用于处理垃圾渗滤液的粒子电极电催化氧化装置及其方法与流程

本发明属于垃圾渗滤液处理装置领域，具体涉及一种用于处理垃圾渗滤液的粒子电极电催化氧化装置及其方法。

背景技术：

当前，我国村镇级别的垃圾中转站在垃圾的压缩、清洗等过程中产生了大量的垃圾渗滤液，这部分垃圾渗滤液内由于存在许多不同种类的有机酸与化学结构十分复杂的环烷烃类、芳香烃类化合物，可生化性相对较低，若无适当的防护措施，则可下渗至土壤或者因降雨进入径流中，严重威胁我国农村环境安全。

传统二维电化学可通过产生一系列强氧化活性基团氧化降解各类污染物并增强渗滤液的可生化性，对于上述难降解型污染物的降解表现尤为突出，但该方法存在污染物传质低、反应器面体比低、电流效率低等缺点，同时由于电极寿命短，限制了其对于上述垃圾渗滤液的实际应用价值。三维电极体系主要指的是在上述电化学的极板之间填充一些粒子电极形成的电催化氧化体系。这些粒子电极可在电场的作用下形成微电解单元，共同发挥着电催化氧化作用，从而提高污染物的传质效率、电极的有效反应面积与有效作用位点等，弥补上述传统二级电化学法的劣势。然而，目前三维电极体系的使用相对单一，如何适应高浓度垃圾渗滤液的处理需求，尚未给出明确的、效果较好的做法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何将粒子电极应用于垃圾渗滤液的处理中，并针对上述的现状而提出的一种用于处理垃圾渗滤液的粒子电极电催化氧化装置。

本发明具体采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种用于处理垃圾渗滤液的粒子电极电催化氧化装置，它包括电解槽、进水池、初沉池和出水池；所述的进水池通过带有第一水泵的管道连接初沉池，所述初沉池通过带有第二水泵的管道连接电解槽进水口，电解槽出水口通过带有第三水泵的管道连接出水池；所述的电解槽的两侧分别安插有一片第一电极板，两片第一电极板之间填充有第一粒子电极；两片第一电极板分别连接电源的正负极；电解槽的底部设有曝气装置，所述曝气装置与气泵出口连接。

第二方面，本发明提供了另一种用于处理垃圾渗滤液的粒子电极电催化氧化装置，它在第一方面的基础上，还包括后置电解槽和碱液池，前置的电解槽与后置电解槽串联，后置电解槽设置于前置的电解槽和出水池之间，电解槽出水口先通过带有第三水泵的管道连接至后置电解槽的进水口，后置电解槽的出水口再通过带有第三水泵的管道连接出水池；所述的后置电解槽的两侧分别安插有一片第二电极板，两片第二电极板之间填充有第二粒子电极；两片第二电极板分别连接电源的正负极；所述的碱液池通过带有第五水泵的碱液添加管道连接后置电解槽。

进一步的，所述的第一粒子电极和第二粒子电极的粒径为2～3mm。

进一步的，还包括纯水池，所述的纯水池通过带有第六水泵的纯水添加管道连接后置电解槽。

进一步的，所述的电源为直流稳压电源。

进一步的，上述两方面所提供的装置中，粒子电极的制备方法均可实现如下：

1)以椰壳活性炭颗粒作为粒子电极基体材料，将其浸没于koh溶液中，不断搅拌下水浴煮沸1～2h；

2)然后取出粒子电极基体材料，用去离子水在超声条件下洗至中性，干燥；

3)将干燥后的粒子电极基体材料浸没于含sbcl3、sncl4和十二烷基苯磺酸钠的乙醇溶液中，通过超声处理使sb、sn成分负载于粒子电极基体材料上；

4)最后将粒子电极基体材料取出，干燥后进行煅烧，冷却得到粒子电极。

再进一步的，所述的步骤1)中，koh溶液浓度为1mol/l；所述的步骤2)中，干燥温度为95℃，干燥时间为12h；所述的步骤3)中，乙醇溶液中的sbcl3、sncl4和十二烷基苯磺酸钠浓度分别为0.1mol/l、0.5mol/l和1.6g/l，超声处理时间为40min；所述的步骤4)中，干燥温度为80℃，干燥时间为12h，煅烧温度为450℃，煅烧时间为3h。

