电化学氧化老龄垃圾渗沥液研究*

代晋国，宋乾武，吴 琪，王宏亮

（1．北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2．中国环境科学研究院，北京 100012）

电化学氧化老龄垃圾渗沥液研究*

代晋国1，2，宋乾武2，吴 琪1，2，王宏亮2

（1．北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2．中国环境科学研究院，北京 100012）

通过不同电极电化学氧化垃圾渗沥液处理的对比研究，选择以Ti/Ru-Ir作为电极阳极材料，研究了电流密度、氯离子浓度、初始pH对电化学氧化垃圾渗沥液的影响。结果表明：电流密度为30 mA/cm2，氯离子浓度5 000 mg/L，pH在8．09的情况下，电解6 h垃圾渗沥液，氨氮去除率达到100%，COD去除率为50%，UV254去除率为61．09%，垃圾渗沥液BOD/COD从0．14提高到0．22，垃圾渗沥液生化性得到极大提高。经济性分析表明垃圾渗沥液电化学处理6 h后，氨氮去除率达到100%时，单位能耗为0．08 kW·h/g。

垃圾渗沥液；电化学；氨氮；电流密度

近年来，电化学氧化技术作为垃圾渗沥液处理技术之一成为了研究热点［1-2］，由于该技术在常温常压下进行，同时不需要投加药剂、不产生二次污染、易于控制等，被认为是一种环境友好技术。电化学氧化垃圾渗沥液关键影响因素包括电极材料、氯离子浓度、电流密度、pH等，目前诸多研究着重在高效电极材料的开发研究［3-4］，笔者采用在电解工业化过程中应用的钌铱电极为研究对象对垃圾渗沥液进行电化学处理，重点分析其对氨氮、COD的去除效果，垃圾渗沥液可生化性改变以及经济可行性，旨在为电化学处理垃圾渗沥液技术的产业化应用提供技术依据。

1 实验

1.1 实验装置

实验装置见图1。实验过程中电极板阳极采用钌铱电极（板状），阴极采用了钛板。直流电源采用龙威电源TPR3010D（电压0～30 V，电流0～10 A），反应槽由有机玻璃制成，有效容积900 mL，搅拌过程采用六联搅拌器。

1.2 分析方法

COD监测采用HACH COD测试分析仪，氨氮采用国标法——纳氏比色法，pH采用pH测定仪测定，电导率采用电导仪测定。

1.3 垃圾渗沥液水质

垃圾渗沥液采自广东东莞某城市生活垃圾填埋场，该垃圾填埋场目前已封场，填埋龄在10 a以上，属于典型老龄垃圾渗沥液。其水质指标见表1。

1.4 实验过程

由于钌铱电极具有较高的析氧电位，能够减少阳极副反应的发生，极大提高了Cl-在阳极氧化为Cl2的能力，从而产生更多的HClO以氧化垃圾渗沥液中的氨氮及COD。实验过程采用陕西宝鸡祁鑫钛业有限公司购买的钌铱电极作为阳极，采用钛板作为阴极。虽然电极间距越小能够增强极板间电场强度使带电粒子迁移速率增大，使极板上放电直接进行电化学的几率增大，但是如果极板间距过小阳极表面会产生钝化现象，使能耗增大，溶液的浓度极化增大；相反，极板间距增大，极板间电阻增大，电能消耗提高，电解效率降低［5］。因此实验过程中极板间距采取2 cm，分别考察了不同影响因素对电化学处理垃圾渗沥液的影响以及技术经济性分析。

