无机高分子絮凝剂处理垃圾渗滤液的研究

张渊,郭掌珍

(山西农业大学资源环境学院,山西太谷 030801)

垃圾渗滤液是指垃圾经过堆积或填埋后因压实和生物降解作用使垃圾中原有的水、垃圾降解反应生成的水、场内渗入的雨水、地下水和地表水经过垃圾层过滤后渗出的污水等的总称。其水质具有污染物浓度高、持续时间长、流量不均匀、水质变化大等特点。其水质水量特征决定了需采用物化和生化组合工艺加以处理[1]。

物化处理的目的主要是去除渗滤液中的有毒有害重金属离子、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)及氨氮等,目的是为渗滤液后续的生物处理系统有效运行和达标排放标准创造良好的条件。国内蒋建国等人用复合混凝剂(90%PAC+10%PAM)和壳聚糖试剂,在不同pH及不同投加量的情况下实验表明,对COD的去除率一般为60%左右。也有文献指出采用以改性膨润土作吸附剂,可吸附去除垃圾渗滤液中50%以上的COD和色度[2]。隋智慧等[3]用混凝与吸附联合的方法对北京安定垃圾填埋场渗滤液进行了预处理,该方法对废水COD的去除率稳定在70%左右。

目前混凝沉淀法使用的混凝剂普遍存在处理效率低,相对成本高,且由于在处理过程中普遍使用铝盐为混凝剂,从而带来一定的生态风险。因此开发新型安全、高效混凝剂是当前研究的热点之一。

铁铝共聚物(Inorganic Polymer Flocculation Aluminum and Ferrum Copolymer,PAFC)是一种新型的无机高分子絮凝剂[4],已普遍应用于废水的物化处理并取得良好的效果[5～7],但对其应用于垃圾渗滤液的处理却鲜有报道。因此,本文采用室内试验的方法,以浊度和CODCr为观测指标,探讨PAFC对垃圾渗滤液的絮凝效果及最佳絮凝条件,并与市售聚合氯化铝(Polymer of Aluminum Copolymer,PAC)进行比较,以期寻求一种安全、高效的渗滤液预处理工艺,并探讨以 PAFC代替PAC作为垃圾渗滤液物化处理用絮凝剂的可能性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用垃圾渗滤液采自太原市东山新沟垃圾卫生填埋场。渗滤液基本指标为:CODCr2051.23 mg◦L-1;浊度521;色度200;pH 8.15。试验所需的药品均为AR级。试验所采用的絮凝剂及其性能指标见表1。

表1 絮凝剂及其性能指标Table 1 Characters of the inorganic-polymer-flocculants

1.2 试验方法

1.2.1 絮凝实验

取一定量的渗滤水原水,在搅拌条件下加入絮凝剂,快搅30 s,慢搅 10 min,静置 10 min,取上清液测浊度和CODCr。

1.2.2 絮凝剂絮凝性能比较

取5个250 mL烧杯,加入相同体积的渗滤液,分别投加等量PAC、PAFC、聚合氯化铁(Polymer of Ferrum Copolymer,PAF),快搅 30 s,慢搅10 min,静置10 min,取上清液测浊度和CODCr。

1.2.3 絮凝剂沉降速度的比较

取一定量的渗滤水加入絮凝剂,絮凝,转入到试管中,记录时间,同时测定上清液高度的增长,计算其沉降速度。

1.2.4 絮凝剂的剂量-效应关系

取6个250 mL烧杯,加入250 mL渗滤液,加入不同体积的絮凝剂,絮凝,取上清液测定浊度去除率和CODCr去除率。

1.2.5 絮凝剂最佳pH范围

取6个250 mL烧杯,用石灰乳和硫酸(1∶1)调pH值至不同值,加入絮凝剂絮凝。取上清液测定浊度去除率和CODCr去除率。

1.2.6 分析方法

浊度、CODCr和色度的测定均采用水利部国际合作与科技司编《水利技术标准汇编-水资源水环境卷分析方法》中规定的标准方法,其中浊度测定采用分光光度法(GB13200-91),CODCr分析采用重铬酸盐法(GB11914-89),色度测定采用目视比色法(GB11903-89)。

2 实验结果及讨论

2.1 絮凝剂性能比较

不同絮凝剂絮凝性能的比较结果见图1和图2。

图1 不同絮凝剂去浊率Fig.1 Removal rate for turbidity by different flocculant

由图1可以看出,试验用絮凝剂对浊度的去除率都较高,均大于95%,差别不大。

图2 不同絮凝剂 CODCr去除率Fig.2 Removal rate for CODCrby different flocculant

由图2可以看出,不同絮凝剂CODCr去除率以PAFC3(7/3)最高,为 16.76%,比 PAC(CODCr去除率 12.38%)提高 35.38%,比聚合氯化铁(PAF,CODCr去除率7.23%)提高131.81%。

2.2 絮凝剂沉降速度的比较

不同絮凝剂沉降速度的比较结果见图3。

图3 不同絮凝剂的沉降速度Fig.3 The settling character of various flocculants

由图3可以看出:絮凝剂随着含铁量的增加,沉降速度逐渐加快。综合以上,PAFC3(7/3)较PAC具有更好的絮凝效果和沉降性能。

2.3 絮凝剂的剂量-效应关系

絮凝剂投加量和絮凝效果之间的剂量-效应关系见图4和图5。

图4 絮凝剂投加量与去浊率的关系Fig.4 The relationship between Removal rate of turbidityand dosage of flocculant

