换热器辅助太阳能氧化处理垃圾渗滤液的应用

宣梦茹，申哲民，孙承兴，朱英明，周德生，张美兰

(1. 上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240;2. 昆明理工大学市政工程系，云南昆明 650500;3. 上海老港废弃物处置有限公司，上海 200240)

垃圾渗滤液因其污染种类繁多，污染物浓度高且变化范围大而难以处理［1］。目前，国内外垃圾渗滤液处理技术主要包括物化法、生化法、膜处理法、土地法等［2］。大量实践表明处理工艺将以多种方法结合为方向，同时经济成本高低也是选择处理形式的主要依据［3］。太阳能作为清洁能源已得到广泛应用，比如绿色建筑、海水淡化以及太阳能电池技术等，但其在工程上应用于处理废水的研究还比较少。本文研究了换热器辅助太阳能氧化系统在处理垃圾渗滤液的应用，分析了光照强度在太阳能Fenton 氧化反应中对水中COD 去除效果的影响，以及换热器在整个组合工艺中的效率和经济性，以期为处理高浓度废水组合工艺的开发提供一定的基础数据。

1 材料与方法

1.1 原水水质

渗滤液取自上海某固废弃物处理场。各项指标具体如表1 所示。

表1 渗滤液原水水质Tab.1 Water Quality of Landfill Leachate

1.2 试验机理

Fenton 氧化法试剂为双氧水和硫酸亚铁。Fe2+与H2O2间反应很快，生成氧化能力很强的·HO。其原理为:H2O2+Fe2+→·OH +OH-+Fe3+，影响Fenton 法氧化效果的因素［4］有pH、反应温度、试剂配比(Fe2+∶ H2O2)等，其中温度的调节较为困难。

1.3 试验装置

装置如图1 所示。原水由真空泵进入换热器预加热，然后进入太阳能加热系统(由60 根58 mm ×2 100 mm的太阳能真空管组成)进行加热，之后的渗滤液进入氧化罐(氧化罐由4 个串联的氧化槽组成)，经过一定时间的氧化反应后再次经过换热器流入沉淀池出水。

图1 换热器辅助太阳能氧化系统工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Heat Exchanger Assisted with Solar Installations for Landfill Leachate Treatment

2 结果与讨论

2.1 反应温度对Fenton 法去除水中COD的影响

根据反应动力学可知温度越高，反应越快。对于Fenton 反应，适当的温度可以激活·OH。温度增高，·OH 活性增大，COD 去除率提高。研究表明Fenton 法处理焦化废水和三氯苯酚［5，6］时，当温度低于60 ℃时，COD 的去除率与温度呈正相关。

由图2 可知废水经过太阳能集热器加热后升高的温度ΔT(经过太阳能集热器加热后废水的温度与经过换热器后废水温度的差值)的变化趋势和光照度的变化趋势是类似的，均是由强变弱，并在中午12 点时达到最高值，ΔT 可达到35 ～45 ℃。

9 月初处理过程未增加太阳能系统加热，其COD 的去除率均在45%以下;10 月中下旬经由太阳能系统加热的废水，COD 的去除率均在90%以上。其原因在于升高的温度使·OH 处于活性范围，大大提高了Fenton 氧化反应的效率，因此换热器辅助太阳能氧化系统可以大幅度提高废水COD的去除率，如图3 所示。

图2 光照强度与ΔT 关系图Fig.2 Relationship between Illuminance and Temperature

图3 两种系统下COD 去除率的对比Fig.3 Comparison of Removal Ratio of COD under Two Different Systems

2.2 换热器性能评价

为考察换热器的换热效果，通过在线检测系统记录各个水温的实时数据，经过整理后得到系列关系曲线(如图4)。由图4 可知随着时间的推移，原水温度缓慢上升后维持在25 ～30 ℃。而经过换热器的水温开始便保持较高增速，此后换热后的水温保持动态平衡，接近且略低于反应完成后的温度。从换热前后温度差ΔT 也可以看出，ΔT 保持在15 ～20 ℃动态平衡，此时换热器已经达到了最大换热效率。

