面向垃圾渗滤液深度处理的纳米催化剂负载炭基电催化膜反应器构建及污染物去除机理

The effective treatment of landfill leachate is not only a great challenge for urban development, but also a worldwide problem. In this project, the nano metal oxide is loaded in situ on the three-dimension conductive carbon membrane electrode as the anode to constitute the electrocatalytic membrane reactor (ECMR). Under the low-voltage electric field (<3V) condition, the active species (•OH) obtained by ECMR can oxidize the refractory organic matters into easily biodegradable molecules or eliminate its toxicity, then achieve the further harmless treatment integrated with membrane bioreactor (MBR). The project faces on the micro-regulation of the nano metal oxide in situ loaded on the carbon-based electrocatalytic membrane, the interfacial effect between the catalyst and base membrane electrode, the mechanism of the nano-catalytic effect and the form of active species, catalytic removal mechanism of pollutants in landfill leachate, the mechanism and kinetics of reaction-separation integrated or enhanced mass transfer in ECMR, the system integration and process optimization of double membrane reactor (ECMR-MBR) to achieve the advanced treatment of landfill leachate and the emission targets standards of “GB16889-2008”. The project will enrich and develop the basic theory of membrane science and electrochemistry with an important academic value, provides also a novel approach for the advanced treatment of landfill leachate.

垃圾渗滤液的有效处理是城市发展面临的巨大挑战，也是一个世界性难题。本项目以导电炭膜为基膜，原位负载纳米金属氧化物构筑三维电催化膜电极，并以此为阳极，构建电催化膜反应器（ECMR）。在低压电场（<3V）作用下，ECMR产生的活性物种（•OH）能够将垃圾渗滤液中难降解有机物氧化转化为易生化降解的小分子或消除其生物毒性，再集成膜生物反应器，实现其无害化处理。重点开展纳米金属氧化物原位负载炭基电催化膜微结构调控，催化剂-基膜之间的界面效应，纳米催化效应、活性物种的形成及对垃圾渗滤液中污染物催化去除机理；探索ECMR反应-分离或强化传质一体化作用机制及反应动力学；构建ECMR-MBR双膜反应器集成系统并优化工艺，实现垃圾渗滤液的深度处理，达到《GB16889-2008》标准的排放指标。本项目实施对于丰富和发展膜科学和电化学的基础理论具有重要的学术价值，也为城市生活垃圾渗滤液深度处理提供了一种新途径。

垃圾渗滤液处理目前国内外多采用生物法+UF+NF+RO技术处理，但RO浓缩液处理难度大，危害环境。本项目开发出一种绿色、高效的垃圾渗滤液处理技术实现垃圾渗滤液无害化处理。主要内容及结果：（1）具有“微反应通道”的电催化膜电极设计及微结构调控，分别开发出以沥青、酚醛树脂为添加剂的电催化膜电极；（2）多级固定床电催化膜反应器构建，搭建MBR-FBECMR双膜反应器集成系统，在城市垃圾中转站实现日处理量1吨的中试应用；（3）开发了Fenton-ECMR-BAF垃圾渗滤液纳滤浓缩液处理的集成工艺，实现纳滤浓缩液达标排放。煤沥青/活性炭基微孔炭膜孔隙率达55.6%，抗折强度（7.6 MPa），导电性能（794.4 S/m）；平均孔径为0.35 μm，纯水通量高达600.6 L/m2 h bar；酚醛树脂/微孔炭膜的抗折强度、电导率、纯水通量、孔隙率和比表面积分别为8.2 MPa、400.3 μs/cm、93 L/m2·h·bar、44.2%、和370.2 m2/g。制备TiO2/CM并构建三级FBEEMR处理垃圾渗滤液生化出水，在停留时间12 min、电压2.0 V条件下，COD、NH4+-N、TN和色度的去除率分别为 82.0%、86.5%、76.3%和93.4%，能耗仅为4.81 kWh/kg COD。同时，重金属离子、总磷和固体悬浮物等均低与国家排放标准；垃圾渗滤液经过MBR-FBECMR中试装置处理之后，COD和氨氮的去除率可达到95.6%和84.5%；纳滤浓缩液经过Fenton-ECMR处理后的浓缩液可生化性由0.047提升至0.381，总COD去除率达到72.1 %，能耗1.59 kWh/kg COD，进一步BAF处理出水COD降至88mg/L。本项目开发出具有我国自主知识产权的电催化膜材料及装备，为工业废水处理及回用提供重要的技术支撑，具有重要的价值和产业化前景。