劉占孟,胡云琪,占　鵬,聶發(fā)輝

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌　330013)

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PFM處理垃圾滲濾液的混凝效果與微觀形態(tài)分析

劉占孟,胡云琪,占鵬,聶發(fā)輝

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌330013)

摘要：針對(duì)垃圾滲濾液的污染特性,研究了鐵鎂復(fù)合混凝劑(PFM)的混凝效果及其微觀形態(tài)。結(jié)果表明:在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,相對(duì)于其他無(wú)機(jī)混凝劑, PFM處理垃圾滲濾液有更好的混凝效果,對(duì)COD和色度的去除率分別達(dá)60%和80%以上;PFM發(fā)揮了鐵鹽與鎂鹽組分的各自混凝優(yōu)勢(shì);紅外光譜和X射線衍射分析結(jié)果顯示,鐵鎂復(fù)合混凝劑PFM是以羥基橋聯(lián)的鐵鎂共聚物。

關(guān)鍵詞：垃圾滲濾液;鐵鎂復(fù)合混凝劑;混凝;微觀形態(tài)

垃圾滲濾液含有大量的有機(jī)物、氨氮、重金屬等污染物,如果不進(jìn)行合理收集并安全處置,可能形成對(duì)地下水和地表水的潛在污染源[1]。生物工藝具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為垃圾滲濾液處理的首選和主流工藝。然而對(duì)于垃圾滲濾液這種成分異常復(fù)雜的有機(jī)廢水,其可生化可降解性隨著填埋場(chǎng)運(yùn)行年限的增加而降低, C、N、P營(yíng)養(yǎng)比例失調(diào),因此采用生物處理工藝處理廢水存在一定困難[2],往往不能達(dá)到廢水排放要求。鑒于單一工藝難以滿足垃圾滲濾液的處理要求,通常情況下,采取以生化工藝為主體,增加其他物化、化學(xué)等工藝進(jìn)行預(yù)處理或深度處理,組成聯(lián)合工藝處理垃圾滲濾液[3-7]。

混凝是水處理技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的處理工藝,大多作為預(yù)處理或中間處理或后處理單元,與其他工藝單元一起構(gòu)成水處理工藝的流程系統(tǒng)[8]。采用混凝沉淀工藝等物化處理單元對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行預(yù)處理,可有效削減垃圾滲濾液中的COD、BOD、色度和重金屬等污染物質(zhì),為后續(xù)生化工藝提供有利條件。

本文初步研究鐵鎂復(fù)合混凝劑(PFM)對(duì)垃圾滲濾液的混凝效果與微觀形態(tài),并與常規(guī)混凝劑的混凝效果進(jìn)行對(duì)比。

1　實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1原水水質(zhì)

試驗(yàn)水樣為南昌市某垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)的調(diào)節(jié)池出水,屬于中老齡垃圾滲濾液,主要水質(zhì)指標(biāo)如下:COD, 7 350～9 200 mg/L;BOD, 1 840～2 030 mg/L;色度,600～800倍;pH,7.6～7.8。

1.2混凝實(shí)驗(yàn)

鐵鎂復(fù)合混凝劑PFM通過(guò)實(shí)驗(yàn)室制備:將FeSO47H2O、MgSO47H2O、H2SO4按一定比例加入到蒸餾水中并混合均勻,在高速攪拌的條件下加入一定量H2O2,所得溶液在恒溫水浴振蕩器上以一定溫度熟化,靜置、冷卻得到液體成品。其他對(duì)比混凝劑均來(lái)自市售。

混凝實(shí)驗(yàn)通過(guò)六聯(lián)攪拌器采用燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)。在6個(gè)攪拌杯中分別加入800 mL垃圾滲濾液,投加混凝劑后先快速攪拌2 min,再慢速攪拌15 min,而后靜置沉淀30 min取上清液分析。

1.3實(shí)驗(yàn)分析

COD:微波消解法;色度:采用稀釋倍數(shù)法; Fe(Ⅲ)形態(tài)分布:Ferron試劑法;XRD:日本D/Max-RC型X-射線衍射儀;FTIR:溴化鉀壓片法(德國(guó)Tensor27型紅外光譜儀)。

