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电芬顿-紫外一体化设备对于垃圾渗滤液处理效果研究

魏朋 ,  冷超群 ,  李红 ,  王生晴 ,  施卓 ,  梁俊杰 ,  刘飞

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (9) : 237 -241.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (9) : 237-241. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.09.042
工业技术

电芬顿-紫外一体化设备对于垃圾渗滤液处理效果研究

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Study on treatment effect of landfill leachate by electro-Fenton-UV integrated equipment

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摘要

采用电芬顿-紫外一体化设备处理垃圾渗滤液,在进水流量为4~5 m3/h,进水pH=3.0,析出电压=6 V(运行方式为间歇开启20 min),还原电压=8 V(持续运行),H2O2(7.5%)投加比例4%的反应条件下,针对蒸发产水、混合产水、DTRO产水分别可以达到60%、71%、78%的COD去除效果,并且电芬顿耦合紫外催化的组合工艺可以显著提升COD的去除效果,对比传统芬顿工艺,电芬顿在运行成本上可以节约15%~20%,具有较好的应用优势。

Abstract

Electro-Fenton-UV integrated equipment is employed to deal with landfill leachate.COD removal efficiencies can reach 60%,71% and 78%,respectively for evaporation water production,mixed water production,and DTRO water production under the reaction conditions that water inlet flow is 4-5 m3/h,pH=3.0,the precipitation voltage is 6 V (intermittently turning on for 20 min),the reduction voltage is 8 V (running continuously),and the dosage of 7.5% H2O2 is 4%.Electro-Fenton coupling with UV catalysis process can significantly improve the removal effect of COD.Compared with the traditional Fenton process,electro-Fenton process can save 15%-20% in terms of operating cost,presenting a good application advantage.

Graphical abstract

关键词

电芬顿 / COD / 垃圾渗滤液 / 紫外

Key words

electro-Fenton / COD / landfill leachate / UV

Author summay

魏朋(1991-),男,硕士,工程师,研究方向为工业废水处理,。

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魏朋,冷超群,李红,王生晴,施卓,梁俊杰,刘飞. 电芬顿-紫外一体化设备对于垃圾渗滤液处理效果研究[J]. 现代化工, 2025, 45(9): 237-241 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.09.042

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垃圾渗滤液是在垃圾堆放和填埋过程中,由于微生物自身降解、雨雪冲刷等产生的黑棕色液体,具有有机物含量多、毒性大、异味大、地区差异大、难降解等特点,是一种对环境危害严重的特种废水[1]。目前,渗滤液的处理方法有物理法、化学法和生物法,其中,生物法可去除大部分可生物降解物质,处理成本较低,但依靠单一技术难以实现达标排放[2-3]。物理法如膜处理技术由于膜污染、堵塞、成本高等问题限制了广泛运用[4-5];化学法如高级氧化技术被认为是处理难生物降解有机物的有效方法[6-7]。
在前期双阳极电芬顿相关小试实验的基础上,重点探究了析出电压、极板间距、pH、H2O2投加量对于电芬顿工艺之于废水处理的研究,并得到了较好的处理效果,为此,笔者设计开发了一种电芬顿-紫外一体化设备,针对垃圾渗滤液处理站的废水进行处理研究,进一步验证工艺效果的可行性,并优化相关关键工艺参数,为产品的进一步推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 进水水质

本装置中试试验地点为安徽省某垃圾渗滤液处理站,废水类型分为3种,蒸发产水、DTRO产水以及混合产水,废水水质如表1所示。

1.2 工艺流程介绍

此处所使用的电芬顿-紫外一体化设备,设计规模为100 t/d,设备外形尺寸分别为长6.0 m,宽2.3 m,高2.8 m,设备有效水深为2.5 m。分别设置调酸区、电解催化氧化区、调碱区、混凝区、沉淀区、加药间6个功能区,电解催化氧化区设置有双阳极电解槽及紫外灯管,工艺流程如图1所示。
如图1所示,难降解有机废水首先进入调酸系统,通过投加稀硫酸将废水pH调节至3~4,然后进入电解催化氧化系统,该系统采用多点均匀布水与循环搅拌的方式确保充分反应,首先通过电解产生一定量的亚铁离子与投加的双氧水发生芬顿反应产生羟基自由基和Fe3+,将难降解有机物开链断环,转化为二氧化碳和水等无害物质,同时Fe3+在电场作用下被还原为Fe2+,保证系统拥有稳定的Fe2+离子。除此之外,电解槽的周围均匀布置有多根紫外灯管,当紫外灯开启时,可强化电芬顿反应的发生,电芬顿与H2O2/紫外线反应的共同作用使有机物矿化更加迅速和完全[8]。电解氧化系统出水进入调碱系统,通过投加液碱将溶液pH调节至8.0~8.5,然后进入絮凝沉淀系统,与投加的絮凝剂和助凝剂发生絮凝沉淀反应,分离后的上清液达标后排出,沉淀池污泥定期排放至污泥脱水系统委外处置。

