垃圾渗滤液作为一种高浓度有机废水，具有水质变化大、成分复杂、难降解等特点^〔1〕。垃圾渗滤液未经处理或处理不当即排放，会对环境和人类生活造成严重的影响。因此，有效处理垃圾渗滤液成为垃圾治理中至关重要的一环。三维电极法作为一种清洁处理技术，由于具有设备简单、处理量大、无二次污染等优点，在高浓度难降解有机废水处理方面应用广泛^〔2〕。

目前，对于三维电极技术的研究主要针对阳极材料和粒子电极的选择以及优化^〔3〕。常见的粒子电极有碳质材料、金属颗粒、负载催化剂等^〔4〕，其中，活性炭由于具有巨大的比表面积和较强的吸附能力，其作为粒子电极的应用最多。但是，只填充活性炭会产生大量的短路电流，降低系统的降解效果，且增加能耗，需要填充绝缘粒子以提高三维电极系统的电流利用效率。常见的绝缘粒子有玻璃珠、石英砂、塑料等。由于其在自身形态和密度等方面与活性炭存在差异，很难与活性炭混合均匀，在使用过程中容易出现分层现象，不能有效降低短路电流，从而导致绝缘失效^〔5〕。班福忱等^〔6〕在采用三维电极/Fenton法处理苯酚废水中以颗粒活性炭和石英砂作为混合填料，出现石英砂下沉而活性炭上浮的现象，而且苯酚的去除效果并没有显著提高。郑宗明^〔7〕利用三维电极法处理印染废水，其以活性炭和玻璃珠作为混合填料，同样出现分层现象，抗干扰能力较差。对此，一些学者考虑对活性炭进行覆膜以提高活性炭的绝缘性。常见的是用醋酸纤维素涂膜活性炭^〔8〕，但由于醋酸纤维素易溶解于有机溶液中，实际应用效果不佳。有机硅树脂作为一种介电性良好的有机物，耐酸碱性强，且难溶于大部分常见的有机溶液^〔9〕，是一种很好的覆膜材料。

本研究采用有机硅树脂对活性炭进行覆膜，构建覆膜活性炭三维电极系统处理垃圾渗滤液。通过实验考察了电流密度、电解质浓度、活性炭填充浓度、初始pH以及极板间距等因素对垃圾渗滤液中COD、氨氮去除效果的影响，同时分析了该系统处理垃圾渗滤液的能耗和电流效率。该项研究可为三维电极法处理垃圾渗滤液的应用提供一种新的思路。

垃圾渗滤液取自绵阳市某城市生活垃圾焚烧场，为上流式厌氧污泥床（UASB）处理出水，其COD为5 875~6 950 mg/L，氨氮为2 275~3 016 mg/L，pH为7.96~8.02。

本实验以1 L的烧杯作为电解槽，采用钌铱钛涂层电极（中国宝鸡厂）作为阳极，钛板作为阴极，尺寸为100 mm×50 mm×1 mm，阴阳极板面积比为1∶1，粒子电极选用柱状活性炭（市售椰壳活性炭）。实验装置见图 1。

活性炭在使用前于待处理的垃圾渗滤液中浸泡24 h，以消除活性炭吸附作用对实验的干扰。取500 mL垃圾渗滤液置于电解槽中，加入活性炭粒子电极，滴加10%的NaOH和稀H₂SO₄溶液调节废水pH，然后接通电源开始计时。在反应过程中定时取样，将其置于离心管中，在3 000 r/min条件下离心5 min，取上清液测定COD和氨氮。

COD采用快速消解分光光度法测定，氨氮（NH₄⁺-N）采用纳氏试剂分光光度法测定，pH采用PHS-320智能多功能酸度计测定。

电流效率和单位能耗的计算见式（1）~式（2）^〔10〕。

(1)

式中：E_sp——单位能耗，kW·h/kgCOD；

U——电极之间加载的电压，V；

I——电化学氧化过程中的电流，A；

Δt——反应时间，s；

V——垃圾渗滤液体积，L；

ΔCOD——Δt时段内去除的COD，g/L。

(2)

式中：GCE——电流效率；

F——法拉第常数，96 487 C/mol；

COD₀——初始COD，g/L；

COD_t——反应t时刻的COD，g/L；

8—氧分子等效质量。

将未使用过的活性炭用超纯水反复清洗3~5次，清除表面的灰渣，直至清洗液体清澈透明。将清洗后的活性炭用超纯水浸泡24 h，使其充分解析，之后将浸泡解析后的活性炭加入沸水中煮沸15~20 min。待自然冷却后放入烘箱中，在100 ℃内烘干2 h。最后，将自然冷却的活性炭放入干燥的密封袋中保存。

