催化電解氧化與SBR法聯(lián)合處理垃圾滲濾液的實(shí)驗(yàn)研究

1、第19卷第3期2006年7月煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版)JournalofYantaiUniversity(NaturalScienceandEngineeringEdition)Vol.19No.3Jul.2006文章編號(hào):8820(2006)09催化電解氧化與SBR法聯(lián)合處理垃圾滲濾液的實(shí)驗(yàn)研究王德義(煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院,山東煙臺(tái)264005)摘要:采用催化電解氧化與SBR聯(lián)合工藝對(duì)垃圾滲濾液的處理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.催化電解氧化的最佳操作條件為:電流密度5A/dm2;.5Cl-5000mg/L;SnCl250mg/L;極板間距0cm;單位體積的垃圾滲濾液所使用的極板面積500cm

2、/L;電極材料采用PbO2-IrO2-O2/Ti(三元電極SPR).SBRmg/L;曝氣時(shí)間5h;沉淀30min;溫度20-30;pH值8.COD達(dá)到90%以上,NH3-N達(dá)到99%,N,2量低于0.001mg/L.關(guān)鍵詞:3-N;SBR法:A隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人民生活水平的迅速提高以及城市人口的增長(zhǎng)和城市規(guī)模1的不斷擴(kuò)大,城市生活垃圾不斷增多,成分趨于復(fù)雜化,處理量及處理難度也隨之增大.生活垃圾的衛(wèi)生填埋作為一種成本較低、技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、能迅速處理垃圾的方式,比較適合2,3我國(guó)國(guó)情,成為目前主要的垃圾處理形式.就我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平而言,在今后相4當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),衛(wèi)生填埋法仍是絕大部

3、分城市垃圾處理的重要方法.垃圾填埋后,在厭氧微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用下,加上地表水的滲入,會(huì)產(chǎn)生成分復(fù)雜,流量較大,COD、5-7TN和色度都很高的垃圾滲濾液.若不對(duì)滲濾液加以有效處理,勢(shì)必對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的8污染.9-12目前國(guó)內(nèi)外垃圾滲濾液的處理多采用各種組合工藝,組合工藝的主要不同之處就是垃圾滲濾液的預(yù)處理階段.在預(yù)處理過(guò)程中,能否有效提高滲濾液的可生化性、降低總氮、13重金屬離子以及COD的含量,將是選擇預(yù)處理工藝的重要依據(jù).本研究采用催化電解氧化法作為預(yù)處理階段,與SBR法聯(lián)合使用后取得了較理想的處理效果.各項(xiàng)指標(biāo)的去除率分別為COD達(dá)到90%以上,NH3-N達(dá)到99%,TN達(dá)到95%

4、以上,色度達(dá)到99%,重金屬離子達(dá)到99.9%以上.收稿日期:13作者簡(jiǎn)介:王德義(),男,山東煙臺(tái)人,副教授,碩士,從事水污染處理研究.第3期王德義:催化電解氧化與SBR法聯(lián)合處理垃圾滲濾液的實(shí)驗(yàn)研究2171實(shí)驗(yàn)裝置及分析方法1.1實(shí)驗(yàn)裝置雙路直流穩(wěn)壓電源1臺(tái);數(shù)字顯示萬(wàn)用電表1個(gè);電解槽:12cm×12cm×18cm有機(jī)玻璃槽2個(gè),2000mL燒杯2個(gè);78-1型磁力攪拌器2臺(tái);陰極:銅板(8cm×10cm共5片;4cm×6cm共5片);陽(yáng)極:IrO2-TiO2/Ti(二元電極DSA)(8cm×10cm、1.5mm細(xì)網(wǎng)格共5片,4cm

