电化学氧化对中晚期垃圾渗滤液氨氮去除能力的试验研究

王坚

摘  要：文章介绍了一种阳极采用镀稀有金属板的电化学氧化法，对中晚期垃圾渗滤液中的氨氮有较好的去除效果，在反应时间120min，電流密度10mA/cm2，极板间距2cm的条件下，氨氮去除率近乎达到100%。

关键词：电化学氧化;垃圾渗滤液;氨氮去除

中图分类号：X703         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）06-0038-03

Abstract： This paper introduces an electrochemical oxidation method of plating rare metal plate on the anode， which has a good effect on the removal of ammonia nitrogen in the middle and late stage of landfill leachate. Under the conditions of reaction time 120min， current density 10mA/cm2 and plate spacing 2cm， the removal rate of ammonia nitrogen is nearly 100%.

Keywords： electrochemical oxidation; landfill leachate; ammonia nitrogen removal

城市垃圾填埋场渗滤液的处理一直是填埋场设计、运行和管理中非常棘手的问题。一般来说，运行3年以上的成熟阶段的垃圾填埋场排出来的渗滤液可称为晚期渗滤液，此时垃圾渗滤液中易生物降解的有机物比例会明显下降，而氨氮浓度可达到3000mg/l以上。有机物成分以难以生物降解的腐殖质为主，氨氮浓度跟初期渗滤液相比明显增高，应是有机氮大量转化为氨氮导致，这个阶段垃圾渗滤液的处理目标除了常规的CODcr、BOD5以外，还应重点考虑氨氮的去除。垃圾渗滤液中的总氮也以氨氮为主，此外还包括有机氮、硝态氮和亚硝态氮，因此氨氮的去除是整个渗滤液总氮降低的关键所在。

我国第一次污染源普查共调查垃圾处理厂2353座，其中垃圾填埋量为1.53亿吨（占全国垃圾处理量的90.5%），排放的渗滤液中污染物含量：CODcr共32.46万吨，氨氮共3.22万吨，其中氨氮排放量约占全国氨氮排放总量的1.8%[1]。

1 常规工艺对垃圾渗滤液氨氮的去除

高浓度氨氮会对微生物活性产生明显的抑制作用，从而严重影响垃圾渗滤液的生化处理，导致垃圾渗滤液无法处理达标排放。目前，氨氮处理实际工程应用较多的技术主要有氨气吹脱法、生物脱氨以及气态膜法脱氨等。氨气吹脱是将废水pH调整为碱性，水中形成大量游离氨，然后通入空气将其吹脱出来。因此在过程中首先需要加入大量的碱，工程上为控制成本，常采用投加大量的Ca（OH）2，这样极易造成设备的结垢。在吹脱后还必须加酸将pH回调到中性才可以进行后续的处理。对于吹脱出来的氨气，如果不进行回收，势必造成更加严重的二次污染问题;如果回收氨气，又会增加工程投资，而且生成的硫酸铵如果生产不能套用，还要另找处置渠道，这些因素都导致氨吹脱技术对于垃圾渗滤液中氨氮的处理无法进行大范围实际应用。卢平等[2]在实验室吹脱条件控制在pH=9.5、吹脱时间为12h时，吹脱预处理可去除废水中60%以上的氨氮;倪佩兰等[3]采用吹脱法去除垃圾渗滤液中氨氮，需维持pH值10.5-11，气液比2500，水温控制30℃以上才可获得90%的去除率。生物脱氨一般有氨化、硝化和反硝化三个过程，适合于低浓度氨氮的垃圾渗滤液处理，随着氨氮浓度升高，氨氮对有机物降解菌和硝化菌活性会产生抑制作用，因此生物法并不适合处理高浓度氨氮。崔佳[4]在实验室采用缺氧-好氧复合式膜生物反应器处理垃圾渗滤液，进水氨氮浓度1700mg/l，氨氮去除率最高达到90%，但仍超过GB16889-2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》表2中总氮标准限值（25mg/L）。目前还有一项气态膜法脱氨技术在工程中有越来越多的应用，主要原理是通过性能优异的微孔疏水膜，将含氨废水和吸收液（硫酸/盐酸/硝酸等）分隔开来，以透过组分（氨气）的蒸汽压差为驱动力，脱除、回收、富集废水中氨。秦英杰等[5]采用中空纤维膜气态膜法处理垃圾渗滤液中氨氮，进水氨氮2179mg/l，出水氨氮虽可控制在20mg/l以下，但膜的渗漏仍是运行隐患，另外实验时间较短，文中未提及膜堵塞及膜的寿命问题。除此以外，孙猛[6]等采用超声技术对垃圾渗滤液氨氮进行处理，超声波强度360W，辐照时间6min，曝气时间6min，对氨氮去除率仅为80.24%，远未达到排放要求。综上，开发晚期垃圾渗滤液高氨氮的处理技术将是垃圾渗滤液处理的一个关键突破。

2 电化学氧化对中晚期垃圾渗滤液氨氮的去除

随着晚期垃圾渗滤液氨氮处理问题的日益突出，电化学氧化法因其具有操作简单、氧化能力强、二次污染少、占地面积小等优点，近年来被逐渐运用于处理难降解有机废水，包括垃圾渗滤液的处理。电化学氧化法处理废水的原理是：通过直流电场的强制作用发生化学反应，让具有电化学活性的某些有机物官能团结构发生变化，从而改变有机物的化学性质，让其破环或断链，对有机物进行降解并增强废水的可生化性。电化学氧化法去除氨氮的原理是：废水进入电解系统后，阳极上可能发生两种氧化反应：一是氨直接被氧化成氮气脱除;二是氨间接被电氧化，通过电极的催化作用产生强氧化的·OH、ClO-和HClO，这些具有强氧化活性的物质与氨氮反应，将氨氮氧化为氮气及其它氮的形式，下文将通过试验对脱除原理进行进一步验证。

