脉冲电晕自由基簇射技术处理垃圾渗滤液的实验研究

陈江 章旭明 张晓

摘 要：垃圾渗滤液是一种成分非常复杂的高浓度有机废水，常规的处理方法很难适应其水质的变化情况， 开发新型的垃圾渗滤液处理方法成为近期科学界和工程界研究的热点。液相非平衡态低温等离子体技术，可有效提高液电等离子体的能量转化效率，在低能耗运行状态下，能够有效提高垃圾渗滤液的可生化性，有利于垃圾渗滤液的后续处理。

关 键 词：等离子技术；垃圾渗滤液；可生化性

中图分类号：TQ 000 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1708-03

Abstract： Landfill leachate is a kind of waste water which is very difficult to treat. To develop new type of waste leachate treatment method is becoming a hot spot of recent scientific and engineering research. Through the experimental research， its demonstrated that the high voltage pulse discharge plasma technology can be used to pretreat leachate. After the pretreatment， its biochemical capability can be improved， which is benefit for subsequent treatment.

Key words： plasma； landfill leachate； bio-chemical capability

近年来，随着经济社会的迅速发展，城市居民生活垃圾产生量也随之增长，垃圾围城的现象备受关注。由于垃圾成分、资金、技术等多方面复杂因素，我国垃圾的处理仍以卫生填埋为主。当前，急剧增加的城市垃圾的产生和排放已成为制约地方经济发展的重要因素，对周边居民的生活环境也构成了潜在威胁[1]。如何经济有效地在垃圾填埋中防止污染，日益成为全社会关注，迫切需要解决的热点问题。

垃圾渗滤液是指城市生活垃圾处理过程中进入垃圾填埋场的雨水和雪水等液体经历垃圾层和覆土层而形成的一种高浓度污水[2]。垃圾渗滤液一般包含以下特点：BOD和COD含量高、重金属浓度高、氨氮含量高，微生物营养元素比例失调。如不妥善处理，会对周围的环境、水体和土壤造成严重污染。近年来发展的液相非平衡态低温等离子体技术，是一种复合型的高级氧化技术[3]。利用高压交流、直流或脉冲放电过程中产生的温度场、电场、能量场等综合效应，产生各种对污染物具有强氧化作用的高能电子、活性自由基及紫外光等，可迅速而无选择性地将垃圾渗滤液中的有机物降解为分子量更小、毒性更低的有机物甚至将其无机化，其运行过程中无需外加高温、高压等苛刻条件，是一种全新、高效、低能耗的处理难降解有机废水技术。

1 实验部分

1.1 水质分析

试验用垃圾渗滤液取自杭州天子岭垃圾填埋场，用塑料瓶密封后运回实验室，在使用和分析前储存在4 ℃的恒温箱中。水质指标见表1。

水质分析采用标准方法，具体见表2。

1.2 实验装置

该装置包括等离子体电源和等离子体反应器，同时该净化装置还包括等离子体高压电极和强化曝气系统，所述强化曝气系统包括鼓风机和空气导管，所述空气导管与鼓风机和等离子体反应器依次连接（图1）。

参照图1，垃圾渗滤液的前处理高级氧化装置主要包括等离子体电源（1）和等离子体反应器（3），其特征在于：该净化装置还包括等离子体高压电极（2）和强化曝气系统（4），所述强化曝气系统（4）包括鼓风机（5）和空气导管（6），所述空气导管（6）与鼓风机（5）和等离子体反应器（3）依次连接。

等离子体反应器是一密闭绝缘反应器，由塑料制成，内壁经特殊处理，以保证不粘附水膜而导电。反应器内有多组不锈钢材料制成的电极，电极间距约为10cm。等离子体高压电极与垃圾渗滤液面相互分离。等离子体电源为高压脉冲电源，等离子体电源为峰值电压在1～±120 kV、脉宽在0.005～900 μs、频率在1～2 000 Hz的正负脉冲高压电源或频率在1 Hz～10 MHz的交流高壓电源，等离子体高压电极为线状或针状高压电极。在强化曝气系统（4）的参与下，气、液相可同时进行放电。采用等离子体与曝气工艺相结合的方式，使得气、液相可同时进行放电。

1.3 实验方案

实验主要通过控制等离子体系统参数、垃圾渗滤液在等离子反应器中的停留时间，曝气强度等参数，对经过处理的垃圾渗滤液进行TP、BOD、COD、氨氮等常规数据的监测，分析不同条件下的处理效果。

2 结果与讨论

2.1 电极结构影响实验

量取10 mL垃圾渗滤液到反应器中，将高压针尖（用细的针）与液面的距离调到0.6 mm，改变针尖根数（1，3，5， 9）进行实验，考察不同电极数对垃圾渗滤液相关污染物指标的降解影响（图2）。

