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臭氧能否降解垃圾中转站渗滤液中有机污染物呢

点击数:872      更新时间:2022-09-19

1 引言(Introduction)

我国每年产生农村生活垃圾约1.1亿t, 其中0.7亿t未做任何处理(人民日报, 2014).随着我国农村经济的不断发展, 农村地区生活垃圾带来的环境污染问题日益严重.为有效解决“垃圾围村”的现象, 我国农村生活垃圾处理主要采用“村收集、镇运输、县处理”的模式(国务院办公厅, 2014).受县生活垃圾收运体系不健全和配套环卫设施不足等因素的限制, 部分农村生活垃圾会在镇垃圾中转站滞留几天到数月不等, 在此过程中垃圾必然会发酵产生渗滤液, 由于没有恰当的污染控制措施, 该渗滤液常通过下渗至土壤或随地表径流的方式进入河流进行消纳, 此类高浓度有机废水已然成为农村环境的“潜在污染源”.加之农村生活垃圾分类和管理不严, 将农药包装物、卫生站医疗废物等危险废弃物混入生活垃圾的情况时有发生.与填埋场渗滤液相比, 村镇渗滤液具有分散、量小的特点, 而水质却具有成分复杂且随季节变化的特点.由于村镇渗滤液包含了有毒有害的有机污染物, 因此, 其中难降解有机物的降解是村镇垃圾渗滤液污染控制的关键(张爱平, 2008).


垃圾渗滤液的处理方法较为多样, 主要有混凝沉淀法、吸附法、膜分离法、高级氧化法等.混凝沉淀法(夏鹏飞等, 2011)虽然成本较低, 能去除渗滤液中大量有机污染物, 但常伴有大量的化学污泥产生.吸附法(刘淑波, 2014)适用于水质变化较大的废水, 并且对各类污染物均有较好的去除效果, 但由于该法成本较高, 因而常作为垃圾渗滤液的深度处理方式.膜分离法(罗丹等, 2015)能较好地分离渗滤液中各类污染物, 但存在后期运行成本高和膜污染的问题.高级氧化法主要包括臭氧氧化法(郑可, 2012)、湿式氧化法(蔡先明等, 2016)和光催化氧化法(许俊鸽等, 2015)等.由于臭氧氧化法具有操作灵活、氧化性强等特点, 在难降解有机废水的处理领域具有广阔的应用前景.近年来, 以臭氧为代表的高级氧化技术已经成为国内外废水处理研究领域中的焦点课题, 以臭氧氧化法为基础兴起的O3/H2O2、O3/UV、O3/H2O2/UV等协同氧化技术极大地拓展了臭氧氧化技术在水处理领域的应用(Oh et al., 2013), 其特点为产生的自由基种类更为繁多、活跃, 能有效提高臭氧的利用率和有机污染物的去除率.


鉴于此, 本研究分别采用单独O3技术、O3/H2O2技术对某镇中转站渗滤液进行预氧化, 首先考察反应时间、臭氧投量、初始pH值、反应温度、双氧水投量等因素对渗滤液中CODCr和色度CN去除的影响.在此基础上, 利用离子色谱、紫外-可见光谱、三维荧光光谱解析该渗滤液中有机污染物降解的过程和原理.


2 材料与方法(Materials and methods)

2.1 实验用渗滤液水样

本实验用水取自成都周边某镇垃圾中转站, 经过课题组多次实地考察该中转站垃圾渗滤液水质水量特性, 发现该中转站渗滤液经收集后未经妥善处理而直接排放至附近河沟.通过实际测算其夏季产量约为0.4 m3·d-1, 而冬季产量约为0.2 m3·d-1, 表观颜色为淡黑色, 有恶臭, 碳氮磷比失调, 还含有一定质量的重金属.由后续三维荧光图谱可知, 实验用水样中含有相对稳定、高分子量的芳香类可见区富里酸, 说明该村镇生活垃圾滞留了较长的时间, 导致样品BOD5/CODCr值较早期渗滤液低.本文实验水样为污染负荷较高的冬季水样, 该垃圾中转站渗滤液的水质特性见表 1.

