垃圾渗滤液混凝预处理研究
2019-12-27
(上饶师范学院 化学与环境科学学院，江西 上饶 334001)
随着城市化建设进程的加快，产生了一系列困扰居民生活的垃圾排放问题，城市生活垃圾若得不到妥善处理，“垃圾围城”的现象将日益严重[1]，目前垃圾处理方式有填埋、堆肥、焚烧等[2]。由于雨水和地表水的淋溶和渗透，加上垃圾本身的化学反应，不管是填埋还是焚烧都将产生一定量的具有高色度和高浓度的有机液体，即渗滤液，也叫渗沥液。垃圾渗滤液具有色度大、浓度高、恶臭、水质复杂等特点，且含有多种有毒有害物质，如难降解的萘、菲等芳香族化合物，渗滤液中的COD(化学需氧量)最高值可达数千至几万[3-4]。垃圾渗滤液不经处理直接排放，能够造成水体、土壤、大气、生物等多方面的污染，因此，垃圾渗滤液的处理至关重要并已经成为国内外研究的热点。目前垃圾渗滤液的处理方法是以“物化+生化”为主流工艺，物化法常作为渗滤液的预处理和深度处理方法，常用的物化法有吸附法、絮凝法、膜分离法、高级氧化法等，吸附法适合处理低浓度小分子有机物，对于未经处理的垃圾渗滤液效果不佳，且多用于深度处理中，吸附剂容易饱和再生困难，因此处理费用较高。膜分离法利用膜的筛分作用截留水体中的污染物达到净化的作用，膜分离根据截留孔径大小分为微滤、超滤、纳滤和反渗透，膜分离法对水质要求低，能达到较高的去除率，但存在膜污染、浓差极化等现象使膜的寿命缩短成本较高，不适合作为垃圾渗滤液的预处理。高级氧化法是近年来发展较迅速的方法，主要有光催化、Fenton氧化、臭氧等，虽然在垃圾渗滤液的应用中也有文献报道[5-6]，但也存在许多不足，如光催化效率不高，催化剂难降解，仅限于紫外光谱区；Fenton氧化法药剂量消耗大，且产生大量的化学污泥致使成本高昂。混凝沉淀法通过投加混凝剂和水体中有机物反应，形成絮凝体沉淀从水体中去除，其对大分子有机物去除效率较高，且价格低廉，特别适合垃圾渗滤液的预处理。混凝法预处理垃圾渗滤液虽已有文献报道[7-8]，多是单个影响因素的考察，混凝剂类型的筛选过程鲜见报道，且不同填埋场产生的渗滤液性质不同，关键在于筛选出最佳混凝剂及最佳投药量。本文以上饶市某垃圾填埋场渗滤液为研究对象，着重考察了不同混凝剂及助凝剂的加入对混凝效果的影响，确定最佳操作条件，为当地填埋场垃圾渗滤液的处理提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 仪器和药品
仪器： PHS-3E型pH计(上海精科雷磁仪器厂)，HY-7012型COD恒温加热器(青岛恒远科技发展有限公司)，梅颖浦94-2定时恒温磁力搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司)，722SP型可见分光光度计(上海棱光技术有限公司)，ZR4-6混凝试验搅拌机(深圳中润水工业技术发展有限公司)。
药品：PAC(市售分析纯，天津光复化工有限公司，≥99.5%质量分数)，硫酸铝(市售分析纯，西陇化工有限公司，≥99.5%质量分数)，PAM(市售分析纯，上海山浦化工有限公司，≥99.5%质量分数)，结晶氯化铝(市售分析纯，西陇化工有限公司，≥99.5%质量分数)，三氯化铁(市售分析纯，西陇化工有限公司，≥99.5%质量分数)。
水样：取自上饶市某生活垃圾卫生填埋场未经处理的垃圾渗滤液，其部分水质参数为：COD:3900～4100 mg/L，NH3-N:398 mg/L，TP:57 mg/L，pH:7.40，色度:128倍，以上数据平行测三次，取平均值。
1.2 烧杯混凝实验
分别取100 mL渗滤液置于6个烧杯中，依次改变混凝剂的种类、投药量、初始pH、沉降时间及添加助凝剂，然后进行搅拌混凝反应，以260 r/min快速搅拌5 min，180 r/min慢速搅拌20 min，静沉30 min，取上清液进行测试分析。
1.3 分析方法
