垃圾渗滤液膜后浓缩液混凝预处理

刘婷，赵长盛，陈庆锋，司国瑞，李磊，冯优，李金业

(齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省分析测试中心，山东 济南 250014)

垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度的有机废水，是生活垃圾在储存或者填埋的过程中产生的一种由垃圾自身所含水分、自然降水、有机物分解水等形成的有机废水[1-2]。近年来，我国加强了对生活垃圾处理场渗滤液处理的投资，垃圾渗滤液的处理能力得到了很大的提高。但是，出于经济和运行费用的考虑，我国垃圾渗滤液的处理仍以生化处理为主，难以达到生活垃圾填埋场污染控制标准的要求。

垃圾渗滤液膜后浓缩液是垃圾渗滤液经膜处理过程产生的一种成分复杂、难以生物降解的高浓度有机废水，处理膜浓缩液的方法一般分为转移、资源化、减量化和无害化处理[3-4]。目前采用的主流的垃圾渗滤液处理方式为垃圾渗滤液经过生化处理后进入膜处理系统，清水达标后排放，膜后浓液蒸发结晶出盐，无盐冷凝水经处理后达标排放。现今采用比较多、效果比较好的膜处理工艺是碟管式(disc-tube ,DT)膜技术，垃圾渗滤液经DT膜技术处理后产生的膜后浓缩液(DT出水)再经过蒸汽机械再压缩技术(mechanical vapor recompression, MVR)蒸发结晶，最后达标排放[5-6]。处理过程中，由于DT出水具有高化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、高氨氮、高盐等特点，高COD导致盐分达到饱和状态后无法结晶析出，造成MVR蒸发器难以顺利运行。针对以上问题，本文利用混凝法对垃圾渗滤液处理过程中产生的DT出水进行预处理，降低了DT出水的COD浓度，使MVR蒸发器能够顺利运行，达到垃圾渗滤液全量化处理的目的。

1 实验材料和方法

1.1 水样与水质

实验用水取自济南市某垃圾处理厂垃圾渗滤液的DT膜后浓缩液，用不同混凝剂对DT出水进行单因素混凝试验，同时对影响混凝处理效果的因素进行研究，从而确定混凝处理DT出水的最佳处理条件。试验期间的DT出水水质情况如表1所示。

表1 DT出水水质指标Table 1 DT effluent quality index

1.2 试验方法

单因素试验法，在500 mL的烧杯中分别加入250 mL的DT出水，分别改变混凝剂的种类和投加量、助凝剂的投加量及膜后浓缩液的初始pH，用混凝搅拌器以200 r/min搅拌5 min，50 r/min搅拌2 min，静置沉淀5 min，过滤，进行测试分析，比较其COD去除率。COD的测定采用重铬酸钾法，具体方法参照HJ 828—2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸钾法》[7]。

2 结果与讨论

在混凝沉淀工艺处理DT出水试验中，选取4种不同的混凝剂：三氯化铁(FeCl3)、六水合氯化铝(AlCl3·6H2O)、聚合氯化铝(polyaluminum chloride ，PAC)、聚合氯化铝铁(polyaluminum ferric chloride ，PAFC)，以COD去除率作为评价参数，比较其混凝效果。

2.1 混凝剂投加量对COD去除率的影响

图1为混凝剂投加量对COD去除率的影响，可以看出，FeCl3、PAC、AlCl3·6H2O在投加量小于0.8 g/L时，加大剂量，去除率先增后减，FeCl3投加量在0.64 g/L时，去除率最高，为75.0%；AlCl3·6H2O在投加量为0.32 g/L时，去除率达到最高，为62.2%；PAC在投加量为0.64 g/L时，去除率达到最高，为56.8%。这主要是因为随着FeCl3投加量不断增加，溶液中Fe3+、H+等带正电荷的离子数量会增加，这些带正电的离子会与胶粒吸附的带负电荷的离子进行离子交换反应，胶体颗粒的电荷数和静电斥力就会随之减少，此时范德华力增加，胶粒间的作用力表现为引力，使胶粒吸附凝聚，进而被沉淀去除[7]。在投加量为0.80～1.12 g/L时，增加投加的药剂量，去除率先增后减，投加的剂量为0.96 g/L时，去除率最高，FeCl3去除率为68.8%，AlCl3·6H2O去除率为55.2%，PAC去除率为62.2%。随着投加量的增加，PAFC的去除率在不断上升，在投加量为0.96 g/L时，去除率达到最高，为59.8%，此后，继续增加混凝剂，COD去除率不变。投加的混凝剂超过一定数量后，部分胶粒重新开始带正电荷，导致再稳定现象，去除率也随之降低[8]。根据图1，并考虑处理过程的其他影响因素，效果最好的混凝剂为FeCl3，最佳投加剂量为0.64 g/L。

图1 混凝剂投加量对COD去除率的影响Fig.1 Effect of coagulant dosage on COD removal rate

2.2 助凝剂投加量对COD去除率的影响

聚丙烯酰胺(polyacrylamide ，PAM)只有在粒子之间才能起到架桥的作用，前期投加的FeCl3具有较好的压缩双电层和吸附电中和的作用，但其吸附架桥效果较差，形成絮凝体的矾花小，将二者结合，以期达到更好的混凝效果[8-9]，故将PAM作为本试验的助凝剂。由图1可知4种混凝剂的最佳投加量，在混凝剂的最佳投加量下，加入不同剂量的助凝剂，比较其混凝效果。

