垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧化處理與活性炭吸附法的比較DOC

1、學(xué)校代碼：學(xué) 號(hào):HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING文獻(xiàn)翻譯垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧 化法與活性炭吸附法的比較完成時(shí)間2011 年12月6 日學(xué)生姓名*專業(yè)班級(jí)環(huán)境工程*班20*系（部）資源與環(huán)境工程系指導(dǎo)教師*（講師 ）垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧化處理與活性炭吸附法的比較垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧化處理與活性炭吸附法的比較Javeed Mohammed Abdul*, Sarava namuthu Vign eswara n*. Ho Kyong Shon*Areerachakul Natha porn *, and Jaya Kan dasamy*Faculty of En

2、 gi neeri ng, Un iversity of Tech nology, Syd ney, P.O. Box 123, Broadway, NSW 2007,Australia*Rajama ngala Uni versity of Tech no logy. Than yaburi, Pathumta ni, Thaila nd(Received 25 August 2008 ? accepted 8 December 2008)摘要-垃圾滲濾液是一種當(dāng)雨水通過垃圾填埋場而分解產(chǎn)生的浸出的有毒的污染 物。未經(jīng)處理的垃圾滲濾液是一種對土壤、 地表水和地下水很有潛力的的污染物。 在 這

3、項(xiàng)研究中，處理過程有如顆?；钚蕴浚℅AC吸附法/生物吸附（序批式）和高級(jí)氧化 法（AOP）。經(jīng)常利用合成的垃圾滲濾液（SLL）來對光催化氧化法和Fenton法進(jìn)行比較處理效果。二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎┰诠獯呋趸ㄖ惺褂?、Fenton試劑（H2O2/Fe+2）被用于Fenton處理技術(shù)中。上述三種對SLL廢水降解的效果通過TOC的去除率來表 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去除率分別為30, 60和85%?；钚蕴课椒ㄌ岣吡松锝到庑?。高級(jí)氧化法中最佳Fenton試劑中Fe+2和H2O2的量分別為15和400毫摩。比起活性生物法和光 催化氧化

4、法，F(xiàn)en to n法具有更快的降解活性。關(guān)鍵詞：垃圾滲濾液，吸附，咼級(jí)氧化，光催化氧化簡介澳大利亞是世界上廢物生產(chǎn)量最多的國家。每個(gè)人每天垃圾產(chǎn)生量為2.25千克，其中的大部分最終成為垃圾堆。在 2002到2003 一年中澳大利亞有超過17百萬 噸垃圾被處置在填埋場中2由于垃圾填埋場的露天性，有機(jī)物、無機(jī)物和重金屬在垃圾自身的降解、水解和發(fā)酵作用下被雨水通過的垃圾填埋層滲入地下。 這種有填埋層流出的集中濃縮的液體稱為垃圾滲濾液。垃圾滲濾液被認(rèn)為是一種具有劇毒和難降解性的高水力負(fù)荷的污3,4。水。不同填埋場的垃圾滲濾液的成分不同， 導(dǎo)致這種情況的因素有很多如：垃圾本身性質(zhì)、填埋方式、壓實(shí)程度、

5、填埋場設(shè)計(jì)、所在地區(qū)降雨量和垃圾的腐蝕階段未經(jīng)處理的垃圾滲濾液可能通過地表土層滲入地下從而造成土壤污染、地表和地下水的污染。一系列的垃圾垃圾滲濾液生化處理工藝為進(jìn)行了詳細(xì)研究結(jié)果如表1。對具有高BODCOD比值年輕的滲濾液，生物處理過程是更有效的。中間或穩(wěn)定的垃圾掩埋場的垃圾滲濾液的BODCOD比值較低且含有較高的有毒成分，生物處理的處理效果較差。生物吸附是一個(gè)去除廢水有機(jī)物的環(huán)保過程，盡管它還沒有經(jīng)過特別污水與垃圾填埋場滲濾液的測試5,6。處理垃圾滲濾液中難降解的成分，物化法是可行的。這些過程包括蒸發(fā)、沉積、絮凝、沉淀7,8、離子交換、活化炭吸附法9、化學(xué)氧化法10-12、反滲透（RO）13

