催化电解氧化与SBR法联合处理垃圾渗滤液的实验研究

1、第19卷第3期2006年7月烟台大学学报(自然科学与工程版)JournalofYantaiUniversity(NaturalScienceandEngineeringEdition)Vol.19No.3Jul.2006文章编号:8820(2006)09催化电解氧化与SBR法联合处理垃圾渗滤液的实验研究王德义(烟台大学环境与材料工程学院,山东烟台264005)摘要:采用催化电解氧化与SBR联合工艺对垃圾渗滤液的处理进行了实验研究.催化电解氧化的最佳操作条件为:电流密度5A/dm2;.5Cl-5000mg/L;SnCl250mg/L;极板间距0cm;单位体积的垃圾渗滤液所使用的极板面积500cm

2、/L;电极材料采用PbO2-IrO2-O2/Ti(三元电极SPR).SBRmg/L;曝气时间5h;沉淀30min;温度20-30;pH值8.COD达到90%以上,NH3-N达到99%,N,2量低于0.001mg/L.关键词:3-N;SBR法:A随着我国经济的快速发展、人民生活水平的迅速提高以及城市人口的增长和城市规模1的不断扩大,城市生活垃圾不断增多,成分趋于复杂化,处理量及处理难度也随之增大.生活垃圾的卫生填埋作为一种成本较低、技术相对简单、能迅速处理垃圾的方式,比较适合2,3我国国情,成为目前主要的垃圾处理形式.就我国当前的经济发展水平而言,在今后相4当长的一段时间内,卫生填埋法仍是绝大部

3、分城市垃圾处理的重要方法.垃圾填埋后,在厌氧微生物对有机物的分解作用下,加上地表水的渗入,会产生成分复杂,流量较大,COD、5-7TN和色度都很高的垃圾渗滤液.若不对渗滤液加以有效处理,势必对环境造成严重的8污染.9-12目前国内外垃圾渗滤液的处理多采用各种组合工艺,组合工艺的主要不同之处就是垃圾渗滤液的预处理阶段.在预处理过程中,能否有效提高渗滤液的可生化性、降低总氮、13重金属离子以及COD的含量,将是选择预处理工艺的重要依据.本研究采用催化电解氧化法作为预处理阶段,与SBR法联合使用后取得了较理想的处理效果.各项指标的去除率分别为COD达到90%以上,NH3-N达到99%,TN达到95%

4、以上,色度达到99%,重金属离子达到99.9%以上.收稿日期:13作者简介:王德义(),男,山东烟台人,副教授,硕士,从事水污染处理研究.第3期王德义:催化电解氧化与SBR法联合处理垃圾渗滤液的实验研究2171实验装置及分析方法1.1实验装置双路直流稳压电源1台;数字显示万用电表1个;电解槽:12cm×12cm×18cm有机玻璃槽2个,2000mL烧杯2个;78-1型磁力搅拌器2台;阴极:铜板(8cm×10cm共5片;4cm×6cm共5片);阳极:IrO2-TiO2/Ti(二元电极DSA)(8cm×10cm、1.5mm细网格共5片,4cm

5、15;6cm、1.5mm细网格共5片);PbO2-IrO2-TiO2/Ti(三元电极SPR)(8cm×10cm、1.5mm细网格共5片;4cm×6cm、1.5mm细网格共5片);小型曝气机;有机玻璃SBR反应器:直径25cm,高40cm;曝气软管及微孔曝气头.1.2检测项目及分析方法化学需氧量(CODCr):重铬酸钾法;氨氮(NH3-N):纳氏比色法;总氮:紫外分光光度法(UV-75C型分光光度计);pH值:pHS-2型酸度计和精密pH试纸;色度:稀释倍数法;重金属离子:原子吸收分光光度法.1.3试验水样该垃圾填埋场自2001年投入使用,至今已有5年填埋龄.1.表1Tab.

6、1WateroffrofYantaicity测定指标测定数据.8.05000-5900BOD900-1100NH3-N750-900总氮1000-1200色度6500铜1.1892铅0.6816铬0.0142锌0.75417注:以上数据中除pH和色度(倍)以外,其他指标的单位均为mg/L.从表1可以看出,原水的COD、BOD、NH3-N、总氮、色度均比较高,重金属离子的含量比较低,而且可生化性也比较差.目前使用的纯生物处理工艺出水效果不够理想.2催化电解氧化实验结果与讨论2.1正交实验结果与讨论按照电解时间、极板间距、电流大小和氯离子浓度四因素四水平正交实验设计方法,共进行16组实验,结果见表