5、15;6cm、1.5mm細(xì)網(wǎng)格共5片);PbO2-IrO2-TiO2/Ti(三元電極SPR)(8cm×10cm、1.5mm細(xì)網(wǎng)格共5片;4cm×6cm、1.5mm細(xì)網(wǎng)格共5片);小型曝氣機(jī);有機(jī)玻璃SBR反應(yīng)器:直徑25cm,高40cm;曝氣軟管及微孔曝氣頭.1.2檢測(cè)項(xiàng)目及分析方法化學(xué)需氧量(CODCr):重鉻酸鉀法;氨氮(NH3-N):納氏比色法;總氮:紫外分光光度法(UV-75C型分光光度計(jì));pH值:pHS-2型酸度計(jì)和精密pH試紙;色度:稀釋倍數(shù)法;重金屬離子:原子吸收分光光度法.1.3試驗(yàn)水樣該垃圾填埋場(chǎng)自2001年投入使用,至今已有5年填埋齡.1.表1Tab.

6、1WateroffrofYantaicity測(cè)定指標(biāo)測(cè)定數(shù)據(jù).8.05000-5900BOD900-1100NH3-N750-900總氮1000-1200色度6500銅1.1892鉛0.6816鉻0.0142鋅0.75417注:以上數(shù)據(jù)中除pH和色度(倍)以外,其他指標(biāo)的單位均為mg/L.從表1可以看出,原水的COD、BOD、NH3-N、總氮、色度均比較高,重金屬離子的含量比較低,而且可生化性也比較差.目前使用的純生物處理工藝出水效果不夠理想.2催化電解氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論按照電解時(shí)間、極板間距、電流大小和氯離子濃度四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,共進(jìn)行16組實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表

7、2.由表2可以看出,第9、10組COD和TN的去除效果均比較理想,而第10組的電流效率明顯高于第9組,從經(jīng)濟(jì)角度考慮確定第10組為最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件.該組實(shí)驗(yàn)條件為:電流密度5A/dm、極板間距0.5cm、電極面積500cm/L、電解時(shí)間3.5h.2.2電極材料的影響以銅板為陰極,電極間距為0.5cm,電流密度為5A/dm,8cm×10cm的電極,電解1200mLpH為7.5、A和SPR時(shí),不同電Cl-=5000mg/L的垃圾滲濾液,分別測(cè)定陽(yáng)極為DS解時(shí)間后出水的COD、NH3-N和色度的去除率與時(shí)間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、2.從圖1、2中可以看出,SPR電極比DSA電極的催化電解氧化效

8、果以及電流效率均有明顯提高.218煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版)表2正交實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2Thestatisticalresultoforthogonalexperiment第19卷試驗(yàn)編號(hào)123456789101112131516進(jìn)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進(jìn)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電流效率/%24.1421.0420.4923.1820.6617.9817.2924.0613.58.6720.2729.1115.2825.088.349.962.3Cl濃度的影響-以SPR為陽(yáng)極、銅板為陰極,電極間距為0.5cm,電流密度為5A/dm,8cm×10cm的電極,電解1200mLpH為7.5的垃圾滲濾液,分別測(cè)定當(dāng)Cl-=0,2500,5000,7000mg/L時(shí),不同電解時(shí)間后的出水COD、TN的去除率與時(shí)間的關(guān)系,

11、實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、4.2第3期王德義:催化電解氧化與SBR法聯(lián)合處理垃圾滲濾液的實(shí)驗(yàn)研究219由圖3、4可以看出,隨著TN的去除率也隨著增加,當(dāng)Cl-的增加,COD、l-=0mg/L時(shí),COD、TN的去除率分別在25%和50%以上,證明N用.而隨著TN,Cl-的增加,COD、了非常重要的作用.通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),TN,大量的TN,則COD2.4以,電極間距為015cm,8cm×10cm的電極,電解1200mL2pH值為7.5的垃圾滲濾液,分別在電流密度J為3,5和7.5A/dm時(shí)電Cl-=mg/L、解315h,測(cè)定出水的COD、TN的去除率與時(shí)間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、6.由圖5、6可看出