采用H级1053有机硅树脂浸渍绝缘漆（自干型）对活性炭进行覆膜。具体的覆膜步骤如下：将有机硅树脂绝缘漆溶解于乙酸乙酯中，配成质量分数为5%、10%、15%的有机硅树脂溶液，充分搅拌后待用。将预处理后的活性炭放入配制好的有机硅树脂溶液内，片刻后取出，平摊在平板上待树脂常温固化，在活性炭表面形成薄膜。重复覆膜1次，冷却之后将覆膜活性炭放入洁净的密封袋中待用。

覆膜前后活性炭的质量变化可间接反映两者之间的密度差异。覆膜前后活性炭的质量对比结果如表 1所示。

由表 1可以看出，在用5%的树脂覆膜2次后，活性炭的质量增幅在3%以内，增幅较小，表明活性炭覆膜前后的质量变化差异较小，不会存在因密度差异较大而出现混合不均匀以及分层的现象。本研究选用5%有机硅树脂覆膜2次后的活性炭作为覆膜活性炭进行实验。

在电流密度为60 mA/cm²，电解质Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L，极板间距为6 cm，不调节初始pH的条件下，考察未覆膜活性炭填充浓度对处理效果的影响，结果如图 2所示。

实验结果表明，在不同活性炭填充浓度下，电解6 h后COD去除率为48.5%~67%。氨氮整体上在电解5 h后基本去除，随着活性炭填充浓度的增加，氨氮去除速率降低，在活性炭填充质量浓度为400 g/L时，去除速率最快。随着活性炭填充浓度的增大，微电极数量增加，大量的污染物富集在活性炭表面，缩短了反应物的迁移距离，强化了传质过程，从而提高了反应的速率。但是，加入过量的粒子电极会加大反应过程中的短路电流，从而降低COD和氨氮的去除速率，增加反应器的能耗。综合考虑，本研究选取粒子电极填充质量浓度为800 g/L。

在电流密度为60 mA/cm²，电解质Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L，活性炭填充质量浓度为800 g/L，极板间距为6 cm，初始pH=5的条件下，考察覆膜活性炭-活性炭填充比（质量比）对处理效果的影响，结果如图 3所示。

实验结果表明，电解6 h，当覆膜活性炭和活性炭填充比为1∶2时，COD去除率最高，为76.6%；当填充比为1∶1时，COD去除率相对较低。电解1 h，填充比为1∶3时的COD的去除速率最高，继续增加电解时间，COD去除速率降低。不同填充比条件下氨氮的去除率相差不大，电解6 h后氨氮均能基本去除。覆膜活性炭加入过多，在降低粒子之间的短路电流的同时，也会减少污染物与粒子电极的接触，使粒子电极之间的传质距离增大，从而导致COD和氨氮的降解效果变差^〔11〕。综合考虑，本研究选取覆膜活性炭和活性炭的填充比为1∶2。

在电解质Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L，活性炭填充质量浓度为800 g/L，覆膜活性炭-活性炭填充比为1∶2，极板间距为6 cm，初始pH=5的条件下，考察电流密度对处理效果的影响，结果如图 4所示。

实验结果表明，在电流密度为30~60 mA/cm²时，随着电流密度的增加，COD去除率增大，电解6 h，当电流密度为60 mA/cm²时，COD去除率最高，为75%，继续增加电流密度，COD去除率反而降低。随着电流密度的增加，氨氮去除率不断增加，电解6 h，当电流密度为70 mA/cm²时，氨氮去除率最高，为99%。随着电流密度的增加，电解槽的电压增大，粒子电极的复极化程度增加，从而提高了污染物的去除效果^〔12〕。但电流密度过大，槽电压高于槽反应的析氢析氧电位，会导致系统的副反应发生，产生大量的气泡，使处理效果降低。考虑到槽电压增大会导致极板腐蚀加剧，同时考虑到节省能源，本研究选取电流密度为60 mA/cm²。

在电流密度为60 mA/cm²，活性炭填充质量浓度为800 g/L，覆膜活性炭-活性炭填充比为1∶2，极板间距为6 cm，初始pH=5的条件下，考察电解质浓度对处理效果的影响，结果如图 5所示。

