利用三维电极废水净化系统评估垃圾填埋场渗滤液处理效率

三维电极系统处理垃圾渗滤液效果评估及机理研究，正交实验优化过氧化氢（30 mM，5 g/L，0.7 A，pH 3）和过硫酸盐（2 mM，1.5 g/L，0.7 A，pH 5）体系参数，UV-Vis、三维荧光光谱及气相色谱-质谱分析显示90%以上COD去除率，高分子重芳香性有机物有效降解。

Kai Song|Feiyu An|Meng Shen|Yinqi Chen|Yulong Lu|Rui Zhao|Xu Ren

西华大学能源与动力工程学院，中国成都红光大道9999号，610039

摘要

本研究评估了使用过氧化氢和过二硫酸盐作为氧化剂的三维电极废水净化系统在处理垃圾填埋场渗滤液方面的实际应用可行性。首先，通过正交实验确定了三维电极废水净化系统的最佳操作参数。对于使用过氧化氢的三维电极废水净化系统，最佳条件为过氧化氢浓度30 mM、颗粒电极剂量5 g L⁻¹、电流强度0.7 A以及初始pH值3。而使用过二硫酸盐的三维电极废水净化系统在过二硫酸盐浓度2 mM、颗粒电极剂量1.5 g L⁻¹、电流强度0.7 A和初始pH值5的情况下表现出优异的性能。此外，还应用了紫外-可见光谱仪、三维荧光激发/发射矩阵光谱仪和气相色谱-质谱仪测试来研究渗滤液中有机物处理前后的变化特征。结果表明，在优化条件下，大约90%的有机污染物被去除，渗滤液中相对高分子量、高芳香性和高腐殖化程度的难降解有机物被有效消除或逐渐降解为低分子量化合物。这些发现为三维电极废水净化系统在实际应用中处理含有难降解有机污染物的废水提供了关键参数和理论依据。

引言

城市固体废物（MSW）处理过程（如填埋和焚烧）产生的渗滤液含有复杂的有机污染物（例如持久性有机化合物、芳香烃）[1]和无机污染物（例如氯化物和重金属）[2]。由于其高昂的处理成本和严格的监管要求，这给MSW的无害化处置带来了持续挑战。在中国，由于MSW分类系统不完善，渗滤液的产生量增加，未经处理的渗滤液中有机污染物浓度常常超过10,000 mg/L。截至2024年，中国每年产生约3亿吨城市固体废物，由此产生的渗滤液超过7000万吨。目前MSW处置厂的渗滤液处理系统通常采用三阶段工艺[3]，即先进行混凝预处理，再结合生物处理和膜过滤进一步处理[4]。

然而，传统的物理化学（例如混凝）和生物（例如膜生物反应器）方法在实现有机污染物的完全降解方面存在固有局限性，尤其是针对渗滤液中的持久性有机污染物（POPs），如腐殖酸和多环芳烃（PAHs）[32]。例如，生物处理后进行膜过滤（例如超滤/反渗透）只能将这些难降解有机物浓缩在渗滤液中，而无法将其矿化，从而延续环境风险并违反严格的排放标准。因此，针对难降解有机物的补充处理策略至关重要[6]。同样，高级氧化工艺（AOPs）如芬顿氧化需要大量试剂[7]，会产生污泥，并且由于操作pH范围狭窄而面临可扩展性挑战[8]。电化学氧化工艺（EAOPs）虽然具有潜力，但常常存在电极腐蚀、能耗高和传质效率低的问题[9]。