本发明的另一目的在于提供一种利用第一方面所述粒子电极电催化氧化装置处理垃圾渗滤液的方法，该方法用于处理酸性的垃圾渗滤液，方法的步骤如下：

s11：将待处理的垃圾渗滤液由进水池通过第一水泵泵入初沉池，并在初沉池中进行沉降除渣；

s12：将经过沉降除渣的垃圾渗滤液通过第二水泵泵入电解槽中，通过电源向两片第一电极板以及两片第一电极板之间的第一粒子电极施加电压，同时利用气泵对渗滤液进行持续曝气，对渗滤液中的污染物进行初次电催化氧化；

s13：待s12运行预定时间后，停止气泵的曝气，然后向电解槽内添加naoh调节电解槽内ph至碱性，继续通过电源向两片第一电极板以及两片第一电极板之间的第一粒子电极施加电压，对渗滤液中的污染物继续进行二次电催化氧化；

s14：待s13中的二次电催化氧化运行预定时间后，停止电源通电，通过第三水泵将处理后的渗滤液排至出水池；

s15：重复执行s11～s14，以序批式运行方式对渗滤液进行处理。

本发明的另一目的在于提供一种利用第二方面所述粒子电极电催化氧化装置处理垃圾渗滤液的方法，用于处理酸性的垃圾渗滤液，方法的步骤如下：

s11：将待处理的垃圾渗滤液由进水池通过第一水泵泵入初沉池，并在初沉池中进行沉降除渣；

s12：将经过沉降除渣的垃圾渗滤液通过第二水泵泵入电解槽中，通过电源向两片第一电极板以及两片第一电极板之间的第一粒子电极施加电压，同时利用气泵对渗滤液进行持续曝气，对渗滤液中的污染物进行初次电催化氧化；

s13：待s12运行预定时间后，将经过初次电催化氧化的渗滤液通过第四水泵泵入后置电解槽中，然后通过第五水泵将存储于碱液池中的naoh碱液，泵入后置电解槽中调节渗滤液ph至碱性，通过电源向两片第二电极板以及两片第二电极板之间的第二粒子电极施加电压，对渗滤液中的污染物继续进行二次电催化氧化；

s14：待s13中的二次电催化氧化运行预定时间后，停止电源通电，通过第三水泵将处理后的渗滤液排至出水池；

s15：不断向进水池进水，然后按照s11～s14以连续推流式的运行方式对渗滤液进行处理。

进一步的，上述两种处理方法中，在运行一定时间后，均需要对粒子电极进行再生处理；所述再生处理方法为：将粒子电极置于纯水中进行电解3h或者置于500℃下煅烧2h。对粒子电极进行再生，可降低粒子电极的使用成本。

进一步的，上述两种处理方法中，初次电催化氧化的最佳参数为：渗滤液初始ph为5，曝气量为1.5mg/l，外加电压为15v，外加0.15mol/l电解质；二次电催化氧化的最佳参数为：渗滤液初始ph为9，不曝气量，外加电压为15v，外加0.1mol/l电解质。

本发明相对于现有技术而言，具有如下有益效果：

1)本发明根据粒子电极的特性，设计了一种能够对垃圾渗滤液进行连续处理的装置，使得垃圾渗滤液能够在沉降除渣后输入电解槽中，在曝气调节下进行电催化氧化，使得难生化降解污染物被分解，提高了渗滤液的可生化性。该装置可以单独使用，也可以与其他的处理工艺进行联用。

2)本发明还可以根据渗滤液中cod和氨氮的降解特点，设计了两种电催化方法。对于只具有一个电解槽的装置，该电解槽可作为序批式反应器处理垃圾渗滤液，垃圾渗滤液流入电解槽后，在槽内依次曝气电解以及加碱电解两个阶段后排出；对于具有两级串联电解槽的装置，垃圾渗滤液在前置电解槽中完成曝气电解处理，在后置电解槽中完成加碱电解处理。由此，大大提高了渗滤液中cod和氨氮的同步降解能力。

