Fenton－聚合硫酸铁组合处理生活垃圾压滤液研究

彭 娟，廖 雷，严 凯，聂 旭，阮芳妮，郑国平

（1.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西 桂林541006；2.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林541006）

城市生活垃圾压滤液产生于生活垃圾压缩减容过程中。由于垃圾压缩站所收集的生活垃圾具有区域特点，因此压缩减容产生的生活垃圾压滤液主要成分有所不同，但共同特点是成分极其复杂，COD、BOD5、SS、氨氮含量均较高，且含有难降解的有毒有害物质，可生化性小。垃圾压缩站间歇式作业，导致生活垃圾压滤液产生的时间不稳定；此外压滤液水量变化受天气影响，降雨降雪可使其水量增加1～2倍［1—8］。由于生活垃圾压滤液成分复杂、水量不稳定，且含有有毒有害物质，直接进入污水处理厂处理，必将增加处理厂的负担。综合考虑生活垃圾压滤液的特点和为了保证城镇污水处理厂正常运行，本文提出将生活垃圾压滤液进行现场处理，达标后直接由下水道进入污水处理厂进行处理的方案。

Fenton试剂被广泛应用于垃圾压滤液和垃圾渗滤液处理领域，并取得了较好的效果［8—10］。Fenton试剂主要通过氧化和络合作用去除压滤液中的表观大分子有机物。它在酸性条件下，通过催化剂的催化作用，产生羟基自由基，通过其强氧化能力，有效地将难降解的有机物去除，从而达到去除COD和降低浊度的目的［11—12］。与其他高级氧化法相比，Fenton催化氧化法具有快速、高效、简单、可产生絮凝等优点。

聚合硫酸铁（PFS）是一种无机高分子混凝剂，也是一种具有多种核结构的无机高分子聚合物。当溶液中pH值不同时，PFS混凝剂在溶液中可以产生多种多核羟基络合离子，多核络合物中心离子络合的羟基平均数较单核多，由于其核电荷数多，所以对胶体颗粒产生很强的电中和及吸附架桥作用，使水中的胶体颗粒悬浮物得以去除［13］。PFS相对其他混凝剂具有以下优点：在污水处理过程中对COD、气味、浊度和氨氮的去除均有较好的效果，且pH值适应范围广，对水质变化大的污水具有理想的净化效果；PFS用量少、性质稳定，且价格相对于其他高分子混凝剂更低廉。目前国内外有许多研究者对其进行了研究［14—20］。

虽然已有关于利用Fenton＋PFS联合处理抗生素发酵废水的报道［21］，也有Fenton联合聚硅酸盐处理生活垃圾压滤液的报道［22］，但关于利用Fenton＋PFS联合处理生活垃圾压滤液却鲜见报道。为此，本文对Fenton＋PFS组合处理生活垃圾压滤液进行了正交试验研究，首先研究Fenton法处理生活垃圾压滤液的最佳反应条件，然后研究PFS法处理生活垃圾压滤液的最佳反应条件，再将经Fenton法最优处理后的污水各项指标调节到PFS法处理的最佳条件，最后利用PFS法处理生活垃圾压滤液，从而得到Fenton＋PFS组合处理的最佳条件。

1 材料与方法

1.1 试验水样

试验用生活垃圾压滤液取自桂林市南溪山压缩式垃圾转运站，所采生活垃圾压滤液水样密封保存于塑料桶内。生活垃圾压滤液的水质指标如下：pH值为3.76～4.35，COD为24 316～25 823mg/L，浊度为220.6～252.7NTU，氨氮为247.5～316.8 mg/L，BOD5为4 254～4 392mg/L，BOD5/COD＜0.2（不宜生物降解）。

1.2 主要试剂与仪器

试验主要试剂：FeSO4·7H2O、过氧化氢（H2O2，30%）、硫酸（H2SO4）、氢氧化钠（NaOH），以上均为分析纯。

试验主要仪器：pHS－3C型酸度计；H05－1型恒温磁力搅拌器；COD消解仪（重铬酸钾法）；UV－721型紫外分光光度计；WGZ－800型浊度计；常规玻璃器皿；FA1004型电子天平。

