周 暢，王艷秋，姜 楠，郭 霏，呂艷麗，華 洋，牛文杰

（1.遼寧科技大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 工藝設(shè)計(jì)研究所，遼寧 鞍山 114002）

垃圾滲濾液是垃圾填埋過程中產(chǎn)生二次污染的主要原因之一，如果控制不當(dāng)勢(shì)必嚴(yán)重污染地下水、地表水、土壤及周邊環(huán)境［1-4］。隨著填埋時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，滲濾液性質(zhì)出現(xiàn)老齡化特征，成分復(fù)雜、含鹽量高、色度大、高氨氮，其所含有機(jī)物濃度逐漸降低，但生化性極差，這使得老齡垃圾滲濾液的處理難度極大［5-8］。目前，國內(nèi)常用的垃圾滲濾液處理方法是預(yù)處理+生物處理+深度處理，也是《生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理工程技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ564—2010）和《生活垃圾滲濾液處理技術(shù)規(guī)范》（CJJ150—2010）推薦的垃圾滲濾液處理常規(guī)工藝路線。該套組合工藝的優(yōu)點(diǎn)是抗沖擊能力較強(qiáng)，處理效果好，出水水質(zhì)直接達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。但由于晚期垃圾滲濾液的可生化性較差，生物處理后的出水污染物濃度較高，致使膜法處理時(shí)預(yù)處理過程難度加大，膜更易發(fā)生堵塞，產(chǎn)水率不斷變低，維護(hù)成本變高。另外，膜法一次性投入成本較大，對(duì)回用水水量和水質(zhì)要求較低的垃圾填埋場(chǎng)造成過大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，且膜過濾技術(shù)處理后產(chǎn)生的濃縮液也是目前垃圾滲濾液處理的難題。因此，在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域，尚未形成一套成熟穩(wěn)定的垃圾滲濾液處理工藝，各種組合工藝仍處于研究和實(shí)踐階段。

本研究以降低成本，有效去除污染物，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放為目的，采用A/O工藝+電絮凝+樹脂吸附組合工藝處理晚期垃圾滲濾液。A/O工藝作為常見的污水處理工藝擁有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、COD和氨氮處理效果好等特點(diǎn)，是我國生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理最常用的一種方法［9-11］；電絮凝是以待處理廢水為電解質(zhì)溶液，陽極常用鋁、鐵等金屬，通過電化學(xué)反應(yīng)生成Al、Fe等離子，經(jīng)水解、聚合和氧化反應(yīng)生成羥基絡(luò)合物，使廢水中的膠態(tài)雜質(zhì)、懸浮雜質(zhì)絮凝沉淀達(dá)到分離的目的。電絮凝兼具電化學(xué)氧化、絮凝和氣浮三種作用，且生成的絮體易脫水、易分離、性質(zhì)穩(wěn)定，無二次污染［12-16］，電絮凝的以上特色恰可實(shí)現(xiàn)難生化降解晚期垃圾滲濾液的有效脫色除碳；樹脂吸附區(qū)別于活性炭等其他物質(zhì)吸附，樹脂使用后易于再生，減少了工藝的運(yùn)行成本，是一種兼顧處理效果和經(jīng)濟(jì)效益的吸附材料。本文發(fā)揮上述各工藝的優(yōu)勢(shì)，通過實(shí)驗(yàn)室聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，采用A/O工藝+電絮凝+樹脂吸附處理晚期垃圾滲濾液，為處理晚期垃圾滲濾液的實(shí)際工程運(yùn)行提供參考和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用滲濾液取自遼寧省鞍山市羊耳峪垃圾填埋場(chǎng)調(diào)節(jié)池，指標(biāo)為：COD含量1 520～2 200 mg/L，凱氏氮含量 1 520～1 680 mg/L，氨氮含量849～1 473 mg/L，pH值7.9～8.2，色度14 500～15 700倍。該填埋場(chǎng)從1998年開始使用，目前已運(yùn)行19年，所產(chǎn)垃圾滲濾液具有典型的晚期垃圾滲濾液特征。因?qū)嶒?yàn)周期較長(zhǎng)，所用水樣取自不同批次，各項(xiàng)數(shù)據(jù)存在波動(dòng)。