3)本发明提供了一种具有再生能力的粒子电极制备方法，对粒子电极材料进行碱洗等预处理并通过浸没、煅烧等方式负载活性催化剂(sn-sb)，强化粒子电极的电催化氧化效果。而且本发明同时提出通过重新回炉煅烧或者放置于纯水电解两类方法对多次使用后的失效粒子电极进行再生，能够降低粒子电极的使用成本。

附图说明

图1为用于处理垃圾渗滤液的粒子电极电催化氧化装置示意图；

图2为图1中电解槽的放大示意图；

图3为不同粒子电极材料对cod和氨氮降解效果对比；

图4为电催化氧化过程中cod与氨氮去除率变化；

图5为不同温度下煅烧对污染物去除率的影响；

图6为不同电解时间对污染物去除率的影响；

图7为串联式电解垃圾渗滤液装置示意图；

图中附图标记：电解槽1、气泵2、第一粒子电极3、电源4、第一电极板5，垃圾渗滤液6、第一水泵7、第二水泵8、第三水泵9、进水池10、初沉池11、出水池12、后置电解槽13、第二电极板14、第二粒子电极15、第四水泵16、碱液池17、第五水泵18、纯水池19、第六水泵20。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

实施例1

如图1所示，本实施例中的一种用于处理垃圾渗滤液的粒子电极电催化氧化装置，包括电解槽1、进水池10、初沉池11和出水池12。

进水池10为用于存储待处理的垃圾中转站渗滤液的收集池或者存储罐，进水池10通过带有第一水泵7的管道连接初沉池11，在第一水泵7的驱动下可以将渗滤液转移至初沉池11中，渗滤液中的悬浮物可在初沉池11中逐渐沉淀。初沉池11通过带有第二水泵8的管道连接电解槽1进水口，沉淀完毕的渗滤液可以在第二水泵8的驱动下，被定量输入电解槽1中。电解槽1的两侧分别安插有一片第一电极板5，第一电极板5采用钛板电极，两片第一电极板5分别连接电源4的正负极，电源4可采用直流稳压电源，连通后两片电极之间能够形成电压场。两片第一电极板5之间填充有第一粒子电极3。第一粒子电极3的选型和填充数量需根据实际渗滤液特点及相关处理目标做相应设置，可以采用市售的或者自制的粒子电极，只要能够通过电催化氧化作用高效分解渗滤液中难降解污染物即可。电解槽1底部铺设曝气管或者曝气盘，曝气管或者曝气盘连接气泵2进行鼓气，为电催化氧化提供充足的氧含量。电解槽1出水口通过带有第三水泵9的管道连接出水池12，能够将完成电催化氧化的渗滤液排至出水池12。

该装置的工作流程如下：垃圾渗滤液由第一水泵7打入初沉池11，并在初沉池11中完成沉降除渣。随后，垃圾渗滤液6通过第二水泵8打入电解槽1。电解槽1内填充有第一粒子电极3，两端通过直流稳压电源4与第一电极板5施加电压。垃圾渗滤液6在槽内由气泵2进行曝气电解处理，使得其中的污染物被分解去除。最后，处理后的渗滤液通过第三水泵9打入出水池中12。该装置可以作为其他工艺的前置处理工艺，处理后的渗滤液再进行后续处理；也可以作为后置处理工艺，处理后的渗滤液进行部分回流。

实施例2

在本实施例中，对粒子电极进行优化制备，使得其对于渗滤液具有较好的处理效果。

1)粒子电极基体材料的选择

本实施例中分别以三种不同的炭材料(市售椰壳活性炭颗粒、竹炭颗粒、竹活性炭颗粒)作为粒子电极基体材料，放入电解槽中进行电催化氧化实验。本实验每隔1h采集水样一次，实验时长为4h，每批次采取水样(包括原水)5个，并共进行三次平行实验。本实验水质指标分析项目主要为cod和氨氮浓度，用以对比不同材料作为电催化氧化反应体系粒子电极材料时处理渗滤液的效果，从而筛选出最适合的粒子电极材料。