COD、TP和NH3-N的测定分别采用重铬酸钾法、磷钼杂多酸分光光度法和纳氏试剂分光光度法。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线绘制
2.1.1 总磷标准曲线
向50 mL具塞比色管中依次加入磷标准使用液(2.0 ug/mL)0、0.50、1.00、3.00、5.00、7.00、10.00 mL，加水稀释至50 mL。分别加入1.0 mL 10%抗坏血酸溶液，混合均匀。静置30 s后加2.0 mL钼酸盐溶液混匀，放置15 min，在波长700 nm处，使用20 mm的比色皿，以去离子水为参比，测量吸光度。以吸光度为纵坐标，总磷质量为横坐标作图，图1为总磷标准曲线:y= 0.009 9x+ 0.004，R2= 0.999 7。
图1 总磷标准曲线
2.1.2 氨氮标准曲线
向50 mL具塞比色管中依次加入氨氮标准使用液(0.01 mg/mL)0、0.50、1.00、3.00、5.00、7.00、10.00 mL，稀释至50 mL。分别加入1.0 mL酒石酸钾钠溶液和纳氏试剂，混合均匀。放置10 min，在波长420 nm处，使用20 mm的比色皿，以去离子水为参比，测量吸光度。以吸光度为纵坐标，氨氮质量为横坐标作图，图2为氨氮标准曲线:y= 3.86x+ 0.055，R2= 0.999 1。
图2 氨氮标准曲线
2.2 混凝剂种类对混凝效果的影响
分别取100 mL渗滤液置于6个烧杯中，加入混凝剂，使加入后混凝剂浓度依次为0、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0 g/L，然后进行搅拌混凝操作，以260 r/min快速搅拌5 min，180 r/min 慢速搅拌20 min，静置30 min，取上清液进行测试分析。
图3为不同混凝剂对COD去除率的影响。从图3中能够看出，随着混凝剂用量的加大，不同混凝剂处理后的渗滤液上清液COD均有较大的去除，其中结晶氯化铝的去除率增幅最大，COD去除率由6.67%增加至33.69%，增加了27.02%；其他混凝剂随着浓度的升高COD去除率也有不同程度的提高。与此同时，在相同的投药量下，PAC带来的COD去除率都要高于其他三种混凝剂，当PAC的浓度为1.0 g/L时，COD去除率最大，达到38.19%，这是因为PAC是一种无机高分子聚合物，在浓度较低时形成的絮体较小，网捕、架桥作用不明显，不易沉降；继续加大混凝剂投加量，Al3+与水中胶体颗粒带的负电荷进行中和作用，使渗滤液中有机物胶体脱稳[9]，同时Al3+与溶液中氢氧根离子形成氢氧化铝胶体，由于氢氧根架桥作用和多价阴离子聚合作用使得其吸附架桥作用加强，加上氢氧化铝胶体的共沉淀作用使其对COD的去除率优于其他几种混凝剂，因此，PAC为最佳混凝剂。
图3 不同混凝剂对COD去除率影响
2.3 渗滤液pH对混凝效果的影响
分别取100 mL渗滤液置于6个烧杯中，调节好渗滤液的初始pH值为：2.0、4.0、6.0、7.4(原渗滤液)、8.0、10.0，并加入同等剂量同一浓度(10.0 g/L)的混凝剂PAC，以260 r/min快速搅拌5 min，180 r/min 慢速搅拌20 min，静置30 min，取上清液进行测试分析，结果如图4所示。从图4可知，总体而言，COD去除率随初始pH值呈先增加后减小的趋势，当初始pH值低于6.0时，随着初始pH值的提高，COD去除率随之增大并在pH值为6.0时达到最大，此时COD去除率为40.79%，TP的去除率为76.67%，NH3-N的去除率为27.26%。进一步增加初始pH值，COD去除率随之减小。研究表明，当pH<3.75时，铝盐的水解产物为Al3+；当3.75
图4 初始pH值对COD去除率的影响
2.4 混凝投药量对去除效果影响
