Fe3O4/Na2S2O8体系处理垃圾渗滤液生化尾水的实验研究

张琪，占鹏，，聂发辉，胡松，刘占孟

（1.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013；2.江西水利职业学院，江西南昌330013）

Fe3O4/Na2S2O8体系处理垃圾渗滤液生化尾水的实验研究

张琪1，占鹏1，2，聂发辉1，胡松2，刘占孟1

（1.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013；2.江西水利职业学院，江西南昌330013）

采用Fe3O4/Na2S2O8体系催化氧化处理垃圾渗滤液生化尾水，研究了Na2S2O8与Fe3O4投加量、pH、反应时间等因素对处理效果的影响。结果表明，在pH=3，m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，Fe3O4投加量为1.5 g/L，反应时间为24 h的条件下，COD与色度去除率分别为63%和100%。FTIR分析结果表明，Fe3O4/Na2S2O8体系的小分子有机物含量比未处理水样小分子有机物含量有所降低。

渗滤液生化尾水；Na2S2O8；Fe3O4；催化氧化

垃圾渗滤液是一种成分异常复杂并且具有毒性的高浓度液态污染物，被列入我国优先控制污染物的“黑名单”。生物法因具有运行费用低、处理效率较高、不会出现二次污染等优点在国内外废水处理中得到广泛应用。然而对于垃圾渗滤液这种高浓度、成分复杂的废水，仅仅依靠生物技术无法将其处理至达标排放，需进行深度处理。

基于过硫酸盐（PS）活化产生的硫酸根自由基（SO4-·）深度处理垃圾渗滤液，是国内外新近发展起来的垃圾渗滤液深度处理方法〔1〕。热、紫外光等活化方式可以实现过硫酸盐的活化，然而能耗高，不适合大规模应用〔2〕。过渡金属离子活化过硫酸盐无需能量，并且活化效率高，其中最引人瞩目的是Fe2+/过硫酸盐体系。但是，Fe2+活化过硫酸盐存在明显缺陷：（1）多余的Fe2+与发生竞争反应会消耗导致副反应多，体系的氧化效率及利用率不高；（2）Fe2+在水溶液中无法回收，造成处理成本升高。研究发现〔3〕，采用纳米Fe3O4活化过硫酸盐产生的SO4-·降解有机物相比采用Fe2+活化具有明显的优势：（1）由于Fe3O4具有磁性，在反应结束后易于磁选回收和重新利用，不会造成二次污染；（2）纳米Fe3O4表面对水中的有机物具有一定的吸附性能；（3）纳米Fe3O4中的Fe3+具有混凝效果，可使大分子有机物发生絮凝沉淀。

本研究采用Fe3O4/Na2S2O8体系处理垃圾渗滤液生化尾水，研究了Na2S2O8与Fe3O4投加量、pH、反应时间等因素对处理效果的影响，优化了相关工艺参数。该项研究对过硫酸盐活化技术在环境方面的应用具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 实验水样

实验所用水样为南昌市麦园垃圾渗滤液处理厂氧化沟-A/O工艺处理后的出水。水样颜色为黄褐色，无明显恶臭，其水质：COD 800～1 400mg/L，氨氮350～450mg/L，色度640～720倍，pH 6～7。

1.2 实验方法

取100mL废水水样置于250mL锥形瓶中，用NaOH或H2SO4调节废水初始pH，然后投加一定量的Na2S2O8和催化剂Fe3O4，在温度为30℃，转速为200 r/min的条件下反应一定时间。静置数小时后，取上清液进行分析。考虑Na2S2O8分子质量是O2分子质量的6倍，所以可用12倍的COD质量来表示Na2S2O8的用量。

1.3 分析方法

COD采用微波密闭快速消解法进行测定；色度采用稀释倍数法进行测定；采用IRPrestige傅立叶红外光谱仪进行红外光谱分析。

2 结果与讨论

2.1 氧化剂投加量对处理效果的影响

在Fe3O4投加量为1.5 g/L，反应时间为24 h的条件下，考察了Na2S2O8投加量对处理效果的影响，结果见图1。

图1 Na2S2O8投加量对处理效果的影响

由图1可以看出，随着Na2S2O8投加量的增加，COD去除率呈先增加后降低的变化趋势，当m∶12m（COD）=1.2时，COD去除率达到最高，为56.7%。采用Fe3O4/Na2S2O8催化氧化体系处理垃圾渗滤液生化尾水，纳米Fe3O4结构中的Fe2+将电子传递给溶液中的Na2S2O8使其活化生成，因此随着Na2S2O8投加量的增加，SO4-·的产生量也随之增多，COD去除率增加。但Na2S2O8投加量过大，产生的过量的会相互淬灭〔4-5〕，导致COD去除率降低。出于经济方面的考虑，当出水COD为700～1 300 mg/L，Fe3O4投加量为1.5 g/L时，m∶12m（COD）=1.2较为适宜。

随着Na2S2O8投加量的增加，色度去除率增大，当m∶12m（COD）=1.2时，色度去除率高达90%，继续增加Na2S2O8投加量，色度去除率的增速有所放缓。在Fe3O4/Na2S2O8体系中，Fe3O4中的Fe2+活化Na2S2O8产生的高活性的与有机物进行氧化反应，大分子有机物被氧化成小分子有机物，小分子有机物直接被碳化成CO2与H2O，此氧化过程使得色度大幅度降低。