6、、納米過濾（NF）14。它們被用于預(yù)處理或者完整處理。高級(jí)氧化過程，如傳統(tǒng)的Fenton法光助Fenton法和電Fenton法先進(jìn)的高級(jí)氧化技術(shù)（AOP）能有效地降解傳統(tǒng)的微生物法難于降解的難溶性有機(jī)質(zhì)和持久性有機(jī)污染物（POPs）。此外它們還可作為預(yù)處理促進(jìn)其他降解過程。Fenton法中一些重要參數(shù)影響降解過程如pH值,Fe+7H2Q比和反應(yīng)溫度。實(shí)際上，F(xiàn)enton法是一個(gè)結(jié)合化學(xué)氧化和混凝兩種過程的結(jié)合。在pH值小于等于4時(shí)主要過程是有機(jī)物氧化降解產(chǎn)生羥基自由基的過程。在PH大于等于5時(shí)是混凝過程。在PH值大于5時(shí)形成鐵羥基絡(luò)合物（沉淀物）。然而，化學(xué)氧化是Fenton法的主要目的。Fe

7、n ton法具有更快，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和增加滲濾液可生物降解性,特別是對成熟的滲濾液和難生物降解的滲濾液效果更好15。一個(gè)關(guān)于多元方法處理垃圾滲濾液的研究結(jié)果表明，低的PH值和高的Fe+7H2Q比適合Fen ton法過程16。另一個(gè)新興技術(shù)是生物吸附法，能有效去除來自于水和廢水中有機(jī)物。生物吸附法中微生物附著和生長在介質(zhì)上如 GAC。有機(jī)物首先吸附到介質(zhì)上，然后被介質(zhì)上的的微生物群落降解。生物吸附法可以在固定床反應(yīng)器（生物過濾器）或序批式反應(yīng)器中應(yīng)用。在這項(xiàng)研究中，對垃圾填埋場滲濾液（通過土壤濾出液）的處理方法中的活性炭生物吸附法,（序批式反應(yīng)器）和高級(jí)氧化過程如光催化和高級(jí)的氧化（Fenton法）進(jìn)

8、行研究和對比。表1:垃圾填埋場滲濾液的處理工藝Treatment p rocessesInferencesReferencesActivated carbon fluidizedAdsor ption isotherms of three different activatedRivas (2006)bedscarbons were studiedThe removal mechanism of low molecular weight organicsImaii (1995)Biodegradationwas by biodegradationComp arison of two biolo

9、gical treatment p rocessesLoukidou (2001)Landfill leachate treatment with submerged biofiltersAlvez (2006)Coagulation removed complex and recalcitrant organic matterOrtadeVelasquez (2006)Coagulation and flocculationreducing the ozone demandasap retreatmentforDifferent coagulant were used to study to

10、 decrease COD ofAlvez (2005)biodegradationlandfill leachateAdvanced oxidation p re-treatment toi mp rove biodegradabilityMorais (2005)Electro Fenton methodZhang (2006)Advanced oxidationAdvanced oxidation by iron coated GAC /H2O2Huan-Jung Fan (2007)Membrane bioreactor (MBR) and reverse osmosis (RO)Wo

11、n-Young Ahn (2002)Ultrafiltration treatment of landfill leachatesTabet (2002)Membrane p rocessNano-filtration treatment landfill leachateWahab (2004)Combined treatmentBiodegradation followed by chemical oxidation using ozoneIaconi (2006)and Fenton methods實(shí)驗(yàn)方法1合成的垃圾填埋場滲濾液（SLL）本實(shí)驗(yàn)用合成的垃圾滲濾液做研究對象，合成的垃圾填

12、埋場滲濾液的成分是已知的17，且如表2所示。值得注意的是用TOC濃度（64mg/L）模擬滲濾液通過土壤滲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含量的變化如圖1所示。表2:合成的垃圾填埋場滲濾液（SLL）的成分ComponentPer literCompo siti on of trace metal soluti on(TMS)Acetic acid7 mLFeSO42,000 mgPropion ic acid5mLH3BO450 mgButyric acid1mLZnSO4 7H2O50 mgK2HPO430 mgCuSO45H2O40 mgKHCO3312

13、mgMnSO4- 7H2O500 mgK2CO3324 mg(NH4)6Mo7O24 4H2O50 mgNaCl1,440 mgAl2(SO4)3 16H2O30 mgNaNO350 mgCoSO47H2O150 mgNaHCO33,012 mgNiSO4 6H2O500 mgCaCl22,882 mg96% H2SO41 mLMgCI2 6H2O3,114 mgMgSO4156 mgNH4HNO32,439 mgUrea CO(NH2)2659 mgNa2S H2OTitrate to Eh-120 mv:-180 mvNaOHTrite to pH=5.8-6.0Trace metal s