7、2.由表2可以看出,第9、10组COD和TN的去除效果均比较理想,而第10组的电流效率明显高于第9组,从经济角度考虑确定第10组为最优实验条件.该组实验条件为:电流密度5A/dm、极板间距0.5cm、电极面积500cm/L、电解时间3.5h.2.2电极材料的影响以铜板为阴极,电极间距为0.5cm,电流密度为5A/dm,8cm×10cm的电极,电解1200mLpH为7.5、A和SPR时,不同电Cl-=5000mg/L的垃圾渗滤液,分别测定阳极为DS解时间后出水的COD、NH3-N和色度的去除率与时间的关系.实验结果见图1、2.从图1、2中可以看出,SPR电极比DSA电极的催化电解氧化效

8、果以及电流效率均有明显提高.218烟台大学学报(自然科学与工程版)表2正交实验统计结果Tab.2Thestatisticalresultoforthogonalexperiment第19卷试验编号123456789101112131516进水COD/出水COD/-1-1mgLmgL4020.873823.133808.483753.353387.353387.353845.083515.502838.042947.903076.073552.123442.2471.8426003420.542772.672280.01726.01075.321040.032001720.0473.80609.

9、761060.0721882.67657.2743.0COD去除率/%14.9327.3740.1353.7568.2569.3016.7651.0783.3179.3265.40.3245.3173.4171.42进水TN/-1mgL1176.231154.181086.521075.34987.681027.241152.191079.41956.2631.1077.361091.41946.72968.25出水TN/-1mgL384.16321.44125.3882.5967.5659.06408.91104.3832.70.0347171.2061.41118.4282.7474.26

10、TN去除率/%67.3472.1588.4692.3293.1694.2564.5190.3396.84.5792.4389.1591.2692.33电流效率/%24.1421.0420.4923.1820.6617.9817.2924.0613.58.6720.2729.1115.2825.088.349.962.3Cl浓度的影响-以SPR为阳极、铜板为阴极,电极间距为0.5cm,电流密度为5A/dm,8cm×10cm的电极,电解1200mLpH为7.5的垃圾渗滤液,分别测定当Cl-=0,2500,5000,7000mg/L时,不同电解时间后的出水COD、TN的去除率与时间的关系,

11、实验结果见图3、4.2第3期王德义:催化电解氧化与SBR法联合处理垃圾渗滤液的实验研究219由图3、4可以看出,随着TN的去除率也随着增加,当Cl-的增加,COD、l-=0mg/L时,COD、TN的去除率分别在25%和50%以上,证明N用.而随着TN,Cl-的增加,COD、了非常重要的作用.通过实验还发现,TN,大量的TN,则COD2.4以,电极间距为015cm,8cm×10cm的电极,电解1200mL2pH值为7.5的垃圾渗滤液,分别在电流密度J为3,5和7.5A/dm时电Cl-=mg/L、解315h,测定出水的COD、TN的去除率与时间的关系.实验结果见图5、6.由图5、6可看出

12、:电流密度越高,COD、TN的去除速率越快,在实验条件下,当电流密2度为7.5A/dm时,电解40minCOD、TN的去除率分别达到45%和91%,去除效果较好,原因是随着电流密度的增加,槽电压也会随着增高,从而电极电位也增高,电化学反应速率就会随电极电势的增加而增大;电流密度越大,平均电流效率越低,比电耗越高,原因是电流密度越大,用于析出氧气的电流就越多,致使一部分电流消耗于水的氧化上,从而降低了能220烟台大学学报(自然科学与工程版)第19卷量的利用率;电解时间越长,平均电流效率下降越快,比电耗急剧增加;当COD约为初始浓度的30%前,COD的氧化反应速率常数随电流密度的增大而增加,到后期

13、反应速率常数随电流密度的变化而逐步趋缓,主要原因是反应后期,剩余有机物的分解电压较高,比较难氧化分解,因此,电能大部分消耗在水的电解和温度的升高上;当TN去除以后,COD的去除反应速率较TN去除以前有较大的提高,这是由于TN的分解电压较低,更易被氧化,故TN的去除更优先于COD的去除;当电流密度较大时,去除TN的反应速率常数随电流密度的变化并不大,这也说明TN的平衡电极电位比较低.2.5SnCl2的影响以SPR为阳极、铜板为阴极,电极间距为20.5cm,电流密度为5A/dm,8cm×10cm的电极,电解1200mLpH值为715Cl-=5000mg/L、的垃圾渗滤液,分别测定当SnC