2　結(jié)果與討論

2.1PFM混凝劑的混凝效果

2.1.1pH值對(duì)混凝效果的影響

在廢水混凝過(guò)程中,pH是重要影響因素之一。COD和色度的去除率均隨著pH值的提高先迅速升高而后緩慢降低,在pH值為7～8的范圍內(nèi)復(fù)合混凝劑PFM有著較好混凝行為,相比在其他pH值條件下,有著更高的COD和色度的去除率,見(jiàn)圖1。在較高的pH值條件下, PFM更易水解成具有較高分子量的Feb、Mg(OH)2形態(tài),Feb是公認(rèn)的鐵鹽有效混凝形態(tài),而Mg(OH)2也是鎂鹽發(fā)揮作用的主要形態(tài),因此在較高pH值下呈現(xiàn)出較好的混凝效果[9-10]。該滲濾液在自然條件(沒(méi)有酸堿調(diào)節(jié))下的pH值為7.8,接近于最優(yōu)pH值,因此在此條件下混凝即可產(chǎn)生較好的效果。

圖1　pH值對(duì)混凝效果的影響

2.1.2投藥量對(duì)混凝效果的影響

隨著投藥量的增加,COD和色度的去除率均先迅速升高而后緩慢降低(圖2),因此存在一個(gè)適宜的投藥量范圍。在混凝劑PFM投加量為2.0～2.8 g/L的范圍內(nèi),COD和色度的去除率分別達(dá)到了60%和80%以上。當(dāng)投藥量增大至3.6 g/L時(shí),COD去除率略有下降,但滲濾液脫色效果顯著惡化,色度去除率明顯降低?？赡艿脑蚴峭端幜砍^(guò)系統(tǒng)所需藥量時(shí),殘留在廢水中的混凝劑本身顏色所致。在混凝過(guò)程中,過(guò)多混凝劑不僅會(huì)降低混凝效果,而且會(huì)增加成本。因此,最優(yōu)混凝劑投藥范圍在2.0～2.8 g/L。在此范圍內(nèi),絮體密實(shí),沉降速度快,混凝效果良好。

圖2　投藥量對(duì)混凝效果的影響

2.1.3PFM與常規(guī)混凝劑的混凝效果比較

在相同實(shí)驗(yàn)條件下,以COD和色度的去除率為考察目標(biāo),進(jìn)行PFM復(fù)合混凝劑與目前常用無(wú)機(jī)混凝劑處理垃圾滲濾液的對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　不同無(wú)機(jī)混凝劑對(duì)垃圾滲濾液的混凝效果

對(duì)比4種混凝劑的COD去除率曲線,可知PFM的COD去除率在相同投藥量下始終保持最高,去除率在最佳條件下達(dá)到63%。PAC 和 PFS也都呈現(xiàn)出良好的混凝行為,去除率在50%以上。PFC的去除率較低,在40%左右。在低投藥量下,PFS比其他混凝劑有著略好的脫色性能,然而隨著投藥量的增加這種優(yōu)勢(shì)迅速減小,而且色度迅猛增加,可能是過(guò)多的混凝劑殘留在廢水中所致。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),PFC色度去除率均較低。PFM和PAC色度去除率較高,而且未出現(xiàn)色度去除率急劇降低的現(xiàn)象。相對(duì)于PAC,鐵鎂無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑PFM在最佳投藥范圍內(nèi)有著更好的色度去除率。

鐵鎂無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑PFM在去除COD和色度兩方面均顯示了其優(yōu)越性,在相同實(shí)驗(yàn)條件下,其混凝效果優(yōu)于傳統(tǒng)市售無(wú)機(jī)混凝劑,表明PFM混凝劑中鐵鹽、鎂鹽組分產(chǎn)生了增效互補(bǔ)作用,實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)效應(yīng)。

2.2PFM的微觀形態(tài)

2.2.1PFM的 Fe(Ⅲ)形態(tài)分布

傳統(tǒng)無(wú)機(jī)混凝劑PFS和新型無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑PFM的Fe(Ⅲ)形態(tài)分布見(jiàn)圖4。

圖4　PFM與PFS的Fe(Ⅲ)形態(tài)分布

從圖4可以看出,PFS與PFM混凝劑中Fe(Ⅲ)的3種形態(tài)含量差別不明顯,說(shuō)明鎂鹽對(duì)PFM混凝劑Fe(Ⅲ)形態(tài)分布基本不存在影響,PFM中鎂鹽的作用不是通過(guò)改變鐵鹽的存在形態(tài)來(lái)增強(qiáng)混凝劑的混凝效果。鎂鹽與鐵鹽復(fù)合制備PFM充分發(fā)揮了鐵鹽、鎂鹽各自的優(yōu)點(diǎn)。此外,鎂鹽的加入會(huì)使PFM混凝劑在貯存過(guò)程中較長(zhǎng)時(shí)間保持較高的混凝優(yōu)勢(shì)形態(tài)。