1.2 工藝流程

實(shí)驗(yàn)采用A/O工藝+電絮凝+樹脂吸附組合工藝處理垃圾滲濾液，其流程見圖1。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of process

1.3 A/O工藝

1.3.1 裝置組建及運(yùn)行調(diào)節(jié) 實(shí)驗(yàn)裝置為自制A/O工藝反應(yīng)器，如圖2所示。所培養(yǎng)的好氧及厭氧污泥均為羊耳峪垃圾填埋場(chǎng)污水處理站的外排污泥。實(shí)驗(yàn)對(duì)晚期垃圾滲濾液的A/O處理過程及工藝條件進(jìn)行考察，重點(diǎn)探究垃圾滲濾液的初始濃度、曝氣量、回流比、好氧細(xì)菌的生物活性對(duì)A/O工藝最終處理效果的影響。聯(lián)系各因素間的相互作用，采用實(shí)驗(yàn)室聯(lián)動(dòng)的調(diào)節(jié)方式對(duì)各因素進(jìn)行調(diào)解，最終使垃圾滲濾液污水中的COD、氨氮去除達(dá)到最佳效果。

圖2 A/O實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 A/O schematic diagram of experimental device

1.3.2 活性污泥菌群培養(yǎng)與鏡檢分析 厭氧細(xì)菌菌群與好氧細(xì)菌菌群培養(yǎng)條件不同。厭氧反應(yīng)器中培養(yǎng)液pH控制在8左右，溫度保持室溫即可，并保持培養(yǎng)液流動(dòng)穩(wěn)定；好氧反應(yīng)器中培養(yǎng)液pH控制為6.5～7。同樣保持室溫及培養(yǎng)液流動(dòng)穩(wěn)定，并用小型鼓風(fēng)機(jī)提供氧氣。培養(yǎng)過程設(shè)定周期為48 h，通過調(diào)整進(jìn)水負(fù)荷以保證活性污泥的生長(zhǎng)環(huán)境。每隔48 h取一次水樣進(jìn)行微生物鏡檢。根據(jù)微生物鏡檢時(shí)觀察到的菌群生長(zhǎng)情況及培養(yǎng)液的COD和NH4+-N，對(duì)進(jìn)水流量、培養(yǎng)液pH值、反應(yīng)器溫度、空氣曝氣量等因素進(jìn)行調(diào)整，使培養(yǎng)環(huán)境達(dá)到最利于菌群生長(zhǎng)的狀態(tài)。圖3中的3張照片是活性污泥培養(yǎng)的三個(gè)階段。圖3a中只有少數(shù)的豆形蟲和腎形蟲。豆形蟲是水處理過程的前期微生物，腎形蟲屬于低等的纖毛類微生物，具有一定的污水處理能力，除此以外沒有發(fā)現(xiàn)其他有利菌群。此時(shí)的污泥生化能力較弱，屬于初期培養(yǎng)階段。通過調(diào)整培養(yǎng)條件并經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)后，污泥的微生物情況如圖3b，污泥中出現(xiàn)變形蟲，這說明該時(shí)間階段污泥培養(yǎng)條件不適合菌群建立，因此還需調(diào)節(jié)各因素條件。最后，經(jīng)過8周培養(yǎng)，污泥鏡檢照片如圖3c，污泥中出現(xiàn)鐘蟲，成熟的鐘蟲耐污能力較強(qiáng)，是水體自凈程度高、污水生物處理效果好的指示性生物。這說明現(xiàn)階段污泥培養(yǎng)已經(jīng)成熟，可將污泥投入A/O工藝使用。

圖3 活性污泥培養(yǎng)3個(gè)階段的鏡檢照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photographs

表1A/O工藝COD、氨氮測(cè)量數(shù)據(jù)，mg/LTab.1 COD and ammonia nitrogen measurement data of A/O process，mg/L