由图4可以看出,絮凝剂投加量大于5 mL,曲线开始变得平缓,所以选择5 mL为絮凝剂的最佳用量,此时絮凝剂的加入量相当于20 mL◦L-1

图5中,随着絮凝剂投加量的增加,CODCr去除率先增后减,这说明絮凝剂去除CODCr符合化学架桥理论[8]。絮凝剂加入到渗滤液中,很快形成多核多分支的水解产物,这些分支可分别吸附在几个污染物胶粒表面的活性空位上,使胶体脱稳,凝集形成矾花,达到除污目的。投加量过多,胶粒表面活性空位被占满,水解产物的分支自相作用,使胶粒复稳,去除率就降低。

2.4 最佳pH适用范围

用石灰乳和硫酸(1:1)调pH值至不同值,进行絮凝实验,试验结果见图6。

图5 絮凝剂投加量与CODCr去除率的关系Fig.5 The relationship between Removal rate of CODCr and dosage of flocculant

图6 pH与去浊率的关系Fig.6 The relationship between Removal rate of turbility and pH

由图6可以看出,当6≤pH≤8时,曲线出现峰值,说明当污水呈中性时絮凝剂的处理效果最好,因此确定絮凝最佳酸碱条件为pH=6～8。

3 讨论

卫生填埋是我国城市生活垃圾无害化处理的主要方式。国务院发展研究中心课题组2008年关于《城市生活垃圾处理现状与对策建议》的研究报告指出,2005年全国城市共有垃圾处理厂(场)470座(剔除误报数),其中城市生活垃圾填埋场365座,处理能力21.3万t◦d-1,占全国垃圾无害化处理比重的85.2%。垃圾卫生填埋已经成为我国城市生活垃圾无害化处理的主要方式。垃圾的卫生填埋会产生大量的垃圾渗滤液。垃圾渗滤液中含有多种污染物,尤其是重金属离子和有机物,如不妥善处理,会污染地表水体、土壤和大气,甚至污染地下饮用水源。垃圾渗滤液处理难度极大,其水质特点决定了需采用“预处理-主处理-后处理”的组合工艺进行处理,当前采用的预处理方法主要有混凝吸附法、化学沉淀法、离子交换法、电化学氧化法、生物脱氮法等。由于混凝吸附法具有处理效果好,运行费用低等特点,因此受到人们的普遍重视。

聚合氯化铝是目前废水处理和饮用水供给中普遍使用的高效混凝剂,它具有用量少、除浊率高、污水pH对其影响小等特点[9]。但在实际应用过程中存在铝盐二次污染的问题,对人体健康和生态平衡具有一定的负面效应。70年代中期,聚合硫酸铁问世并应用于生产实际,但在实际应用过程中表现出腐蚀性强,影响设备使用寿命,絮凝产生的污泥脱水性差,沉淀含水率高等问题[10]。为此,研究人员开发了新型的无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁,并应用于处理污染河水[6,11,12]和城市供水[13]等多领域并取得了一定效果,但对其应用于垃圾渗滤液的处理却鲜有报导。

本研究以聚合氯化铝、聚合氯化铁和不同配比的聚合氯化铝铁为研究对象,研究其对垃圾渗滤液的混凝吸附效果,对垃圾渗滤液的处理具有一定的现实意义。

4 结论

由以上分析可以得出以下结论:

①试验用絮凝剂对垃圾渗滤液浊度去除率均达到95%以上,CODCr去除率以PAFC3(7/3)最高,为16.76%,其余依次为PAC和PAF,CODCr去除率分别为12.38%和7.23%。

②随着絮凝剂含铁量的增加,沉降速度逐渐加快。

③絮凝剂的最佳投加量为20 mL◦L-1,其最适pH值为6～8。

④PAFC3(Fe/AL=7/3)是一种高效絮凝剂,它具有絮凝效果好,含铝量少的特点,可以代替目前普遍使用的PAC。

[1]郑雅杰.垃圾填埋场渗滤液特征及其治理[J].水资源保护,1997,11(2):11-14.

[2]于瑞莲,胡恭任.BAC膨润土处理垃圾渗滤液的实验研究[J].工业水处理,2005,25(3):43-45.

[3]姚重华.混凝剂与絮凝剂[M].北京:中国环境科学出版社,1992:1-24.

[4]隋智慧,曲景奎,卢寿慈,等.物理化学法处理垃圾填埋场渗滤液的研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(4):43-46.

[5]方应森,韩瑞瑞,孙根行.聚合氯化铁的制备及其混凝性能[J].化工环保,2010,30(1):89-92.

[6]胡俊虎,刘喜元,李晓宏,等.复合型絮凝剂聚合氯化铝铁(PAFC)的合成及其应用[J].环境化学,2007,26(1):35-38.

[7]岳钦艳,高宝玉,苗晶.高浓度聚合氯化铁混凝剂(PFC)的电动特性及其混凝机理探讨[J].山东大学学报:理学版,2003,38(4):92-99.

[8]李兵,满瑞林,倪网东.垃圾渗滤液处理技术的现状及发展趋势[J].工业安全与环保,2006,32(7):70-75.

[9]姜应和,李玲玲.混凝法强化城市污水厂一级处理的试验研究[J].中国给水排水,2000,16(3):12-15.

[10]钟学才.无机高分子絮凝剂——聚合硫酸铁[J].环境科学与技术,1993(4):25-27.

[11]熊建英,杨海真,王闯,等.铁盐处理上海合流一期污水试验研究[J].中国给水排水,2000,16(6):17-19.

[12]林永增,王国栋,刘相华.二次冷轧废乳化液处理方法的研究[J].工业水处理,2008,28(9):25-27.

[13]赵春禄,刘晓云.聚合氯化铝铁的焙烧法制备及其性能研究[J].青岛科技大学学报:自然科学版,2010,31(1):47-50.