1.3 试验方法

1.3.1 Fenton法

将16份各100mL生活垃圾压滤液试验水样分别注入编号为1～16的16个250mL玻璃烧杯中，将烧杯依次放在磁力搅拌器上，然后按照表1所设计的条件进行正交试验，反应完成后静置沉淀30 min，取各水样的上清液测定COD和浊度（原水样COD为24 613mg/L，浊度为225.1NTU）。

1.3.2 聚合硫酸铁（PFS）法

取9份各100mL生活垃圾压滤液试验水样分别注入编号为1～9的9个250mL玻璃烧杯中，将烧杯依次放在磁力搅拌器上，然后按照表2所设计的条件进行正交试验，反应完成后静置沉淀30min，取各水样的上清液测定浊度、COD和氨氮（原水样浊度为238.3NTU，COD 为24 712mg/L，氨 氮 为264.6 mg/L）。氨氮的测定方法为纳氏试剂光度法。其中，混凝搅拌方式有：搅拌方式1为200r/min反应5 min；搅拌方式2为先250r/min反应2min、再60 r/min反应8min；搅拌方式3为先250r/min反应1 min、100r/min反应5min、再60r/min反应10min。

2 结果与讨论

2.1 Fenton法处理生活垃圾压滤液的条件优化

按L16（54）5因素4水平设计正交试验方案，各水平的设计参考文献［8］，初步确定pH值、H2O2的投加量、FeSO4的投加量（H2O2与Fe2＋的摩尔比）、反应温度和反应时间5因素对生活垃圾压滤液中COD和浊度去除效果的次反应条件。Fenton法正交试验方案及结果分析见表1。

由表1可以看出：Fenton法正交试验中，所选的5个因素对COD去除率的影响大小顺序依次为H2O2的投加量＞pH值＞H2O2与Fe2＋的摩尔比＞反应温度＞反应时间，去除COD最佳的反应条件是pH值为2.5、H2O2的投加量为12.0mL、H2O2与Fe2＋的摩尔比（Fe2＋的投加量）为10∶1、反应时间为40min、反应温度为30℃；所选的5个因素中对浊度去除率的影响大小顺序依次为pH值＞H2O2与Fe2＋的摩尔比＞H2O2投加量＞反应温度＞反应时间，去除浊度的最佳反应条件是pH值为2.0、H2O2的投加量为14.0mL、H2O2与Fe2＋的摩尔比（Fe2＋的投加量）为10∶1、反应时间为40 min、反应温度为40℃。

表1 Fenton法处理生活垃圾压滤液正交试验方案及结果分析表Table 1 Orthogonal experimental design for Fenton method and result analysis

由于所研究的生活垃圾压滤液COD含量较高，且后续会采用絮凝剂进一步对浊度进行降解，根据正交试验的极差趋势确定Fenton法处理生活垃圾压滤液时的最佳条件为：pH值为2.5，H2O2的投加量为12.0mL，H2O2与Fe2＋的摩尔比（Fe2＋的投加量）为10∶1，反应时间为40min，反应温度为30℃。根据以上最优条件设计验证试验，其试验结果见表2。

表2 Fenton法最优条件下处理垃圾压滤液的试验结果Table 2 Result of leachate treatment by Fenton method under the optimum condition

由表2可以看出：COD去除率为70.54%，浊度去除率为89.10%，可见Fenton法最优条件下处理生活垃圾压滤液可达到较好的去除效果。

2.2 PFS法处理生活垃圾压滤液的条件优化

按L9（43）4因素3水平设计PFS法处理生活垃圾压滤液正交试验方案，各水平的设计参考文献［8］，初步确定PFS投加量、pH值、搅拌方式、反应温度4因素对生活垃圾压滤液中COD和浊度去除效果的次反应条件。PFS法处理生活垃圾压滤液正交试验方案及结果分析见表3。

表3 PFS法处理生活垃圾压滤液正交试验方案及结果分析表Table 3 Orthogonal experimental design for PFS method and result analysis

