垃圾渗滤液中DOM组分的光催化处理研究

贾陈忠

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

刘 松

(荆州市环境监测中心站，湖北 荆州 434108)

垃圾渗滤液中DOM组分的光催化处理研究

贾陈忠

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

刘 松

(荆州市环境监测中心站，湖北 荆州 434108)

为防止光催化处理过程中渗滤液的二次污染，有必要深入探讨垃圾渗滤液中DOM不同组分的光催化转化机制。研究了UV-TiO2光催化氧化降解垃圾渗滤液过程中溶解性有机物(DOM)不同组分的含量变化。结果表明：在适宜条件下，UV-TiO2光催化氧化降解垃圾渗滤液的色度、COD和DOC的去除率分别可达97%、75%和60%；处理过程中，BOD5/CODCr持续升高，由垃圾原液的0.092提高到72h光催化处理液的近0.4，说明光催化氧化处理大大改善了渗滤液的可生化性。渗滤液中DOM组分比例依次为：HOA>HON>HIA>HIN>HOB>HIB；在72h处理液中依次为HIA>HOA>HIB>HIN>HON>HOB；除HIA外，DOM其他组分在处理过程中含量均明显下降，但各组分下降到20mg/L左右时，趋于稳定；HIA组分含量变化很小，说明HIA难以光催化降解，是制约光催化氧化效率提高的主要因素。

光催化；垃圾渗滤液；溶解性有机物；组分

图1 三相悬浮光催化氧化反应器

垃圾渗滤液是含有多种污染物的高浓度有机废水，其中最活跃的成分是溶解性有机物(Dissolved organic matter, DOM)，约占渗滤液总有机物的85%左右[1-2]。由于DOM包含了一系列化学性质各异的化合物，预先分离和浓缩收集DOM不同组分，可以更好地表征DOM的结构特征。DOM组分的传统分组方法是以其极性和亲水性差异为基础的树脂吸附分离法[3]。另外，DOM包括腐殖质、腐殖酸、芳香族等，传统污水处理工艺难以完全降解有机物，而传统的生物处理方法的效果也不好。因此，亟待开发更加高效的渗滤液处理技术。在适宜条件下，UV-TiO2光催化氧化技术几乎能将所有类型的有机污染物矿化为CO2、H2O以及其他简单低分子物质，是一种具有广阔发展前景的污染物治理技术[4-5]。目前该技术的研究大多数集中于实验室模拟研究，直接应用于实际废水特别是垃圾渗滤液处理研究的较少，对于渗滤液的处理也仅仅局限于有机物的总量指标COD(化学需氧量)、TOC(总有机碳含量)和色度的考察上，而对于光催化氧化处理过程中渗滤液DOM不同组分变化规律的研究尚未见报道。为此，笔者以武汉市二妃山垃圾卫生填埋场渗滤液为对象，研究了UV-TiO2悬浆体系光催化处理垃圾渗滤液过程中DOM不同组分的含量变化特征。

1 材料与方法

1.1 废水来源

垃圾渗滤液取自武汉二妃山垃圾卫生填埋场，水样用4L的棕色玻璃瓶密封运回实验室，在4℃条件下保存。

1.2 试验方法

1)光催化氧化处理试验 准确移取800ml垃圾原液于1L的烧杯中，调节pH=4.0，加入1600mg纳米TiO2(2g/L)，避光超声震荡30min后，立即转移到自制光催化氧化反应器中(见图1)。开启光源(15W低压汞灯，λ=254nm)和曝气装置，调节曝气量为120L/h，开始计时，进行光催化处理；每隔适当时间取样，4℃保存备用。

2)样品DOM不同组分的分离 样品经0.45μm滤膜过滤后，根据文献[6]分离提取DOM的6种不同组分，即疏水性碱(HOB)、疏水性酸(HOA)、疏水中性(HON)、亲水性碱(HIB)、亲水性酸(HIA)和亲水中性(HIN)。

3)渗滤液DOM及其不同组分的含量分析 样品经0.45μm滤膜过滤后，采用总有机碳/总氮分析仪(TOC/TNB)(Liquitoc，德国)测定滤液中的水溶性有机碳(DOC)含量，即为其DOM含量。渗滤液和各光催化处理液DOM，以及HOB、HOA、HIB、HIA、HIN的5种组分的含量由测定所得，HON组分由公式：

HON=DOC-HOB-HOA-HIB-HIA-HIN

计算所得。

2 结果与讨论

2.1 垃圾渗滤液基本理化性质

武汉二妃山垃圾渗滤液基本理化性质如表1所示。由表1可以看出，二妃山垃圾渗滤液的TDS(溶解性总固体)高达10856mg/L，而SS(总悬浮物)仅为164mg/L，说明渗滤液污染物主要由溶解性物质(包括溶解性无机物和有机物)组成。渗滤液DOC高达930mg/L，超过渗滤液TOC总量的90%，颗粒态有机物(POM)的含量仅为74mg/L，说明溶解性有机物是垃圾渗滤液有机物的主要组成。一般而言，垃圾渗滤液水质受填埋时间、垃圾成分以及垃圾分解程度的影响较大，填埋场各阶段垃圾分解形态与水质都会发生变化[7-8]。由于二妃山垃圾填埋场建厂较早，其垃圾渗滤液具有如下特点：CODCr浓度不高且较稳定，DOM含量高；BOD5/CODCr仅为0.092(BOD为生化需氧量；BOD5为五日生化需氧量)，可生化性极差；营养不均衡，尤其是磷含量低，偏碱性，且氨氮含量和色度都很高。

