垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较

1、学校代码： 学 号：HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING文献翻译题目垃圾渗滤液处理的高级氧 化法与活性炭吸附法的比较学生姓名专业班级环境工程 * 班学号20*系 （部）资源与环境工程系指导教师* （ 讲师 ）完成时间2011 年 12 月 6 日垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较Javeed Mohammed Abdul*, Saravanamuthu Vigneswaran*, Ho Kyong Shon*Areerachakul Nathaporn*, and Jaya Kandasamy*Faculty

2、 of Engineering, University of Technology, Sydney, P.O. Box 123, Broadway, NSW 2007,Australia*Rajamangala University of Technology, Thanyaburi, Pathumtani, Thailand(Received 25 August 2008 ? accepted 8 December 2008)摘要- 垃圾渗滤液是一种当雨水通过垃圾填埋场而分解产生的浸出的有毒的污染 物。未经处理的垃圾渗滤液是一种对土壤、 地表水和地下水很有潜力的的污染物。 在 这项研究中，处

3、理过程有如颗粒活性炭 (GAC)吸附法/ 生物吸附 (序批式)和高级氧化 法 (AOP) 。经常利用合成的垃圾渗滤液 (SLL)来对光催化氧化法和 Fenton 法进行比 较处理效果。二氧化钛作为催化剂在光催化氧化法中使用、 Fenton 试剂 (H2O2/Fe+2) 被用于 Fenton 处理技术中。 上述三种对 SLL 废水降解的效果通过 TOC的去除率来表 示。光催化氧化法、 Fenton 法和活性炭 (GAC)吸附法(其中包括吸附和生物降解)的 TOC去除率分别为 30, 60 和 85%。活性炭吸附法提高了生物降解性。高级氧化法中 最佳 Fenton 试剂中 Fe+2 和 H2O2的

4、量分别为 15 和 400 毫摩。比起活性生物法和光 催化氧化法， Fenton 法具有更快的降解活性。关键词：垃圾渗滤液，吸附，高级氧化，光催化氧化简介澳大利亚是世界上废物生产量最多的国家 1 。每个人每天垃圾产生量为 2.25 千 克，其中的大部分最终成为垃圾堆。在 2002到 2003一年中澳大利亚有超过 17百万 吨垃圾被处置在填埋场中 2 。由于垃圾填埋场的露天性，有机物、无机物和重金属在垃圾自身的降解、水解和垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较发酵作用下被雨水通过的垃圾填埋层渗入地下。 这种有填埋层流出的集中浓缩的液体 称为垃圾渗滤液。垃圾渗滤液被认为是一种具有剧毒和难

5、降解性的高水力负荷的污 水。不同填埋场的垃圾渗滤液的成分不同， 导致这种情况的因素有很多如： 垃圾本身 性质、填埋方式、压实程度、填埋场设计、所在地区降雨量和垃圾的腐蚀阶段 3,4 。 未经处理的垃圾渗滤液可能通过地表土层渗入地下从而造成土壤污染、 地表和地下水 的污染。一系列的垃圾垃圾渗滤液生化处理工艺为进行了详细研究结果如表1。对具有高BOD5/COD比值年轻的渗滤液， 生物处理过程是更有效的。 中间或稳定的垃圾掩埋场的 垃圾渗滤液的 BOD5/COD比值较低且含有较高的有毒成分， 生物处理的处理效果较差。 生物吸附是一个去除废水有机物的环保过程 , 尽管它还没有经过特别污水与垃圾填埋 场

6、渗滤液的测试 5,6 。处理垃圾渗滤液中难降解的成分，物化法是可行的。这些过程 包括蒸发、沉积、絮凝、沉淀 7,8 、离子交换、活化炭吸附法 9 、化学氧化法 10-12 、反 渗透(RO)13 、纳米过滤 (NF) 14 。它们被用于预处理或者完整处理。高级氧化过程 ,如 传统的 Fenton 法光助 Fenton 法和电 Fenton 法先进的高级氧化技术 (AOP)能有效地降 解传统的微生物法难于降解的难溶性有机质和持久性有机污染物 (POPs)。此外它们还 可作为预处理促进其他降解过程。 Fenton 法中一些重要参数影响降解过程如 pH 值, Fe+2/H2O2比和反应温度。 实际上

