A/O工藝+電絮凝+樹脂吸附處理晚期垃圾滲濾液

周 暢，王艷秋，姜 楠，郭 霏，呂艷麗，華 洋，牛文杰

（1.遼寧科技大學 化學工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼集團礦業(yè)設計研究院有限公司 工藝設計研究所，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，如果控制不當勢必嚴重污染地下水、地表水、土壤及周邊環(huán)境［1-4］。隨著填埋時間的不斷延長，滲濾液性質(zhì)出現(xiàn)老齡化特征，成分復雜、含鹽量高、色度大、高氨氮，其所含有機物濃度逐漸降低，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處理+生物處理+深度處理，也是《生活垃圾填埋場滲濾液處理工程技術規(guī)范（試行）》（HJ564—2010）和《生活垃圾滲濾液處理技術規(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)點是抗沖擊能力較強，處理效果好，出水水質(zhì)直接達到排放標準。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，致使膜法處理時預處理過程難度加大，膜更易發(fā)生堵塞，產(chǎn)水率不斷變低，維護成本變高。另外，膜法一次性投入成本較大，對回用水水量和水質(zhì)要求較低的垃圾填埋場造成過大的經(jīng)濟負擔，且膜過濾技術處理后產(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踐階段。

本研究以降低成本，有效去除污染物，實現(xiàn)達標排放為目的，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)簡單、運行費用低、COD和氨氮處理效果好等特點，是我國生活垃圾填埋場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，通過電化學反應生成Al、Fe等離子，經(jīng)水解、聚合和氧化反應生成羥基絡合物，使廢水中的膠態(tài)雜質(zhì)、懸浮雜質(zhì)絮凝沉淀達到分離的目的。電絮凝兼具電化學氧化、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，減少了工藝的運行成本，是一種兼顧處理效果和經(jīng)濟效益的吸附材料。本文發(fā)揮上述各工藝的優(yōu)勢，通過實驗室聯(lián)動實驗，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際工程運行提供參考和理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用滲濾液取自遼寧省鞍山市羊耳峪垃圾填埋場調(diào)節(jié)池，指標為：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。該填埋場從1998年開始使用，目前已運行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)嶒炛芷谳^長，所用水樣取自不同批次，各項數(shù)據(jù)存在波動。

1.2 工藝流程

實驗采用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 裝置組建及運行調(diào)節(jié) 實驗裝置為自制A/O工藝反應器，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污水處理站的外排污泥。實驗對晚期垃圾滲濾液的A/O處理過程及工藝條件進行考察，重點探究垃圾滲濾液的初始濃度、曝氣量、回流比、好氧細菌的生物活性對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，采用實驗室聯(lián)動的調(diào)節(jié)方式對各因素進行調(diào)解，最終使垃圾滲濾液污水中的COD、氨氮去除達到最佳效果。

圖2 A/O實驗裝置示意圖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 厭氧細菌菌群與好氧細菌菌群培養(yǎng)條件不同。厭氧反應器中培養(yǎng)液pH控制在8左右，溫度保持室溫即可，并保持培養(yǎng)液流動穩(wěn)定；好氧反應器中培養(yǎng)液pH控制為6.5～7。同樣保持室溫及培養(yǎng)液流動穩(wěn)定，并用小型鼓風機提供氧氣。培養(yǎng)過程設定周期為48 h，通過調(diào)整進水負荷以保證活性污泥的生長環(huán)境。每隔48 h取一次水樣進行微生物鏡檢。根據(jù)微生物鏡檢時觀察到的菌群生長情況及培養(yǎng)液的COD和NH4+-N，對進水流量、培養(yǎng)液pH值、反應器溫度、空氣曝氣量等因素進行調(diào)整，使培養(yǎng)環(huán)境達到最利于菌群生長的狀態(tài)。圖3中的3張照片是活性污泥培養(yǎng)的三個階段。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，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個階段的鏡檢照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photographs

表1A/O工藝COD、氨氮測量數(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 通過實時取樣分析，衡量各參數(shù)間的交互作用，不斷調(diào)整A/O工藝運行參數(shù)，保證A/O工藝達到最優(yōu)的處理效果。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。A/O工藝對晚期垃圾滲濾液的COD去除率達到58.2%，氨氮去除率可達100%。此時污水停留時間為48 h，回流比為2:1。因為晚期垃圾滲濾液可生化性較差，A/O工藝對COD的去除作用有限，出水COD仍較高，為了使出水達到排放標準需增加后續(xù)處理工藝。

