过硫酸盐氧化强化餐厨垃圾发酵沼液固液分离研究

吴 畏，徐继超，秦玉坤，杨广龙，李梦慧，张玉生，董瑞麒，宫长斌，陈英文

(1. 南京环境集团有限公司，江苏 南京 210026；2. 南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211816)

1 引言

餐厨垃圾是目前世界产生量最多的生物垃圾之一[1]。厌氧发酵后的沼液含有大量的N、P、K等营养元素，还富含微量元素、腐殖酸、有机质等，因此常常被用作液态有机肥[2]。但由于沼液的氨氮浓度、重金属、盐度含量较高，气味较大等特点，餐厨沼液的处理成了行业难题[3,4]；且沼液内部有机物浓度和胶态物质含量高，难以固液分离[5]，因此，需寻求一种有效的沼液预处理方法。

化学絮凝是一种简单、高效、廉价的沼液处理方法[6]，可以有效降低废水中有机物、固体悬浮物量[7]。无机高分子絮凝剂是在传统的铁盐和铝盐絮凝剂基础上发展起来的，具有适应性强、效能高、价格低等优点[8]，但需多种药剂联用、运行和药剂费用偏高[9]。高级氧化法中的过硫酸盐体系，具有很强的氧化性和非选择性[10]，可以氧化绝大部分有机物[11]，对胞外聚合物有很好的破坏与分解作用[12]，能促进污泥絮体中部分水的释放，改善污泥脱水性能[13]。采用过硫酸盐预氧化沼液，其有机物含量减少并且改善其脱水性能后，再进行絮凝，可减少药剂投加量，节约处理成本。本文研究了过硫酸盐高级氧化技术的沼液预处理性能，优化运行参数，形成了高级氧化-絮凝组合工艺，实现了沼液经济性高效预处理。

2 材料与方法

2.1 水质

本试验选取的餐厨沼液来自南京某餐厨垃圾处理厂，采用国标法对沼液成分进行分析，由于实际生产中水质具有一定波动，表1中数据为平均值，具体实验计算以当批水样数据为准。

表1 水质指标

2.2 实验设计

本实验以发酵后的餐厨沼液为研究对象，分别进行过硫酸盐高级氧化实验、絮凝实验、过硫酸盐-絮凝组合实验。以Fe(Ⅱ)作为活化剂，分别探究了Fe(Ⅱ)和S2O82-摩尔比、摩尔浓度、反应pH值、反应温度、反应时间等因素对过硫酸盐氧化性能的影响。以3‰ PAM为助凝剂，考察了聚合氯化铝(PAC)、AlCl3、FeCl3、聚合氯化铝铁(PAFC)、Al2(SO4)3和聚合硫酸铝(PAS)6种絮凝剂对沼液的絮凝效果。

基于以上获得的最优结果，进行过硫酸盐氧化-絮凝组合工艺研究，以COD、SS为检测指标。同时，通过沼液比阻(γ)参数分别对过硫酸盐氧化、絮凝、过硫酸盐氧化-絮凝工艺进行沼液脱水性分析。

2.3 分析方法

检测方法采用国家环境保护部发布的标准方法，COD采用快速消解分光光度法测定，pH值采用手提式多参数测试仪测定，SS的测定采用重量法，沼液比阻的测定采用布氏漏斗-真空抽滤法。

3 结果与讨论

3.1 过硫酸盐氧化实验分析

3.1.1 Fe(Ⅱ)和S2O82-摩尔比

在原始沼液pH、Fe(Ⅱ) = 10 mmoL/L、室温条件下探究了不同Fe(Ⅱ)和S2O82-摩尔比对沼液COD去除效率的影响。由图1可知，当摩尔比为1∶1时，沼液COD去除率最高。当S2O82-浓度降低时，反应体系中SO4-·减少；当S2O82-浓度提高时，没有足够的Fe(Ⅱ)活化S2O82-，导致沼液COD去除率降低。因此，1∶1为最佳摩尔比。

图1 不同Fe(Ⅱ)和S2O82-摩尔比下沼液COD去除率

3.1.2 Fe(Ⅱ)和S2O82-浓度

图2 不同Fe(Ⅱ)和S2O82-浓度下COD去除率

3.1.3 反应pH值

在室温、Fe(Ⅱ)和S2O82-摩尔比为1∶1且浓度为2 mmoL/L时，考察pH值对沼液COD去除率的影响。由图3知，随着pH值的增加，沼液COD去除率呈降低的趋势，当pH值为3时，COD去除率较高，这是因为过酸会抑制Fe3+水解生成Fe(OH)3，进而使Fe(Ⅱ)保持较高的活性。继续升高pH值，由于过硫酸盐产生大量SO4-·[15]，所以在高pH值条件下，仍然保持较高COD去除率，最终优选沼液原水pH值。