1.3.3 A/O工藝處理效果 通過實(shí)時(shí)取樣分析，衡量各參數(shù)間的交互作用，不斷調(diào)整A/O工藝運(yùn)行參數(shù)，保證A/O工藝達(dá)到最優(yōu)的處理效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。A/O工藝對(duì)晚期垃圾滲濾液的COD去除率達(dá)到58.2%，氨氮去除率可達(dá)100%。此時(shí)污水停留時(shí)間為48 h，回流比為2:1。因?yàn)橥砥诶鴿B濾液可生化性較差，A/O工藝對(duì)COD的去除作用有限，出水COD仍較高，為了使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)需增加后續(xù)處理工藝。

1.4 電絮凝

1.4.1 實(shí)驗(yàn)方案 電絮凝實(shí)驗(yàn)在自制的有機(jī)玻璃電解槽中進(jìn)行。取A/O出水500 mL于電解槽中，用電導(dǎo)線將低碳鋼板電極與直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源連接，連接好后打開電源進(jìn)行電絮凝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用單因素變量法來確定最佳實(shí)驗(yàn)條件。查閱相關(guān)文獻(xiàn)［17-20］，初步將試探實(shí)驗(yàn)的極板間距定為20 cm，極板電壓定為20 V。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)處理效果依次找出最佳電解時(shí)間、極板電壓、極板間距。

1.4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 隨著電絮凝過程的進(jìn)行，電解槽中水樣的狀態(tài)也發(fā)生著變化。在電絮凝的開始階段，電解槽中陽極產(chǎn)生氣泡，并越來越多，最后有綠色絮凝物析出。反應(yīng)到達(dá)一定時(shí)間后，電解槽中的液體開始分層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以推斷出，液體上面的一層黃色絮凝物是原晚期垃圾滲濾液中所含的懸浮顆粒和膠態(tài)雜質(zhì)。下層的綠色絮凝物是低碳鋼極板因?yàn)殡娊?，陰極失電子，極板上的鐵原子失電子變成二價(jià)鐵離子，二價(jià)鐵離子又與水中的OH-反應(yīng)生成Fe（OH）2沉淀。通電結(jié)束后，溶液放置一段時(shí)間，綠色絮凝物會(huì)變成黃色絮凝物，即Fe（OH）2被氧化變成Fe（OH）3黃色沉淀。

在探究極板間距實(shí)驗(yàn)中，電壓為20 V，選用8 cm、16 cm電解槽時(shí)，反應(yīng)劇烈并產(chǎn)生大量有刺激性氣味的氣泡，分析原因是極板間距太小，極板間電壓太大，溶液中的H2O直接反應(yīng)生成H2和O2產(chǎn)生大量氣泡并使絮凝物膨脹外溢。刺激性氣味是因?yàn)槔鴿B濾液中的含硫含氮有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，生成少量帶有刺激性氣味的氣體。

1.4.3 結(jié)果與討論 （1）電解時(shí)間對(duì)電絮凝效果的影響。試驗(yàn)條件：極板間距20 cm，極板電壓20 V，原水COD 720 mg/L。不同電解時(shí)間的電絮凝的效果如圖4所示。原水COD隨時(shí)間的增加而不斷降低，120 min時(shí)由720 mg/L降至408 mg/L，120 min后COD濃度趨于平緩但系統(tǒng)能耗不斷增加。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，最佳的反應(yīng)時(shí)間為120 min。

圖4 電解時(shí)間對(duì)COD的去除影響Fig.4 Effect of electrolysis time on COD removal

（2）極板電壓對(duì)電絮凝效果的影響。試驗(yàn)條件：極板間距20 cm，電解時(shí)間120 min，原水COD 720 mg/L。不同極板電壓對(duì)電凝聚效果的影響如圖5所示。相同反應(yīng)時(shí)間下，COD隨極板電壓增大而顯著降低。當(dāng)極板電壓到達(dá)30 V時(shí)，COD從原水的720 mg/L降至360 mg/L，當(dāng)電壓大于30 V時(shí)，COD濃度趨于不變。經(jīng)分析，主要原因應(yīng)該是過高的電流密度產(chǎn)生了過多的Fe2+，膠體表面發(fā)生電荷逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致膠體間相互排斥，膠粒重新懸浮。此外，過高的電壓容易加大極化程度，更易使陽極鈍化，阻礙電絮凝的進(jìn)行且致使能耗不斷增加［3］。因此，最佳的極板電壓定為30 V。