表1 二妃山垃圾渗滤液基本理化性质

图2 垃圾渗滤液DOM不同组分的含量分布

2.2 垃圾渗滤液DOM组分的含量分布

垃圾渗滤液DOM不同组分含量分布如图2所示。由图2可知，渗滤液DOM不同组分的比例依次为HOA>HON>HIA>HIN>HOB>HIB，其中HOA、HON、HIA和HIN是垃圾渗滤液DOM的主要组成；HIB与HOB的含量较低。这与文献[9-10]所研究的水样DOM各组分DOC的顺序基本一致。另外，渗滤液DOM疏水性组分的含量接近60%，高于亲水性组分。一般认为，随着填埋时间的延长，渗滤液中腐殖质所占比例会提高，而亲水性物质会逐渐减少[11-12]，说明二妃山填埋场渗滤液的成分已趋于稳定。

2.3 处理液COD、DOC和色度的变化

图3所示为光催化处理过程中渗滤液色度、COD和DOC的变化曲线。由于DOM是垃圾渗滤液有机物的主要组成，占渗滤液总有机物的90%以上，因而光催化氧化的降解效率受渗滤液DOM降解效率的控制。从图3可以看出，随着处理时间的延长，色度、COD和DOC的去除率有明显上升趋势：处理前期，以上3种指标的去除率急剧增加；处理60h后，各指标去除率趋于稳定，反应速率下降；处理72h后，色度、DOC和COD的去除率分别高达97%、75%和60%。因此，光催化氧化对垃圾渗滤液具有较好降解效果，而且其脱色效率远快于DOC降解速率，由此推断在降解过程中有无色有机中间产物生成。这与王怡中等[13]研究染料的太阳光催化氧化降解的结论一致。一般认为，垃圾渗滤液中的色度主要来自于腐殖酸和偶氮化合物，说明这部分有机物在光催化处理过程中发生了明显光催化转化。

2.4 光催化氧化对渗滤液可生化性的影响

光催化氧化能够使带有苯环、羟基、—COOH、—SO3、—NO2等取代基的有机化合物分解，从而提高废水的可生化性，降低废水的毒性。图4所示是光催化处理过程中BOD5和BOD5/CODCr的变化情况。从图4可以看出，处理前期，BOD5上升较快，36h时达到最高，超过400mg/L，其后开始缓慢降低，72h时约降低为360mg/L。这是由于在光催化处理前期，渗滤液中的有机物中含有较多复杂结构的大分子难降解有机物，通过光催化处理转化为易于生物降解的小分子有机物，使其可生化性大大提高，而在处理后期，随着难降解有机物浓度的降低和小分子有机物的增加，处理液中有机物的种类发生了较大变化，某些新生成的BOD物质也开始发生光催化降解，导致BOD5增加趋于平缓，并转向降低的趋势。值得注意的是渗滤液的初始BOD5/CODCr仅为0.092，其可生化性极差，而在整个光催化处理过程中，BOD5/CODCr一直上升，72h时达到近0.4，说明光催化处理大大提高了渗滤液的可生化性。

图3 COD、DOC和色度的去除率 图4 光催化处理中BOD5和BOD5/CODCr变化

2.5 光催化处理过程中DOM组分的含量变化

图5 光催化处理过程中不同组分的含量变化

图5所示是不同时间光催化液中DOM的6种组分的含量变化情况。整体上看，DOM各组分除HIA外，在光催化处理过程中均呈下降趋势，但下降到20mg/L以下后，变化减小，趋于稳定。说明光催化氧化能有效作用于渗滤液DOM中的绝大部分物质，但对DOM不同组分作用效率的差异较大。值得注意的是在整个处理过程中，HIA组分的变化很小，说明光催化氧化对HIA组分的作用不明显，其原因如下：光催化氧化对HIA组分的降解作用本身就不显著；由于HIA在降解的同时又通过其他组分的光催化转化得到补充。可见，HIA组分比较稳定，难以光催化降解，是制约光催化氧化处理效率提高的主要组分。另外，光催化氧化作用对疏水性和亲水性组分没有明显差异。

3 结 论

1)UV-TiO2光催化氧化对垃圾渗滤液具有较好降解效果，处理60h时，色度、TOC和COD的去除率分别高达97%、72%和60%；说明垃圾渗滤液中主要色度物质腐殖酸和偶氮化合物发生了明显光催化降解。

2)渗滤液的初始BOD5/CODCr仅为0.092，其可生化性极差光催化处理过程中，BOD5/CODCr一直上升，72h时达到近0.4，说明光催化处理大大提高了渗滤液的可生化性。

3)光催化氧化对渗滤液的DOM中的绝大部分物质具有较明显降解效果，但对DOM不同组分的作用效率和规律差异较大，并且光催化氧化对HIA组分的降解并不明显。可见，HIA组分比较稳定，难以光催化降解，是制约光催化氧化处理效率提高的主要组分。

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[13]王怡中.二氧化钛悬浆体系中8种染料的太阳光催化氧化降解[J].催化学报，2000,21(4):327-331.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.007

X784

A

1673-1409(2012)10-N019-03