7、， Fenton 法是一个结合化学氧化和混凝两种过程的结 合。在 pH值小于等于 4 时主要过程是有机物氧化降解产生羟基自由基的过程。在 PH 大于等于 5 时是混凝过程。在 PH值大于 5 时形成铁羟基络合物 (沉淀物) 。然而，化 学氧化是 Fenton法的主要目的。 Fenton法具有更快 ,经济实惠和增加渗滤液可生物降 解性 ,特别是对成熟的渗滤液和难生物降解的渗滤液效果更好 15。一个关于多元方法 处理垃圾渗滤液的研究结果表明 ,低的 PH 值和高的 Fe+2/H2O2比适合 Fenton法过程 16。另一个新兴技术是生物吸附法，能有效去除来自于水和废水中有机物。生物吸附法中微生物附

8、着和生长在介质上如 GAC 。有机物首先吸附到介质上 ,然后被介质上的的微生物群落降解。生物吸附法可以在固定床反应器 (生物过滤器 )或序批式反应器中应用垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较在这项研究中 ,对垃圾填埋场渗滤液 (通过土壤滤出液 )的处理方法中的活性炭生 物吸附法,(序批式反应器 )和高级氧化过程如光催化和高级的氧化 (Fenton法)进行研究 和对比。表 1 ：垃圾填埋场渗滤液的处理工艺Treatment processesInferencesReferencesActivated carbon fluidizedAdsorption isotherms of th

9、ree different activatedRivas (2006)bedscarbons were studiedThe removal mechanism of low molecular weight organicsImaii (1995)Biodegradationwas by biodegradationComparison of two biological treatment processesLoukidou (2001)Landfill leachate treatment with submerged biofiltersAlvez (2006)Coagulation

10、removed complex and recalcitrant organic matterOrtadeVelasquez (2006)Coagulation and flocculationreducing the ozone demandas apretreatmentforDifferent coagulant were used to study to decrease COD ofAlvez (2005)biodegradationlandfill leachateAdvanced oxidation pre-treatment toimprove biodegradability

11、Morais (2005)Electro Fenton methodZhang (2006)Advanced oxidationAdvanced oxidation by iron coated GAC /H2O2Huan-Jung Fan (2007)Membrane bioreactor (MBR) and reverse osmosis (RO)Won-Young Ahn (2002)Ultrafiltration treatment of landfill leachatesTabet (2002)Membrane processNano-filtration treatment la

12、ndfill leachateWahab (2004)Combined treatmentBiodegradation followed by chemical oxidation using ozoneIaconi (2006)and Fenton methods实验方法1、合成的垃圾填埋场渗滤液 (SLL)本实验用合成的垃圾渗滤液做研究对象， 合成的垃圾填埋场渗滤液的成分是已知的17，且如表 2所示。值得注意的是用 TOC 浓度(64mg/L)模拟渗滤液通过土壤渗漏污染的地表水和地下水。 SLL 中脂肪酸、乙酸、丁酸以及丙酸和 TOC 含量的变化如图 1 所示表 2：合成的垃圾填埋场渗滤液

13、 (SLL) 的成分垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较ComponentPer literComposition of trace metal solution (TMS)Acetic acid7 mLFeSO42,000 mgPropionic acid5mLH3BO450 mgButyric acid1mLZnSO4·7H2O50 mgK2HPO430 mgCuSO4·5H2O40 mgKHCO3312 mgMnSO4·7H2O500 mgK2CO3324 mg(NH4)6Mo7O24 ·4H2O50 mgNaCl1,440 mgAl2

