三维电极—电Fenton法处理垃圾渗滤液的研究

摘要

垃圾渗滤液是城市垃圾卫生填埋过程中的必然产物，具有有机污染物浓度高、水质水量波动大、营养元素比例失调、难降解等特点。垃圾渗滤液的有效处理已成为国内外学者研究的热点和难点问题之一。
　　 近年来，电Fenton技术作为一种“环境友好”的高级氧化技术，在难降解有机废水处理方面的应用备受关注，它具有高度的灵活性，既可单独应用，又可与其它处理工艺组合应用。但是，普通电Fenton法采用二维平板电极，传质效果差，电流效率低，能耗高，这就限制了该技术的发展。三维电极一电Fenton法是将三维电极法和电Fenton法相耦合的电化学氧化新技术，该方法把粒子电极引入到电Fenton体系中，增大了工作电极表面积，缩短了污染物迁移距离，极大的提高了电流效率和单位时空产率。本论文尝试性的将三维电极一电Fenton法应用到垃圾渗滤液的处理中，以期为垃圾渗滤液的有效降解提供一条新的途径。
　　 粒子电极是三维电极一电Fenton体系的重要组成部分。本文选取活性炭和涂膜炭为粒子电极，通过涂膜炭填充率和床体填料量试验确定电解槽中混合填充400mL活性炭和100mL涂膜炭。研究表明，添加粒子电极的三维电解体系对垃圾渗滤液中COD、氨氮和色度的去除率要明显高于二维电解体系。
　　 采用钛基涂层电极(DSA)为阳极，活性炭纤维(ACF)为阴极的三维电极一电Fenton体系处理垃圾渗滤液，对影响因素、处理效果、反应机理等方面进行了研究。优化各影响因素，确定最佳反应条件为：电流密度5-7.1mA·cm-2、初始pH4.0、极板间距10.0cm、Fe(II)投加量1.0mmol·L-1、曝气量0.2m3·h-1。在此条件下电解180min后，COD、氨氮和色度去除率分别为80.8％、55.2％和98.6％。污染物主要通过DSA电极表面产生.OH的直接氧化和Fenton、Cl2/HC10等间接氧化作用去除。
　　 采用铁板为阳极，ACF为阴极的三维电极—电Fenton体系处理垃圾渗滤液。处理效果与极板间距、电流密度、曝气量、初始pH值、Cl'浓度、电解时间等因素密切相关。优化各影响因素，确定最佳反应条件为：电流密度57.1mA·cm-2、初始pH6.0、极板间距10.0cm、曝气量0.2m3·h-1。在此条件下电解180min后，COD、氨氮和色度去除率分别为57.0％、57.0％和81.1％。污染物的去除机理主要包括电化学氧化、电絮凝和气浮三部分，其中以电化学氧化和电絮凝为主。
　　 对比DSA阳极和铁阳极电解体系对垃圾渗滤液的处理效果，结果表明，DSA阳极电解体系对垃圾渗滤液中COD、色度和TOC的去除率均明显高于铁阳极电解体系，该体系还具有污泥产生量少、阳极抗腐蚀能力强、粒子电极使用周期长、处理后出水可生化性好等优点，因此，选取DSA电极为阳极的三维电极一电Fenton体系处理垃圾渗滤液。
　　 建立了DSA为阳极的三维电极—电Fenton体系降解有机物的动力学模型：
　　 ct=[kt+ co-1]-1
　　 -lgk=0.0266(0.0002x12-0.0239x1+5.8821)0.2086(4.7808x22-2.4876x2+5.4119)1.0714(0.3652X32-0.7208X3+5.0813)0.9691(0.0721X42-0.4927x4+5.5606)1.0204
　　 经验证，该模型能够比较准确的预测出电流密度42.8mA.cm-2～85.7mA.cm-2、曝气量0.1m3·h-1～0.4m3·h-1、Fe(II)投加量0.5 mmol.L-1～2.0mmol.L-1、初始pH3.0～6.0条件范围内，三维电极—电Fenton法处理垃圾渗滤液的出水COD值。
　　 采用混凝和三维电极—电Fenton法联合处理垃圾渗滤液，分别对各工艺的运行条件进行优化，在最佳运行条件下，组合工艺对垃圾渗滤液中COD、TOC、氨氮、BODs.色度和SS的去除率分别达95.6％、92.8％、70.0％、88.1％、99.6％和91.9％，处理后出水的可生化性得到了很大提高，有利于进行生化处理。混凝和三维电极—电Fenton法对垃圾渗滤液中氨氮、COD和色度的去除率明显高于单独采用混凝法和电解法的去除率，混凝预处理大大减轻了电解阶段的运行负荷，在相同的电解时间内，有机物降解的更为彻底。混凝和三维电极—电Fenton法联合处理Im3垃圾渗滤液的运行成本约为30.8元，如果只是将其作为生化处理前的预处理，成本还可降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 垃圾渗滤液的产生、水质特征及处理现状

