劉婷，趙長(zhǎng)盛，陳慶鋒，司國(guó)瑞，李磊，馮優(yōu)，李金業(yè)

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省分析測(cè)試中心，山東 濟(jì)南 250014)

垃圾滲濾液是一種成分復(fù)雜的高濃度的有機(jī)廢水，是生活垃圾在儲(chǔ)存或者填埋的過程中產(chǎn)生的一種由垃圾自身所含水分、自然降水、有機(jī)物分解水等形成的有機(jī)廢水[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)加強(qiáng)了對(duì)生活垃圾處理場(chǎng)滲濾液處理的投資，垃圾滲濾液的處理能力得到了很大的提高。但是，出于經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行費(fèi)用的考慮，我國(guó)垃圾滲濾液的處理仍以生化處理為主，難以達(dá)到生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

垃圾滲濾液膜后濃縮液是垃圾滲濾液經(jīng)膜處理過程產(chǎn)生的一種成分復(fù)雜、難以生物降解的高濃度有機(jī)廢水，處理膜濃縮液的方法一般分為轉(zhuǎn)移、資源化、減量化和無(wú)害化處理[3-4]。目前采用的主流的垃圾滲濾液處理方式為垃圾滲濾液經(jīng)過生化處理后進(jìn)入膜處理系統(tǒng)，清水達(dá)標(biāo)后排放，膜后濃液蒸發(fā)結(jié)晶出鹽，無(wú)鹽冷凝水經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放?，F(xiàn)今采用比較多、效果比較好的膜處理工藝是碟管式(disc-tube ,DT)膜技術(shù)，垃圾滲濾液經(jīng)DT膜技術(shù)處理后產(chǎn)生的膜后濃縮液(DT出水)再經(jīng)過蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)(mechanical vapor recompression, MVR)蒸發(fā)結(jié)晶，最后達(dá)標(biāo)排放[5-6]。處理過程中，由于DT出水具有高化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、高氨氮、高鹽等特點(diǎn)，高COD導(dǎo)致鹽分達(dá)到飽和狀態(tài)后無(wú)法結(jié)晶析出，造成MVR蒸發(fā)器難以順利運(yùn)行。針對(duì)以上問題，本文利用混凝法對(duì)垃圾滲濾液處理過程中產(chǎn)生的DT出水進(jìn)行預(yù)處理，降低了DT出水的COD濃度，使MVR蒸發(fā)器能夠順利運(yùn)行，達(dá)到垃圾滲濾液全量化處理的目的。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 水樣與水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水取自濟(jì)南市某垃圾處理廠垃圾滲濾液的DT膜后濃縮液，用不同混凝劑對(duì)DT出水進(jìn)行單因素混凝試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)影響混凝處理效果的因素進(jìn)行研究，從而確定混凝處理DT出水的最佳處理?xiàng)l件。試驗(yàn)期間的DT出水水質(zhì)情況如表1所示。

表1 DT出水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 DT effluent quality index

1.2 試驗(yàn)方法

單因素試驗(yàn)法，在500 mL的燒杯中分別加入250 mL的DT出水，分別改變混凝劑的種類和投加量、助凝劑的投加量及膜后濃縮液的初始pH，用混凝攪拌器以200 r/min攪拌5 min，50 r/min攪拌2 min，靜置沉淀5 min，過濾，進(jìn)行測(cè)試分析，比較其COD去除率。COD的測(cè)定采用重鉻酸鉀法，具體方法參照HJ 828—2017《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鉀法》[7]。

2 結(jié)果與討論

在混凝沉淀工藝處理DT出水試驗(yàn)中，選取4種不同的混凝劑：三氯化鐵(FeCl3)、六水合氯化鋁(AlCl3·6H2O)、聚合氯化鋁(polyaluminum chloride ，PAC)、聚合氯化鋁鐵(polyaluminum ferric chloride ，PAFC)，以COD去除率作為評(píng)價(jià)參數(shù)，比較其混凝效果。