1.4 電絮凝

1.4.1 實驗方案 電絮凝實驗在自制的有機玻璃電解槽中進行。取A/O出水500 mL于電解槽中，用電導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行電絮凝實驗。實驗采用單因素變量法來確定最佳實驗條件。查閱相關文獻［17-20］，初步將試探實驗的極板間距定為20 cm，極板電壓定為20 V。根據(jù)單因素實驗處理效果依次找出最佳電解時間、極板電壓、極板間距。

1.4.2 實驗現(xiàn)象 隨著電絮凝過程的進行，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。反應到達一定時間后，電解槽中的液體開始分層。根據(jù)實驗現(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為電解，陰極失電子，極板上的鐵原子失電子變成二價鐵離子，二價鐵離子又與水中的OH-反應生成Fe（OH）2沉淀。通電結束后，溶液放置一段時間，綠色絮凝物會變成黃色絮凝物，即Fe（OH）2被氧化變成Fe（OH）3黃色沉淀。

在探究極板間距實驗中，電壓為20 V，選用8 cm、16 cm電解槽時，反應劇烈并產(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。刺激性氣味是因為垃圾滲濾液中的含硫含氮有機物發(fā)生氧化反應，生成少量帶有刺激性氣味的氣體。

1.4.3 結果與討論 （1）電解時間對電絮凝效果的影響。試驗條件：極板間距20 cm，極板電壓20 V，原水COD 720 mg/L。不同電解時間的電絮凝的效果如圖4所示。原水COD隨時間的增加而不斷降低，120 min時由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)濟效益，最佳的反應時間為120 min。

圖4 電解時間對COD的去除影響Fig.4 Effect of electrolysis time on COD removal

（2）極板電壓對電絮凝效果的影響。試驗條件：極板間距20 cm，電解時間120 min，原水COD 720 mg/L。不同極板電壓對電凝聚效果的影響如圖5所示。相同反應時間下，COD隨極板電壓增大而顯著降低。當極板電壓到達30 V時，COD從原水的720 mg/L降至360 mg/L，當電壓大于30 V時，COD濃度趨于不變。經(jīng)分析，主要原因應該是過高的電流密度產(chǎn)生了過多的Fe2+，膠體表面發(fā)生電荷逆轉現(xiàn)象，導致膠體間相互排斥，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COD去除的影響Fig.5 Effect of plate voltage on COD removal

（3）極板間距對電絮凝效果的影響。試驗條件：極板電壓30 V，電解時間120 min，原水COD 720 mg/L。不同極板間距對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行傳遞，進而加快陽極溶解，提高陽極沉淀及陰極氣泡產(chǎn)生速率，增加沉淀與有機物的接觸。但間距過近時，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［21］。由于選用8 cm、16 cm電解槽時，反應劇烈不易控制，且檢測的COD含量較高。所以，本試驗確定的最佳極板間距為20 cm。

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

實驗通過單因素法確定了電絮凝處理A/O出水的3個最佳實驗條件，反應時間120 min，極板間電壓30 V，極板間距20 cm。在電絮凝最佳處理條件下，原水COD從720 mg/L降至368 mg/L，去除率達到48.8%。

1.5 樹脂吸附

樹脂吸附是本研究的最后一個階段，通過樹脂對電絮凝后的出水進行樹脂吸附，最終讓處理后的晚期垃圾滲濾液達到國家排放標準?？紤]到樹脂的吸附效率及吸附反應器的局限性，一次流程吸附可能無法達到處理目的，所以實驗采用多次重復吸附的方法對電絮凝出水進行處理。

實驗結果表明，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，達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）的質(zhì)量標準，可以達標排放。

2 動態(tài)實驗

根據(jù)上述得到的最佳實驗條件，設計實驗室動態(tài)實驗，將各工藝串聯(lián)聯(lián)動，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，并對各階段進出水進行COD、氨氮和色度的檢測。檢測數(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)的動態(tài)實驗，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。整套工藝流程運行流暢，處理后的水樣符合《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008），可以達標排放。

表2 動態(tài)實驗結果Tab.2 Dynamic experimental results

3 結論

（1）實驗結果表明，A/O工藝對晚期垃圾滲濾液處理效果良好，COD的去除率達到58.2%，氨氮的去除率達到100%。

（2）本實驗通過單因素法確定了電絮凝處理A/O出水的3個最佳實驗條件，反應時間120 min，極板間電壓30 V，極板間距20 cm。在最佳處理條件下，COD從A/O工藝出水的720 mg/L下降到368 mg/L，COD去除率達到48.8%。

（3）本實驗采用樹脂吸附處理電絮凝出水，實驗結果表明，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)的動態(tài)實驗，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《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）排放標準。該組合工藝用于處理晚期垃圾滲濾液，運行成本適中，處理效果良好。

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