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2.2 实验装置与方法

试验装置包括纯氧钢瓶(纯度为99.999%)、转子流量计、臭氧发生器、柱状反应器、臭氧浓度分析仪和臭氧破坏器.其中, 柱状反应器的材质为有机玻璃, 在底部采用微孔石英砂芯曝气头进气.


取250 mL水样于500 mL烧杯中, 加入设定剂量的药品后调节pH值, 然后将水样移至柱状反应器中, 通过调节纯氧流量后控制电压调控臭氧投量, 待上述设置完毕后开始计时.反应结束后, 为消除残余H2O2对测试分析的影响, 将样品移至500 mL烧杯中, 调节pH至8.0, 在50 ℃的水浴锅中低速(200 r·min-1)搅拌2.5 h, 取上层清液作测试分析.


2.3 实验仪器和试剂

仪器:电感耦合等离子体发射光谱仪(Agilent 720)、三维荧光光谱仪(HORIBA Aqualog-UV-800C)、紫外-可见光分光光度计(Perkin-Elmer Lambda 950)、离子色谱仪(DIONEX ICS-1100)、多参数水质分析仪(哈纳HI6828)、分析天平(Sartorius BS 124 S)、微波快速CODCr测定仪(APLMD-6型)、酸度计(成都方舟pHS-3C+)、转子流量计(常州双环LZB-3WB).


试剂:浓硫酸、硫酸亚铁铵、邻菲啰啉、重铬酸钾、氢氧化钠、盐酸、硫酸汞、硫酸银等试剂均为分析纯(成都科龙有限公司).


2.4 分析方法

水质常规指标的分析方法参照《水和废水监测分析方法(第4版)》, 其中, pH值采用玻璃电极法测定, CODCr采用重铬酸钾法测定, BOD5采用稀释与接种法测定, 碳酸根与碳酸氢根采用离子色谱法测定, 重金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱法测定.

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色度的表征采用CN, 具体计算见式(1)(郑可, 2012), 其中, A436、A525、A620分别表示在436、525和620 nm波长处的吸光度值;紫外-可见吸收光谱采用紫外-可见光谱仪测定, 三维荧光光谱采用三维荧光光谱仪测定.


3 结论(Conclusions)

1)对于单独O3体系, 较长的反应时间、较高的臭氧投量、较高的反应温度有利于村镇垃圾中转站渗滤液中有机污染物的降解, 而初始pH值对其中有机污染物的降解影响不大.在反应时间为20 min、臭氧投量为1.24 g·h-1、初始pH值为7.00、反应温度为25 ℃时, 渗滤液中色度和CODCr的去除率分别为83.57%、61.53%.在反应时间达到60 min时, 渗滤液BOD5/CODCr值可由0.236提升至0.561.


2)对于O3/H2O2体系, 较高的双氧水投量有利于渗滤液中有机污染物的降解.在投加1 mL·L-1的双氧水样品中, 其色度、CODCr较单独臭氧处理分别提高了4.88%、14.23%, 这是因为双氧水能促使臭氧产生更多的羟基自由基, 且渗滤液中含有的铁离子或腐殖酸铁络合物可与双氧水形成芬顿反应, 其药剂成本仅为7.37元·m-3左右.


3) O3/H2O2氧化体系预处理村镇中转站垃圾渗滤液具有一定的技术可行性和经济可行性.臭氧处理体系的技术特点为可以极大程度地降低村镇中转站垃圾渗滤液中有机物的芳香性程度和腐殖化程度, 降低渗滤液分子缩合度和分子量, 而双氧水的添加则可在一定程度上强化臭氧氧化的作用.


4)针对废水中残留的氨氮和小分子有机污染物, 建议后续在对臭氧处理垃圾渗滤液的基础上筛选水生植物与微生物, 采用在农村近年较为推崇的人工湿地技术进行净化, 还可探究渗滤液臭氧化尾水与生活灰水的很优混合比例及特征污染物在社区式人工湿地中的迁移转化行为.


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