2.1 混凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響

圖1為混凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響，可以看出，F(xiàn)eCl3、PAC、AlCl3·6H2O在投加量小于0.8 g/L時(shí)，加大劑量，去除率先增后減，F(xiàn)eCl3投加量在0.64 g/L時(shí)，去除率最高，為75.0%；AlCl3·6H2O在投加量為0.32 g/L時(shí)，去除率達(dá)到最高，為62.2%；PAC在投加量為0.64 g/L時(shí)，去除率達(dá)到最高，為56.8%。這主要是因?yàn)殡S著FeCl3投加量不斷增加，溶液中Fe3+、H+等帶正電荷的離子數(shù)量會(huì)增加，這些帶正電的離子會(huì)與膠粒吸附的帶負(fù)電荷的離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)，膠體顆粒的電荷數(shù)和靜電斥力就會(huì)隨之減少，此時(shí)范德華力增加，膠粒間的作用力表現(xiàn)為引力，使膠粒吸附凝聚，進(jìn)而被沉淀去除[7]。在投加量為0.80～1.12 g/L時(shí)，增加投加的藥劑量，去除率先增后減，投加的劑量為0.96 g/L時(shí)，去除率最高，F(xiàn)eCl3去除率為68.8%，AlCl3·6H2O去除率為55.2%，PAC去除率為62.2%。隨著投加量的增加，PAFC的去除率在不斷上升，在投加量為0.96 g/L時(shí)，去除率達(dá)到最高，為59.8%，此后，繼續(xù)增加混凝劑，COD去除率不變。投加的混凝劑超過一定數(shù)量后，部分膠粒重新開始帶正電荷，導(dǎo)致再穩(wěn)定現(xiàn)象，去除率也隨之降低[8]。根據(jù)圖1，并考慮處理過程的其他影響因素，效果最好的混凝劑為FeCl3，最佳投加劑量為0.64 g/L。

圖1 混凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響Fig.1 Effect of coagulant dosage on COD removal rate

2.2 助凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響

聚丙烯酰胺(polyacrylamide ，PAM)只有在粒子之間才能起到架橋的作用，前期投加的FeCl3具有較好的壓縮雙電層和吸附電中和的作用，但其吸附架橋效果較差，形成絮凝體的礬花小，將二者結(jié)合，以期達(dá)到更好的混凝效果[8-9]，故將PAM作為本試驗(yàn)的助凝劑。由圖1可知4種混凝劑的最佳投加量，在混凝劑的最佳投加量下，加入不同劑量的助凝劑，比較其混凝效果。

圖2為助凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響，從圖2可知，助凝劑投加量對(duì)COD去除率影響效果不明顯，除PAC外，投加量小于4 mg/L時(shí)，不斷增加PAM的量，COD去除率不斷提高，在投加量為4 mg/L時(shí)，去除率最高，F(xiàn)eCl3的去除率為75.8%，PAFC的去除率為60.4%，AlCl3·6H2O的去除率為63.4%；在投加量大于5 mg/L后，隨著投加量的增加，COD去除率反而下降。對(duì)于PAC，不斷增加其投加量，去除率先增加后減少，在投加量為3 mg/L時(shí)，達(dá)到最高去除率63.3%。去除率呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象主要是因?yàn)镻AM是一種分子上存在大量活性基團(tuán)的高分子有機(jī)絮凝劑，適當(dāng)?shù)赝都右欢康腜AM時(shí)，懸浮的膠體粒子和PAM分子上的活性基團(tuán)之間就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附架橋作用，增大混凝劑形成的絮體，進(jìn)一步增強(qiáng)混凝效果，從而提高COD去除率[10]。但是，如果繼續(xù)增大投加量，體系中的高分子絮凝劑投加過量，高分子鏈會(huì)將顆粒包圍，導(dǎo)致架橋所需的活性點(diǎn)位減少，吸附架橋難以進(jìn)行，與此同時(shí)，由于顆粒間的排斥作用，顆粒會(huì)保持相對(duì)分散狀態(tài)，難以進(jìn)行絮凝沉淀，去除率也會(huì)隨之降低[11-12]。

圖2 助凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響Fig.2 Effect of coagulant aid dosage on COD removal rate

在反應(yīng)過程中可觀察到：在PAM的投加量小于最佳投加量時(shí)，絮體出現(xiàn)速度越來(lái)越快，尺寸也依次增大，沉降速度逐漸加快；在最佳投加量時(shí)，絮體出現(xiàn)最快、尺寸最大、沉降速度最快；投加量大于最佳投加量后，絮體出現(xiàn)速度越來(lái)越慢，尺寸也逐漸變小，沉降速度依次減慢。

