提高降解垃圾渗滤液的方法

北极星环保网讯:

1. 垃圾渗滤液是一种含有大量病原微生物和有毒有害物质的高浓度有机废水，对环境危害较大.目前国内垃圾渗滤液主要采用生化加膜过滤来处理，但渗滤液中大量生物难降解的有机污染物以及高浓度氨氮对生物处理系统有较大的冲击和抑制作用，且膜过滤后的浓缩液仍是处理难点.因此，在生化处理前通常采用物化法，如混凝沉淀、活性炭吸附、化学氧化等对垃圾渗滤液进行预处理.高级氧化技术(Advanced oxidation  technologies，AOTs)作为水处理领域的重要技术手段，已得到人们的广泛关注.大量研究证实，AOTs的机理在于具有强氧化性的羟基自由基(˙OH)的产生.大部分AOTs将强氧化剂(如O3，O2或H2O2等)与催化剂(如过渡金属，铁或半导体粉末等)联合使用.近几十年来，光催化氧化技术作为一种极具应用前景的水处理方法，成为环境领域的研究热点.典型的光催化氧化技术包括O3/UV，H2O2/UV，O3/H2O2/UV，H2O2/Fe2+，TiO2/UV，ZnO/UV等.研究表明，TiO2具有合适的能带结构、价格低廉、光催化性能好等优点，成为人们的研究热点.除˙OH外，过硫酸盐在热解、光解、辐射以及过渡金属活化等条件下也可产生具有强氧化性的˙SO42-，两种自由基最终将有机污染物降解为无机产物.Lopeza、Rivas和Zhang的研究表明，利用H2O2与Fe2+发生的Fenton反应可产生大量˙OH，有效降低垃圾渗滤液中的有机污染物.若将传统Fenton反应置于紫外光照射条件下，紫外光的催化作用促使反应体系产生更多的˙OH，污染物去除效果更佳.尽管光催化均相Fenton反应可高效去除难降解有机污染物，但均相体系对pH要求较高，且反应后生成的含铁沉积物造成二次污染，同时在一定程度上影响出水色度.因此，光催化异相Fenton反应逐渐受到人们的关注，其中黄铵铁矾、β-FeOOH为研究热点.

虽然光催化氧化技术在环境领域的相关研究已有了大量报道，但以往的研究均为单一催化剂对污染物的去除效果，并未系统对比不同催化剂的处理效果.本文选取3种常规催化剂(TiO2、K2S2O8和Fenton试剂)，同时引入新型环境材料——施氏矿物(Schwertmannite)，比较了均相和异相光催化的效果差异，旨在选取垃圾渗滤液最佳光催化剂或催化剂组合，为今后光催化技术在垃圾渗滤液处理中的应用提供了相关理论依据.

2 材料与方法

2.1 供试材料

渗滤液取自南京市轿子山生活垃圾填埋场，样品采用Avanti J-E型高速冷冻离心机(10000 r˙min-1，10  min)去除悬浮性颗粒，并及时测定基本指标(见表 1)，然后保存于4 ℃冰箱中待用.

表 1 供试垃圾渗滤液基本性质

2.2 光催化试验

本试验探究了6种催化剂光化学降解垃圾渗滤液的最佳装载量，并对最佳装载条件下污染物降解效果进行对比研究.6种光催化剂分别为TiO2、K2S2O8、K2S2O8/Fe2+、施氏矿物、施氏矿物/H2O2、Fe2+/  H2O2.

具体试验方法：取若干有效容积约50  mL的石英反应管，分别放入一枚磁力搅拌子，并按试验梯度添加相应的光催化剂(固态)，然后加入预先调好pH=2.5的垃圾渗滤液25  mL，根据试验需要选择性添加H2O2，最后将石英反应管放置于XPA-Ⅱ型光化学反应器中，开启磁力搅拌，在500 W汞灯照射下，25 ℃恒温反应2.5  h.待反应结束后，用滤纸过滤并收集滤液测定色度，用10 mol˙L-1 NaOH或1 mol˙L-1  H2SO4将滤液pH调至7.0左右测定氨氮，调至初始值8.5后测定TOC和COD.每个试验设置3个重复.

各催化剂装载量设置梯度如下：①TiO2：0、2、4、8、12、16、20 g˙L-1;②K2S2O8：0、2、4、8、12、16、20  g˙L-1;③K2S2O8/Fe2+：0、2、4、8、12、16、20 g˙L-1 K2S2O8，其中M(K2S2O8)/  M(Fe2+)=1.5;④施氏矿物：0、2、4、8、12、16、20 g˙L-1;⑤施氏矿物/H2O2：0、2、4、8、12、16、20 g˙L-1  施氏矿物，其中m(施氏矿物)/V(H2O2)= 1 g˙mL-1;⑥Fe2+/ H2O2：0、0.005、0.01、0.025、0.05、0.10、0.20  mol˙L-1 Fe2+，其中M(H2O2)/  M(Fe2+)=1.5.上述Fe2+均以FeSO4˙7H2O形式投加.其中，试验设置⑥中，FeSO4˙7H2O的装载量按本试验化学合成施氏矿物(Fe8O8(OH)4.98(SO4)1.92)中Fe元素的质量百分比进行换算，确定FeSO4˙7H2O装载量约为31.44  g˙L-1.为考察紫外光对渗滤液中污染物的降解能力，各试验中均设置不添加任何催化剂的空白试验.

2.3 测定方法

分别使用精密pH计(FE20型，METTLER TOLEDO，Switzerland)和电导率仪(FE30型，METTLER  TOLEDO，Switzerland)测定pH和电导率;色度采用稀释法测定;COD采用重铬酸钾-分光光度法测定;使用总有机碳/总氮分析仪(multi N/C  3100型，Analytik  Jena，Germany)测定TOC含量;氨氮、菌落总数以及总大肠菌群和粪大肠菌群分别采用滴定法、平皿计数法和多管发酵法测定.

3 结果与讨论

3.1 TiO2光催化处理垃圾渗滤液的效果

TiO2多相光催化能有效降解多种对环境有害的污染物，使有害物质矿化为CO2、H2O及其它无机小分子物质，贾陈忠等研究发现，TiO2/UV光催化氧化对垃圾渗滤液具有较好的降解效果.TiO2光催化反应过程主要包括以下几个方面：TiO2粒子被光照后，若所受能量大于或等于禁带宽度，价带上的电子便被光子激发，进而发生跃迁到达导带，此时价带上产生空穴，TiO2内部产生电子-空穴对(e--h+);其中，e-具有强还原性，可诱发还原反应，h+则具有强氧化性，可氧化TiO2表面的H2O和OH-，生成另一种强氧化剂羟基自由基(˙OH)，该自由基可将TiO2表面的有机物氧化分解，亦可进入液相中，将液相中的有机物质完全氧化为CO2.

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