14、(SO4)3 1·6H2O30 mgNaNO350 mgCoSO4·7H2O150 mgNaHCO33,012 mgNiSO4·6H2O500 mgCaCl22,882 mg96% H2SO41 mLMgCl2·6H2O3,114 mgMgSO4156 mgNH4HNO32,439 mgUrea CO(NH2)2659 mgNa2S·9H2OTitrate to Eh-120 mv:-180 mvNaOHTrite to pH=5.8-6.0Trace metal solution1 mLDistilled waterto make 1 L图

15、1：SLL 中脂肪酸、乙酸、丁酸以及丙酸和 TOC含量的变化2、材料4垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较粒状活性炭 (GAC)来自美国的卡尔冈炭素公司制造，作为化学吸附 / 生物吸附 实验中的介质。它的性质如表 3 所示。表 3 ：研究中使用的颗粒状活性炭 (GAC)的特征 (美国卡尔冈炭素公司)规格颗粒活性炭Surface area (m2/g)1001.2Mean pore diameter (?)22.55Micropore volume (cm3/g)0.269Mean diameter ( m)750Bulk density (kg/m3)600Product code

16、F-4003、活性炭吸附 / 生物吸附序批吸附 / 生物吸附研究是在为 1L 的烧杯中活性炭的含量分别为 20,40 至 60 克/ 升。一个控制试样中含活性炭 20g/L ，叠氮化钠 0.05%用来检查生物增长。 叠氮化钠抑制或消除了微生物的生长。用 TOC浓度为 64mg/L 作为的合成的垃圾 填埋场渗滤液 (SLL) 。溶液连续搅拌和充气。补充新鲜合成的垃圾填埋场渗滤液 (SLL)(每天增加新鲜的 20%TOC 溶液 )以提供连续有机碳和养分供应生物生长。4、微生物分析颗粒活性炭样品进行定期的微生物定量分析。在这些样品中用琼脂平板涂 布技术于确定活的微生物的数量，并给出了一个估计的质量。

17、5、高级氧化利用 Fenton 试剂 (FeSO4/H2O2) 高级氧化法处理合成的垃圾填埋场渗滤液 (SLL) 。合成的垃圾填埋场渗滤液 (SLL) 的降解效果是通过测定污水样品中总有机 碳(TOC)含量体现的。污水样品中 TOC 的减少表示有机物讲解。 用 TOC 分析仪 (Multi N/C 200 analyzer, Analytica Jena AG) 进行 TOC 含量测定。高级氧化实验室 温(22-24 oC)罐子中进行。通过一系列含有不同 Fe+2(FeSO4·7H2O)浓度的实验确 定最佳的 Fe+2(FeSO4·7H2O)用量。最佳的 Fe+2(FeSO

18、4·7H2O)用量为 15mmol。把垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较已知浓度 (64mg/L TOC)的合成垃圾填埋场渗滤液 (SLL) 加入到不同含有最佳的 Fe+2离子铁的烧杯中。通过调节加入稀 H2SO4 量使溶液的 PH维持在 2.5(反应的 先决条件)左右。每个烧杯里加双氧水增加其浓度。用碘滴定法测定双氧水的 消耗量和剩余量。 用 5-磺基水杨酸法测定合成的垃圾填埋场渗滤液 (SLL)中二价 铁、三价铁和总铁离子的含量 18 。6、光催化循环反应器光催化氧化反应用二氧化钛作为催化剂。紫外二氧化钛催化氧化产生羟基 自由基(强氧化剂 ) ，UV/TiO 2光催

19、化法的综合观点已被证明 19 。催化反应器系 统由三个体积为 70毫升的不锈钢反应器 (L1, L2 and L3 如图 2所示)组成。二氧 化钛是通过贮槽 (T1) 直接进入含 5 升的原溶液反应器中。用磁性搅拌器进行搅 拌混合。并给与空气搅拌。用恒温装置使循环池的温度维持恒定。含有二氧化 钛的溶液以 200 毫升/分钟的速度用泵送入光催化反应器中。图2： 光催化反应系统 (T1, 1.5L催化剂混合 ;S1, 采样口; Q1, 流水线; R, 紫外光反应器单元 ; L1, L2, L3,各70ml供210ml；紫外灯具每个 8瓦 , Q1=200 mL/min).7、SEM/EDX的二氧化

