高析氧电极处理垃圾渗沥液MBR出水的技术研究

郭 燕，高兴旺，戴 昕

（南京万德斯环保科技股份有限公司，南京 211100）

垃圾渗沥液是一种成分复杂的高浓度难降解有机废水，处理不当将会对环境带来严重影响。常规处理工艺是膜处理方法（超滤、NF、RO、DTRO等），但由于膜污染及浓缩液出路问题，现考虑从非膜法工艺着手，探索一种垃圾渗沥液非膜法处理技术，避免浓液产生严重问题。而电化学方法无额外添加剂的加入，利用电能在电极表面反应，使废水内有机物及其他离子得以去除，相较于其他水处理方法具有能量效率高、反应条件及装置简单、工艺灵活、可控制性强、易于自动化等特点，可用于处理各类难降解废水[1]。但由于现有电极材料的电流效率低、能耗高、处理费用高，电化学处理生物难降解有机废水在国内外的工业化程度较低。因此，选用高析氧电极材料来处理生物难降解废水有着重要的实际意义[2]。

1 材料与方法

1.1 试验装置与条件

试验装置尺寸20 cm×10 cm×0 cm，处理规模为50 L/d，如图1所示。装置采用10 A恒电流直流电源，内置5组阳极试验电极，尺寸为100 mm2×100 mm2，5组阴极碳钢电极，尺寸为100 mm2×100 mm2，阳极电极与阴极电极交叉放置，极间距为2 cm。装置底部布有穿孔布水管，通过蠕动泵实现被处理液体在装置内的循环。

图1 电解装置实物图

1.2 试验用极板的选取

选用江苏安凯特科技股份有限公司提供的钛板作为基材，采用的5种钛基极板为Ti/Pt、Ti/PbO2、Ti/RuO2、Ti/SnO2SbO3CuO、Ti/BDD。

1.3 试验用垃圾渗沥液来源

针对安徽某垃圾填埋场渗沥液处理系统，取其MBR出水作为处理对象，COD为830 mg/L，氨氮为47 mg/L，TN为103 mg/L，电导率为13 000 μS/cm，pH为7.90。水体呈棕黄色，无明显气味。

1.4 模拟废水组成

富里酸构成中COD浓度为470 mg/L，Na2SO4浓度为0.25 mol/L。本研究通过改变溶液中氯离子浓度来考察Cl-对COD去除效果的影响。

1.5 检测指标及方法

1.5.1 电极析氧电位检测方法

在0.5 mol/L Na2SO4溶液中，以1.0～2.0 V（汞/氯化汞电极）为电极电势的扫描范围，采用1 mV/s扫描速度获得伏安扫描曲线，测定不同研究电极表面的析氧电位。

1.5.2 垃圾渗沥液中污染物检测方法

COD采用重铬酸盐法，氨氮采用纳氏试剂法，TN采用碱性过硫酸钾法，电导率采用电导率测定仪，pH采用pH测定仪。

2 高析氧电极筛选

2.1 各电极表面析氧电位检测分析

对各电极表面的析氧电位进行检测，Ti/Pt电极析氧电位≈1.35 V；Ti/PbO2电极析氧电位≈1.70 V；Ti/RuO2电极析氧电位≈1.15 V；Ti/SnO2SbO3CuO电极析氧电位≈2.0 V；Ti/BDD电极析氧电位≈2.30 V。其中，Ti/BDD电极析氧电位最高，达到2.3 V，其次为Ti/SnO2SbO3CuO电极，析氧电位达2.0 V。在垃圾渗沥液电化学处理过程中，电极表面可产生高氧化性物质，可更高效地降解废水中有机物。但BDD电极在制作过程中需采用气相沉积等方法制备，目前的设备制作水平限制了其工业化生产，尚无能够市场化应用的大尺寸BDD极板[3]。

2.2 各电极处理渗沥液MBR出水的效果分析

对垃圾渗沥液MBR出水进行电化学氧化试验，记录不同时间下渗沥液中COD的降解情况，电流密度采用25 mA/cm2，结果如图2所示。

图2 不同电极板对渗沥液生化出水COD的降解情况

采用Ti/SnO2SbO3X电极对垃圾渗沥液MBR出水中的COD降解最快，其次为Ti/PbO2电极。这是因为Ti/SnO2SbO3X与Ti/PbO2均具有较高的析氧电位，电极表面产生大量的·OH，能够迅速高效地降解有机物，且Ti/SnO2SbO3CuO具有更高的析氧电位，其对有机物的去除效果更好。因此，在处理垃圾渗沥液MBR出水时，宜选用具有高析氧电位的Ti/SnO2SbO3CuO。

3 高析氧电极对渗沥液处理的影响因素分析

3.1 氯离子浓度对富里酸构成COD的降解影响

采用Ti/SnO2SbO3CuO电极在模拟高盐废水中进行电化学反应，控制COD废水内氯离子浓度、电流密度、溶液的初始pH值三个方面因素，考察氯离子浓度对高盐废水中COD去除效果的影响。试验中设计废水初始COD含量为470 mg/L，电流密度取25 mA/cm2，初始pH取7.0。

由图3可以看出，当[Cl-]=0 g/L时，溶液中COD随电解时间的增加无明显变化。随着[Cl-]的增加，COD去除效果不断提高，当[Cl-]达到10 g/L时，COD从470 mg/L降解至54 mg/L。由Ti/SnO2SbO3CuO电极的析氯析氧特性可知，随着氯离子浓度的增加，析氧反应受到抑制，电极的析氯活性大于析氧活性，电极表面产生更多的有效氯，有利于间接电化学氧化降解COD。而当Cl-浓度大于10 g/L时，其浓度的持续增加对COD的去除速率并无明显影响。这是因为此时系统中的电子转移为控制步骤，Cl-浓度的增加并不会增加电子转移的速率，因此COD的去除速率基本保持不变。

图3 Cl-浓度对COD去除效果的影响

3.2 电流密度对COD降解的影响

分别将电流密度设为5、10、15、20、25、30 mA/cm2，考察在不同电流密度情况下Ti/SnO2SbO3CuO电极对垃圾渗沥液MBR出水中COD的去除影响，如图4所示。

图4 不同电流密度条件下COD降解效果

电流密度不同时，COD浓度均呈现先降低再升高后降低的变化趋势。初始阶段，COD的降低主要源于废水中小分子有机物的降解，中间阶段，COD的升高是由于污水中的大分子物质被分解为小分子，最后阶段，COD的再降低是因为废水中的有机物基本被降解掉。在不同电流密度的条件下，Ti/SnO2SbO3X电极对此废水中COD的降解速度差别较大，电流密度越大，COD的降解速率越快。采用本试验装置处理垃圾渗沥液MBR出水，当电流密度分别为5、10、15、20、25、30 mA/cm2时，要将该废水的COD降至《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求的100 mg/L，处理1 m3污水的耗电量分别为：9.94、21.25、26.65、18.48、15.53、33.81 kW·h，当电流密度为5 mA/cm2时，需180 min，而当电流密度为25 mA/cm2时，只需40 min。综合处理时间和能耗考虑，25 mA/cm2是该系统电解时的最佳电流密度。

4 结论

Ti/SnO2SbO3CuO电极具有较高的析氧电位，其表面可产生大量的·OH，较好地降解废水中的COD。在垃圾渗沥液电解试验中，Ti/SnO2SbO3CuO较其他电极表现出较高的COD去除能力，最佳电流密度为25 mA/cm2。Ti/SnO2SbO3CuO电极可将垃圾渗沥液MBR出水中COD降至小于100 mg/L，达到《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB 16889—2008）表2排放标准。