超声波进入水体后,负压相在水体中含气泡或悬浮物的弱点引起空化泡,空化泡在超声波正压下收缩,某些空化泡收缩时表面速率超过声速而迅速破裂,其过程仅持续几微秒,从而在该点产生瞬间产生了5200K和100 MPa的局部高温高压,该点即所谓热点[1]。热点处的有机污染物可经·OH氧化、气泡内燃烧分解、超临界水氧化3种途径进行降解。它提供了一个极特殊的物理化学环境,从而大大加速反应速度,甚至引发常温常压下不可能的反应。

超声波在处理高浓度难降解有机物方面有优势,而晚期垃圾渗滤液的水质特点是难降解有机物成分多,水质复杂,COD和BOD浓度高,金属离子含量高,氨氮含量高,微生物营养元素比例失调。故试验用超声波降解垃圾渗滤液。

1 试验研究

1.1 试验设备及方法

超声波发生器(LT-300A), COD消解仪(HACH), pH计(pH-S-3C型), 电解电极圈(自制,铝材料,圆形网状电极直径8cm,正负极间隔大约8mm), 电源(XY-309,0～15v可调直流稳压电源,最大电流1000mA)。

废水取自武汉市某垃圾填埋场的晚期垃圾渗滤液,主要水质指标如下。

COD测定方法采用中华人民共和国国家标准(GB7488-87)。超声波发生器频率为28kHz,电功率分别为125w和250w。每次取400mL垃圾渗滤液烧杯中,用H2SO4或NaOH调节其pH至所需值,将烧杯置超声波探头下,探头伸入水面2～3mm,同时将电极圈置入烧杯底。根据实验需要对反应液的曝气方式、pH值、功率、电解电压等因素进行控制。反应器不密封,取样体积20mL,测定上清液COD浓度。

1.2 试验结果

1.2.1 超声波降解垃圾渗滤液效果

取垃圾渗滤液八份,调节其初始pH值为5.0,超声波发生器电功率为125w,同时曝气。辐照时间分别为10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min,其COD降解效果如下。

在前40min内,COD的降解率随着辐照时间的增加而增大,但在40～70min内,随着辐照时间的增加,COD降解率反而下降,甚至在第70min时降解率出现负值,即反应后渗滤液的COD浓度超过初始浓度,其后COD去除率有所上升。

在反应的前40min内,渗滤液中易于降解的有机物小分子有机物发生降解,而这部分有机物可能大部分正是COD测定中所用重铬酸钾易于氧化的成分,因此表现出COD值明显降低。但超声波可能也同时产生另外的作用,即将渗滤液中原来不易被重铬酸钾氧化的大分子有机物降解为小分子有机物,从而可以被重铬酸钾氧化,因而显示使COD浓度值反而增加,去除率呈现负值。

1.2.2 超声波协同电凝聚气浮法降解渗滤液效果

由于超声波处理渗滤液对COD去除率只有17.19%,考虑超声波与电凝聚气浮都产生微气泡,我们采用超声波与电凝聚气浮法联合处理,研究其协同效果,进一步提高COD去除率。试验研究了反应时间、电凝聚电压、pH值、超声波功率、曝气方式等因素对降解垃圾渗滤液中COD去除率的影响。

1.2.2.1 反应时间的影响

初始pH值为8.0,电压12v,不曝气,超声波功率为125w,实验结果如下。

反应时间对降解效果的影响较大。从降解效果来看40min达到最高,但是只比30min时提高不到2%。从耗电量的角度及去除率综合考虑最佳处理时间为30min。

1.2.2.2超声波功率的影响

超声波发生器分别选用125w,250w,初始pH值为8.0,电压12v,不曝气,反应30min,实验结果如下。

提高超声波功率对COD降解效果意义不大,同条件下250w时比125w去除率超过不到2%,而250w消耗的能量却是125w的两倍,故选择功率为125w。

1.2.2.3 pH值的影响

用H2SO4 或NaOH调节pH值分别为4.0,6.0,8.0,10.0,不曝气,超声波功率为125w,电压12v,反应时间30min,实验结果如下。

在pH值为4～10的范围内,偏酸性的反应条件下COD去除率最高达到62.77%,协同效果为9.17%。因此将pH值的优化条件定为pH=6.0。

1.2.2.4 曝气方式的影响

调节pH值=6.0,超声波发生器电功率为125w,电压为12v,反应时间30min,三种曝气方式,实验结果如下。

曝气方式对COD去除率的影响较大。渗滤液中COD去除率预先曝气>不曝气>同时曝气效果。采用预先曝气,二者协同作用下COD去除率提高13.84%。

1.2.2.5 电压的影响

超声波发生功率为125w,调节pH=6.0,采用预先曝气20min,反应时间30min,电压分别为6v,9v,12v,15v,实验结果如下。。

电压越高,COD去除率越高。电压为12v时协同效果最好,故选择电压为12v。

2 结论分析

2.1 优化结果

超声波和电凝聚气浮处理垃圾渗滤液优化处理条件为:反应时间30min、初始pH=6.0、电凝聚电压为12v、预先曝气20min、超声波功率为125w。在此反应条件下,垃圾渗滤液中COD浓度由822mg/L降低至232mg/L,COD去除率达71.75%。

2.2 结论

单独用超声波技术处理渗滤液,COD最高去除率只有17.19%。超声波/电凝聚气浮法降解垃圾渗滤液具有明显协同效应。在上述条件下,COD去除协同效果达13.84%。（）