表1 垃圾渗沥液水质指标

2 结果与讨论

2.1 不同氯离子浓度下垃圾渗沥液氨氮及COD的去除

采用电流密度为30 mA/cm2，通过添加NaCl调整氯离子浓度为2 500、5 000、7 000、9 000 mg/L，研究不同氯离子浓度对垃圾渗沥液氨氮及COD的去除效果。由图2、3可以看出，氯离子浓度对氨氮及COD的去除影响较大。由于污染物的去除主要是基于氯离子参与的间接氧化过程，当氯离子浓度较低时（2 500 mg/L，即垃圾渗沥液原液），电解6 h氨氮去除率为78．36%，电解速率为 5．7 mg/（L·min）；增加氯离子浓度到 5 000 mg/L时，电解6 h氨氮去除率几乎达到100%，此时的电解速率为 7．0 mg/（L·min）。随着氯离子浓度的增大，氨氮氧化速率逐渐增大，但是氯离子浓度逐渐增大后，电荷转移成为体系中控速步骤，氯离子浓度从7 000 mg/L到9 000 mg/L，氨氮电解速率基本没有发生变化。因此，实验过程中氯离子浓度调整为5 000 mg/L。还可发现，不同氯离子浓度下氨氮的电解速率总是大于COD的电解速率，也证明了电解垃圾渗沥液过程中氨氮的氧化要先于COD的氧化。

2.2 不同电流密度对垃圾渗沥液氨氮及COD的去除

采用NaCl调整垃圾渗沥液氯离子浓度为5 000 mg/L，分别采用10、20、30、40 mA/cm2的电流密度研究6 h内垃圾渗沥液氨氮及COD的去除，见图4、5，不同电流密度下氨氮及COD的去除率相差比较大。电流密度40 mA/cm2时，经过6 h电解氨氮浓度从2 521 mg/L降到2．43 mg/L，去除率基本上达到100%，COD去除率为54．21%；而电流密度为10 mA/cm2时，氨氮浓度降到2 402 mg/L，去除率仅为9．41%，COD去除率为3．29%。可以看出电流密度对于氨氮及COD的去除率有重要的影响。随着电流密度的增加，氨氮及COD的去除率相应增加。但是电流密度越高，系统的能耗也越高，电流效率降低，因此在实验过程中电流密度采用30 mA/cm2较经济合理。

图4 不同电流密度电解氨氮去除率

图5 不同电流密度电解COD去除率

2.3 不同初始pH下电化学氧化垃圾渗沥液研究

以电流密度30 mA/cm2，氯离子浓度5 000 mg/L，电极间距2 cm，改变初始pH分别为2．93、4．91、7．02、8．09、9．03、10．96，电解 6 h，研究氨氮及COD的去除率。pH对去除率的影响见图6、7。不同的初始pH下垃圾渗沥液氨氮的去除效果不同，在pH偏碱性的条件下氨氮去除率最好，电解6 h氨氮去除率几乎达到100%，COD去除率达到50%。氯离子在不同pH下，电解生成的ClO-的量不同，pH在8左右时，生成的ClO-等有效氯浓度最高，从而能够强化电化学的间接氧化作用［6］。弱碱性条件下，氨氮去除率以及电解速率也最高，随着pH的升高，氨氮降解速率及去除率相应降低。当pH达到10．96时，氨氮去除率仅为60%，氨氮的电解速率为4．16 mg/（L·min）。在酸性条件下，电解产生的氯气较容易逸出，从而影响了氨氮的氧化。随着pH的增加，阳极产生的氯气在溶液中的溶解度增加，从而增加了氨氮的氧化速率，当pH大于10以后，不仅产生的次氯酸根发生反应，而且还会发生如下反应产生，从而导致游离氯下降，因此氨氮的氧化速率也随之下降。

由以上分析得出，实验初始pH以弱碱性较适宜。

图6 不同pH下电解氨氮去除率

图7 不同pH下电解COD去除率

2.4 电化学处理垃圾渗沥液的可生化变化

水中有机物通常在254 nm波长处出现吸收峰，以UV254表征溶解性有机物（芳香族） 难降解物质。在以电流密度为30 mA/cm2，调节垃圾渗沥液氯离子浓度为5 000 mg/L，电解6 h后考察COD和UV254的去除效果，见图8。可以看出，COD的去除与UV254的去除有一致性，经过6 h电解后COD去除率为49．98%，UV254去除率为61．09%，说明在电解过程中溶解性有机物（芳香族）难降解物质得到了很大的去除，也间接反映出垃圾渗沥液的可生化性得到了提高，原垃圾渗沥液中BOD/COD为 0．14，电解 6 h后升高到 0．22，有利于垃圾渗沥液后续生化处理。