2.1 试验用水

本次试验用水取自上海市老港垃圾填埋场4期，填埋场每天有2700m3的老龄渗滤液，每天新产生的渗滤液是500m3。对进水水质按两种渗滤液进行加权平均后，原水氨氮约为3500mg/l，总氮约为4300mg/l，pH值7-8，氯离子浓度1540-1850mg/l，属典型的中晚期垃圾渗滤液。

2.2 试验装置及分析方法

2.2.1 试验装置

试验装置采用PP板焊接而成，尺寸为长*宽*高=25cm*5cm*15cm，阴极采用不锈钢板，阳极采用镀稀有金属的钛板，宽度5cm，厚度1mm，试验电源为0-30V、0-3A的稳压稳流电源。

2.2.2 检测项目及分析方法

CODcr、氨氮、总氮：HACH多参数水质测试仪;

pH值：雷磁PHS-3G型pH计;

氯离子：采用国标方法，参见《水质分析方法国家标准汇编》（1996年）。

2.3 试验结果与讨论

2.3.1 反应时间对氨氮去除的影响

取一定量垃圾渗滤液，氨氮浓度稀释至1000mg/l，极板间距调整为2cm，控制电压为5V，反应时间分别为0、30、60、90、120min，试验结果见图2。

由图2可以发现，电化学氧化的去除效果随反应时间的延长而增大，反应时间60min时，氨氮去除率达到57%，反应时间120min时，氨氮去除率接近100%。

2.3.2 电流密度对氨氮去除的影响

改变反应的电流密度，不同反应时间下对氨氮去除情况见图3。

由图3可以发现，电流密度越高，反应越剧烈，氨氮去除率越高，说明阳极电极电位越高，带来阳极表面的催化氧化作用越强，但是也会造成去除单位污染物能耗加大，因此从节能方面考虑应选用适中的电解电流，对比10 mA/cm2与15mA/cm2对氨氮的去除，当反应时间超过90min时，去除效果已经非常接近，本试验可选用10mA/cm2为宜。

2.3.3 极距对氨氮去除的影响

控制反应时间60min，电流密度10mA/cm2，通过改变电极板距离测试氨氮的去除情况，试验结果见图4。

从上图可以发现，电催化氧化极板间距越小，效果越好，当极板间距为1cm时，反应60min氨氮去除率超过80%，这是因为在电化学反应中，减小极板间距，有助于降低能耗，减少副反应的产生。

2.3.4 电化学氧化对垃圾渗滤液可生化性的改善

因为垃圾渗滤液是一类成分复杂、难生物降解的高浓度有机废水，其废水中CODcr、BOD5、氨氮、总氮等含量均很高，微生物营养元素比例失调，可生化性较差。电化学氧化不但可以降解有机物，而且可以将对微生物有毒、有抑制的污染物转化为可生化的物质，从而提高废水的可生化性，通过监测本次试验反应前后废水CODcr及BOD5，可生化性（BOD5/CODcr）平均由0.228提高至0.36，具备进一步生化处理的条件。

2.3.5 电化学氧化去除垃圾渗滤液氨氮反应机理的探讨

在整个电化学氧化过程中，可明显看到废水颜色由黑色转为淡黄色，同时随着反应时间的延长，氨氮浓度逐步下降，还能逐渐闻到较为明显的氯气味，说明有余氯产生，当反应时间达到120min时，除了氨氮去除率接近100%，总氮去除率也达到80%以上，检测试验用水氯离子浓度为1580mg/l，本试验现象符合折点加氯脱氮原理，说明发生如下反应：

阳极：2Cl-→Cl2+2e-

液体：Cl2+H2O→HOCl+Cl-+H+HOCl→H++OCl-

2NH4++3HClO→N2↑+3H2O+5H++3Cl-

3 结论

（1）采用电化学氧化对垃圾渗滤液中氨氮的去除有较好的效果，反应时间越长，电流密度越大，极板距离越小，氨氮去除效果越好。

（2）当确定极板距离2cm，电流密度10mA/cm2，反应时间120min，氨氮可近乎100%去除，从经济性角度出发，可通过降低能耗适当降低氨氮去除率以取得最佳性价比。

（3）电化学氧化可有效改善废水可生化性，反应后BOD5/CODcr平均由0.228提高至0.36，具备进一步生化处理条件。

（4）究其原理，电化学氧化对垃圾渗滤液氨氮的去除主要是利用废水中氯离子，电解产生氯气，通过折点加氯原理达到脱氮效果，因此在实际工程中需充分考虑氯气带来的腐蚀问题，反应装置及配套设备选用耐腐蚀材料。

参考文献：

[1]环境保护部，统计局，农业部.第一次全国污染源普查公报[Z].2010-2-6.

[2]卢平，曾丽璇，张秋云，等.高浓度氨氮垃圾渗滤液处理方法研究[J].中國给水排水，2003，19（5）：44-45.

[3]倪佩兰，郑学娟，徐月恩，等.垃圾填埋渗滤液氨氮的吹脱处理工艺技术研究[J].环境卫生工程，2001，9（3）：133-135.

[4]崔佳.缺氧-好氧复合式膜生物反应器处理垃圾渗滤液的试验研究[D].中国地质大学，2010.

[5]秦英杰，郝兴阁，崔东胜，等.气态膜法脱氨技术的最新进展[A].“海峡两岸膜法水处理”院士高峰论坛暨第六届全国医药行业膜分离技术应用研讨会[C].2015：67-73.

[6]孙猛，李娟，徐勤勤.超声波对垃圾渗滤液COD和氨氮去除的研究[J].中国农学通报，2010，26（18）：347-352.