在EAOPs中，三维电极技术（3DET）作为一种更优的替代方案出现[10]，它在阳极和阴极之间集成了一些导电或催化颗粒电极（PEs），以提高电化学系统的性能[11]。在三维电化学反应器（3DER）中，这些PEs经历双极电极极化，产生局部微电场，从而协同提高传质效率和系统的氧化还原能力。最初的研究集中在PEs的电导率上[12]，将其制备成直径几毫米或几厘米的小球，并将其固定在阳极和阴极之间，例如Liu等人和Wang等人的研究[13]和[14]。最近的进展集中在微米或纳米级PEs（< 50 μm）上，这些PEs兼具导电性和催化能力，在3DER中生成活性氧化物种（ROS），如来自过氧化氢（H₂O₂）或过二硫酸盐（PS）的^•OH和SO₄^•-，其去除有机污染物的效率高于早期的3DER[15]、[16]。例如，Yu等人[17]报告使用Fe/C颗粒PEs在5 V电压下可去除80%的COD，这归因于PEs增强了系统的氧化能力。然而，许多微米或纳米级PEs是用纯化合物合成的[18]，成本较高且工程应用潜力不足。因此，提出了一种改进策略，即使用可回收资源的微米级PEs[19]、[20]和[21]。Tang等人[20]和Li等人[21]分别使用咖啡渣和废铝屑作为PEs，证明了3DER的优异性能。此外，Li等人[21]、[22]将基于固体废物的PEs应用于浓缩渗滤液的处理，初步验证了3DER的工程可行性。

总体而言，PEs是3DET的核心功能组件，其物理化学特性直接决定了3DET的操作效率。传统的3DET系统依赖于活性炭等PEs，这些PEs成本较高，容易失活，并在合成过程中产生二次污染。同时，大多数研究集中在合成废水上，对于含有高盐分和重金属的复杂渗滤液的验证有限。基于我们之前对使用来自固体废物（即钢渣和咖啡渣）的微米级PEs构建的顺序批次三维电极废水净化系统（3DEWPS）[20]、[23]的研究，我们证明了它们在处理含有罗丹明B和四环素的合成废水方面的卓越效果。因此，本研究将3DEWPS框架扩展到垃圾填埋场渗滤液的处理。通过评估系统对渗滤液的适应性和表征难降解有机物，我们旨在帮助弥合实验室规模创新与实际工程应用之间的差距。这些发现将为高效处理渗滤液提供技术支持，并为城市固体废物处置场的可持续废水管理提供可能的解决方案。

样本和试剂

渗滤液样本取自中国四川盆地一个垃圾填埋场中膜生物反应器（MBR）系统的出水。所有样本在分析前均储存在受控条件下（4 °C，避光），以最小化微生物活动和溶质降解。样本和实验程序见支持信息（SI）中的图S1。原始样本的关键物理化学性质包括pH值、化学需氧量（COD）、氨氮（NH₄⁺-N）和总氮

PEs的物理化学性质

Mn-SS和Fe/N/S-BC是具有良好电导率和催化性能的微米级颗粒材料。Mn-SS和Fe/N/S-BC的物理化学特性列在SI中的Text S2中。

最佳条件的确定

考虑到渗滤液处理的工程要求，正交实验结果的分析以COD去除率作为主要评估标准，确定了3DEWPS-H₂O₂和3DEWPS-PDS的最佳操作条件。

对于3DEWPS-H₂O₂，进行了16组实验

结论

在本研究中，使用MnSO₄改性的钢渣（Mn-SS）和Fe/N/S共掺杂生物炭（Fe/N/S-BC）作为颗粒电极（PEs）构建了一个三维电极废水净化系统（3DEWPS）来处理垃圾填埋场渗滤液。系统的性能得到了全面研究，主要发现总结如下：

1.

3DEWPS提高了渗滤液的COD去除率。

在优化条件下，3DEWPS在60分钟内实现了超过90%的COD去除率：

对于3DEWPS-H₂O₂，

CRediT作者贡献声明

Kai Song：撰写——原始草稿，研究，资金获取，概念构思。Feiyu An：撰写——原始草稿，研究。Meng Shen：研究。Yinqi Chen：研究，数据管理。Yulong Lu：撰写——审稿与编辑，软件操作。Rui Zhao：撰写——审稿与编辑，验证，数据管理。Xu Ren：撰写——审稿与编辑，验证，监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢四川省自然科学基金（编号：2025ZNSFSC1261）、湖南省页岩气资源开发重点实验室（编号：E22451）以及四川省城市固体废物能源与建筑材料转化利用技术工程研究中心（编号：GF2024ZC09、GF2024YB01）的财政支持。作者还要感谢ceshigo网站（www.ceshigo.com）提供的EPR分析服务。