2.5 电化学处理垃圾渗沥液的经济性分析

采用Ti/Ru-Ir电极，在电流密度为30 mA/cm2，氯离子浓度为5 000 mg/L，pH为8．09，电解6 h条件下，分析电化学氧化过程中经济技术的可行性，结果见图9。可以看出，随着电解时间的延长，处理单位垃圾渗沥液能耗逐渐增加，电解6 h氨氮100%被去除，氨氮单位能耗为0．08 kW·h/g，去除单位垃圾渗沥液能耗为230 kW·h/m3，可见电解技术能耗较高，氨氮去除效率在60%时，能耗153 kW·h/m3。因此，如果使用电化学单独处理垃圾渗沥液能耗比较大，应该考虑与后续生物处理技术的有机集成，联合进行垃圾渗沥液的处理，同时通过高效电极材料、高效电解槽设计以降低能耗、提高电流效率［7］。

3 结论

1）由于钌铱电极具有高的析氧电位，因此在电化学氧化垃圾渗沥液处理过程中效果比较好，在电流密度30 mA/cm2，氯离子浓度5 000 mg/L，pH为8．09的条件下，电解6 h，氨氮去除率达到100%，COD去除率达到50%。

2）电化学氧化垃圾渗沥液可以有效去除垃圾渗沥液中难降解有机物，电解过程中UV254的去除率达到了61．09%，垃圾渗沥液生化性得到提高，BOD/COD从0．14提高到0．22，有利于垃圾渗沥液后续生化处理。

3）电化学处理垃圾渗沥液的处理成本是限制其产业化应用的一个重要环节，电化学6 h后氨氮去除率达到100%时，能耗为0．08 kW·h/g，因此降低能耗以及与生化处理联合进行垃圾渗沥液处理是电化学氧化垃圾渗沥液的一个研究方向。

［1］ Bashir M J，Lsa M H，Kutty S R，et al．Landfill Leachate Treatment by Electrochemical Oxidation［J］．Waste Manage，2009，29 （9）：2534-2541．

［2］ Radha K V，Stridevi V．Electrochemical Oxidation for the Treatment of Textile Industry Wastewater［J］．Bioresour Technol，2009，100：987-990．

［3］ Chiang L C，Chang J E，Wen T C．Indirect Oxidation Effect in ElectrochemicalOxidationTreatmentofLandfillLeachate［J］．WaterRes，1995，29 （2）：671-678．

［4］李小明，王敏，娇志奎，等．电解氧化处理垃圾渗滤液研究［J］．中国给水排水，2001，17（8）：14-17．

［5］王鹏，刘伟藻，方汉平．电化学氧化与厌氧技术联用处理垃圾渗沥水［J］．环境科学，2001，22（5）：70-73．

［6］ Cabeza A，Urtiaga A．Ammonium Removal from Landfill Leachate by Anodic Oxidation［J］．J Hazard Mater，2007，144：715-719．

［7］ De Morais J L，Zamora P P．Use of Advanced Oxidation Processes to Improve the Biodegradability of Mature Landfill Leachates［J］．J Hazard Mater，2005，B123：181-186．

Aged Waste Leachate Treatment by Electrochemical Oxidation

Dai Jinguo1,2,Song Qianwu2,Wu Qi1,2,Wang Hongliang2
（1．College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing 100875;2．Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012）

In contrast to several different electrode,selecting Ti/Ru-Ir as the anode materials of electrochemical electrode,the influence of current density,chloride ion concentration,initial pH on waste leachate treatment by electrochemical oxidation was studied．On the condition that current density was 30 mA/cm2,chloride ion was 5 000 mg/L,and pH was 8．09,the results were indicated that the removal rates of NH3-N,COD,and UV254reached 100%,50%,and 61．09%,respectively,after 6 hours of electrolysis．BOD/COD of waste leachate was improved from 0．14 to 0．22,so the biodegradability of waste leachate was improved．Economic analysis showed that the energy consumption of unit NH3-N was 0．08 kW·h/g,when the removal rate of ammonia nitrogen was 100%after 6 hours of waste leachate electrochemical treatment．

waste leachate；electrochemistry；ammonia nitrogen；current density

X703．1

A

1005-8206（2012）05-0027-04

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008 ZX07211-006）

2012-05-11

代晋国（1973—），在职博士，副研究员，主要研究方向为水污染控制。

E-mail：daijinguo11@sohu．com。

（责任编辑：刘冬梅）