臭氧高级氧化法处理垃圾渗滤液中难降解有机物的效能与机理

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近年来,随着城市化进程的加快和人民生活水平的不断提高,城市生活垃圾的产量不断增长,而在垃圾的处理过程中不可避免的会产生大量垃圾渗滤液,传统生物法无法完全去除垃圾渗滤液中如腐殖质一类的难降解有机物。鉴于腐殖质的种类较多,其不同类型的腐殖质分子结构存在显著区别,因而在臭氧体系的氧化效能、转化途径和降解机理等方面的差异较大。本文采用臭氧高级氧化法处理了填埋场垃圾渗滤液中几种不同类型的难降解有机物,并且解析难降解有机物在臭氧体系的氧化效能、转化途径和降解机理。主要研究内容和结论如下:(1)首先,将填埋场老龄和年轻垃圾渗滤液在臭氧体系进行了对比研究,老龄和年轻垃圾渗滤液在臭氧体系中有机物的去除效果差异较大,在反应时间为20 min时,老龄和年轻垃圾渗滤液COD、UV254和色度去除率分别为34.72%、58.82%、76.66%和57.32%、76.44%、84.81%。故相同反应条件下,年轻垃圾渗滤液中有机物的去除率远高于老龄垃圾渗滤液。这是由于年轻垃圾渗滤液中有机物分子结构较简单,然而老龄垃圾渗滤液中大分子有机物较多,分子结构和腐殖化程度更为复杂。但是,臭氧氧化体系能显著改善老龄垃圾渗滤液中有机物的分子结构,使得可生化性大幅提升。(2)考虑填埋场渗滤液浓缩液是一种典型的难降解有机废水,通过对其混凝预处理,重点考察了臭氧体系对垃圾渗滤液浓缩液中难聚凝有机废水的去除效能。在臭氧投量为0.5 L/min且反应时间为30min时,难聚凝有机废水COD、UV254和色度去除率分别为41.32%、68.82%和83.50%,并且矿化作用显著。与此同时,难聚凝废水中分子量在<1 kDa的有机物随臭氧投量的增加而逐渐升高,而>100 kDa的有机物去除明显,且B/C也随着臭氧投量的增加而升高。紫外-可见光谱表明随着投量的逐渐升高,难聚凝有机废水中有机物浓度、腐殖化程度和复杂化程度逐渐降低。同步荧光表明臭氧处理难聚凝有机物时,可以将有机物中蛋白质类和富里酸类物质同步去除,并且富里酸能够转化为类蛋白。因此,混凝-臭氧氧化法能去除渗滤液浓缩液中几乎所有的难降解有机物,为后续的生物法提供了可能。(3)由于腐殖质是一类混合物,组成十分复杂,且腐殖质在不同的pH值条件下其种类和溶解度均不相同。在统一渗滤液浓缩液初始pH值为8时,其有机物在臭氧体系的去除率表现为pH11>pH9>pH3>pH5>pH7的趋势。傅里叶红外光谱显示不同pH值条件下残留的腐殖质具有不同的分子结构,紫外可见和三维荧光光谱显示,尤其当体系pH逐渐升高时或降低时,溶解在废水的有机物具有更低的芳族缩聚度和较高的分子量使得去除效能升高。(4)研究了臭氧和臭氧/双氧水处理渗滤液浓缩液的效能和机理。随着时间的延长,单独臭氧与协同体系的臭氧利用均为下降的趋势,双氧水能通过强化产生羟基自由基提升臭氧利用率;各组随着反应时间的延长,其出水COD、UV254和CN去除率先升高后趋于平缓,由于臭氧与双氧水存在协同机制,出水B/C值提升至0.43,进水中溶解性有机物分子量M>100,50100,1050和310 kDa在臭氧的作用下所占的百分比例也有明显降低,而13 kDa和1<kDa所占的比例却大幅升高。臭氧使得废水中DOM逐渐降解,且腐殖质中官能团如Ar-O和O-H等结构减弱或完全消失,说明臭氧与腐殖质反应较为剧烈。芳香性构化程度、分子量和缩合度均逐渐降低,而添加一定浓度双氧水后,会提高臭氧对苯环类化合物的降解效果。渗滤液浓缩液中C1(Ex/Em/nm,263/422)为富里酸,组分C2[(245)323/392]源于芘及其烷基衍生物,组分C3[(248、312)359/466]为长波类腐殖质,其中C1和C3组分能较快的被臭氧降解,而C2组分的去除效果较C1和C3组分较差。(5)为了比较臭氧体系与芬顿体系的差异,构建了MW-Fe0/H2O2对渗滤液浓缩液进行处理。MW-Fe0/H2O2和臭氧/双氧水处理渗滤液浓缩液对可生化性的提升都有较良好的效果,都达到了0.3以上,有益于后续生物处理。MW-Fe0/H2O2的有机物去除效率更高,反应时间相对较短。但MW-Fe0/H2O2体系对有机物去除率更高,更有利于处理特种废水,但却会产生大量铁泥。其中,Ec-(臭氧-双氧水)为124.18kWh/m3,而Ec-(MW-Fe0/H2O2)为1287.42kWh/m3,故臭氧体系的能耗大幅低于类芬顿体系。因此,按照水质水量特征以及考虑实际因素,可因地制宜的选择方法对渗滤液中难降解有机污染物进行处理。
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