图3 不同pH值条件下COD去除率

3.1.4 反应时间

在原始沼液pH = 8.18、Fe(Ⅱ)和S2O82-摩尔比为1∶1且浓度为2 mmoL/L时，考察时间对沼液COD去除率的影响。结果如图4所示，在0～30 min内，COD去除率随时间延长而增加。在氧化时间为30 min时，COD去除率达到41.12%，此后随着时间的延长，COD去除率增加不明显，说明体系中的S2O82-已全部参与反应。

图4 不同时间下COD 去除率

3.2 絮凝实验分析

3.2.1 絮凝剂种类

考察6种不同絮凝剂对沼液COD去除率的影响(图5)，结果发现，相较于其他5种絮凝剂，AlCl3作用下沼液COD和SS去除率最高，分别达到60.59%和83.48%，因此，本实验选用AlCl3做絮凝剂。

图5 不同絮凝剂种类下沼液COD和SS去除率

3.2.2 絮凝剂浓度

以AlCl3为絮凝剂，不同投加浓度下沼液指标去除率结果见图6。由图可知，AlCl3浓度越高，COD和SS去除率就越高，但是当AlCl3浓度过高时，沼液会产生大量的气泡，综合考虑，选用6%质量浓度的氯化铝。

图6 不同氯化铝浓度对沼液COD和SS的去除率

3.2.3 复合絮凝剂

虽然AlCl3表现出了优异的COD和SS去除效果，但其价格较高，增加了沼液处理成本，因此，本实验进一步优选价格较低的PAC絮凝剂和AlCl3进行复配，进行了PAC∶AlCl3质量比分别为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4和7∶3的絮凝实验。由图7可知，当AlCl3和PAC的质量比为1∶1时和单独使用AlCl3时的COD和SS去除率较为接近。而PAC的价格仅为AlCl3的一半，因此结合经济性和实际处理效果，选用质量比为1∶1的AlCl3∶PAC复合絮凝剂。

图7 不同质量比下沼液COD 和SS的去除率

3.3 组合工艺效果分析

3.3.1 COD和SS去除效果分析

在Fe(Ⅱ)：S2O82-=1∶1，S2O82-和Fe(Ⅱ)的浓度为2 mmoL/L、原沼液pH值、室温、反应时间30 min的最优条件下进行过硫酸盐氧化，再选用不同浓度的复合絮凝剂(PAC+AlCl3)絮凝，考察组合工艺对沼液COD和SS的去除率。如图8所示，PDS+6%复合絮凝剂组去除率最高，但是相对于PDS+3%复合絮凝剂组，去除率没有明显提高，所以PDS+3%复合絮凝剂组处理效果最优。该组沼液的COD和SS的去除率分别达到了75.73%和96.40%，比单独使用复合絮凝剂时去除率显著提高。

图8 组合工艺对COD和SS去除效果的影响

3.3.2 沼液脱水性能分析

考察了原沼液、絮凝剂处理后沼液、过硫酸盐氧化后沼液、絮凝剂+过硫酸盐氧化后沼液的沼液比阻，具体结果见表2。

沼液比阻(γ)是表征沼液过滤特性的综合指标，沼液比阻越小，表示沼液脱水效果越好[16]，由表2可知，经过硫酸盐氧化后，γ降低，因为Fe(Ⅱ)活化过硫酸钾产生的SO4-·可对沼液EPS结构和部分化学物质进行破坏，促使沼液絮体中部分束缚水的释放，从而改善沼液脱水性能[13]；絮凝剂单独处理后，γ下降，原因在于有机絮凝剂使絮凝物的粒径更大、比表面积更小、分型维数更小[17]；经过硫酸盐氧化和絮凝剂处理后γ进一步降低，絮凝剂和过硫酸盐联合处理沼液，脱水效果达到了1+1>2的效果，可能在于两者协同处理，使体系达到了平衡，所以加强了效果。

表2 沼液比阻数据

结合图8和表2，经过硫酸盐氧化和絮凝剂絮凝组合工艺处理后沼液的COD、SS、比阻比单独使用絮凝剂或过硫酸盐氧化都得到了强化，且减少了絮凝剂的投加。综合所述，选用过硫酸盐氧化-絮凝组合工艺效果最佳。

4 结论

(2)根据絮凝实验结果，结合经济性，优选6%的PAC+AlCl3·6H2O为复合絮凝剂。

(3)最适过硫酸盐氧化条件和最适絮凝条件下，絮凝剂减半投加后，过硫酸盐高级氧化-絮凝组合工艺中沼液COD去除率可达75.74%，SS去除率可达96.40%，沼液比阻降低了97.69%。