代晉國(guó)，宋乾武，吳 琪，王宏亮

（1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2．中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

電化學(xué)氧化老齡垃圾滲瀝液研究*

代晉國(guó)1，2，宋乾武2，吳 琪1，2，王宏亮2

（1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2．中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

通過(guò)不同電極電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液處理的對(duì)比研究，選擇以Ti/Ru-Ir作為電極陽(yáng)極材料，研究了電流密度、氯離子濃度、初始pH對(duì)電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液的影響。結(jié)果表明：電流密度為30 mA/cm2，氯離子濃度5 000 mg/L，pH在8．09的情況下，電解6 h垃圾滲瀝液，氨氮去除率達(dá)到100%，COD去除率為50%，UV254去除率為61．09%，垃圾滲瀝液BOD/COD從0．14提高到0．22，垃圾滲瀝液生化性得到極大提高。經(jīng)濟(jì)性分析表明垃圾滲瀝液電化學(xué)處理6 h后，氨氮去除率達(dá)到100%時(shí)，單位能耗為0．08 kW·h/g。

垃圾滲瀝液；電化學(xué)；氨氮；電流密度

近年來(lái)，電化學(xué)氧化技術(shù)作為垃圾滲瀝液處理技術(shù)之一成為了研究熱點(diǎn)［1-2］，由于該技術(shù)在常溫常壓下進(jìn)行，同時(shí)不需要投加藥劑、不產(chǎn)生二次污染、易于控制等，被認(rèn)為是一種環(huán)境友好技術(shù)。電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液關(guān)鍵影響因素包括電極材料、氯離子濃度、電流密度、pH等，目前諸多研究著重在高效電極材料的開(kāi)發(fā)研究［3-4］，筆者采用在電解工業(yè)化過(guò)程中應(yīng)用的釕銥電極為研究對(duì)象對(duì)垃圾滲瀝液進(jìn)行電化學(xué)處理，重點(diǎn)分析其對(duì)氨氮、COD的去除效果，垃圾滲瀝液可生化性改變以及經(jīng)濟(jì)可行性，旨在為電化學(xué)處理垃圾滲瀝液技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電極板陽(yáng)極采用釕銥電極（板狀），陰極采用了鈦板。直流電源采用龍威電源TPR3010D（電壓0～30 V，電流0～10 A），反應(yīng)槽由有機(jī)玻璃制成，有效容積900 mL，攪拌過(guò)程采用六聯(lián)攪拌器。

1.2 分析方法

COD監(jiān)測(cè)采用HACH COD測(cè)試分析儀，氨氮采用國(guó)標(biāo)法——納氏比色法，pH采用pH測(cè)定儀測(cè)定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測(cè)定。

1.3 垃圾滲瀝液水質(zhì)

垃圾滲瀝液采自廣東東莞某城市生活垃圾填埋場(chǎng)，該垃圾填埋場(chǎng)目前已封場(chǎng)，填埋齡在10 a以上，屬于典型老齡垃圾滲瀝液。其水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于釕銥電極具有較高的析氧電位，能夠減少陽(yáng)極副反應(yīng)的發(fā)生，極大提高了Cl-在陽(yáng)極氧化為Cl2的能力，從而產(chǎn)生更多的HClO以氧化垃圾滲瀝液中的氨氮及COD。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用陜西寶雞祁鑫鈦業(yè)有限公司購(gòu)買(mǎi)的釕銥電極作為陽(yáng)極，采用鈦板作為陰極。雖然電極間距越小能夠增強(qiáng)極板間電場(chǎng)強(qiáng)度使帶電粒子遷移速率增大，使極板上放電直接進(jìn)行電化學(xué)的幾率增大，但是如果極板間距過(guò)小陽(yáng)極表面會(huì)產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，使能耗增大，溶液的濃度極化增大；相反，極板間距增大，極板間電阻增大，電能消耗提高，電解效率降低［5］。因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中極板間距采取2 cm，分別考察了不同影響因素對(duì)電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的影響以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

表1 垃圾滲瀝液水質(zhì)指標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氯離子濃度下垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除