2.2 Fe3O4投加量对处理效果的影响

图2 Fe3O4投加量对处理效果的影响

从图2可以看出，COD去除率随着Fe3O4投加量的增加先迅速升高而后降低，当Fe3O4投加量为1.5 g/L时，COD去除率达到最高，为55%。Fe3O4投加量过大，溶液中会产生大量的，大量的除了与有机物发生氧化反应外，还将与Fe3O4提供的过量的Fe2+发生氧化还原反应，且之间会发生反应而淬灭，导致COD去除率下降。过量的Fe3O4的投加不仅会使处理成本提高，还会恶化Fe3O4/Na2S2O8氧化体系。因此，工程应用中需针对废水水质合理控制Fe3O4投加量。

随着Fe3O4投加量的增加，色度去除率增大，当Fe3O4投加量为0.5 g/L时，色度去除率达81%。色度去除效果较好的主要原因可能是：一方面Fe3O4中的Fe2+活化Na2S2O8生成的SO4-·可较好地氧化有机物；另一方面Fe3O4中的Fe3+具有絮凝作用，使水体中大分子有机物发生絮凝沉淀，从而使色度大幅度降低。

2.3 pH对处理效果的影响

在m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，Fe3O4投加量为1.5 g/L，反应时间为24 h的条件下，考察了废水初始pH对处理效果的影响，结果见图3。

图3 pH对处理效果的影响

由图3可以看出，pH对处理效果具有显著影响〔6〕。随着pH的提高，COD与色度去除率显著降低，当pH=3时，COD与色度去除率分别为64%和100%。整体而言，酸性条件比碱性条件更加有利于氧化反应的进行。这是因为在酸性条件下，Fe3O4+ 8H+=4H2O+Fe2++2Fe3+，而Fe2+具有催化活化Na2S2O8产生的性能；而在碱性条件下Fe2+会生成Fe（OH）2沉淀，使Fe2+失去活化性能。综合考虑COD与色度去除率，确定最佳pH为3。

2.4 反应时间对处理效果的影响

从图4可以看出，随着反应时间的延长，COD去除率先快速增加而后增速减缓，当反应时间为18 h时，COD去除率达到51%。对于色度而言，随着反应时间的延长，色度去除率增大，当反应时间为24 h时，色度去除率为82%。

图4 反应时间对处理效果的影响

2.5 红外谱图分析

在400～4 000 cm-1范围内，采用溴化钾压片法对处理前后的渗滤液生化尾水进行了红外光谱扫描，结果如图5所示。水样处理条件：Fe3O4投加量为1.5 g/L，m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，反应时间为24 h，pH=3。

图5 水样处理前后红外光谱

由图5可知，处理前后水样体系在3 450 cm-1与1 635 cm-1附近均存在特征峰，说明处理前后的水样中均含有羟基与羧基。这主要是因为所处理水样中含有腐殖酸、富里酸类物质。相比处理前的水样，处理后水样在1 380 cm-1附近处的特征峰消失。这可能是由于水体中大量的蛋白质类等大分子有机物被氧化成小分子物质，而小分子物质直接碳化成CO2与H2O，且饱和烃基被裂解，生成稳定性更差以及相对分子质量更小的有机物。

3 结论

（1）采用Fe3O4活化过硫酸盐生成的高氧化还原电位的处理垃圾渗滤液生化尾水，当pH=3，m∶12m（COD）=1.2，Fe3O4投加量为1.5 g/L，反应时间为24 h时，COD和色度去除率分别达64%与100%。该体系对色度具有非常高的去除率，说明纳米Fe3O4不仅能够活化Na2S2O8产生高活性的SO4-·，而且具有絮凝和吸附作用。

（2）FTIR分析结果表明，Fe3O4/Na2S2O8催化氧化体系有利于水样中的小分子有机物碳化成CO2与H2O。

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Experimentalstudy on the treatm entof land fill leachate
biochem icaltailwaterby the Fe3O4/Na2S2O8system

Zhang Qi1，Zhan Peng1，2，Nie Fahui1，Hu Song2，Liu Zhanmeng1
（1.Schoolof Civil Engineering and Architecture，EastChina Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.JiangxiWater Resources Institute，Nanchang330013，China）

The Fe3O4/Na2S2O8system catalytic oxidation process has been used for treating landfill leachate biochemical tailwater.The influences of the factors，such as the dosages of Na2S2O8and Fe3O4，pH，reaction time，etc. on the treatmenteffects are studied.The results show thatwhen pH is 3，m（S2O82-）∶12m（COD）=1.2，Fe3O4dosage 1.5 g/L，and reaction time 24 h，the removing rates of COD and chroma are 63%and 100%，respectively.Fourier transform infrared（FTIR）spectroscopyanalyticalresultsshow that thecontentsofsmallmolecularorganic substances in Fe3O4/Na2S2O8system are obviously reduced，compared with that of smallmolecular organic substances in untreatedwater samples.

leachatebiochemical tailwater；Na2S2O8；Fe3O4；catalytic oxidation

X703.1

A

1005-829X（2016）06-0043-04

张琪（1970—），在读博士，讲师。电话：13870812012，E-mail：snyxzq@sina.com。

2016-03-07（修改稿）

国家自然科学基金项目（51168013，51468016）；江西省自然科学基金项目（20142BAB203027）；江西省科技支撑计划项目（20141BBG70003，20151BBG70020）