氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝預(yù)處理老齡垃圾滲濾液

摘要：針對(duì)老齡垃圾滲濾液成分復(fù)雜、可生物降解性差、氨氮濃度高等特點(diǎn)，文章采用氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，研究生石灰投加量、pH值、液體PFS（聚合硫酸鐵）投加量、活性炭投加比及H2O2投加量等不同因素對(duì)垃圾滲濾液中COD（化學(xué)需氧量）和氨氮去除效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在生石灰投加量為10 g/L，pH值為7～8，液體PFS投加量為20 mL/L、活性炭投加比為1‰、H2O2投加量為2 mL/L的條件下，垃圾滲濾液的COD和氨氮的平均去除率分別達(dá)到79.2%和77.7%。

關(guān)鍵詞：老齡垃圾滲濾液；活性炭吸附；PFS混凝沉淀；Fenton氧化；物化預(yù)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：X5" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）07-0069-05

0 引言

衛(wèi)生填埋技術(shù)是我國(guó)處理城市生產(chǎn)及生活垃圾的傳統(tǒng)方法。填埋場(chǎng)中的垃圾在不同環(huán)境條件下會(huì)發(fā)生多種物理與化學(xué)變化，由此產(chǎn)生的液體稱為垃圾滲濾液［1］。垃圾滲濾液的水質(zhì)會(huì)隨填埋時(shí)間變化，填埋超過(guò)10年的可稱為老齡垃圾滲濾液。老齡垃圾滲濾液中的可生物降解有機(jī)物含量降低，可生化性變差，氨氮含量增高，高濃度的氨離子對(duì)生物處理產(chǎn)生抑制，易導(dǎo)致處理結(jié)果不達(dá)標(biāo)［2-3］。目前，垃圾滲濾液的處理方法多采用生物處理工藝，而對(duì)其物化預(yù)處理組合方法的研究相對(duì)較少。在垃圾滲濾液?jiǎn)我晃锘A(yù)處理技術(shù)研究方面，梁良等［4］開(kāi)展了垃圾滲濾液氨吹脫法的生產(chǎn)性試驗(yàn)，對(duì)吹脫影響因素進(jìn)行研究，結(jié)果顯示在最佳水體溫度為35℃、氣液比為2 500、pH值為7.9的條件下，氨氮的最高去除率為43.37%。商平等［5］采用PAC（聚合氯化鋁）和PFS復(fù)合混凝法對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，在PAC與PFS最佳投加比為1.5∶3.5時(shí)，COD和氨氮的去除率分別為59.2%和10.68%。王晟［6］研究了Fenton氧化法預(yù)處理垃圾滲濾液的效果，發(fā)現(xiàn)在最佳反應(yīng)條件下，氨氮的平均去除率僅為12.28%，去除效果不理想。

本文以廣西賀州市某縣生活垃圾填埋場(chǎng)的垃圾滲濾液為對(duì)象，采用氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，選擇COD和氨氮去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究預(yù)處理反應(yīng)體系中生石灰、pH值、PFS、活性炭和過(guò)氧化氫（H2O2）的最佳運(yùn)行參數(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)預(yù)處理的高效降解，為后續(xù)滲濾液處理提供便利條件。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)原水取自廣西賀州市某縣生活垃圾填埋場(chǎng)調(diào)節(jié)池，填埋廠的服務(wù)年限為12年。垃圾滲濾液水質(zhì)主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 工藝流程

老齡垃圾滲濾液進(jìn)入吹脫反應(yīng)池后，投加生石灰創(chuàng)造堿性條件，促使游離氨逸出，再通過(guò)鼓風(fēng)曝氣加快吹脫；在管道混合器中投加PFS，混合均勻后流入物化反應(yīng)池進(jìn)行混凝沉淀；隨后添加H2O2引發(fā)Fenton氧化反應(yīng)，并使用活性炭進(jìn)行協(xié)同吸附，最終去除大部分懸浮物質(zhì)和有機(jī)污染物。垃圾滲濾液物化預(yù)處理工藝流程圖見(jiàn)圖1。

1.3 試驗(yàn)方法

本研究使用的試驗(yàn)材料及試劑如下：去離子水、硫酸（分析純）、生石灰、PFS（全鐵含量為11%）、椰殼活性炭（碘值為800）等。

1.3.1 氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附試驗(yàn)

（1）用量筒從垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池中分別量取500 mL滲濾液置于燒杯中，改變生石灰投加量并固定攪拌強(qiáng)度，充分曝氣攪拌24 h，反應(yīng)結(jié)束后測(cè)定COD和氨氮，以確定生石灰的最佳投加量。

（2）量取“步驟（1）”的出水（500 mL）置于燒杯中，固定PFS投加量并調(diào)節(jié)pH值，充分曝氣攪拌15 min后靜置30 min。取其上層清液測(cè)定COD和氨氮，以確定混凝的最佳pH值。