14、l2浓度为0,25,50,75和100mg/L时,电解3.5h,不同时间取样测定出水COD、TN的去除率.实验结果见图7.由图7可以看出,加入SnCl2以后,COD的去除率平均增加10%-15%.其主要原因是Sn4+和Sn2+COD去除率与SnCl2浓度的关系Fig.7TherelationbetweentheeliminationrateofCODandSnClconcentration2,该结果为今后研制2+4+,可以避免因Sn和Sn引入溶液中所产生的二次污染问题.加入SnCl2以后,对TN去除率的改善无明显影响.3SBR法实验结果与讨论3.1运行参数溶解氧控制在2-5mg/L的范围内;污

15、泥体积:通过沉降排泥控制SV在25%-30%左右,测得MLSS在6500-8000mg/L;污泥负荷:0.4-0.55kgCOD/kgMLSS批;进水量:2L/批;实验室温度:10-25.本实验中,采用瞬间进水方式,进水期时间可以近似认为是0,静止期时间固定为1h,排水时间约需10min,若需要排泥则另外用10min时间排泥,曝气期为5h.在整个实验中SBR的一个运行周期大约为6.5h.3.2活性污泥的培养与驯化取城市污水处理厂回流污泥适量,控制温度在20-25,维持溶解氧在2-4mg/L,进行培养驯化.每天静置2h,排掉上层清液,加入适量淘米水.重复上述操作,直至污泥沉降比达到15%以上.培

16、养好的活性污泥外观呈团状或絮状,颜色为黄褐色.在显微镜下观察发现游离的细菌比较少,原生动物(如钟虫)、后生动物(如轮虫)比较多,而且很活跃.将培养好的活性污泥放入SBR反应器中,采用瞬间进水方式向反应器中注入淘米水和第3期王德义:催化电解氧化与SBR法联合处理垃圾渗滤液的实验研究221电解氧化处理后废水的混合液,控制混合液的COD在1000-1300mg/L,温度在20-25,进行曝气培养,每天换一次水,5-6d后,污泥量开始增加.控制污泥的沉降比在25%-30%,逐渐增大混合液中废水的比例,15d后可以完全加入电解氧化处理后的废水.3.3曝气时间对处理效果的影响本试验所用废水是经催化电解氧化

17、处理后的排出水,其COD值约为1000-1200mg/L,NH3-N已经全部去除.采用瞬间进水方式向反应器中注入经催化电解氧化处理后的排出水,温度控制在20-25.在曝气的不同时间取样,将取出的混合物沉降30min,测定其上清液的COD值,结果见表3.根据表3的数据,以COD对曝气时间作图,得到图8.表3曝气时间对处理效果的影响Tab.3ThetreatmenteffectsforthedifferenttimesofaerationmgL-1不同曝气时间COD的测定值初始值10591125118610284h4184534583925h2282412156h20422524519412h10

18、6107图8COD与曝气时间的关系曲线Fig.8TherelationcurvebetweenCODandthetimesofaeration由图8可以看出,在曝气时间为5h以内时废水的COD值下降速度比较快,当超过5h以后,COD值的下降速度变得非常缓慢.因此,在上述废水水质条件下,曝气时间选择为5h比较适宜,而且此时出水水质也已经基本达到要求.固定曝气时间为5h,控制相同的温度和曝气量,保持反应器内的混合物在静置30min以后污泥的沉降比为25%-30%,考察SBR过程对废水COD、BOD的处理效果.处理结果见表4.表4SBR的处理效果Tab.4Thetreatmenteffectsbyu

19、singSBRmethodCODBOD进水105911251186107612341028出水228241243226274215去除率/%78.578.679.579.077.879.1进水530580610出水809090去除率/%84.984.585.2222烟台大学学报(自然科学与工程版)第19卷3.4容积负荷Fv对COD去除率的影响系统的容积负荷Fv是考察系统处理能力的主要指标.因此在实验研究期间也考察了容积负荷Fv与COD去除率的关系.实验数据见表5.表5容积负荷Fv与COD去除率的关系Tab.5TherelationbetweentheeliminationrateofCODan

20、dvolumeload容积负荷Fv/kgCODkgMLSS-1批0.3390.20.4383.50.4979.40.5475.60.6570.3COD去除率/%由表5可以看出,容积负荷Fv比较低时,COD的去除率较高,但是处理效率比较低,不利于工业化的实施.但如果容积负荷Fv调整的比较高,则COD的去除率就会下降,又会影响出水水质.因此,认为本次实验研究系统的容积负荷Fv控制在0.4-0.55kgCOD/kgMLSS批是比较适宜的.3.5其他因素对COD去除率的影响3.5.1温度的影响系统的容积负荷Fv控制在0.45/值控制在6.0-7.0,曝气时间5h,污泥沉降比控制在25%-,左右.在温度