实验结果如图3所示，表明相比于竹活性炭颗粒以及竹炭颗粒，椰壳活性炭颗粒作为粒子电极对渗滤液中cod与氨氮降解的效果最好，故选取椰壳活性炭颗粒作为粒子电极3基体材料。

2)粒子电极制备方法及最佳使用条件

上述实验筛选出的最佳粒子电极基体材料为椰壳活性炭，并以此作为粒子电极材料进行后续的实验。本实施例称取约400g左右椰壳活性炭为粒子电极基体材料。粒子电极在使用前需经过预处理与负载活性催化剂。预处理方法如下：首先用去离子水清洗粒子电极基体材料2～3次，随后将其浸没于1mol/lkoh的溶液中，不断搅拌下水浴煮沸3次，每次持续40分钟。用去离子水将上述粒子电极基体材料洗至中性，并将其置于超声水浴锅中继续洗涤处理20min，完成洗涤。取出上述洗涤后的粒子电极基体材料，在95℃条件下干燥12h。负载催化剂方法如下：将预处理后的粒子电极基体材料浸没于含0.1mol/lsbcl3、0.5mol/lsncl4、1.6g/l十二烷基苯磺酸钠的乙醇溶液中超声处理40min，使得催化剂成分(sb-sn)负载于基体材料上。取出处理后的粒子电极基体材料，在80℃条件下干燥12h，随后再在马弗炉中，450℃条件下煅烧3h，降温之后即得到粒子电极，记为粒子电极m。

将该方法制备的粒子电极填入实施例中的电解槽1中，以验证其技术效果。本实验中的垃圾渗滤液选用湖州市织里镇垃圾中转站垃圾渗滤液，其cod浓度为16930±298mg/l，氨氮浓度为364±23mg/l。电解槽1横截面规格为12cm×12cm，电解槽1内填充有上述方法制备的粒子电极(约400g)，填充高度约为4cm。电解槽1每次处理垃圾渗滤液量约300ml。实验装置通过外部直流稳压电源4提供电压，电解槽两侧安装有市购的钛板作为电极板5(规格为10cm×15cm×0.2cm)，电极板5间距约为12cm。本实施方案本实验每隔20min采集垃圾渗滤液样品一次，实验总时长为180min，水质指标分析项目主要为cod和氨氮浓度，用以验证基于本发明所提出粒子电极3在电催化氧化反应体系中处理渗滤液的能力。实验结果如图4所示，表明负载催化剂(sn-sb)后的粒子电极具有较好的电催化氧化能力，180min后电解槽内cod的去除效率达到87.94％，氨氮的去除效率达到76.04％。

为探究粒子电极的最佳使用条件，本实施方案同时对实施例1的装置运行参数设置如下正交实验，探究渗滤液初始ph，反应曝气量，外加电压，外加电解质浓度对于上述粒子电极电催化氧化效果的影响。其中初始ph值通过naoh溶液调整，曝气量通过气泵2调整，外加电压通过直流稳压电源4调整，外加的电解质为na2so4，各正交参数设置如表1所示。

表1正交试验设计表

本正交实验设置反应时间为50min，开始处理后每隔10min采集水样一次。分别测定各次实验的相应指标并作数据分析，得到四个影响因子与cod去除效率的影响程度并加以分析。正交实验的cod和氨氮去除率结果分别如表2和3所示。

