絮凝电解法处理垃圾渗滤液的研究

絮凝-电解法处理垃圾渗滤液的研究石春梅谢辉赵建荣陈卓摘要：文章通过自制的铁系絮凝剂聚硅酸硫酸铁（PFSS）对垃圾渗滤液进行预处理，再用电解法进行深度处理，实验考察了絮凝剂投加量、电解时间、电压、pH等因素对垃圾渗滤液处理效果的影响。实验结果表明：絮凝法/电解法对垃圾渗滤液有良好的处理效果，在絮凝剂聚硅酸硫酸铁（PFSS）投加量为3.7mL/L、电解时间40min、电压4.0V、pH值为3.0条件下，其COD、NH4+-N、色度的去除率分别可达到76.47%、54.95%、93.89%。其中COD、色度已达到国家二级排放标准。关键词：垃圾渗滤液；聚硅酸硫酸铁（PFSS）；絮凝法；电解法中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1003-6504.2010.12F.049文章编号：1003-6504（2010）12F-0199-04垃圾渗滤液是城市生活垃圾卫生填埋的产物，具有成分复杂、水质随时间变化、难生物降解等特点，如果不及时处理会对周围地下水造成污染，直接危害人民的身体健康和生态环境[1-2]，目前渗滤液净化处理一般采用回灌、生化等常规方法，但在实际运行中，生物菌常因无法适应垃圾渗滤液水量、水质的剧烈变化而被抑制甚至死亡。因此，迫切需要研究新的更为有效的处理方法[3]。絮凝法作为垃圾渗滤液预处理方法之一，可以减少生物处理负荷，减轻渗滤液水质变化对生物处理的冲击作用，提高出水水质[4]，同时也提高了可生化性，以改善后续工艺的运行环境。尽管絮凝法对渗滤液有良好的处理效果，然而由于渗滤液垃圾物浓度过高，处理后渗滤液仍然不能达到相关的排放标准。电解法是近年发展起来的处理难降解渗滤液的有效方法之一，其主要机理是利用电化学氧化以及电解产生的羟基自由基等强氧化性物质高效降解残余有机物[5]。此法深度处理生活废水，在有机物去除及脱色方面获得良好的实验效果，但能耗问题限制了该法的应用。无机高分子絮凝剂同传统的无机低分子絮凝剂相比，具有用量更省、剩余污泥更少、对水体pH值影响更小等优点[6]。聚硅酸硫酸铁是铁系无机高分子絮凝剂，聚铁具有安全无害、絮凝速度快、形成的絮体脱水性更好、杂质去除率高等优点[7]，但应用在垃圾渗滤液处理中报道较少。此外，在传统的渗滤液电解氧化过程中，污染物的去除主要靠的是阳极的氧化作用[8-9]。而铁离子的引入，可强化电化学氧化有机物的能力，增加污染物的去处途径，提高渗滤液的电导率，从而降低槽电压、节约能耗[10-11]。因此，本文拟采用以铁系聚硅酸硫酸铁为絮凝剂对垃圾渗滤液进行预处理，然后再用电解法深度处理，考察絮凝剂投加量、电解时间、电压、pH等因素对垃圾渗滤液处理效果的影响。1实验材料与方法1.1实验材料该实验中垃圾渗滤液均取自于贵州省贵阳市新庄污水处理垃圾填埋场，试样用塑料桶密封运回实验室，测得原垃圾渗滤液中的各指标如下：色度1800倍，COD为968mg/L，NH4+-N为1570mg/L，pH为8.09。试剂：所用试剂均为分析纯。1.2实验主要设备PHS-3C型pH计；UV-9200紫外可见分光光度计（北京瑞利分析仪器公司）；HK-2A超级恒温水浴（南京大学应用物理研究所）；箱式电解反应器（阳极为Ti基金属氧化物涂层式电极（涂层为钌、钛、铱），数量4个，阴极为不锈钢，数量5个）。1.3试验方法1.3.1PFSS的制备准确称取27.715gFeSO4•7H2O于250mL圆底烧瓶中，加入30mL98%H2SO4，摇匀冷却。然后加入75mL30%H2O2混合摇匀，在搅拌条件下聚合1h。即得到棕红色的聚合硫酸铁（PFS）。再准确称取1.4215gNa2SiO3•9H2O于烧杯中加约10mL水溶解，在搅拌条件下以1mL/min的速度[12]滴加到制得的聚合硫酸铁溶液中，在40℃下聚合2h，即可得到聚硅酸硫酸铁（PFSS）。1.3.2实验步骤预处理：取5个洁净的250mL锥形瓶各盛入100mL垃圾渗滤液，分别向其中投加0.34mL、0.35mL、0.36mL、0.37mL、0.38mL已制备好的絮凝剂，摇匀静置数小时后，测量色度、COD、NH4+-N，确定最佳投入量。取预处理后的清液2L，用20%H2SO4和20%NaOH调节其pH，使其pH=3.50，设置电压为3.5V时，电解不同时间后取出清液，放置冷却，测定其水质色度、COD、NH4+-N，确定最佳电解时间；在最佳电解时间与pH值为3.50的条件下，在不同的电解压下重复试验，测定其水质色度、COD、NH4+-N，确定最佳电解电压；在最佳电解时间、最佳电压条件下，在不同溶液pH值下重复试验。测量其水质色度、COD、NH4+-N，确定最佳pH。1.3.3分析指标和分析方法色度、COD、NH4+-N的测定采用国标方法[13]，pH利用PHS-3C型pH计（上海大普）检测。2结果与讨论2.1聚硅酸硫酸铁（PFSS）投加量对处理效果的影响按实验方法，研究PFSS的不同投加量对100mL垃圾渗滤液的色度、COD、NH4+-N的去除效果的影响。