1.1.1 垃圾渗滤液的产生

1.1.2 垃圾渗滤液的水质特征

1.1.3 我国垃圾渗滤液的处理现状

1.2 垃圾渗滤液处理技术的研究现状

1.2.1 垃圾渗滤液处理技术

1.2.2 垃圾渗滤液处理技术的国外研究现状

1.2.3 垃圾渗滤液处理技术的国内研究现状

1.3 三维电极法

1.3.1 三维电极法的分类

1.3.2 三维电极法的基本原理

1.3.3 三维电极法处理废水的研究现状

1.4 电Fenton法

1.4.1 电Fenton法的分类

1.4.2 电Fenton法的基本原理

1.4.3 电Fenton法处理废水的研究现状

1.5 三维电极-电Fenton法的提出及应用

1.6 本论文主要研究内容、技术路线及意义

1.6.1 主要研究内容

1.6.2 研究技术路线

1.6.3 研究意义

第二章 试验材料与试验方法

2.1 试验试剂与试验仪器

2.1.1 试验试剂

2.1.2 试验仪器

2.2 试验水质

2.3 试验装置和试验步骤

2.3.1 三维电极-电Fenton试验装置

2.3.2 试验步骤

2.3.3 混凝和三维电极-电Fenton组合工艺

2.4 主要指标的分析方法

2.4.1 COD的测定

2.4.2 氨氮的测定

2.4.3 色度的测定

2.4.4 TOC的测定

2.4.5 BOD5的测定

2.4.6 pH值的测定

2.4.7 紫外-可见(UV-VIS)扫描光谱的测定

2.4.8 垃圾渗滤液中有机物的GC—MS分析

2.4.9 垃圾渗滤液中金属元素的ICP-MS分析

2.5 参数计算

2.5.1 COD、氨氮和色度去除率

2.5.2 电流效率(η)

第三章 DSA阳极三维电极-电Fenton体系处理垃圾渗滤液的研究

3.1 粒子电极的选择与优化

3.1.1 粒子电极的选择

3.1.2 涂膜炭的制备

3.1.3 涂膜炭填充率对处理效果的影响

3.1.4 床体填料量对处理效果的影响

3.1.5 二维电解体系与三维电解体系处理效果对比

3.2 DSA阳极电解体系处理垃圾渗滤液的影响因素

3.2.1 极板间距对处理效果的影响

3.2.2 电流密度对处理效果的影响

3.2.3 曝气量对处理效果的影响

3.2.4 Fe(Ⅱ)投加量对处理效果的影响

3.2.5 初始pH对处理效果的影响

3.2.6 Cl-浓度对处理效果的影响

3.2.7 电解时间对处理效果的影响

3.3 DSA阳极电解体系对垃圾渗滤液的处理效果

3.4 DSA阳极电解体系处理垃圾渗滤液的反应机理初探

3.4.1 直接氧化

3.4.2 间接氧化

3.5 本章小结

第四章 铁阳极三维电极-电Fenton体系处理垃圾渗滤液的研究

4.1 铁阳极电解体系处理垃圾渗滤液的影响因素

4.1.1 极板间距对处理效果的影响

4.1.2 电流密度对处理效果的影响

4.1.3 曝气量对处理效果的影响

4.1.4 初始pH对处理效果的影响

4.1.5 Cl-浓度对处理效果的影响

4.1.6 电解时间对处理效果的影响

4.2 铁阳极电解体系对垃圾渗滤液的处理效果

4.3 铁阳极电解体系处理垃圾渗滤液的反应机理初探

4.3.1 电化学氧化

4.3.2 电絮凝

4.3.3 气浮

4.4 本章小结

第五章 DSA阳极和铁阳极电解体系处理垃圾渗滤液的效果对比

5.1 COD去除效果对比

5.2 氨氮去除效果对比

5.3 色度去除效果对比

5.4 电解出水可生化性对比

5.5 紫外-可见吸收光谱对比

5.6 最佳电解体系的确定

5.7 电解体系的稳定性试验

5.8 本章小结

第六章 三维电极-电Fenton法降解有机物的动力学模型

6.1 三维电极-电Fenton体系中的粒子电极

6.2 三维电极-电Fenton法降解有机物的动力学模型

6.2.1 反应级数的确定

6.2.2 电流密度对反应速率的影响

6.2.3 曝气量对反应速率的影响

6.2.4 Fe(Ⅱ)投加量对反应速率的影响

6.2.5 初始pH对反应速率的影响

6.2.6 k值经验公式的求算

6.2.7 动力学模型的建立

6.2.8 动力学模型的验证

6.3 本章小结

第七章 混凝和三维电极-电Fenton法联合处理垃圾渗滤液

7.1 混凝法预处理垃圾渗滤液

7.1.1 混凝剂的筛选

7.1.2 助凝剂投加量对混凝效果的影响

7.1.3 水温对混凝效果的影响

7.1.4 混凝水力条件的优化

7.1.5 沉淀时间对混凝效果的影响

7.1.6 最佳混凝条件下的处理效果

7.2 三维电极-电Fenton法处理混凝出水

7.3 组合工艺对垃圾渗滤液的处理效果

7.3.1 对垃圾渗滤液中污染物的去除效果

7.3.2 对垃圾渗滤液中有机物的去除效果

7.3.3 对垃圾渗滤液中金属元素的去除效果

7.4 组合工艺处理垃圾渗滤液的可行性和经济性分析

7.4.1 组合工艺处理垃圾渗滤液的可行性分析

7.4.2 组合工艺处理垃圾渗滤液的经济性初步分析

7.5 本章小结

第八章 研究结论与建议

8.1 研究结论

8.2 主要创新点

8.3 工作建议

参考文献

致 谢

个人简历及攻读博士期间发表的论文