表2正交实验cod去除效果分析表

表3正交实验氨氮去除效果分析表

正交试验表明，初始ph为5，曝气量为1.5mg/l，外加电压为15v，0.15mol/l外加电解质浓度条件下，cod去除效率最高；初始ph为9，曝气量为0mg/l，15v的外加电压，0.1mol/l外加电解质浓度条件下，氨氮去除效率最高。表中极差分析法表明，在不考虑各因素交互作用的条件下，r电压＞r初始ph＞r曝气量＞r外加电解质浓度，可知电解电压与初始ph为cod去除率的主要影响因素；在不考虑各因素交互作用的条件下，r曝气量＞r初始ph＞r电压＞r外加电解质浓度，可知因素曝气量与反应ph为氨氮去除率的主要影响因素。综上所述，即酸性条件、曝气、较高电压有利于cod的降解，碱性条件、不曝气和较高电压有利于氨氮的降解。

3)粒子电极的再生方法

电催化氧化单元中粒子电极在多批次处理垃圾渗滤液6后会失活，从而导致电催化氧化体系降解污染物能力下降。基于此，本实施方案将此前经过多次实验后效果下降的粒子电极混合均匀后分成等量的7份，编号为①～⑦，②、③、④号粒子电极材料分别用马弗炉在300℃、500℃和700℃下重新煅烧2h，⑤、⑥、⑦号粒子电极材料分别用电催化氧化体系电解纯水1h、2h、3h，①号不做任何处理作为对照组ck。将三组粒子电极材料用于电催化氧化降解渗滤液的实验，每组实验持续时间60min，每隔10min采样一次，对采集的水样进行cod和氨氮浓度的检测用以分析评价煅烧方法和电解纯水方法对粒子电极的再生效果。

实验结果如图5和6所示，表明温度越高，再生效果越好，但是从图中可以看出反应60min，500℃实验组cod和氨氮的去除率比700℃只低0.7％和1.01％，cod和氨氮浓度只高出120mg/l和5mg/l，可见煅烧温度提升到500℃以上时粒子电极再生后的能力比较接近，因此过度提高煅烧温度会导致能耗过大。而纯水电解实验表明，电解为3h时，粒子电极的再生效果最好。

由此可见，本实施例制备的粒子电极不仅具有良好的cod、氨氮去除功能，还具有再生能力，可以用于电催化氧化处理垃圾渗滤液。目前许多村镇垃圾中转站的渗滤液为酸性，而粒子电极对于cod和氨氮具有不同的最佳反应条件，因此可对工艺进行优化设计。下面基于这种粒子电极，设计两种不同的处理模式，分别通过实施例3和4进行说明。

实施例3

在本实施例中，装置结构与实施例1相同，仅具有1个电解槽1，电解槽1中填充实施例2制备的粒子电极m。本实施例的渗滤液处理模式是一种序批式的处理方式，利用实施例1中的粒子电极电催化氧化装置处理垃圾渗滤液的方法，能够处理酸性的垃圾渗滤液。该方法的步骤如下：

s11：将待处理的垃圾渗滤液6由进水池10通过第一水泵7泵入初沉池11，并在初沉池11中进行沉降除渣。

s12：将经过沉降除渣的垃圾渗滤液通过第二水泵8泵入电解槽1中，通过电源4向两片第一电极板5以及两片第一电极板5之间的第一粒子电极3施加电压，同时利用气泵2对渗滤液进行持续曝气，对渗滤液中的污染物进行初次电催化氧化。初次电催化氧化过程中，利用渗滤液自身的酸性条件，通过结合曝气以最大程度去除cod。

s13：待s12运行预定时间后，停止气泵2的曝气，然后向电解槽1内添加naoh调节电解槽内ph至碱性，继续通过电源4向两片第一电极板5以及两片第一电极板5之间的第一粒子电极3施加电压，对渗滤液中的污染物继续进行二次电催化氧化。二次电催化氧化过程中，通过改变渗滤液的ph为碱性，同时不曝气，使得氨氮去除效果得到强化。

s14：待s13中的二次电催化氧化运行预定时间后，停止电源4通电，通过第三水泵9将处理后的渗滤液排至出水池12。

s15：重复执行s11～s14，以序批式运行方式对渗滤液进行处理。

电解槽序批式处理垃圾渗滤液时，电解槽内粒子电极添加量、上述阶段的时间跨度、曝气电解的曝气量以及加碱电解的加碱量需根据实际渗滤液水质特点做相应调节，以处理效率最佳、能耗最低为最终考量点。