依据实验数据分析可知，经过等离子体及曝气处理后，氨氮去除效果比较一般，受外部因素影响较小，处理效率为50%～80%。BOD变化相对平稳，但是实验数据受外界因素影响比较大，处理效果达到实验假设效果。COD去除率受电极结构影响较大，甚至有COD增长的情况，分析是强氧化自由基的断链、裂解作用[4]，但是总体处理效果达到了70%～85%，相对比较理想。经过处理，垃圾渗滤液的可生化性BOD/COD比值大部分达到>0.5，此外等离子体结合曝气技术对于去除部分水样中的色度有较好的效果。

2.2 放电数对COD影响实验

图3为COD与放电次数的关系曲线。从图中可见，COD变化曲线先是有小幅度升高，紧接着处于下降阶段，这是由于实验中采用重铬酸钾法测定垃圾渗滤液中的COD，对于芳香烃如苯、甲苯等物质无法氧化。而且，经过等离子体放电处理后，渗滤液中多环芳烃有机物与等离子体如羟基自由基等发生作用，部分大分子有机化合物裂解为可化学氧化的小分子有机化合物，水样中的COD有所升高[5，6]。同时，放电到一定程度以后，放电所产生的自由基氧化作用、臭氧氧化、紫外光等多重降解效应叠加，使得渗滤液COD又逐步下降。

2.3 pH值对COD影响实验

为进一步了解低温等离子体放电次数对COD的影响，我们调节了水样的pH值，通过多次放电，考察垃圾渗滤液中COD的变化情况，实验数据经过分析，得出：不同pH值条件下，放电次数与COD的关系曲线见图4，不同pH值条件下，放电次数与COD去除率的关系曲线见图5。

从图中可以看出，在不同pH值的条件下，放电一次处理后，垃圾渗滤液的COD值均有所提高。特别是在pH值为9.92时，随着放电次数的增加，垃圾渗滤液中的COD呈现出大幅度的增长情况。通过分析可以这样认为：羟基自由基在弱碱性条件下其氧化性能较弱，不能完全发挥其断链作用[7]，而在碱性较强条件下，可以诱发表面化学反应，氢离子与·OH生成水合粒子·H2O，随着放电过程中电离产生强氧化性自由基·O、·OH、·OH2等与激发态分子、破碎基团及其他自由基等发生一系列等离子体化学反应[8]，生成更多的自由基。所以，在碱性较强情况下，经过多次放电，难降解有机物比较容易开环、断链，变成易化学氧化物质，垃圾渗滤液中的COD大幅度增加。

3 结 论

（1）在垃圾渗滤液处理中，单个电极的处理效率一般不太稳定，对于污水的处理效果呈现较大的变化，而多个电极总体去除效果好，处理效率也相对稳定。同时，垃圾渗滤液的处理效率会随着放电时间的延长而逐步提高，时间越长降解效果越好。

（2）水样经过多次放电后pH值略有上升，一次放电可使水样中的COD有所升高，多次放电可使水样中的COD值持续下降。

（3）在碱性较强情况下，经过多次放电，难降解有机物比较容易开环、断链，变成易化学氧化物质，垃圾渗滤液中的COD大幅度增加。对垃圾渗滤液进行适当稀释，有利于提高垃圾渗滤液中COD的处理效果。从实验数据可知，COD处理效果在40%～85%，总体处理效果较好，可生化性BOD/COD比值达到>0.5。

参考文献：

[1] 叶齐政，万辉，雷燕，等. 放电等离子体水处理技术中的若干问题[J]. 高电压技术，2003，29 （4）：32-35.

[2] 周爱姣，陶涛. 高压脉冲放电等离子体处理垃圾渗滤液[J]. 武汉城市建设学院学报，2001，18 （3 - 4）：44-47.

[3] Yan Keping. Application of Corona- Induced Non- thermal Plasma in Gas Cleaning [J]. Science &Technology Review， 2007， 5： 69-74.

[4] Lei L.C， Dai Q.Z. High Performance on the Degradation of Cationic Red X-GRL by Wet Electrocatalytic oxidation Process[J].Ind. Eng. Chem. Res.， 2007， 46：8951-8958

[5]Clements. J.S， Sato. M， Davis. R.H.. Preliminary investigation of Prebreakdown Phenomena and chemical reactions using a Pulsed high-voltage discharge in water[J]. IEEE. Trans. Ind. Appl.， 1987，23：224-235.

[6] Gyrmonpre. D. R， Fnniey. W. C， Clar. R. J. Hybrid gas liquid electrical discharge reactors for compound degradation[J]. Industry Enginnering Chemistry Research， 2004， 43： 1975-1989.

[7] Sun. B，Sato. M，Clemenst. J. s.Optical study of active species produced by a Pulsed streamer corona[J]. Journal of Electrostatics， 1997，39：189-202.

[8] 陳江，章旭明，刘建阳. 非热等离子体技术在难降解废水处理中的应用进展[J]. 当代化工，2012，41（6）：632-634.