圖5 極板電壓對(duì)COD去除的影響Fig.5 Effect of plate voltage on COD removal

（3）極板間距對(duì)電絮凝效果的影響。試驗(yàn)條件：極板電壓30 V，電解時(shí)間120 min，原水COD 720 mg/L。不同極板間距對(duì)電凝聚效果的影響如圖6所示。極板間距減小有利于電荷進(jìn)行傳遞，進(jìn)而加快陽極溶解，提高陽極沉淀及陰極氣泡產(chǎn)生速率，增加沉淀與有機(jī)物的接觸。但間距過近時(shí)，極板容易發(fā)生板間擊穿而損壞，造成電能及陽極材料的浪費(fèi)［21］。由于選用8 cm、16 cm電解槽時(shí)，反應(yīng)劇烈不易控制，且檢測(cè)的COD含量較高。所以，本試驗(yàn)確定的最佳極板間距為20 cm。

圖6 極板間距對(duì)COD去除的影響Fig.6 Effect of plate distance on COD removal

實(shí)驗(yàn)通過單因素法確定了電絮凝處理A/O出水的3個(gè)最佳實(shí)驗(yàn)條件，反應(yīng)時(shí)間120 min，極板間電壓30 V，極板間距20 cm。在電絮凝最佳處理?xiàng)l件下，原水COD從720 mg/L降至368 mg/L，去除率達(dá)到48.8%。

1.5 樹脂吸附

樹脂吸附是本研究的最后一個(gè)階段，通過樹脂對(duì)電絮凝后的出水進(jìn)行樹脂吸附，最終讓處理后的晚期垃圾滲濾液達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到樹脂的吸附效率及吸附反應(yīng)器的局限性，一次流程吸附可能無法達(dá)到處理目的，所以實(shí)驗(yàn)采用多次重復(fù)吸附的方法對(duì)電絮凝出水進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，出水在經(jīng)過兩次樹脂吸附后，COD含量從368.6降到42.1 mg/L，達(dá)到《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-2008）的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)標(biāo)排放。

2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述得到的最佳實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，將各工藝串聯(lián)聯(lián)動(dòng)，使晚期垃圾滲濾液依次經(jīng)過A/O工藝、電絮凝和樹脂吸附處理，并對(duì)各階段進(jìn)出水進(jìn)行COD、氨氮和色度的檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)詳見表2。

由表2可知，經(jīng)A/O工藝、電絮凝和樹脂吸附串聯(lián)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，可將晚期垃圾滲濾液從COD含量1 520 mg/L，氨氮含量920 mg/L，色度15 100倍處理到COD含量41 mg/L，氨氮含量0 mg/L，色度16倍。整套工藝流程運(yùn)行流暢，處理后的水樣符合《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-2008），可以達(dá)標(biāo)排放。

表2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Dynamic experimental results

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，A/O工藝對(duì)晚期垃圾滲濾液處理效果良好，COD的去除率達(dá)到58.2%，氨氮的去除率達(dá)到100%。

（2）本實(shí)驗(yàn)通過單因素法確定了電絮凝處理A/O出水的3個(gè)最佳實(shí)驗(yàn)條件，反應(yīng)時(shí)間120 min，極板間電壓30 V，極板間距20 cm。在最佳處理?xiàng)l件下，COD從A/O工藝出水的720 mg/L下降到368 mg/L，COD去除率達(dá)到48.8%。

（3）本實(shí)驗(yàn)采用樹脂吸附處理電絮凝出水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在經(jīng)過兩次樹脂吸附后，出水COD含量可以下降到50 mg/L以下，且對(duì)色度去除明顯。

（4）經(jīng)過A/O工藝+電絮凝+樹脂吸附串聯(lián)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，可將晚期垃圾滲濾液從COD含量1 520 mg/L，氨氮含量920 mg/L，色度15 100倍處理到COD含量41 mg/L，氨氮含量0 mg/L，色度接近自來水。處理后的晚期垃圾滲濾液水質(zhì)符合《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-2008）排放標(biāo)準(zhǔn)。該組合工藝用于處理晚期垃圾滲濾液，運(yùn)行成本適中，處理效果良好。

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