根据实施例2的结果，初次电催化氧化的最佳参数为：渗滤液初始ph为5，曝气量为1.5mg/l，外加电压为15v，外加0.15mol/l电解质；二次电催化氧化的最佳参数为：渗滤液初始ph为9，不曝气量，外加电压为15v，外加0.1mol/l电解质。

实施例4

在本实施例中，装置结构与实施例1有所不同，即增加了1个电解槽。在实施例1的基础上，本实施例的装置中还包括后置电解槽13和碱液池17，前置的电解槽1与后置电解槽13串联，后置电解槽13设置于前置的电解槽1和出水池12之间，电解槽1出水口先通过带有第三水泵9的管道连接至后置电解槽13的进水口，后置电解槽13的出水口再通过带有第三水泵9的管道连接出水池12。后置电解槽13的两侧分别安插有一片第二电极板14，两片第二电极板14之间填充有第二粒子电极15；两片第二电极板14分别连接电源4的正负极。两个电解槽共用一个电源4，但两者的通电情况需要能够独立调控。碱液池17通过带有第五水泵18的碱液添加管道连接后置电解槽13。碱液池17中可预先存储naoh溶液，用于根据需要泵入后置电解槽13中调节ph。前置的电解槽1和后置电解槽13中均填充实施例2制备的粒子电极m。本实施例的处理方式是一种串联推流式的处理过程，垃圾渗滤液在串联的前置电解槽中，先在其自身酸性条件下对其曝气以最大程度去除cod，随后在后置电解槽中通过加碱电解强化氨氮去除效果。该工艺也能够处理酸性的垃圾渗滤液，具体步骤如下：

s11：将待处理的垃圾渗滤液6由进水池10通过第一水泵7泵入初沉池11，并在初沉池11中进行沉降除渣。

s12：将经过沉降除渣的垃圾渗滤液通过第二水泵8泵入电解槽1中，通过电源4向两片第一电极板5以及两片第一电极板5之间的第一粒子电极3施加电压，同时利用气泵2对渗滤液进行持续曝气，对渗滤液中的污染物进行初次电催化氧化。初次电催化氧化过程中，利用渗滤液自身的酸性条件，通过结合曝气以最大程度去除cod。

s13：待s12运行预定时间后，将经过初次电催化氧化的渗滤液通过第四水泵16泵入后置电解槽13中，然后通过第五水泵18将存储于碱液池17中的naoh碱液，泵入后置电解槽13中调节渗滤液ph至碱性，通过电源4向两片第二电极板14以及两片第二电极板14之间的第二粒子电极15施加电压，对渗滤液中的污染物继续进行二次电催化氧化。二次电催化氧化过程中，通过改变渗滤液的ph为碱性，同时不曝气，使得氨氮去除效果得到强化。

s14：待s13中的二次电催化氧化运行预定时间后，停止电源4通电，通过第三水泵9将处理后的渗滤液排至出水池12。

s15：不断向进水池10进水，然后按照s11～s14以连续推流式的运行方式对渗滤液进行处理。

电解槽内粒子电极添加量、垃圾渗滤液的水力停留时间、前置电解槽的曝气量以及后置电解槽的加碱量需根据实际渗滤液水质特点做相应调节，以处理效率最佳、能耗最低为最终考量点。

根据实施例2的结果，初次电催化氧化的最佳参数为：渗滤液初始ph为5，曝气量为1.5mg/l，外加电压为15v，外加0.15mol/l电解质；二次电催化氧化的最佳参数为：渗滤液初始ph为9，不曝气量，外加电压为15v，外加0.1mol/l电解质。

上述实施例3和4的装置在运行一定时间后，需要对粒子电极进行再生处理。粒子电极的再生方法可分为如两种方式：1.将使用后的电极放置于500℃条件下煅烧2h；2.将使用后的粒子电极放置于纯水中电解3h。当然，实施例3和4的装置和工艺，也可以应用于其他的粒子电极，不一定要采用实施例2所制备的粒子电极。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。