12、:電流密度越高,COD、TN的去除速率越快,在實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)電流密2度為7.5A/dm時(shí),電解40minCOD、TN的去除率分別達(dá)到45%和91%,去除效果較好,原因是隨著電流密度的增加,槽電壓也會(huì)隨著增高,從而電極電位也增高,電化學(xué)反應(yīng)速率就會(huì)隨電極電勢(shì)的增加而增大;電流密度越大,平均電流效率越低,比電耗越高,原因是電流密度越大,用于析出氧氣的電流就越多,致使一部分電流消耗于水的氧化上,從而降低了能220煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版)第19卷量的利用率;電解時(shí)間越長(zhǎng),平均電流效率下降越快,比電耗急劇增加;當(dāng)COD約為初始濃度的30%前,COD的氧化反應(yīng)速率常數(shù)隨電流密度的增大而增加,到后期

13、反應(yīng)速率常數(shù)隨電流密度的變化而逐步趨緩,主要原因是反應(yīng)后期,剩余有機(jī)物的分解電壓較高,比較難氧化分解,因此,電能大部分消耗在水的電解和溫度的升高上;當(dāng)TN去除以后,COD的去除反應(yīng)速率較TN去除以前有較大的提高,這是由于TN的分解電壓較低,更易被氧化,故TN的去除更優(yōu)先于COD的去除;當(dāng)電流密度較大時(shí),去除TN的反應(yīng)速率常數(shù)隨電流密度的變化并不大,這也說(shuō)明TN的平衡電極電位比較低.2.5SnCl2的影響以SPR為陽(yáng)極、銅板為陰極,電極間距為20.5cm,電流密度為5A/dm,8cm×10cm的電極,電解1200mLpH值為715Cl-=5000mg/L、的垃圾滲濾液,分別測(cè)定當(dāng)SnC

14、l2濃度為0,25,50,75和100mg/L時(shí),電解3.5h,不同時(shí)間取樣測(cè)定出水COD、TN的去除率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖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去除率與SnCl2濃度的關(guān)系Fig.7TherelationbetweentheeliminationrateofCODandSnClconcentration2,該結(jié)果為今后研制2+4+,可以避免因Sn和Sn引入溶液中所產(chǎn)生的二次污染問(wèn)題.加入SnCl2以后,對(duì)TN去除率的改善無(wú)明顯影響.3SBR法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1運(yùn)行參數(shù)溶解氧控制在2-5mg/L的范圍內(nèi);污

15、泥體積:通過(guò)沉降排泥控制SV在25%-30%左右,測(cè)得MLSS在6500-8000mg/L;污泥負(fù)荷:0.4-0.55kgCOD/kgMLSS批;進(jìn)水量:2L/批;實(shí)驗(yàn)室溫度:10-25.本實(shí)驗(yàn)中,采用瞬間進(jìn)水方式,進(jìn)水期時(shí)間可以近似認(rèn)為是0,靜止期時(shí)間固定為1h,排水時(shí)間約需10min,若需要排泥則另外用10min時(shí)間排泥,曝氣期為5h.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中SBR的一個(gè)運(yùn)行周期大約為6.5h.3.2活性污泥的培養(yǎng)與馴化取城市污水處理廠回流污泥適量,控制溫度在20-25,維持溶解氧在2-4mg/L,進(jìn)行培養(yǎng)馴化.每天靜置2h,排掉上層清液,加入適量淘米水.重復(fù)上述操作,直至污泥沉降比達(dá)到15%以上.培

16、養(yǎng)好的活性污泥外觀呈團(tuán)狀或絮狀,顏色為黃褐色.在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)游離的細(xì)菌比較少,原生動(dòng)物(如鐘蟲(chóng))、后生動(dòng)物(如輪蟲(chóng))比較多,而且很活躍.將培養(yǎng)好的活性污泥放入SBR反應(yīng)器中,采用瞬間進(jìn)水方式向反應(yīng)器中注入淘米水和第3期王德義:催化電解氧化與SBR法聯(lián)合處理垃圾滲濾液的實(shí)驗(yàn)研究221電解氧化處理后廢水的混合液,控制混合液的COD在1000-1300mg/L,溫度在20-25,進(jìn)行曝氣培養(yǎng),每天換一次水,5-6d后,污泥量開(kāi)始增加.控制污泥的沉降比在25%-30%,逐漸增大混合液中廢水的比例,15d后可以完全加入電解氧化處理后的廢水.3.3曝氣時(shí)間對(duì)處理效果的影響本試驗(yàn)所用廢水是經(jīng)催化電解氧化