（3）量取“步驟（1）”的出水（500 mL）置于燒杯中，保持原液pH值在7～8范圍內(nèi)，改變PFS投加量并充分曝氣攪拌15 min后靜置30 min，取其上層清液測(cè)定COD和氨氮，以確定混凝的最佳反應(yīng)條件。

（4）量取“步驟（3）”的出水（500 mL）置于燒杯中，調(diào)節(jié)活性炭投加量并充分曝氣攪拌2 h后靜置30 min，取其上層清液測(cè)定COD和氨氮，以確定最佳的活性炭投加比。

1.3.2 Fenton氧化試驗(yàn)

用量筒分別量取上述試驗(yàn)后的出水500 mL，改變H2O2投加量，充分反應(yīng)后靜置30 min，取其上層清液測(cè)定COD和氨氮，以確定最佳H2O2投加量。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

pH值的測(cè)定遵循《水質(zhì) pH值的測(cè)定 電極法》（HJ 1147—2020）；COD的測(cè)定遵循《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017）；氨氮的測(cè)定遵循《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附試驗(yàn)

2.1.1 生石灰投加量的影響

生石灰投加量為2～7 g，固定攪拌強(qiáng)度，體系溫度維持在22 ℃，曝氣攪拌24 h，靜置后取上層清液進(jìn)行水質(zhì)分析。生石灰投加量對(duì)COD和氨氮去除率的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨著生石灰投加量的增加，COD和氨氮的去除率均呈現(xiàn)先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)生石灰投加量為5 g（即10 g/L）時(shí)，COD去除率達(dá)到最大，為12%，此時(shí)的氨氮去除率為82%；投加量增至7 g（即14 g/L）時(shí)，氨氮去除率達(dá)到最大，為89%，而COD去除率保持不變。繼續(xù)增加生石灰投加量，COD去除效率增幅變緩，氨氮去除率無(wú)變化。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是生石灰主要改變了垃圾滲濾液的pH值，而pH值對(duì)氨氮吹脫效率有顯著影響。垃圾滲濾液中的銨鹽以強(qiáng)酸弱堿鹽為主，生石灰投加量的增加會(huì)打破銨鹽的電離平衡，導(dǎo)致氨解離率隨pH值升高而快速增大。當(dāng)生石灰投加量大于10 g/L時(shí)，垃圾滲濾液中的氨氮多以游離氨存在，此時(shí)pH值的提高僅增加了少量游離氨，對(duì)氨氮去除率的提升影響不大［7-8］。因此，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度考慮，選擇10 g/L作為生石灰的最佳投加量。

2.1.2 混凝處理最佳反應(yīng)條件的確定

2.1.2.1 pH的影響

固定PFS投加量為10 mL，將pH值設(shè)定為4～9，充分曝氣攪拌，靜置后取其上層清液進(jìn)行水質(zhì)分析。pH值對(duì)COD和氨氮去除率的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可知，pH值對(duì)混凝效果的影響較大，當(dāng)pH值小于7時(shí)，混凝效果隨pH值升高而增強(qiáng)；當(dāng)pH值大于7時(shí)，混凝效果隨pH值升高而減弱。因此，當(dāng)pH值為7時(shí)，混凝效果最佳，COD去除率達(dá)71.9%，氨氮去除率達(dá)6.1%，符合鐵系混凝劑在中性和弱酸條件下表現(xiàn)更優(yōu)的特點(diǎn)［9］。鐵離子以水合鐵絡(luò)離子的形態(tài)存在，pH值適當(dāng)升高時(shí)，易發(fā)生配位水解反應(yīng)，對(duì)滲濾液中的負(fù)電荷膠體起電性中和作用，生成氫氧化鐵沉淀物，對(duì)污染物有明顯的去除效果。但是，當(dāng)pH值大于7時(shí)，氫氧化鐵沉淀大量溶解，水解產(chǎn)物以負(fù)離子的形態(tài)存在，不利于混凝，對(duì)污染物的去除效果變差［5，10］?？紤]到垃圾滲濾液原液經(jīng)氨吹脫反應(yīng)后的pH值（7～8）與最佳pH值（7）下的混凝效果相近，而且調(diào)節(jié)pH值需付出額外的藥劑成本，故實(shí)際處理中不需要調(diào)節(jié)pH值。

2.1.2.2 PFS投加量的影響

保持垃圾滲濾液原液pH值（7～8），PFS投加量為8～12 mL，充分曝氣攪拌，靜置后取上層清液進(jìn)行水質(zhì)分析。PFS投加量對(duì)COD和氨氮去除率的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，COD和氨氮的去除率隨PFS投加量的增大，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。試驗(yàn)中的曝氣過(guò)程對(duì)氨氮有輕微吹脫作用，平均去除率為10.5%。當(dāng)PFS投加量達(dá)到20 mL/L時(shí)，COD去除率達(dá)到峰值，為77.8%。同時(shí)，氨氮去除率也達(dá)到最大，為10.8%。此后，隨著PFS投加量繼續(xù)增加，有機(jī)污染物被過(guò)多的混凝劑包裹，失去了同其他微粒架橋的機(jī)會(huì)，并且過(guò)多的PFS使電荷發(fā)生逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致已沉淀的絮體結(jié)構(gòu)被破壞，脫穩(wěn)的膠體重新回穩(wěn)，從而降低了混凝沉淀效果，使COD和氨氮的去除率下降［11-12］。因此，確定PFS的最佳投加量為20 mL/L。