14、oluti on1 mLDistilled waterto make 1 L806040200Acetic acid FVopionic ackj Butric ackJFatty acid type圖1： SLL中脂肪酸、乙酸、丁酸以及丙酸和TOC含量的變化2、材料粒狀活性炭(GAC)來自美國的卡爾岡炭素公司制造，作為化學(xué)吸附 /生物吸附實(shí)驗(yàn)中的介質(zhì)。它的性質(zhì)如表3所示。表3:研究中使用的顆粒狀活性炭(GAC)的特征(美國卡爾岡炭素公司)規(guī)格顆?；钚蕴縎urface area (m2/g)1001.2Mean pore diameter (?)22.55Micro pore volume (

15、cm3/g)0.269Mean diameter ( 卩 m)750Bulk den sity (kg/m3)600P roduct codeF-4003、活性炭吸附/生物吸附序批吸附/生物吸附研究是在為1L的燒杯中活性炭的含量分別為 20,40至60克/升。一個(gè)控制試樣中含活性炭20g/L，疊氮化鈉0.05%用來檢查生物增長。疊氮化鈉抑制或消除了微生物的生長。用 TOCt度為64mg/L作為的合成的垃圾填埋場滲濾液(SLL)。溶液連續(xù)攪拌和充氣。補(bǔ)充新鮮合成的垃圾填埋場滲濾液(SLL)(每天增加新鮮的20%TOC溶液)以提供連續(xù)有機(jī)碳和養(yǎng)分供應(yīng)生物生長。4、微生物分析顆?；钚蕴繕悠愤M(jìn)行定期的

16、微生物定量分析。在這些樣品中用瓊脂平板涂布技術(shù)于確定活的微生物的數(shù)量，并給出了一個(gè)估計(jì)的質(zhì)量。5、咼級(jí)氧化利用Fenton試劑(FeSO/MQ)高級(jí)氧化法處理合成的垃圾填埋場滲濾液(SLL)。合成的垃圾填埋場滲濾液(SLL)的降解效果是通過測定污水樣品中總有機(jī)碳(TOC)含量體現(xiàn)的。污水樣品中TOC的減少表示有機(jī)物講解。用TOC分析儀(Multi N/C 200 analyzer, Analytica Jena AG)進(jìn)行 TOC 含量測定。高級(jí)氧化實(shí)驗(yàn)室溫(22-24 oC)罐子中進(jìn)行。通過一系列含有不同F(xiàn)e+2(FeSO4 7H2O)濃度的實(shí)驗(yàn)確定最佳的Fe+2(FeSC4 7H2O)用量

17、。最佳的Fe+2(FeSC4 7H2O)用量為15mmol。把已知濃度（64mg/L TOC）的合成垃圾填埋場滲濾液（SLL）加入到不同含有最佳的Fe+2離子鐵的燒杯中。通過調(diào)節(jié)加入稀 "SO量使溶液的PH維持在2.5 （反應(yīng)的先決條件）左右。每個(gè)燒杯里加雙氧水增加其濃度。用碘滴定法測定雙氧水的消耗量和剩余量。用5-磺基水楊酸法測定合成的垃圾填埋場滲濾液（SLL）中二價(jià)鐵、三價(jià)鐵和總鐵離子的含量186、光催化循環(huán)反應(yīng)器光催化氧化反應(yīng)用二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎?。紫外二氧化鈦催化氧化產(chǎn)生羥基自由基（強(qiáng)氧化劑）,UV/TiO 2光催化法的綜合觀點(diǎn)已被證明19。催化反應(yīng)器系統(tǒng)由三個(gè)體積為70毫升的

18、不銹鋼反應(yīng)器（L1, L2 and L3如圖2所示）組成。二氧化鈦是通過貯槽（T1）直接進(jìn)入含5升的原溶液反應(yīng)器中。用磁性攪拌器進(jìn)行攪拌混合。并給與空氣攪拌。用恒溫裝置使循環(huán)池的溫度維持恒定。含有二氧化鈦的溶液以200毫升/分鐘的速度用泵送入光催化反應(yīng)器中。圖2：光催化反應(yīng)系統(tǒng)（T1, 1.5L催化劑混合；S1,采樣口 ； Q1,流水線；R,紫外光反應(yīng)器單元；L1, L2, L3, 各70ml供210ml;紫外燈具每個(gè)8瓦，Q1=200 mL/min）.7、SEM/EDX勺二氧化鈦、PAC涂層的二氧化鈦試驗(yàn)研究了二氧化鈦光催化和 PAC涂層的二氧化鈦（TO2/ PAC）光催化。圖3中的（a）和