17、處理后的排出水,其COD值約為1000-1200mg/L,NH3-N已經(jīng)全部去除.采用瞬間進(jìn)水方式向反應(yīng)器中注入經(jīng)催化電解氧化處理后的排出水,溫度控制在20-25.在曝氣的不同時(shí)間取樣,將取出的混合物沉降30min,測(cè)定其上清液的COD值,結(jié)果見(jiàn)表3.根據(jù)表3的數(shù)據(jù),以COD對(duì)曝氣時(shí)間作圖,得到圖8.表3曝氣時(shí)間對(duì)處理效果的影響Tab.3ThetreatmenteffectsforthedifferenttimesofaerationmgL-1不同曝氣時(shí)間COD的測(cè)定值初始值10591125118610284h4184534583925h2282412156h20422524519412h10

18、6107圖8COD與曝氣時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.8TherelationcurvebetweenCODandthetimesofaeration由圖8可以看出,在曝氣時(shí)間為5h以內(nèi)時(shí)廢水的COD值下降速度比較快,當(dāng)超過(guò)5h以后,COD值的下降速度變得非常緩慢.因此,在上述廢水水質(zhì)條件下,曝氣時(shí)間選擇為5h比較適宜,而且此時(shí)出水水質(zhì)也已經(jīng)基本達(dá)到要求.固定曝氣時(shí)間為5h,控制相同的溫度和曝氣量,保持反應(yīng)器內(nèi)的混合物在靜置30min以后污泥的沉降比為25%-30%,考察SBR過(guò)程對(duì)廢水COD、BOD的處理效果.處理結(jié)果見(jiàn)表4.表4SBR的處理效果Tab.4Thetreatmenteffectsbyu

19、singSBRmethodCODBOD進(jìn)水105911251186107612341028出水228241243226274215去除率/%78.578.679.579.077.879.1進(jìn)水530580610出水809090去除率/%84.984.585.2222煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版)第19卷3.4容積負(fù)荷Fv對(duì)COD去除率的影響系統(tǒng)的容積負(fù)荷Fv是考察系統(tǒng)處理能力的主要指標(biāo).因此在實(shí)驗(yàn)研究期間也考察了容積負(fù)荷Fv與COD去除率的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5.表5容積負(fù)荷Fv與COD去除率的關(guān)系Tab.5TherelationbetweentheeliminationrateofCODan

20、dvolumeload容積負(fù)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,容積負(fù)荷Fv比較低時(shí),COD的去除率較高,但是處理效率比較低,不利于工業(yè)化的實(shí)施.但如果容積負(fù)荷Fv調(diào)整的比較高,則COD的去除率就會(huì)下降,又會(huì)影響出水水質(zhì).因此,認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)的容積負(fù)荷Fv控制在0.4-0.55kgCOD/kgMLSS批是比較適宜的.3.5其他因素對(duì)COD去除率的影響3.5.1溫度的影響系統(tǒng)的容積負(fù)荷Fv控制在0.45/值控制在6.0-7.0,曝氣時(shí)間5h,污泥沉降比控制在25%-,左右.在溫度

21、分別為10,15,20,25,30時(shí),5012,6715,7513,7814和7816.,直接影響是指溫度的,從理論和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來(lái)看,在微生物酶系統(tǒng)不,溫度升高,微生物活動(dòng)旺盛,生化反應(yīng)速度加快,容積負(fù)荷可以相應(yīng)地提高.然而,適合微生物生長(zhǎng)、繁殖的溫度有一定的范圍,一般在20-30之間效果最好.從活性污泥外觀上看,在30以下呈土黃色,且沉淀性能良好,當(dāng)溫度高于30時(shí),污泥逐漸變?yōu)榈S甚至白色,而且沉降效果不好,出水渾濁,微生物的活性也相應(yīng)地降低.溫度的間接影響比較小,在此不作討論.3.5.2pH值的影響對(duì)于好氧處理系統(tǒng),pH值一般在6.0-9.0為宜.pH值低于6.0,真菌即開(kāi)始與細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng),