分别取100 mL渗滤液置于6个烧杯中，调节渗滤液的初始pH值为6.0，变化每组混凝剂的加入量，使加入后烧杯中混凝剂浓度依次为0.5、0.7、1.0、1.5、2.0 g/L，以260 r/min快速搅拌5 min，180 r/min 慢速搅拌20 min，静置30 min，取上清液进行测试分析。
图5中曲线所表示的是COD去除率随PAC浓度的变化关系。随着PAC浓度的变化，COD的去除率呈现先上升后下降的趋势，当PAC的浓度小于1.0 g/L 的时候，随着PAC浓度的增加，COD的去除率也随之增大，当PAC的浓度达到1.0 g/L时，COD去除率达到最大值为42.49%；继续增加PAC的浓度，COD的去除率随之减小，这是因为PAC是无机高分子化合物，其长链两端吸附胶体和悬浮物质，形成絮体矾花，从水中脱稳沉降。当投加量少时，不能够将胶体架桥连接起来，太多时，会产生胶体保护作用，不利于沉降[13]，这与李赞忠等[14]人的研究结果一致。
图5 不同浓度对COD去除率的影响
因此，可以确定在1.0 g/L投加浓度条件下的混凝效果最佳，与此同时，TP去除率为90.00%，NH3-N的去除率为34.13%。
2.5 混凝效果随沉降时间的变化
分别取100 mL渗滤液置于6个烧杯中，调节渗滤液的初始pH值为6.0，在每组渗滤液中加入PAC，使加入后浓度为1.0 g/L，以260 r/min快速搅拌5 min，180 r/min 慢速搅拌20 min，改变沉降时间分别为5、10、20、30、40、50 min，取上清液进行测试分析。
图6曲线表示COD去除率随着混凝沉降时间的变化关系。在最佳混凝剂、最佳投药量以及最佳初始pH值条件下，随着混凝沉降时间的延长，COD的去除率呈先上升而后趋于稳定的态势。当沉降时间从10 min增加至30 min时，COD去除率增速最为突出，继续延长沉降时间，COD的去除率虽然有所提高，但增速缓慢，考虑到工程上较长的沉降时间势必带来更高的基建成本，因此，最佳沉降时间为30 min。经测定，在PAC浓度为1.0 g/L，初始pH值为6.0，沉降时间为30 min时，对应的COD去除率为44.10%，TP去除率为93.42%，NH3-N的去除率为36.41%。
图6 沉降时间对COD去除率的影响
2.6 助凝剂对混凝效果影响
分别取100 mL渗滤液置于8个烧杯中，平均分成2组，同时加入相同量的浓度为10.0 g/L的PAC、三氯化铁、硫酸铝、结晶氯化铝，使加入后烧杯中混凝剂浓度为1.0 g/L，再在其中一组加入PAM助凝剂，使加入后助凝剂浓度为1.0 g/L，另一组作空白对照，以260 r/min快速搅拌5 min，180 r/min 慢速搅拌20 min，沉降30 min,沉降结束后取上清液进行测试分析，实验结果见表1。从表1可以看出，加入助凝剂对COD、TP以及NH3-N的去除都有一定程度的促进作用，其中增幅最明显的是与PAC的作用，其COD去除率达到50.10%，TP去除率95.11%，NH3-N去除率39.35%，其余的混凝剂也有不同程度的增加。助凝剂与混凝剂的联合使用，由于多种作用如吸附电中和、压缩双电子层、吸附架桥和网捕沉淀等协同使混凝效果达到强化，各絮体之间相互结合拉拢吸附周围的大分子有机物，使絮体变大、稳定，最后沉降下来，这与李捷等[15]人的处理结果类似。经过混凝预处理后，渗滤液中COD、TP和NH3-N均得到一定程度的去除，可生化性有所提高，有利于后续生化处理。
表1 助凝剂对混凝效果的影响
3 结论
在相同的投药量条件下，PAC在四种混凝剂中对渗滤液的混凝效果最佳；助凝剂PAM的投加在一定程度上对COD、TP以及NH3-N的去除都有促进作用。当 PAC 的浓度为1.0 g/L，渗滤液初始pH值为6，沉降时间为30 min，PAM浓度为1.0 g/L时，COD、TP、NH3-N的去除率分别为50.10%、95.11%和 39.35%。
