亚铁活化过硫酸盐氧化渗滤液尾水工艺参数优化

刘占孟，占　鹏，聂发辉，张　琪

（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）

亚铁活化过硫酸盐氧化渗滤液尾水工艺参数优化

刘占孟，占鹏，聂发辉，张琪

（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）

采用亚铁活化过硫酸盐氧化渗滤液尾水，利用单因素变量法研究了亚铁活化过硫酸盐氧化渗滤液尾水的工艺参数。结果表明，适宜的工艺参数：n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25，废水初始pH=4，过硫酸钠投加量为4.0 g/L，反应时间为12 h。在上述工艺条件下，渗滤液尾水的COD去除率和色度去除率可分别达到60%和95%。该项研究可为渗滤液尾水的处理提供一种技术选择。

过硫酸盐活化；硫酸根自由基；渗滤液尾水；高级氧化

垃圾渗滤液是一种成分异常复杂的液态污染物，已被列入我国优先控制污染物的“黑名单”。作为地表水及地下水的潜在污染源，垃圾渗滤液已严重威胁我国城市水环境的安全〔1〕。对垃圾渗滤液进行有效、合理的处理与处置，避免造成对周围环境的二次污染已成为城市环境中急待解决的问题。已有的研究表明，垃圾填埋场渗滤液生化尾水中仍然普遍含有一定量的持久性有毒污染物，此类物质具有生物累积、难以降解、可远距离传输、致癌致突变和内分泌干扰等特性〔2〕。因此，对渗滤液生化尾水进行深度处理具有重要意义。

基于过硫酸盐活化产生的·SO4-自由基治理有机废水，是国内外高级氧化技术研究中新近发展起来的新领域〔3〕。·SO4-自由基的氧化电位为+2.5～+3.1 V，其氧化性能甚至超过了·OH自由基，且半衰期长达4 s，保证有足够的时间与污染物质作用而使其发生氧化降解。通过活化过硫酸盐处理垃圾渗滤液的研究目前还处于起步阶段。Y.Deng等〔4〕采用热活化过硫酸盐方式产生的·SO4-自由基处理垃圾渗滤液，并与Fenton氧化法进行了对比，结果表明，相对于Fenton技术产生的·OH自由基氧化，·SO4-自由基能更为有效地去除渗滤液中的污染物。李娜等〔5〕利用微波-活性炭强化过硫酸盐高级氧化法处理垃圾渗滤液，结果表明，该工艺对垃圾渗滤液中污染物质的去除效果明显高于其他方法，而且在联合工艺中微波、活性炭和过硫酸盐之间存在协同效应，微波的热效应尤为显著。尽管热、紫外光等活化方式可以实现过硫酸盐的活化，然而所需能耗高，不适合大规模应用〔6-9〕。过渡金属离子活化过硫酸盐则无需能量，并且活化效率高，其中最引人瞩目的是Fe2+/过硫酸盐体系〔10-13〕。在Fe2+/过硫酸盐体系中，Fe2+的催化不受温度的影响，在常温下即可催化过硫酸盐，发挥较大的催化作用。本研究采用亚铁活化过硫酸盐氧化垃圾渗滤液生化尾水，通过单因素实验对相关工艺参数进行了优化，以期为垃圾渗滤液的深度处理提供一种技术选择。

1　实验

1.1废水水质

实验废水取自南昌市某垃圾填埋场垃圾渗滤液处理厂A2/O工艺出水，废水为棕红色，无明显恶臭味，其水质：水温17～25℃，COD 1 500～2 600 mg/L，色度300～500倍，pH 6.0～7.5。

1.2实验方法

取100 mL渗滤液生化尾水于250 mL锥形瓶中，调节pH，向其中加入一定剂量的过硫酸钠与催化剂硫酸亚铁，在常温下反应一定时间后对水样进行分析。COD的测定采用快速密闭催化消解法，色度采用稀释倍数法测定。