由表2可以看出：PFS法正交试验中，所选的4个因素对COD去除率的影响大小顺序依次为pH值＞PFS投加量＞搅拌方式＞反应温度，各因素水平的最大K值显示出各因素的较佳处理条件，去除COD的最佳处理条件为PFS的投加量为3.6mL、pH值为7、搅拌方式2（先250r/min反应2min、再60r/min反应8 min）、反应温度为30℃；4个因素对浊度去除率的影响大小顺序依次为pH值＞PFS投加量＞搅拌方式＞反应温度，而去除浊度的最佳处理条件为PFS的投加量为3.6mL、pH值为8、搅拌方式2（先250r/min反应2 min、再60r/min反应8min）、反应温度为30℃；4个因素对氨氮去除率的影响大小顺序依次为pH值＞搅拌方式＞PFS的投加量＞反应温度，而去除氨氮的最佳处理条件为PFS的投加量为3.6mL、pH值为8、搅拌方式为3（先250r/min反应1min、100r/min反应5 min、再60r/min反应10min）、反应温度为30℃。

由于PFS法主要是处理经Fenton法最佳条件处理后的生活垃圾压滤液中的浊度，所以经分析，PFS法处理生活垃圾压滤液的最佳反应条件为：PFS的投加量为3.6mL、pH值为8、搅拌方式为2（先50r/min反应2min、再60r/min反应8min）、反应温度为30℃。

2.3 Fenton＋PFS组合处理生活垃圾压滤液的效果

根据以上试验结果，先采用最佳反应条件下的Fenton法处理生活垃圾压滤液，然后将经Fenton法最优处理后的生活垃圾压滤液各项指标调节到PFS法处理的最佳反应条件，并向其中加入准备好的PFS混凝剂进行反应，并检测处理后的生活垃圾压滤液的各项水质指标，其检测结果见表4。试验采用3次平行测定，其结果取平均值。

表4 Fenton＋PFS组合处理生活垃圾压滤液的试验结果Table 4 Result of leachate treatment by Fenton and PFS under the optimum condition

由表4可以看出：经Fenton法与PFS法在最优条件下组合处理后，生活垃圾压滤液剩余COD降到3 728.0mg/L，COD去除率达到85.2%；剩余浊度为8.4NTU，浊度去除率为96.49%；剩余氨氮为149.8mg/L，氨氮去除率达到45.35%。可见，该组合方法对COD和浊度的去除效果较好，对氨氮的去除效果相对前两者稍差。尽管该组合方法不能使处理后的生活垃圾压滤液各项指标全部达标，但在很大程度上改善了生活垃圾压滤液的可生化性，降低了后续生物处理的负荷，为后续生化处理正常进行奠定了良好的基础。此外，该组合方法所用时间短，占地面积小，且能够对生活垃圾压滤液进行现场处理，也可缓解土地紧张地区城市垃圾压缩站处理垃圾压滤液占地面积的问题。

3 结 论

（1）利用Fenton法处理桂林南溪山垃圾压缩站100mL生活垃圾压滤液时，通过极差值的大小可以看出：各因素对COD去除率的影响主次顺序依次为H2O2投加量＞pH值＞ H2O2与Fe2＋的摩尔比＞反应温度＞反应时间；各因素对浊度去除率的影响主次顺序依次为pH值＞H2O2与Fe2＋的摩尔比（Fe2＋的投加量）＞H2O2的投加量＞反应温度＞反应时间；Fenton法最佳处理条件是pH值为2.5、H2O2的投加量为12.0mL、H2O2与Fe2＋的摩尔比（Fe2＋的投加量）为10∶1、反应时间为40min、反应温度为30℃。

（2）利用PFS法处理垃圾压缩站100mL生活垃圾压滤液试验水样时，通过极差值的大小可以看出：各因素对COD去除率的影响主次顺序依次为pH值＞PFS投加量＞搅拌方式＞反应温度；各因素对浊度去除率的影响主次顺序依次为pH值＞PFS投加量＞搅拌方式＞反应温度；各因素对氨氮去除率的影响主次顺序依次为pH值＞混凝搅拌方式＞PFS的投加量＞反应温度；PFS法最佳处理条件是PFS的投加量为3.6mL、pH值为8、搅拌方式为2（先50r/min反应2min、再60r/min反应8 min）、反应温度为30℃。

（3）南溪山垃圾压缩站100mL生活垃圾压滤液经Fenton法和PFS法在最优条件下组合处理后，浊度去除率为96.49%，COD去除率为85.2%，氨氮去除率为45.36%；浊度、COD和氨氮分别降到8.4NTU、3 728mg/L、149.8mg/L。

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