采用電流密度為30 mA/cm2，通過(guò)添加NaCl調(diào)整氯離子濃度為2 500、5 000、7 000、9 000 mg/L，研究不同氯離子濃度對(duì)垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除效果。由圖2、3可以看出，氯離子濃度對(duì)氨氮及COD的去除影響較大。由于污染物的去除主要是基于氯離子參與的間接氧化過(guò)程，當(dāng)氯離子濃度較低時(shí)（2 500 mg/L，即垃圾滲瀝液原液），電解6 h氨氮去除率為78．36%，電解速率為 5．7 mg/（L·min）；增加氯離子濃度到 5 000 mg/L時(shí)，電解6 h氨氮去除率幾乎達(dá)到100%，此時(shí)的電解速率為 7．0 mg/（L·min）。隨著氯離子濃度的增大，氨氮氧化速率逐漸增大，但是氯離子濃度逐漸增大后，電荷轉(zhuǎn)移成為體系中控速步驟，氯離子濃度從7 000 mg/L到9 000 mg/L，氨氮電解速率基本沒(méi)有發(fā)生變化。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氯離子濃度調(diào)整為5 000 mg/L。還可發(fā)現(xiàn)，不同氯離子濃度下氨氮的電解速率總是大于COD的電解速率，也證明了電解垃圾滲瀝液過(guò)程中氨氮的氧化要先于COD的氧化。

2.2 不同電流密度對(duì)垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除

采用NaCl調(diào)整垃圾滲瀝液氯離子濃度為5 000 mg/L，分別采用10、20、30、40 mA/cm2的電流密度研究6 h內(nèi)垃圾滲瀝液氨氮及COD的去除，見(jiàn)圖4、5，不同電流密度下氨氮及COD的去除率相差比較大。電流密度40 mA/cm2時(shí)，經(jīng)過(guò)6 h電解氨氮濃度從2 521 mg/L降到2．43 mg/L，去除率基本上達(dá)到100%，COD去除率為54．21%；而電流密度為10 mA/cm2時(shí)，氨氮濃度降到2 402 mg/L，去除率僅為9．41%，COD去除率為3．29%?？梢钥闯鲭娏髅芏葘?duì)于氨氮及COD的去除率有重要的影響。隨著電流密度的增加，氨氮及COD的去除率相應(yīng)增加。但是電流密度越高，系統(tǒng)的能耗也越高，電流效率降低，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流密度采用30 mA/cm2較經(jīng)濟(jì)合理。

圖4 不同電流密度電解氨氮去除率

圖5 不同電流密度電解COD去除率

2.3 不同初始pH下電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液研究

以電流密度30 mA/cm2，氯離子濃度5 000 mg/L，電極間距2 cm，改變初始pH分別為2．93、4．91、7．02、8．09、9．03、10．96，電解 6 h，研究氨氮及COD的去除率。pH對(duì)去除率的影響見(jiàn)圖6、7。不同的初始pH下垃圾滲瀝液氨氮的去除效果不同，在pH偏堿性的條件下氨氮去除率最好，電解6 h氨氮去除率幾乎達(dá)到100%，COD去除率達(dá)到50%。氯離子在不同pH下，電解生成的ClO-的量不同，pH在8左右時(shí)，生成的ClO-等有效氯濃度最高，從而能夠強(qiáng)化電化學(xué)的間接氧化作用［6］。弱堿性條件下，氨氮去除率以及電解速率也最高，隨著pH的升高，氨氮降解速率及去除率相應(yīng)降低。當(dāng)pH達(dá)到10．96時(shí)，氨氮去除率僅為60%，氨氮的電解速率為4．16 mg/（L·min）。在酸性條件下，電解產(chǎn)生的氯氣較容易逸出，從而影響了氨氮的氧化。隨著pH的增加，陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣在溶液中的溶解度增加，從而增加了氨氮的氧化速率，當(dāng)pH大于10以后，不僅產(chǎn)生的次氯酸根發(fā)生反應(yīng)，而且還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)產(chǎn)生，從而導(dǎo)致游離氯下降，因此氨氮的氧化速率也隨之下降。

由以上分析得出，實(shí)驗(yàn)初始pH以弱堿性較適宜。

圖6 不同pH下電解氨氮去除率

圖7 不同pH下電解COD去除率

2.4 電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的可生化變化

水中有機(jī)物通常在254 nm波長(zhǎng)處出現(xiàn)吸收峰，以UV254表征溶解性有機(jī)物（芳香族） 難降解物質(zhì)。在以電流密度為30 mA/cm2，調(diào)節(jié)垃圾滲瀝液氯離子濃度為5 000 mg/L，電解6 h后考察COD和UV254的去除效果，見(jiàn)圖8。可以看出，COD的去除與UV254的去除有一致性，經(jīng)過(guò)6 h電解后COD去除率為49．98%，UV254去除率為61．09%，說(shuō)明在電解過(guò)程中溶解性有機(jī)物（芳香族）難降解物質(zhì)得到了很大的去除，也間接反映出垃圾滲瀝液的可生化性得到了提高，原垃圾滲瀝液中BOD/COD為 0．14，電解 6 h后升高到 0．22，有利于垃圾滲瀝液后續(xù)生化處理。