21、分别为10,15,20,25,30时,5012,6715,7513,7814和7816.,直接影响是指温度的,从理论和实际运行结果来看,在微生物酶系统不,温度升高,微生物活动旺盛,生化反应速度加快,容积负荷可以相应地提高.然而,适合微生物生长、繁殖的温度有一定的范围,一般在20-30之间效果最好.从活性污泥外观上看,在30以下呈土黄色,且沉淀性能良好,当温度高于30时,污泥逐渐变为淡黄甚至白色,而且沉降效果不好,出水浑浊,微生物的活性也相应地降低.温度的间接影响比较小,在此不作讨论.3.5.2pH值的影响对于好氧处理系统,pH值一般在6.0-9.0为宜.pH值低于6.0,真菌即开始与细菌竞争,

22、降低至4.5时,真菌则完全占优势,而原生动物全部消失,严重影响污泥的沉淀分离和出水水质.当pH值超过9.0时,微生物的新陈代谢速度会受到影响.因此,在本次实验过程中,pH值控制在6.5-8.0之间,处理效果较好.4结论(1)pH值的减小有利于COD和NH3N的去除,但影响不是太大.(2)电流密度越大,阳极表面产生的中间活性物质的量就会越大,产生的氧化作用也就越强,反应速率常数就会越大.但若电流密度太大,析氧副反应将会增强,这样会浪费电能,降低电流效率.(3)单位体积的垃圾渗滤液所使用的极板面积也应适当控制,采用细网状的电极可以有效的提高电极的比表面积,有利于节省电极材料.(4)三元电极的处理效

23、果要明显优于二元电极.电极间距应尽可能减小,有效提高电流-第3期王德义:催化电解氧化与SBR法联合处理垃圾渗滤液的实验研究223效率,避免水体温度升高浪费电能.-(5)向电解液中加入适当浓度的Cl和SnCl2,可以有效提高COD和NH3-N的去除率,但NaCl的加入量不宜过大,否则,余氯量的增加会使部分有机污染物质转变为有机氯代物,会降低出水的可生化性,给后续SBR处理工艺增加处理难度.2(6)催化电解氧化的最佳操作条件为:电流密度5A/dm;Cl-=5000mg/L;SnCl2=50mg/L;极板间距0.5cm;单位体积的垃圾渗滤液所使用的极板面积500cm/L;电极材料采用PbO2-IrO

24、2-TiO2/Ti(三元电极SPR).2(7)SBR法处理催化电解氧化出水较理想的操作条件如下:溶解氧为2-4mg/L;曝气时间为5h;沉淀30min;温度为20-30;pH值为6.5-8.0.在上述较为理想的操作条件下,经催化电解氧化与SBR法联合工艺处理垃圾渗滤液的出水水质指标见表6.表6经催化电解氧化与SBR法联合工艺处理垃圾渗滤液的出水水质指标Tab.6Thepreparedwaterqualityindexbyadoptingcatalyzingandelectrolyzingoxidationtechniques水质指标渗滤液原水处理后出水水质指标pH7.0-8.07.0-8.0C

25、OD5000-5900色度TN25-451.<0.0010.6816<0.001铬0.0142<0.001锌0.7542<0.001注:除pH与色度(倍)外,其他指标单位均为mgL-1.参考文献:1杨国清,刘康怀.固体废物处理工程M.北京:科学出版社,2000.2赵由才,朱青山.城市生活垃圾卫生填埋场技术与管理手册M.北京:化学工业出版社,1999.3赵由才,宋立杰,张华,等.实用环境工程手册M.北京:化学工业出版社,2002.4国家环境保护总局污染控制司.城市固体废物管理与处理处置技术M.北京:中国石化出版社,2000.5卢成洪,徐迪民.垃圾填埋场渗滤液水量和水质的研

26、究J.给水排水,1997,23(11):63-65.6喻晓,刘楚良.垃圾渗滤液污染特性及其处理技术研究和应用趋势J.环境科学与技术,2002,25(5):43-46.7PohlandFG.LeachaterecycleasamanagementoptionJ.JounalofEnvironmentalEngineering,1995,121(6):460-472.8NevenkaMikac.AssessmentofgroundwatercontaminationinthevicinityofamunicipalwaterlandfillJ.WatSciTech,1998,37(8):37-44.9沈耀良,王宝贞.城市垃圾填埋场渗滤液处理方案及其分析J.给水排水,1994,25(8):18-22.10王宗平.垃圾填埋场渗滤液处理研究进展J.环境科学进展,1996,7(3):32-37.11张祥丹,王家民.城市垃圾渗滤液处理工艺介绍J.给水排水,2000,26(10):9-14.12颜军