19、（b）分別顯示電子顯微鏡（SEM）掃描的PAC和TO2/ PAC的圖像。顆?；钚蕴勘砻婢哂懈蓛舻谋砻?，而 TiO2/PAC的表面涂了一層TiO2。由粒徑1 fm。顆?；钚詾?.05 m的二氧化鈦粒子凝聚而成，且大多數(shù)的粒子粒徑小于炭表面凝聚的二氧化鈦是不均勻分布的。Caiton IS-OkV 9.2tnm xSO.Ok SElMiI.ODumHl- : :二八一1 Jr.r -二iaAanK/Imu圖3. (a) PAC的顯微鏡視圖，(b)涂二氧化鈦的PAC(TiO2/PAC)的顯微鏡視圖用能量色散譜法(EDX )來分析來確定在PAC和TO2/ PAC不同元素的存在(圖4(a)和4(b)。能量

20、色散譜法制圖技術(shù)展示了不同元素在PAC和TO2/ PAC的分布。PAC上的元素是C(92%)、0(7%)和K(1%)。 TO2/ PAC上的元素是C、0、Na、Si、S、K 和 Ti。TO2/ PAC 中 Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有 6.8%。P25-TiO2 的特征如下：無孔、65%銳鈦礦、粒徑25nm和表面積42.3m3/g。詳情見參考20。ElementWeight%Atomic%C92.2894 5206.72KLOO0.32ElementWeight%Atomic%C7.1132.(57017.7014.S2Na0.310.13Si0.240.12s0.260,1 1K0.570,20Ti

21、6 801.900I I2 亠 K(a)FJIHik可船時(shí)1 Cinor 10*理(熄葉詛(b)圖4. （a） PAC色譜分析結(jié)果，（b） TiO2/PAC色譜分析結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、顆?；钚蕴可镂皆谌r(shí)的實(shí)驗(yàn)操作活性炭吸附有機(jī)物質(zhì)達(dá)到吸附平衡和GAC為20、40、60g/L的溶液TOC的去除率（由于吸附）分別為44、48和63% （如圖5（a）。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中定期監(jiān)測溶液的pH值、總堿度、和TOC。吸附平衡的濃度維持兩天并且SLL中TOC的濃度保持不變。兩天后，SLL中TOC的濃度的開始降低并且溶液開始變渾濁。控制樣品中的 TOC濃度的（加入疊氮化鈉）保持不變?；钚蕴繉OC濃度的降低主要以吸

22、附為主，對于吸附在活性炭上的有機(jī)物通過生物降解。生物降解和生物吸附在GAC表面上交替進(jìn)行。因此，有機(jī)質(zhì)的含量和養(yǎng)分的供應(yīng)對于維持微生物的活性（生物降解能力）是非常重要的。10垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧化處理與活性炭吸附法的比較02468 W 1214Time (day) 40 g/120 g/160 g/146Time (hr)(a) Adsorption8 10(b) Bio-SorptUin圖5:活性炭有機(jī)物吸附效果圖（SLL的TOC濃度為64mg/L）每天用TOC濃度為20%新溶液補(bǔ)充更換在容器中有機(jī)質(zhì)。從第六天開始,TOC的去除率趨于不變且達(dá)到最大。GAC濃度為20,40和60g/L的溶液

23、在微生物降解期間總TOC去除百分比（包括吸附和生物吸附）分別為85、92、97% （如圖5 （b）。減少補(bǔ)給溶液使pH值為（因?yàn)镾LL的PH值為6）。溶液pH值隨著時(shí)間的推移改變并且一天中PH最大值為8.2 （如圖6）。由于SLL中總堿度、HCO3濃度的增加所以pH值隨時(shí)間變大。由于很少甚至沒有活性微生物存在，控制樣品（含疊氮化鈉）的pH值幾乎是不變的。因此，可能是由于微生物的存在使 SLL中的有機(jī)化合物無機(jī)化。GAC 20 g/1GAC 60 g/1 GAC 40 g/1 GAC 20 g/1 NaM,3193203Z132232332432532S3Z732STime (hr)圖6:從31

24、8h到328h的pH值隨著時(shí)間變化512垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧化處理與活性炭吸附法的比較2、微生物分析采用瓊脂平板涂布技術(shù)對顆?；钚蕴繕悠愤M(jìn)行定期的微生物定量分析。該方法對每一個(gè)樣品給出了估算的微生物質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)中使用的SLL有豐富的碳、氮和其他營養(yǎng)物質(zhì)。因此，在初始階段細(xì)菌的數(shù)量均勻增加。圖 7所示是微生物在GAC濃度分別為2% 4%（20克GAC/L和40克GAC/L）的實(shí)驗(yàn)條件下共同生長的相似的生長速率。然而，GACt微生物增加的體重量可以從圖 5（b）看出?；罴?xì)胞的數(shù)量在15天周期里快速達(dá)到固定值。1.00E+<I5l.OOE+00' 1.00EKMl.OOEHGhOOE