实验结果表明，不同电解质投加浓度下，COD去除率随电解时间的延长而增大。电解6 h，当Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L时，COD去除率最大，电解质Na₂SO₄加入过多、过少，COD去除率都降低。电解6 h，当电解质Na₂SO₄投加质量浓度为0.2 g/L时，氨氮去除效果最好。溶液的电导率是影响槽电压的重要因素，溶液的离子浓度越高，溶液的导电性越好，越利于污染物的降解^〔13〕。电解质浓度过低，会影响污染物的传质效果，从而影响处理效果；但电解质浓度太大，不利于粒子电极复极化，会降低电解反应的速率，增大出水的含盐量以及处理的成本。因此，本研究选取Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L。

在电流密度为60 mA/cm²，电解质Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L，活性炭填充质量浓度为800 g/L，覆膜活性炭-活性炭填充比为1∶2，极板间距为6 cm的条件下，考察初始pH对处理效果的影响，结果如图 6所示。

实验结果表明，电解6 h，当初始pH=5时，COD去除率最高，中性、碱性条件下COD的去除率较低。不同初始pH条件下，氨氮的去除率差异不大，电解6 h，当初始pH=11时，氨氮去除率最低，为87%。溶液的酸碱性会直接影响电解处理的效果。当溶液呈酸性时，水分子会在阳极表面发生氧化反应生成H⁺和·OH，提高了溶液的导电性，增大了反应电流，并利于有机物氧化去除^〔14〕。酸性条件下，介质的析氧电位较高，不易发生析氧反应。酸性体系中的O₂在阴极反应生成H₂O₂，H₂O₂易失去电子形成·OH^〔15〕，可以高效降解废水中的有机物。一般情况下，当溶液为碱性时，溶液的析氧电位低，易发生析氧反应，会影响·OH的生成，从而影响COD和氨氮的降解^〔16〕。综合考虑，本研究选取初始pH=5。

在电流密度为60 mA/cm²，电解质Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L，活性炭填充质量浓度为800 g/L，覆膜活性炭-活性炭填充比为1∶2，初始pH=5的条件下，考察极板间距对处理效果的影响，结果如图 7所示。

实验结果表明，电解6 h，当极板间距为6 cm时，COD去除率最高，为76.6%，继续增加极板间距，COD去除率降低。电解6 h，不同极板间距下的氨氮去除率为77%~99%，间距过小或过大，氨氮去除率均较低。极板间距过小，活性炭粒子游离在两极板之外，影响了活性炭粒子的极化效果，导致有机物的去除速率降低，同时会造成极板短路。极板间距小时电阻也较小，能够降低系统的能耗。增大极板间距，会加大电阻，同时会导致反应器中的温度上升，电能在一定程度上用于发热和产生副反应^〔17〕。但是，温度的升高也有利于氨氮以氨吹脱的方式被去除，提高氨氮的去除效果。综合考虑，本研究选取极板间距为6 cm。

通过实验考察了不同操作因素下三维电极系统处理垃圾渗滤液的能耗和电流效率（见图 8），并对比了覆膜粒子加入前后的能耗和电流效率。若无特别说明，实验条件为电流密度为60 mA/cm²，Na₂SO₄投加质量浓度为0.4 g/L，活性炭填充质量浓度为800 g/L，覆膜活性炭-活性炭填充比为1∶2，极板间距为6 cm，初始pH=5，电解时间为6 h。

由图 8可知，电解系统的能耗和电流效率随不同操作因素的变化呈现不同的变化趋势。在优化的实验条件下，电解6 h后系统总能耗最低，为956.8 kW·h/kgCOD，电流效率最高，为0.32。此外，实验结果表明，覆膜粒子加入前，在优化条件下电解6 h后活性炭三维电极系统总能耗为1 792.9 kW·h/kgCOD，电流效率为0.29。可见，覆膜粒子加入后，其系统总能耗降低了836.1 kW·h/kgCOD，电流效率也得到一定的提升。

（1）构建了覆膜活性炭三维电极系统处理垃圾渗滤液，其最佳的操作条件：电流密度60 mA/cm²，极板间距6 cm，电解质投加质量浓度0.4 g/L，活性炭填充质量浓度800 g/L，初始pH=5，覆膜活性炭-活性炭填充比1∶2，在此条件下电解反应6 h后，COD去除率为76.6%，氨氮去除率为90.3%，系统总能耗为956.8 kW·h/kgCOD。

（2）相对于纯活性炭构建的三维电极系统而言，加入覆膜活性炭后，整个系统对COD的去除率提高了8%，在整个过程中氨氮的去除速率更快，系统整体的电流效率更高，总能耗降低了836.1 kW·h/kgCOD。可见，构建的覆膜活性炭-活性炭三维电极系统在处理垃圾渗滤液方面是可行的，达到了降解污染物和降低系统能耗的目的。