22、降低至4.5時(shí),真菌則完全占優(yōu)勢(shì),而原生動(dòng)物全部消失,嚴(yán)重影響污泥的沉淀分離和出水水質(zhì).當(dāng)pH值超過(guò)9.0時(shí),微生物的新陳代謝速度會(huì)受到影響.因此,在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,pH值控制在6.5-8.0之間,處理效果較好.4結(jié)論(1)pH值的減小有利于COD和NH3N的去除,但影響不是太大.(2)電流密度越大,陽(yáng)極表面產(chǎn)生的中間活性物質(zhì)的量就會(huì)越大,產(chǎn)生的氧化作用也就越強(qiáng),反應(yīng)速率常數(shù)就會(huì)越大.但若電流密度太大,析氧副反應(yīng)將會(huì)增強(qiáng),這樣會(huì)浪費(fèi)電能,降低電流效率.(3)單位體積的垃圾滲濾液所使用的極板面積也應(yīng)適當(dāng)控制,采用細(xì)網(wǎng)狀的電極可以有效的提高電極的比表面積,有利于節(jié)省電極材料.(4)三元電極的處理效

23、果要明顯優(yōu)于二元電極.電極間距應(yīng)盡可能減小,有效提高電流-第3期王德義:催化電解氧化與SBR法聯(lián)合處理垃圾滲濾液的實(shí)驗(yàn)研究223效率,避免水體溫度升高浪費(fèi)電能.-(5)向電解液中加入適當(dāng)濃度的Cl和SnCl2,可以有效提高COD和NH3-N的去除率,但NaCl的加入量不宜過(guò)大,否則,余氯量的增加會(huì)使部分有機(jī)污染物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)氯代物,會(huì)降低出水的可生化性,給后續(xù)SBR處理工藝增加處理難度.2(6)催化電解氧化的最佳操作條件為:電流密度5A/dm;Cl-=5000mg/L;SnCl2=50mg/L;極板間距0.5cm;單位體積的垃圾滲濾液所使用的極板面積500cm/L;電極材料采用PbO2-IrO

24、2-TiO2/Ti(三元電極SPR).2(7)SBR法處理催化電解氧化出水較理想的操作條件如下:溶解氧為2-4mg/L;曝氣時(shí)間為5h;沉淀30min;溫度為20-30;pH值為6.5-8.0.在上述較為理想的操作條件下,經(jīng)催化電解氧化與SBR法聯(lián)合工藝處理垃圾滲濾液的出水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表6.表6經(jīng)催化電解氧化與SBR法聯(lián)合工藝處理垃圾滲濾液的出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.6Thepreparedwaterqualityindexbyadoptingcatalyzingandelectrolyzingoxidationtechniques水質(zhì)指標(biāo)滲濾液原水處理后出水水質(zhì)指標(biāo)pH7.0-8.07.0-8.0C

25、OD5000-5900色度TN25-451.<0.0010.6816<0.001鉻0.0142<0.001鋅0.7542<0.001注:除pH與色度(倍)外,其他指標(biāo)單位均為mgL-1.參考文獻(xiàn):1楊國(guó)清,劉康懷.固體廢物處理工程M.北京:科學(xué)出版社,2000.2趙由才,朱青山.城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)技術(shù)與管理手冊(cè)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999.3趙由才,宋立杰,張華,等.實(shí)用環(huán)境工程手冊(cè)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.4國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局污染控制司.城市固體廢物管理與處理處置技術(shù)M.北京:中國(guó)石化出版社,2000.5盧成洪,徐迪民.垃圾填埋場(chǎng)滲濾液水量和水質(zhì)的研

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