qiáng)度等參數(shù)，對經(jīng)過處理的垃圾滲濾液進(jìn)行TP、BOD、COD、氨氮等常規(guī)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，分析不同條件下的處理效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極結(jié)構(gòu)影響實(shí)驗(yàn)

量取10 mL垃圾滲濾液到反應(yīng)器中，將高壓針尖（用細(xì)的針）與液面的距離調(diào)到0.6 mm，改變針尖根數(shù)（1，3，5， 9）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察不同電極數(shù)對垃圾滲濾液相關(guān)污染物指標(biāo)的降解影響（圖2）。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)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(wěn)，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受外界因素影響比較大，處理效果達(dá)到實(shí)驗(yàn)假設(shè)效果。COD去除率受電極結(jié)構(gòu)影響較大，甚至有COD增長的情況，分析是強(qiáng)氧化自由基的斷鏈、裂解作用[4]，但是總體處理效果達(dá)到了70%～85%，相對比較理想。經(jīng)過處理，垃圾滲濾液的可生化性BOD/COD比值大部分達(dá)到>0.5，此外等離子體結(jié)合曝氣技術(shù)對于去除部分水樣中的色度有較好的效果。

2.2 放電數(shù)對COD影響實(shí)驗(yàn)

圖3為COD與放電次數(shù)的關(guān)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(shí)驗(yàn)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(zhì)無法氧化。而且，經(jīng)過等離子體放電處理后，滲濾液中多環(huán)芳烴有機(jī)物與等離子體如羥基自由基等發(fā)生作用，部分大分子有機(jī)化合物裂解為可化學(xué)氧化的小分子有機(jī)化合物，水樣中的COD有所升高[5，6]。同時(shí)，放電到一定程度以后，放電所產(chǎn)生的自由基氧化作用、臭氧氧化、紫外光等多重降解效應(yīng)疊加，使得滲濾液COD又逐步下降。

2.3 pH值對COD影響實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步了解低溫等離子體放電次數(shù)對COD的影響，我們調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過分析，得出：不同pH值條件下，放電次數(shù)與COD的關(guān)系曲線見圖4，不同pH值條件下，放電次數(shù)與COD去除率的關(guān)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(shí)，隨著放電次數(shù)的增加，垃圾滲濾液中的COD呈現(xiàn)出大幅度的增長情況。通過分析可以這樣認(rèn)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(fā)揮其斷鏈作用[7]，而在堿性較強(qiáng)條件下，可以誘發(fā)表面化學(xué)反應(yīng)，氫離子與·OH生成水合粒子·H2O，隨著放電過程中電離產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基·O、·OH、·OH2等與激發(fā)態(tài)分子、破碎基團(tuán)及其他自由基等發(fā)生一系列等離子體化學(xué)反應(yīng)[8]，生成更多的自由基。所以，在堿性較強(qiáng)情況下，經(jīng)過多次放電，難降解有機(jī)物比較容易開環(huán)、斷鏈，變成易化學(xué)氧化物質(zhì)，垃圾滲濾液中的COD大幅度增加。

3 結(jié) 論

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

（2）水樣經(jīng)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(xù)下降。

（3）在堿性較強(qiáng)情況下，經(jīng)過多次放電，難降解有機(jī)物比較容易開環(huán)、斷鏈，變成易化學(xué)氧化物質(zhì)，垃圾滲濾液中的COD大幅度增加。對垃圾滲濾液進(jìn)行適當(dāng)稀釋，有利于提高垃圾滲濾液中COD的處理效果。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dá)到>0.5。

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