1.3 电芬顿-紫外一体化设备主要参数

电芬顿-紫外一体化设备材质为碳钢焊接,设备内外均进行喷漆防腐处理(调酸区、催化氧化区、调碱区均采用五油三布进行强防腐处理),顶部设有可拆卸格栅板,供检修维护使用,其中设备内部具体参数如表2所示。

1.4 水质相关指标测定

COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)测定;总铁/亚铁采用水质铁的测定邻菲啰啉分光光度法(试行)(HJ/T 345—2007)测定;SS采用重量法(GB 11901—1989)测定;电导率采用便携式电导率仪测定;pH采用便携式pH计测定。

2 结果与分析

2.1 电芬顿一体化装置实际废水处理影响因素研究

2.1.1 不同电压条件下铁积累量及蒸发产水COD去除效果的研究

在蒸发产水进水流量4~5 m3/h,进水pH=3.0,H2O2(7.5%)投加比例4%的条件下探究不同析出电压和不同还原电压条件下Fe2+和总铁积累量的变化以及COD去除效果的研究,实验结果如图2、表3所示。
由图2中可以看出,随着析出电压的升高(4 V→6 V),总铁的量持续上升,最高可达80 mg/L左右,而随着还原电压的升高(5 V→9 V),Fe2+的量也在持续升高,由此可以看出,在其他条件不变时,较大的电压能形成较大的电流,产生更多的电子传递,从而有助于铁的析出和Fe3+的还原。当析出与还原的电压差较大时,可以发现,Fe3+的量有上升的趋势,由此可以推断,铁析出的速率一般高于还原,因此,为保证体系具有足够的Fe2+,需保证体系还原的电压适当高于析出电压。
由表3可以看出,随着析出和还原电压的升高,COD的去除效果呈现先升高后略微下降的趋势,当析出电压和还原电压分别为6 V和8 V的时候去除率最高(65.6%),由此可以推断,较高的析出电压和还原电压虽然能增加反应体系中铁的积累和还原效率,但是并不会显著提升COD的去除效果,这是因为反应体系中铁的量积累到一定就可以满足电芬顿反应的需要,而铁量积累过多可能导致抑制·OH氧化降解有机物的能力,同时Fe3+也会与H2O2反应生成低氧化能力的HO2·,从而使COD去除效果下降[9]。

2.1.2 不同析铁方式下铁积累量及COD去除效果研究

在蒸发产水进水流量4~5 m3/h,进水pH=3.0,析出电压=6 V,还原电压=8 V,H2O2(7.5%)投加比例4%的条件下探究不同析出方式条件下Fe2+和总铁积累量的变化以及COD去除效果的研究,实验结果如图3、表4所示。
由图3可以看出,在铁不析出的情况下,总铁的积累量也能达到25 mg/L左右,原因可能是铁极板在酸性条件下被腐蚀,与H+反应生成了Fe2+,还有一种可能性在于虽然析出电源未开启,但是阴极反应中的电子也可以传递到阳极,促使阳极形成一定的感应电压,从而促使铁的溶出[10]。结合表4可以看出,随着析出时间的增加,铁的积累量也在逐步增加,但COD的去除率并没有一直上升,原因在于铁量的过量积累并不利于电芬顿反应的发生,除此之外,多余的铁会产生较多的铁泥而浪费,析出电源的持续开启也是对能源的一种浪费,因此析出电源只需定时开启即可,建议析出间歇时间控制在10~30 min。