2　结果与讨论

2.1n（Fe2+）/n（S2O82-）对氧化效果的影响

在Fe2+/过硫酸盐催化氧化渗滤液生化尾水的体系中，n（Fe2+）/n（S2O82-）是影响氧化效果的重要因素之一。在过硫酸钠投加量为4.0 g/L，反应时间为12 h，废水pH为5的条件下，考察了n（Fe2+）/n（S2O82-）对氧化效果的影响，结果如图1所示。

图1　n（Fe2+）/n（S2O82-）对氧化效果的影响

由图1可知，随着n（Fe2+）/n（S2O82-）的增大，COD去除率先升高后缓慢降低，当n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25时，COD去除率最大，达到55%。观察色度去除率的变化曲线可知，当n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25时，色度去除率最大，达到95%，且实验中观察到经氧化后的水清澈无色。实验结果表明，适宜的n（Fe2+）/ n（S2O82-）有利于过硫酸盐的活化，从而有效降解渗滤液生化尾水。当Fe2+过量时，生成的·SO4-自由基会与Fe2+发生副反应：·SO4-+Fe2+→SO42-+Fe3+，进而造成部分·SO4-自由基被无效消耗，从而使处理效果下降。n（Fe2+）/n（S2O82-）过大，除了会消耗部分·SO4-自由基之外，过多的Fe2+被氧化成Fe3+之后，增加了废水的色度，导致色度去除率骤减。综合考虑COD去除率和色度去除率，适宜的n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25。

2.2pH对氧化效果的影响

在n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25，反应时间为12 h，过硫酸钠投加量为3.0 g/L的条件下，考察了废水pH对氧化效果的影响，结果见图2。

图2　pH对氧化效果的影响

由图2可知，废水pH对亚铁催化过硫酸盐体系氧化降解渗滤液生化尾水效果的影响显著。随着pH的增大，COD去除率和色度去除率均先升高而后下降，存在一个适宜的pH范围。观察COD去除率曲线可知，COD去除率变化幅度高达35%，这说明pH对Fe2+活化过硫酸钠产生·SO4-自由基的影响显著。当pH为2时，COD去除率仅为32%；当pH增加到4～6范围时，COD的去除效果明显提高，COD去除率达到60%以上；当pH＞6时，随着pH的增加，COD去除率出现较大幅度的下降，最大下降幅度在20%以上。对于色度而言，在pH为2～6的范围内时，色度去除率均超过了85%；当pH在4～6范围内时，色度去除率达到95%，甚至更高，色度基本去除；而后随着pH的进一步增大，色度去除率显著降低。酸性条件下有利于亚铁离子活化过硫酸钠产生·SO4-自由基，进而有利于废水中有机污染物的降解。Y.F.Huang等〔14〕的研究结果表明，在活化过硫酸钠时，pH的不同将使反应过程中起主要作用的自由基也变得不同，如pH在2～7时，体系中主要是·SO4-自由基起作用，而当pH＞10时，则主要是靠·OH自由基降解有机污染物。

2.3过硫酸钠投加量对氧化效果的影响

在n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25，反应时间为12 h，废水pH为5的条件下，考察了过硫酸钠投加量对氧化效果的影响，结果见图3。

由图3可知，随着过硫酸钠投加量的增加，COD去除率显著提高。当过硫酸钠投加量为4.0 g/L时，COD去除率达到60%以上。观察色度去除率曲线可知，当过硫酸钠投加量为1.0 g/L时，色度去除率即达到60%，当过硫酸钠投加量为3.0 g/L时，色度去除率达到95%，这又一次证明了Fe2+/过硫酸盐催化氧化对渗滤液尾水中的发色物质有很好的降解效果。

图3　过硫酸钠投加量对氧化效果的影响

2.4反应时间对氧化效果的影响

在n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25，废水pH为5，过硫酸钠投加量为4.0 g/L的条件下，考察了反应时间对氧化效果的影响，结果见图4。