2.2.2PFM的紅外光譜分析

采用溴化鉀壓片法對(duì)PFS和新型鐵鎂復(fù)合混凝劑PFM進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,兩種樣品的紅外光譜見(jiàn)圖5。兩種樣品的紅外光圖譜呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。一般認(rèn)為鐵(Ⅲ)和鎂(Ⅱ)所形成的混凝劑主要是以羥基橋連接的,均屬于羥基絡(luò)合物[11],因此這兩種樣品的紅外光圖譜都有相似之處,在3 700～3 000 cm-1、1 670～1 610 cm-1和1 230～990 cm-1處都有較強(qiáng)的羥基吸收峰。對(duì)于PFS在1 069 cm-1出峰和PFM在1 075 cm-1出峰分別是由于Fe-OH-Fe,Mg-OH-Mg伸縮振動(dòng)所形成的,出峰的位置偏差的產(chǎn)生是因?yàn)閮煞N混凝劑形成的晶體結(jié)構(gòu)不一樣,導(dǎo)致振動(dòng)的角度也不一樣。PFS和PFM在625 m-1的吸收峰是由于Fe-OH彎曲振動(dòng)引起的。對(duì)比PFM和PFS,PFM中512 m-1的出峰則是Mg-OH的彎曲振動(dòng)所致,所以,PFM是以羥基橋聯(lián)的鐵鎂的復(fù)雜高分子多聚物,在制備過(guò)程中生成了新的聚合物形態(tài)。

圖5　PFM與PFS的紅外光譜

2.2.3PFM的X射線衍射分析

PFM具有良好的混凝效果,分析其內(nèi)在原因,可能是兩種金屬鹽在制備過(guò)程中發(fā)生某種聚合作用而生成了新物相,為此對(duì)PFM進(jìn)行X射線衍射分析,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6　PFM混凝劑及其前驅(qū)物XRD射線衍射圖譜

由圖6可知,鐵鎂無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑PFM的XRD圖譜顯示為無(wú)定形狀態(tài),對(duì)比制備前驅(qū)物FeSO4·7H2O、MgSO4·7H2O的XRD圖譜,PFM的XRD圖譜中無(wú)明顯特征峰,晶體特性消失,這表明PFM混凝劑不同于其制備前驅(qū)物,不是兩者的混合物。鐵鎂無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑PFM在制備過(guò)程中,在前驅(qū)物Fe3+和Mg2+之間發(fā)生了某種反應(yīng),生成了新的聚合物,使其在混凝過(guò)程中有著更好的混凝行為。

3　結(jié)　論

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)比常規(guī)凝劑,鐵鎂無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑PFM處理垃圾滲濾液有著更好的混凝效果, 其對(duì)COD和色度的去除率可分別達(dá)到60%和80%以上。

從PFM的X-射線衍射圖譜和紅外光圖譜譜分析可知,PFM在制備過(guò)程中發(fā)生了某種聚合反應(yīng),生成了以羥基橋聯(lián)的鐵和鎂的復(fù)雜多聚物,這可能是鐵鎂無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑PFM改善混凝效果的內(nèi)在原因。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.017

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51468016); 江西省自然科學(xué)基金(20142BAB203027);江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20151BBG70020)

作者簡(jiǎn)介:劉占孟(1977—),男,副教授,博士,主要從事水處理藥劑及水處理高級(jí)氧化研究。E-mail: ustblzm@163.com

中圖分類號(hào)：X705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)04-0105-04

(收稿日期：2015-08-17編輯：彭桃英)

Coagulation performance and microstructure morphology of poly-ferric (Ⅲ)-magnesium (Ⅱ) for treating landfill leachate

LIU Zhanmeng, HU Yunqi, ZHAN Peng, NIE Fahui

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Abstract：Based on the characteristics of landfill leachate pollution, the coagulation performance and microstructure morphology of poly-ferric (Ⅲ)-magnesium (Ⅱ) (PFM) were studied. The results show that, under consistent experimental conditions, the PFM has better coagulation performance in dealing with landfill leachate compared with other inorganic coagulants. The removal rates of COD and chroma exceeded 60% and 80%, respectively, when the PFM was used. The PFM can fully display the superiorities of the iron component and the magnesium component in coagulation. The XRD and FTIR analyses show that the PFM is a kind of macromolecular composite polymer of iron and magnesium based on hydroxyl bonding.

Key words：landfill leachate; poly-ferric (Ⅲ)-magnesium (Ⅱ); coagulation; microstructure morphology