2.1.3 不同进水pH下铁积累量及COD去除效果研究

在蒸发产水进水流量4~5 m3/h,析出电压=6 V(运行方式为间歇开启20 min),还原电压=8 V(持续运行),H2O2(7.5%)投加比例4%的条件下探究不同进水pH条件下COD去除效果的研究,实验结果如表5所示。
由表5可以看出,随着反应体系pH的升高(2→4),COD的去除效果并没有显著下降,原因在于在一定pH范围内,反应系统内部具有足够量的铁溶出,可以满足电芬顿反应的需要,当pH超过4时,COD去除效果下降明显,原因在于反应体系pH超过一定值后,Fe2+和Fe3+会和体系中的OH-产生沉淀,这些沉淀会堆积在极板表面,一方面降低了Fe3+的利用效率,另一方面阻碍了体系的传质作用,从而导致COD去除效果的降低[11-12]。因此,从工程应用的角度而言,应用电芬顿的反应pH不宜过低或过高。

2.1.4 不同H2O2投加量下铁积累量及COD去除效果研究

在蒸发产水进水流量4~5 m3/h,进水pH=3.0,析出电压=6 V(运行方式为间歇开启20 min),还原电压=8 V(持续运行)的条件下探究不同H2O2投加量COD去除效果的研究,实验结果如表6所示。
由表6可以看出,随着H2O2投加量的增加,COD去除率呈现先升高后降低的趋势,原因在于,随着H2O2投加量逐渐增多,反应体系内部会相应产生更多的·OH,从而促使更多的有机物被氧化,但是,当H2O2投加量超过一定限值时,反应体系去除COD的能力将不再增加,反而急剧下降,可能是过量的H2O2由于未被有效利用而随出水进入后续单元,导致废水的COD升高所致,现场中试实验过程中发现,当H2O2投加过量时,会导致沉淀池内的污泥上浮,严重影响出水效果,原因在于H2O2在碱性条件下会分解产生O2,导致絮体上浮。因此,在实际应用中,一方面需要严格控制H2O2的投加量,另一方面需要在芬顿工艺的后端设置多余H2O2的去除环节,避免对污泥沉淀及后续工艺造成不良影响。

2.2 电芬顿-紫外一体化装置去除不同废水效果研究

在蒸发产水进水流量4~5 m3/h,进水pH=3.0,析出电压=6 V(运行方式为间歇开启20 min),还原电压=8 V(持续运行),H2O2(7.5%)投加比例4%的条件下探究3种不同类型废水COD去除效果的研究,实验结果如表7、表8所示。
由表7可以看出,在相同反应条件下,电芬顿对于混合产水和DTRO产水的效果明显好于蒸发产水,原因在于DTRO产水的电导率明显高于蒸发产水,较高的电导率有利于降低极板间的电阻,提升反应体系的传质作用,从而有利于Fe2+氧化以及Fe3+还原过程的发生。结合表7、表8发现,在电芬顿的基础上,联合紫外催化进行废水处理,可以发现,3种废水的COD去除效果均有明显的提升,这是因为电芬顿反应降解有机物过程中产生了一些如草酸等稳定的中间产物,当有紫外线通入时,电芬顿与H2O2/紫外线等反应的共同作用使有机物矿化更加迅速和完全[13]。

3 经济效益分析

通过表9可以看出,电芬顿对比传统芬顿技术,在运行费用上具有明显的优势,主要体现在FeSO4的投加、铁泥量少、絮凝剂投加量少、污泥处理费用低等方面。

4 结论

(1)在本中试实验的研究中,当进水流量为4~5 m3/h时,电芬顿最佳反应条件为:进水pH=3.0,析出电压=6 V(运行方式为间歇开启20 min),还原电压=8 V(持续运行),H2O2(7.5%)投加比例4%。
(2)采用自主研发的电芬顿-紫外一体化设备处理垃圾渗滤液,可以达到较好的COD去除率,蒸发产水、混合产水、DTRO产水的COD去除率分别可以达到60%、71%、78%。
(3)电芬顿对比传统芬顿,在运行上具有无需投加硫酸亚铁、铁泥量少、絮凝剂加少、COD去除效果高等优势,可显著降低运行成本15%~20%。
(4)将紫外与电芬顿耦合处理垃圾渗滤液,可以显著提升废水COD的去除效果,从而突出该组合工艺的优势,具有较好的应用前景,同时也为今后的研究提供了指导方向。

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