25、*Q2LOOEKtl357911Time (Days)1315圖7:顆?；钚蕴可镂轿⑸锓治?、咼級(jí)氧化Fe 2+和 H2Q的最佳用量分別為15和400 mmo（如圖8）。最佳Fenton試劑用量時(shí)高級(jí)氧化法的TOC勺去除率為60%（圖9（a）和圖9（b）。相比生物降解和光催化降解，F(xiàn)enton試劑法具有更快的反應(yīng)動(dòng)力過程。降解率和過氧化氫的用量和垃圾滲濾液的初始TOC有機(jī)負(fù)荷）濃度成函數(shù)關(guān)系。在這兩種情況下（TOC的初始濃度為66和660mg/L） TOC的去除百分比為60%,但在初始TOC為660mg/L時(shí)，TOC的退化率較為緩慢（如圖10）。本實(shí)驗(yàn)利用FeCl3（Fe+3）和FeSO

26、：Fe+2）研究了催化劑對Fen to n氧化過程影響。結(jié)果證明鐵氧化態(tài)的催化劑對TOC的去除效率影響并不是有很大（如圖11）。有類似的報(bào)道證明，氧化態(tài)的鐵催化劑不影清除化學(xué)需氧量的處理過程22。15500080圖8:最佳204060Fadded (rrili moles)Fen ton 試劑(FeSQ/Q)量圖10:不同初始TQC濃度垃圾滲濾 液的 TQC在去除率(Fe2+=15mmol, H2Q =400mmol)p4§EaJ OOHpgoLUOOH 於204060 SOFe* (milli motes)(a) ElTect concentration in milli mole

27、s(HiO： concentrauon - 400 millimoles)92337405402397301HgO? concentration (milli moles)(b) Effect of corcentratinn in millii mofescrmcentration = J5 niilli圖9:高級(jí)氧化法TQC去除率(Fen ton法)垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧化處理與活性炭吸附法的比較會(huì)F硬6FeCL100200'3D0400500600H3O2 concentration! millimoles)圖11： Fen to n法中氧化態(tài)的鐵對 TOC去除的影響（反應(yīng)時(shí)間為

28、2小時(shí)）圖12:在一個(gè)循環(huán)光催化反應(yīng)器有機(jī)物（DOC）去除效果4、光催化圖12顯示了在光催化反應(yīng)器中TiO2和TiO2/PAC對SLL中的有機(jī)去除效果不同。在二氧化鈦劑量的1g/L時(shí)，光催化去除DOC勺效果只有30% TiO2/PAC不能有效的從SLL去除DOC這可能是由于PAC的毛孔被TiO2的納米顆粒堵塞。也可能是由于PAC上沉積的二氧化鈦的數(shù)量在臨界值（7%。生物吸附、光催化氧化和高級(jí)氧化的去除率比較見表4。表4:用到的三種不同處理效率比較比較9717處理工藝光催化高級(jí)氧化試劑濃度TOC去除率%生物吸附TiO 21 gm/L(H2O2 400 mmol; Fe初始TOC濃度64 mg/L

29、)GAC (20 g/L)85GAC (40 g/L)GAC (60 g/L)+2 15mmol306092垃圾滲濾液處理的高級(jí)氧化處理與活性炭吸附法的比較211.2.3.4.結(jié)論SLL廢水的生物降解和高級(jí)氧化處理工藝，即光催化和Fen to n法進(jìn)行調(diào)查分析比較。光催化、Fenton氧化和生物吸附的TOCS除百分比分別為30% 60%和85%但是,Fenton氧化的降解速度比光催化法和顆?；钚蕴可镂揭斓亩?。在本試驗(yàn)中Fe+和H2Q的最佳用量分別為15和400mmol化氫的用量和垃圾滲濾液的初始 TOC有機(jī)負(fù)荷）濃度成函數(shù)關(guān)系。中,TiO 2表面涂PAC與沒有涂PAC的催化降解效果相差不

30、大。致謝感謝本項(xiàng)目的合作研究中心提供的污染評(píng)估報(bào)告及環(huán)境修復(fù)報(bào)告資料（項(xiàng)目編號(hào)為2-5-05-05/6）。參考文獻(xiàn)降解率和過氧在光催化過程(CRC CARE)En vir onmen tal data compendOimani zati on for Econo mic Coop erati on and Devel opmen t (OECD), P aris(2002).Natio nal gree nhouse gas in ve ntory 200JStralia n Gree nhouseOffice (AGO), Can berra (2004).J. Oleszkiewicz,

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