20、钛、 PAC涂层的二氧化钛试验研究了二氧化钛光催化和 PAC涂层的二氧化钛 (TO2/ PAC)光催化。图 3 中的( a)和( b)分别显示电子显微镜 (SEM) 扫描的 PAC和 TO2/ PAC的图像。 颗粒活性炭表面具有干净的表面，而 TiO2/PAC 的表面涂了一层 TiO2 。由粒径垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较为 0.05 m 的二氧化钛粒子凝聚而成，且大多数的粒子粒径小于 1 m 。颗粒活性炭表面凝聚的二氧化钛是不均匀分布的图 3. (a) PAC 的显微镜视图 , (b)涂二氧化钛的 PAC(TiO2/PAC) 的显微镜视图用能量色散谱法( EDX )来分析

21、来确定在 PAC 和 TO2/ PAC 不同元素的存PAC和 TO2/ PAC在(图 4(a)和 4(b) 。能量色散谱法制图技术展示了不同元素在的分布。 PAC上的元素是 C(92%)、O(7%)和 K(1%)。TO2/ PAC 上的元素是 C、 O、 Na、Si、S、K 和 Ti。TO2/ PAC中 Ti 的质量分数只有 6.8% 。P25-TiO2 的 特征如下：无孔、 65%锐钛矿、粒径 25nm 和表面积 42.3m3/g。详情见参考 20。垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较图 4. （a） PAC 色谱分析结果 , （b） TiO2/PAC 色谱分析结果实验结果1、颗

22、粒活性炭生物吸附在三小时的实验操作活性炭吸附有机物质达到吸附平衡和 GAC 为 20、40、 60g/L 的溶液 TOC 的去除率 （由于吸附 ）分别为 44、48 和 63%（如图 5（ a）。整 个实验中定期监测溶液的 pH 值、总碱度、和 TOC。吸附平衡的浓度维持两天并 且 SLL 中 TOC 的浓度保持不变。 两天后， SLL 中 TOC 的浓度的开始降低并且溶 液开始变浑浊。控制样品中的 TOC 浓度的（加入叠氮化钠 ）保持不变。活性炭对 TOC 浓度的降低主要以吸附为主，对于吸附在活性炭上的有机物通过生物降解。 生物降解和生物吸附在 GAC 表面上交替进行。因此 ,有机质的含量和

23、养分的供应 对于维持微生物的活性（生物降解能力）是非常重要的。垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较图 5：活性炭有机物吸附效果图 （SLL 的 TOC 浓度为 64mg/L）每天用 TOC 浓度为 20%新溶液补充更换在容器中有机质。从第六天开始， TOC的去除率趋于不变且达到最大。 GAC 浓度为 20,40和 60g/L 的溶液在微生物 降解期间总 TOC 去除百分比 （包括吸附和生物吸附 ） 分别为 85、 92、97%（如图 5（b）。减少补给溶液使 pH 值为（因为 SLL 的 PH值为 6）。溶液 pH 值随着时间 的推移改变并且一天中 PH 最大值为 8.2（如图 6

24、）。由于 SLL 中总碱度、 HCO3 浓度的增加所以 pH 值随时间变大。由于很少甚至没有活性微生物存在，控制样 品（含叠氮化钠 ）的 pH 值几乎是不变的。因此 ,可能是由于微生物的存在使 SLL 中 的有机化合物无机化。图 6：从 318h到 328h的 pH值随着时间变化垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较2、微生物分析采用琼脂平板涂布技术对颗粒活性炭样品进行定期的微生物定量分析。 该方 法对每一个样品给出了估算的微生物质量。在实验中使用的 SLL 有丰富的碳、氮 和其他营养物质。因此 , 在初始阶段细菌的数量均匀增加。图 7 所示是微生物在 GAC浓度分别为 2%和4%（