图2为助凝剂投加量对COD去除率的影响，从图2可知，助凝剂投加量对COD去除率影响效果不明显，除PAC外，投加量小于4 mg/L时，不断增加PAM的量，COD去除率不断提高，在投加量为4 mg/L时，去除率最高，FeCl3的去除率为75.8%，PAFC的去除率为60.4%，AlCl3·6H2O的去除率为63.4%；在投加量大于5 mg/L后，随着投加量的增加，COD去除率反而下降。对于PAC，不断增加其投加量，去除率先增加后减少，在投加量为3 mg/L时，达到最高去除率63.3%。去除率呈现先升高后降低的现象主要是因为PAM是一种分子上存在大量活性基团的高分子有机絮凝剂，适当地投加一定量的PAM时，悬浮的胶体粒子和PAM分子上的活性基团之间就会产生较强的吸附架桥作用，增大混凝剂形成的絮体，进一步增强混凝效果，从而提高COD去除率[10]。但是，如果继续增大投加量，体系中的高分子絮凝剂投加过量，高分子链会将颗粒包围，导致架桥所需的活性点位减少，吸附架桥难以进行，与此同时，由于颗粒间的排斥作用，颗粒会保持相对分散状态，难以进行絮凝沉淀，去除率也会随之降低[11-12]。

图2 助凝剂投加量对COD去除率的影响Fig.2 Effect of coagulant aid dosage on COD removal rate

在反应过程中可观察到：在PAM的投加量小于最佳投加量时，絮体出现速度越来越快，尺寸也依次增大，沉降速度逐渐加快；在最佳投加量时，絮体出现最快、尺寸最大、沉降速度最快；投加量大于最佳投加量后，絮体出现速度越来越慢，尺寸也逐渐变小，沉降速度依次减慢。

2.3 初始pH对COD去除率的影响

改变DT出水的初始pH，在混凝剂和助凝剂的最佳投加量下，COD去除率随pH的变化如图3所示。由图3可知，pH对混凝效果的影响较明显，随着pH的升高，4种混凝剂的COD去除率都呈现先升高后降低的整体趋势，其中FeCl3的去除率最高。在初始pH为6时，FeCl3的去除率最高，为80.6%。由图3可知，当pH不断升高，COD去除率先升高后降低，这主要是因为pH较低时，溶液中H+与有机配体结合生成有机酸，大大减少了混凝剂周围胶体颗粒的吸附，吸附电中和架桥作用被减弱，絮凝沉淀效果较差。pH继续升高，Fe3+会与水中离子发生络合反应，生成沉淀物，水中的颗粒会在沉淀物沉淀过程中被沉淀物的网捕卷扫作用去除，COD去除率也随之提高。当pH超过了最佳值后，形成的沉淀会被溶解，使其网捕卷扫能力减弱；同时会形成络合物，与颗粒带同种电荷，使粒子再稳定，不易去除[13-14]。

图3 溶液初始pH对COD去除率的影响Fig.3 Effect of initial pH on COD removal rate

由图3可知，FeCl3在DT出水中充当混凝剂的最佳pH为4～7。这主要是由于铁盐在较低pH下处理效果较好，特别是在pH为4～7时(当然，过低就无法形成铁盐絮体了)[8]。因为DT出水本身的pH为7.12，在pH为7时，COD去除率为75.7%。在实际生产中，如果考虑到经济和工艺各方面的条件，可不调节pH，直接用DT出水进行混凝处理。

3 结论与展望

3.1 结论

(1)混凝处理试验中，综合各种因素考虑，4种混凝剂的COD去除效果从高到低依次为：FeCl3、AlCl3·6H2O、PAC、PAFC。

(2)对4种混凝剂的影响因素进行了探究，得出4种混凝剂试验影响因素的最优值分别是：FeCl3投加量为0.64 g/L，PAM最佳投加量为4 mg/L，最佳反应初始pH为6；AlCl3·6H2O投加量为0.32 g/L，PAM最佳投加量为4 mg/L，最佳反应初始pH为6；PAC投加量为0.64 g/L，PAM最佳投加量为3 mg/L，最佳反应初始pH为7；PAFC投加量为0.96 g/L，PAM最佳投加量为4 mg/L，最佳反应初始pH为6。

(3)综合各种因素考虑，试验采用的混凝剂中，FeCl3为最佳混凝剂。

3.2 展望

(1)试验采用的混凝剂都是常见的混凝剂，可以尝试制备一些新型、高效的混凝剂，加入试验中进行混凝剂性能对比。

(2)混凝对DT出水有较好的处理效果，但也很难达到出水标准，应对出水进一步处理，可采用高级氧化、生物膜等方法对出水进行进一步的处理。

(3)试验主要是以COD去除率作为指标来评价混凝对DT出水的去除效果，今后可以测定更多的指标评价混凝对DT出水的处理效果，深入研究混凝对DT出水中污染物的去除机理。

垃圾渗滤液膜后浓缩液的全量化处理是我国现阶段垃圾渗滤液处理工作的重点和难点所在。本文结合垃圾渗滤液膜后浓缩液的特性，综合经济、环境效益，采用混凝法去除DT出水中的大部分有机物，为后续工艺的稳定运行创造了条件，有望解决现今垃圾渗滤液膜后浓缩液处理过程中存在的问题，成为垃圾渗滤液膜后浓缩液的全量化处理的重要方法。