研究结果如图1所示。由图1可知，各去除率随着絮凝剂投加量的增加先增大后降低，当絮凝剂投加量为3.70mL/L时絮凝效果最佳，色度、COD、NH4+-N的去除率可分别达到72.22%、57.82%、42.66%。这是由于聚硅酸硫酸铁在处理垃圾渗滤液时，不仅发生电中和作用，而且发生吸附架桥和卷扫作用，使得絮凝效果较好。当适量的铁离子进入一定体积的水中后，和水在很短的时间内形成聚合物，该聚合物迅速脱去质子，水解为一系列多核氢氧化铁离子单体形式，然后进一步快速聚合成高分子。由于水中杂质和胶体离子表面一般带负电荷，而这些无机高分子聚合物带有大量的正电荷，它们很快与胶体离子发生电中和，使胶体离子脱稳。同时，水解的铁离子对水中颗粒有强烈的吸附架桥作用。这种聚合物在沉降过程中，对水中颗粒物进行网布卷扫，从而形成粗大絮体下沉[6]。因此，在垃圾渗滤液中，按适量的体积比加入聚硅酸硫酸铁时，在电中和作用、吸附架桥作用、卷扫作用以及铁离子作用的共同作用下，使得色度、COD、NH4+-N去除效果达到最佳状态。2.2电解法深度处理垃圾渗滤液2.2.1电解时间对处理效果的影响按实验方法，在pH=3.50，电压为3.5V条件下，研究不同电解时间对垃圾渗滤液的色度、COD、NH4+-N去除效果的影响。研究结果如图2所示。由图2可知，当电解时间为40min时，去除效果最佳，色度、COD及NH4+-N的去除率可分别达到94.44%、70.59%、26.87%。相比较而言，色度、COD的去除率比预处理时较高，这是由于电解法中阳极发生了直接氧化和间接氧化，直接氧化是利用在阳极表面产生OH•基团与有机物发生氧化反应，间接氧化是指利用反应产生的强氧化剂（如ClO-、高价金属离子等）来氧化有机物[14]，从而对垃圾渗滤液中色度、COD有良好的处理效果。但是NH4+-N的去除率比预处理时低，这可能与电解电压、电流密度、溶解液中C1-浓度、pH低等有关。2.2.2电解电压对处理效果的影响按实验方法，在pH=3.50，电解时间为40min的条件下，研究不同电解电压对垃圾渗滤液的色度、COD、NH4+-N的去除效果的影响。研究结果如图3所示。由图3可知，各去除率随着电解电压的增大先增大后降低，在电解电压为4.0V时，去除效果最佳，色度、COD、以及NH4+-N的去除率可分别达到94.44%、70.59%、30%。当电压小于3.0V时，COD和NH4+-N的去除率都很低，主要原因是电化学反应微弱，强氧化性物质产生量极小，气浮去除有机物作用也极其微弱，其COD的去除主要是由于铁离子的沉淀作用。当电压和电流增大到一定程度时，使得阳极电位升高，阴极电位下降，达到了强氧化性物质生成所需要的阳极和阴极电位，且电流增大，电化学反应速度加快，使得强氧化性物质的产生量增多，有利于渗滤液中的有机物与NH3-N的去除。当电压继续增大至大于4.0V时，各去除率开始下降。原因是有机物去除反应主要不受电压高低控制，而受控于物质传递[11]。2.2.3溶液pH值对处理效果的影响按实验方法，在电解时间为40min，电压为4.0V的条件下，研究不同溶液pH对垃圾渗滤液的色度、COD、NH4+-N的去除效果的影响。研究结果如图4所示。由图4可知，各去除率随着溶液pH值的逐渐增大先增大后减小，在pH=3时，去除效果最佳。色度、COD及NH4+-N的去除率可分别达到94.17%、54.95%、76.47%。这是由于反应（1）、（2）影响的缘故。电解介质pH值低有利于H2O2的生成，从而有利于HO•生成；阳极析氧是电解过程中重要的反应之一，而对于电解氧化有机物来说，该反应却是需要抑制的副反应，以提高降解有机物的电流效率。在酸性和碱性介质中阳极析氧途径不同：对比反应（3）和反应（4）中的析氧标准电极电位可知，在碱性介质中更易析氧。因此，酸性条件下电解更利于有机物的电化学氧化降解。并且pH值高时阴极容易结垢，影响电化学反应速率，pH值越低，阴极结垢现象就越弱[11]。但是当pH值太低时，又不利于NH4+-N的去除，因为当pH值较低时，水中的氨氮主要以氨根离子的形式存在，这不利于化学沉淀去除氨氮[15]，所以pH=3时，去除效果最佳。3结论（1）采用聚硅酸硫酸铁对垃圾渗滤液进行预处理，聚硅酸硫酸铁最佳投加量为3.70mL/L，色度、NH3-N、COD的去除率分别为72.22%、42.66%、57.82%。（2）垃圾渗滤液经聚硅酸硫酸铁预处理后，在电解时间为40min、电压为4.0V、pH=3.0的条件下电解，处理效果最佳。色度、NH4+-N、COD的去除率分别为93.89%、54.95%、76.47%。（3）絮凝法与电解法的结合比单一的絮凝法处理效果好，且处理后色度、COD均达到了国家二级排放标准。与单一的电解法相比，在能耗上有所降低，节约成本。但是NH4+-N的去除率还很低，需要进一步处理。[参考文献]略文献来源：《环境科学与技术》2010年12月第33卷第12F期