太阳能集热器接收的能量通过Q = c·m·ΔT来计算，在没有换热器的太阳能加热系统下，由于光能量Q 与时间t 是一次函数关系，在光能量不足的清晨和傍晚，仅仅依靠太阳能而没有换热器情况下，ΔT 的变化是不稳定的。加入换热器辅助太阳能对废水进行加热，水温可以全天保持40 ～50 ℃，弥补了随光照强度变化导致Fenton 氧化效果不稳定。整个装置连续5 d 分时段COD 去除率的变化曲线如图5 所示。由图5 可知大部分COD 去除率达到了90%以上，换热器对于太阳能氧化系统具有一定的辅助功能，整个装置效果稳定，连续性较好。

图4 换热前后对比关系图Fig.4 Relationship before and after Heat Exchange

图5 COD 去除率随时间变化曲线图Fig.5 Removal Rate of COD with Time

根据倪振伟等［7］在换热器的熵增计算法与总熵增率中介绍，以换热器的总熵增率Ys，作为换热器的经济性指标如下式所示。

此即换热器每传过单位热量时所消耗的可用能，Ys越小换热器的经济性越高。本研究环境温度取20 ℃，机械能和可用能之间折算系数n 取6.25，换热器的总熵增率Ys为0.044 7。对比李炜炜［8］管壳式换热器壳程强化传热研究中介绍的花隔板换热器和折流板换热器的Ys数值，本研究的Ys较小，表现了较好的经济性。

2.3 运行成本分析

换热器辅助太阳能氧化处理垃圾渗滤液的费用由电费、人工费、药剂费等组成。电费按照0.65元/kW·h计算，用电需0.6 元/m3，人工费需33.3元/m3，药剂费需4.3 元/m3，因此太阳能氧化系统总运行费用为38.2 元/m3。同时，换热器辅助太阳能氧化组合工艺的应用，较其他类Fenton 氧化法更节能和环保，符合当前节能减排，资源再利用的发展趋势。

3 结论与展望

换热器辅助太阳能氧化系统的应用提高了垃圾渗滤液COD 的处理效果，较高浓度COD 废水经处理之后达到了纳管要求(COD ＜500 mg/L)，较低浓度COD 废水经处理后基本达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A 标准。换热器的应用使氧化反应保持了较好的持续性和高效性，换热器本身表现了较好的经济性。换热器辅助太阳能氧化系统运行成本较低，是比较有前景的废水前期处理技术。在实际的工作中，可以在传热温差ΔT 与热强度Q 之间(也就是能耗和投资之间)进行权衡，以求全系统总费用最低。

［1］赵宗升，刘鸿亮，李炳伟，等. 垃圾填埋场渗滤液污染的控制技术［J］. 中国给水排水，2000，16(6):20-23.

［2］BU L，WANG K，ZHAO Q L. Characterization of dissolved organic matter during landfill leachate treatment by sequencing batch reactor，aeration corrosive cell-Fenton，and granular activated carbon in series［J］. Journal of Hazardous Materials，2010，179(1/3):1096-1105.

［3］喻晓，张甲耀，刘楚良.垃圾渗滤液污染特性及其处理技术研究和应用趋势［J］.环境科学与技术，2002，25(5):43-45.

［4］刘英艳，刘勇弟. Fenton 氧化法的类型及特点［J］. 净水技术，2005，24(3):51-54.

［5］SHENG H. LIN，CHO C. LO. Fenton process for treatment of desizing wastewater［J］. Wat. Res.，1997，31(8):2050-2056.

［6］BASU，SOMNATH，WEI，IRVINE W. Mechanism and kinetics of oxidation of 2，4，6-trichlorophenol by Fenton's reagent［J］.Environmental Engineering Science，2000，17(5):279-290.

［7］倪振伟，焦芝林.换热器的熵增计算法与总熵增率［J］.工程热物理学报，1998，9(1):4-6.

［8］李炜炜.管壳式换热器壳程强化传热研究［D］. 武汉:华中科技大学，2007.