2.5 電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的經(jīng)濟(jì)性分析

采用Ti/Ru-Ir電極，在電流密度為30 mA/cm2，氯離子濃度為5 000 mg/L，pH為8．09，電解6 h條件下，分析電化學(xué)氧化過(guò)程中經(jīng)濟(jì)技術(shù)的可行性，結(jié)果見(jiàn)圖9?？梢钥闯?，隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，處理單位垃圾滲瀝液能耗逐漸增加，電解6 h氨氮100%被去除，氨氮單位能耗為0．08 kW·h/g，去除單位垃圾滲瀝液能耗為230 kW·h/m3，可見(jiàn)電解技術(shù)能耗較高，氨氮去除效率在60%時(shí)，能耗153 kW·h/m3。因此，如果使用電化學(xué)單獨(dú)處理垃圾滲瀝液能耗比較大，應(yīng)該考慮與后續(xù)生物處理技術(shù)的有機(jī)集成，聯(lián)合進(jìn)行垃圾滲瀝液的處理，同時(shí)通過(guò)高效電極材料、高效電解槽設(shè)計(jì)以降低能耗、提高電流效率［7］。

3 結(jié)論

1）由于釕銥電極具有高的析氧電位，因此在電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液處理過(guò)程中效果比較好，在電流密度30 mA/cm2，氯離子濃度5 000 mg/L，pH為8．09的條件下，電解6 h，氨氮去除率達(dá)到100%，COD去除率達(dá)到50%。

2）電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液可以有效去除垃圾滲瀝液中難降解有機(jī)物，電解過(guò)程中UV254的去除率達(dá)到了61．09%，垃圾滲瀝液生化性得到提高，BOD/COD從0．14提高到0．22，有利于垃圾滲瀝液后續(xù)生化處理。

3）電化學(xué)處理垃圾滲瀝液的處理成本是限制其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，電化學(xué)6 h后氨氮去除率達(dá)到100%時(shí)，能耗為0．08 kW·h/g，因此降低能耗以及與生化處理聯(lián)合進(jìn)行垃圾滲瀝液處理是電化學(xué)氧化垃圾滲瀝液的一個(gè)研究方向。

［1］ Bashir M J，Lsa M H，Kutty S R，et al．Landfill Leachate Treatment by Electrochemical Oxidation［J］．Waste Manage，2009，29 （9）：2534-2541．

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［4］李小明，王敏，嬌志奎，等．電解氧化處理垃圾滲濾液研究［J］．中國(guó)給水排水，2001，17（8）：14-17．

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Aged Waste Leachate Treatment by Electrochemical Oxidation

Dai Jinguo1,2,Song Qianwu2,Wu Qi1,2,Wang Hongliang2
（1．College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing 100875;2．Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012）

In contrast to several different electrode,selecting Ti/Ru-Ir as the anode materials of electrochemical electrode,the influence of current density,chloride ion concentration,initial pH on waste leachate treatment by electrochemical oxidation was studied．On the condition that current density was 30 mA/cm2,chloride ion was 5 000 mg/L,and pH was 8．09,the results were indicated that the removal rates of NH3-N,COD,and UV254reached 100%,50%,and 61．09%,respectively,after 6 hours of electrolysis．BOD/COD of waste leachate was improved from 0．14 to 0．22,so the biodegradability of waste leachate was improved．Economic analysis showed that the energy consumption of unit NH3-N was 0．08 kW·h/g,when the removal rate of ammonia nitrogen was 100%after 6 hours of waste leachate electrochemical treatment．

waste leachate；electrochemistry；ammonia nitrogen；current density

X703．1

A

1005-8206（2012）05-0027-04

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2008 ZX07211-006）

2012-05-11

代晉國(guó)（1973—），在職博士，副研究員，主要研究方向?yàn)樗廴究刂啤?/p>

E-mail：daijinguo11@sohu．com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）