图4　反应时间对氧化效果的影响

由图4可知，随着反应时间的延长，COD去除率和色度去除率均先迅速升高而后趋于稳定。当反应时间为2 h时，COD去除率和色度去除率分别为24%和80%；当反应时间延长至12 h时，COD去除率达到55%，色度去除率达到了95%；继续延长反应时间，COD去除率和色度去除率均趋于稳定。这说明，对于亚铁催化过硫酸钠氧化降解渗滤液生化尾水，在12 h内，过硫酸盐已基本反应完全。适宜的反应时间为12 h。

2.5分批投加催化剂对氧化效果的影响

在过硫酸钠投加量为4.0 g/L，废水pH为4，反应时间为12 h的条件下，按照n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.125、0.25、0.50、1.00，首先一次性加入硫酸亚铁；然后同样按照 n（Fe2+）/n（S2O82-）为 0.125、0.25、0.50、1.00将硫酸亚铁等分成3份，按照等量间隔30 min将硫酸亚铁分3次加入到反应体系中，考察分批投加催化剂对氧化效果的影响，结果见图5。

图5　催化剂的一次性投加和分批投加对氧化效果的影响

由图5可知，当n（Fe2+）/n（S2O82-）分别为0.125、0.25、0.50、1.00时，对于一次性投加催化剂，相应的COD去除率分别为49%、60%、56%、54%；而分批投入催化剂相应的COD去除率分别为48%、59%、58%、58%，没有显著区别。这说明采用亚铁活化过硫酸盐氧化垃圾渗滤液生化尾水，分批投加催化剂并没有起到提高过硫酸钠利用效率的作用。这可能是由于反应过程中没有太多富余的Fe2+，所以没有达到控制过渡金属离子浓度，从而控制硫酸根自由基生成速率，进而降低该过程中副反应的发生，并最终达到提高过硫酸钠有效利用率的目的。

综合考虑COD去除率和色度去除率，亚铁活化过硫酸钠处理垃圾渗滤液生化尾水的适宜的工艺参数：n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25，废水初始pH=4，反应时间为12 h，而对于氧化剂过硫酸钠的投加量，可根据实际废水中污染物质的浓度适当调整。

3　结论

（1）亚铁活化过硫酸盐处理垃圾渗滤液生化尾水的效果受n（Fe2+）/n（S2O82-）、过硫酸钠投加量、废水pH、反应时间等因素的影响。氧化效果随着反应时间的延长、过硫酸钠投加量的增加而升高；低pH有利于催化氧化过程中硫酸根自由基的生成，进而有利于渗滤液中污染物的去除。

（2）亚铁活化过硫酸盐氧化垃圾渗滤液生化尾水适宜的工艺参数：n（Fe2+）/n（S2O82-）为0.25，废水初始pH=4，过硫酸钠投加量为4.0 g/L，反应时间为12 h，催化剂无需分批投加。在上述实验条件下，COD去除率和色度去除率可分别达到60%和95%。亚铁活化过硫酸盐体系可较为有效地去除垃圾渗滤液生化尾水中的污染物质。

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Technical parameters optimization of leachate tail water treatment by Fe2+-activated persulfate oxidation process

Liu Zhanmeng，Zhan Peng，Nie Fahui，Zhang Qi
（School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Leachate tail water has been treated by Fe2+-activated persulfate oxidation，and the technical parameters of the process are studied by single-factor variable method.The results show that the optimum parameters are as follows：n（Fe2+）/n（S2O82-）is 0.25，initial pH 4，Na2S2O8dosage 4.0 g/L，and reaction time 12 h.Under these conditions，the leachate tail water COD removing rate and chroma removing rate are 60%and 95%，respectively.The research results can provide a kind of technical reference for landfill leachate tail water treatment.

persulfate activation；sulfate free radical；leachate tail water；advanced oxidation

X703

A

1005-829X（2016）02-0029-04

国家自然科学基金项目（51468016）；江西省自然科学基金项目（20142BAB203027）；江西省科技支撑计划项目（20151BBG70020，20141BBG70003）

刘占孟（1977—），博士，副教授。电话：13576060580，E-mail：ustblzm@163.com。

2015-11-18（修改稿）