2.3 初始pH對(duì)COD去除率的影響

改變DT出水的初始pH，在混凝劑和助凝劑的最佳投加量下，COD去除率隨pH的變化如圖3所示。由圖3可知，pH對(duì)混凝效果的影響較明顯，隨著pH的升高，4種混凝劑的COD去除率都呈現(xiàn)先升高后降低的整體趨勢(shì)，其中FeCl3的去除率最高。在初始pH為6時(shí)，F(xiàn)eCl3的去除率最高，為80.6%。由圖3可知，當(dāng)pH不斷升高，COD去除率先升高后降低，這主要是因?yàn)閜H較低時(shí)，溶液中H+與有機(jī)配體結(jié)合生成有機(jī)酸，大大減少了混凝劑周圍膠體顆粒的吸附，吸附電中和架橋作用被減弱，絮凝沉淀效果較差。pH繼續(xù)升高，F(xiàn)e3+會(huì)與水中離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成沉淀物，水中的顆粒會(huì)在沉淀物沉淀過程中被沉淀物的網(wǎng)捕卷掃作用去除，COD去除率也隨之提高。當(dāng)pH超過了最佳值后，形成的沉淀會(huì)被溶解，使其網(wǎng)捕卷掃能力減弱；同時(shí)會(huì)形成絡(luò)合物，與顆粒帶同種電荷，使粒子再穩(wěn)定，不易去除[13-14]。

圖3 溶液初始pH對(duì)COD去除率的影響Fig.3 Effect of initial pH on COD removal rate

由圖3可知，F(xiàn)eCl3在DT出水中充當(dāng)混凝劑的最佳pH為4～7。這主要是由于鐵鹽在較低pH下處理效果較好，特別是在pH為4～7時(shí)(當(dāng)然，過低就無(wú)法形成鐵鹽絮體了)[8]。因?yàn)镈T出水本身的pH為7.12，在pH為7時(shí)，COD去除率為75.7%。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果考慮到經(jīng)濟(jì)和工藝各方面的條件，可不調(diào)節(jié)pH，直接用DT出水進(jìn)行混凝處理。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

(1)混凝處理試驗(yàn)中，綜合各種因素考慮，4種混凝劑的COD去除效果從高到低依次為：FeCl3、AlCl3·6H2O、PAC、PAFC。

(2)對(duì)4種混凝劑的影響因素進(jìn)行了探究，得出4種混凝劑試驗(yàn)影響因素的最優(yōu)值分別是：FeCl3投加量為0.64 g/L，PAM最佳投加量為4 mg/L，最佳反應(yīng)初始pH為6；AlCl3·6H2O投加量為0.32 g/L，PAM最佳投加量為4 mg/L，最佳反應(yīng)初始pH為6；PAC投加量為0.64 g/L，PAM最佳投加量為3 mg/L，最佳反應(yīng)初始pH為7；PAFC投加量為0.96 g/L，PAM最佳投加量為4 mg/L，最佳反應(yīng)初始pH為6。

(3)綜合各種因素考慮，試驗(yàn)采用的混凝劑中，F(xiàn)eCl3為最佳混凝劑。

3.2 展望

(1)試驗(yàn)采用的混凝劑都是常見的混凝劑，可以嘗試制備一些新型、高效的混凝劑，加入試驗(yàn)中進(jìn)行混凝劑性能對(duì)比。

(2)混凝對(duì)DT出水有較好的處理效果，但也很難達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)出水進(jìn)一步處理，可采用高級(jí)氧化、生物膜等方法對(duì)出水進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

(3)試驗(yàn)主要是以COD去除率作為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)混凝對(duì)DT出水的去除效果，今后可以測(cè)定更多的指標(biāo)評(píng)價(jià)混凝對(duì)DT出水的處理效果，深入研究混凝對(duì)DT出水中污染物的去除機(jī)理。

垃圾滲濾液膜后濃縮液的全量化處理是我國(guó)現(xiàn)階段垃圾滲濾液處理工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。本文結(jié)合垃圾滲濾液膜后濃縮液的特性，綜合經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，采用混凝法去除DT出水中的大部分有機(jī)物，為后續(xù)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件，有望解決現(xiàn)今垃圾滲濾液膜后濃縮液處理過程中存在的問題，成為垃圾滲濾液膜后濃縮液的全量化處理的重要方法。