25、20克GAC/L和 40克GAC/L）的实验条件下共同生长的相 似的生长速率。然而， GAC上微生物增加的体重量可以从图 5（b） 看出。活细胞的 数量在 15 天周期里快速达到固定值。图 7：颗粒活性炭生物吸附微生物分析3、高级氧化Fe 2+和 H2O2 的最佳用量分别为 15和 400 mmol（如图 8）。最佳 Fenton试剂用 量时高级氧化法的 TOC的去除率为 60%（图 9（a） 和图 9（b）。相比生物降解和光催 化降解，Fenton 试剂法具有更快的反应动力过程。 降解率和过氧化氢的用量和垃 圾渗滤液的初始 TOC（有机负荷）浓度成函数关系。 在这两种情况下 （TOC的初始浓

26、 度为 66 和 660mg/L） TOC的去除百分比为 60%,但在初始 TOC为 660mg/L时， TOC 的退化率较为缓慢 （如图 10） 。本实验利用 FeCl3（Fe+3）和 FeSO4（Fe+2） 研究了催化 剂对 Fenton 氧化过程影响。结果证明铁氧化态的催化剂对 TOC的去除效率影响 并不是有很大（如图 11）。有类似的报道证明 , 氧化态的铁催化剂不影清除化学需 氧量的处理过程 22 。10垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较最佳 Fenton 试剂(FeSO4/H2O2) 量不同初始 TOC浓度垃圾渗滤液 的 TOC 在 去 除 率2+( Fe2+=15m

27、mol， H2O2 =400mmol)图 9 ：高级氧化法 TOC去除率( Fenton 法)11垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较图 11： Fenton 法中氧化态的铁对 TOC去图 12：在一个循环光催化反应器有机除的影响（反应时间为 2 小时）物（DOC）去除效果4、光催化图 12 显示了在光催化反应器中 TiO2 和 TiO2/PAC对 SLL 中的有机去除效果不 同。在二氧化钛剂量的 1g/L 时，光催化去除 DOC的效果只有 30%。TiO2/PAC不能 有效的从 SLL去除 DOC。这可能是由于 PAC的毛孔被 TiO2 的纳米颗粒堵塞。也可 能是由于 PAC上沉

28、积的二氧化钛的数量在临界值（ <7%）。生物吸附、光催化氧化 和高级氧化的去除率比较见表 4。表 4 ：用到的三种不同处理效率比较比较处理工艺试剂浓度 TOC 去除率 %光催化 高级氧化TiO 2 1 gm/L 30+2(H2O2 400 mmol; Fe+2 15mmol60初始 TOC浓度 64 mg/L)生物吸附GAC (20 g/L)85GAC (40 g/L)92GAC (60 g/L)9712垃圾渗滤液处理的高级氧化处理与活性炭吸附法的比较结论SLL废水的生物降解和高级氧化处理工艺 , 即光催化和 Fenton 法进行调查 分析比较。光催化、 Fenton 氧化和生物吸附的

29、TOC去除百分比分别为 30%、60% 和 85%。但是, Fenton 氧化的降解速度比光催化法和颗粒活性炭生物吸附要快 的多。在本试验中 Fe2+和 H2O2 的最佳用量分别为 15和 400mmo。l 降解率和过氧 化氢的用量和垃圾渗滤液的初始 TOC(有机负荷 )浓度成函数关系。在光催化过程 中, TiO 2 表面涂 PAC与没有涂 PAC的催化降解效果相差不大。致谢 感谢本项目的合作研究中心提供的污染评估报告及环境修复报告 (CRC CARE) 资料( 项目编号为 2-5-05-05/6) 。参考文献1. Environmental data compen,d Oiurmganiza

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