2.1.3 活性炭投加比的影響

活性炭投加比例為0.5‰～5‰，充分?jǐn)嚢栉? h，靜置后取上層清液進(jìn)行水質(zhì)分析，測(cè)定COD和氨氮濃度?；钚蕴客都恿繉?duì)COD和氨氮去除率的影響見(jiàn)圖5。

由圖5可知，隨著活性炭投加量的遞增，COD和氨氮的去除率均呈平緩上升趨勢(shì)。當(dāng)活性炭投加量達(dá)到1‰時(shí)，COD去除率達(dá)到78.2%，此時(shí)氨氮去除率為31.7%，這是由于活性炭量越多，比表面積越大，吸附性能越好，表面活性基團(tuán)的增多促進(jìn)了有機(jī)物的有效去除。然而，當(dāng)活性炭投加量超過(guò)2‰并持續(xù)增加時(shí)，COD的去除率變化不大，氨氮的去除率增幅也較小。因此，考慮到藥劑成本及運(yùn)行費(fèi)用的增加，綜合評(píng)估后確定活性炭最佳投加量為1‰，此時(shí)污染物綜合去除效果最優(yōu)。

2.2 Fenton氧化試驗(yàn)

Fenton氧化法具有對(duì)污染物無(wú)特定選擇性、對(duì)難降解有機(jī)物處理效果好、對(duì)有毒有害物質(zhì)去除能力強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于垃圾滲濾液的處理中。在Fenton反應(yīng)體系中，H2O2作為氧化原料，在Fe2+的催化作用下產(chǎn)生高活性的·OH（羥基自由基），·OH承擔(dān)氧化降解污染物的主要作用。反應(yīng)過(guò)程中，F(xiàn)e2+最終轉(zhuǎn)化為Fe3+，形成沉淀物便于后續(xù)去除。然而，過(guò)量投加H2O2也會(huì)帶來(lái)浪費(fèi)和鐵泥污染問(wèn)題［13］。本試驗(yàn)H2O2投加量為0.5～2.5 mL，充分反應(yīng)后靜置，取上層清液進(jìn)行水質(zhì)分析。H2O2投加量對(duì)COD和氨氮去除率的影響見(jiàn)圖6。

由圖6可知，隨著H2O2投加量的增加，COD和氨氮的去除率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)H?O?投加量為2 mL/L時(shí)，COD去除率達(dá)到最大值78.5%，此時(shí)氨氮去除率為14.0%；而當(dāng)投加量增至4 mL/L時(shí)，氨氮去除率達(dá)到峰值（17.6%），但此時(shí)COD去除率已下降至68.6%。然后，隨著H2O2投加量進(jìn)一步增大，COD和氨氮的去除率均下降。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是垃圾滲濾液中的H2O2過(guò)量時(shí)，H2O2一開(kāi)始就將溶液中的Fe2+氧化成Fe3+，使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在Fe3+而不是Fe2+的催化下進(jìn)行，同時(shí)與產(chǎn)生的·OH發(fā)生反應(yīng)而相互消耗，導(dǎo)致參加氧化反應(yīng)的·OH的數(shù)量減少，從而降低了Fenton氧化的催化性能［14-15］。比較4 mL/L與2 mL/L的H2O2投加效果發(fā)現(xiàn)，投加量為4 mL/L時(shí)的氨氮去除率提升幅度小于COD去除率的下降幅度。因此，選定H2O2最佳投加量為2 mL/L，此時(shí)的Fenton氧化反應(yīng)對(duì)污染物的綜合去除效果最佳。

2.3 氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝生產(chǎn)性試驗(yàn)

將氨吹脫、混凝沉淀與Fenton氧化處理工藝相結(jié)合，設(shè)定最佳處理?xiàng)l件如下：生石灰投加量為10 g/L，pH值為7～8，PFS投加量為20 mL/L，活性炭投加比為1.0‰，H2O2投加量為2 mL/L。在此最佳工況下，將該組合工藝投入實(shí)際工程中進(jìn)行為期一年的運(yùn)行。工程老齡化滲濾液進(jìn)水COD濃度為2 400～5 100 mg/L，氨氮濃度為1 200～1 600 mg/L，工程實(shí)施中每運(yùn)行一個(gè)月即進(jìn)行一次采樣與檢測(cè)工作。COD和氨氮的進(jìn)出水濃度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2；最佳運(yùn)行條件下COD和氨氮的去除率見(jiàn)圖7。

從圖7中可以看出，在最佳處理?xiàng)l件下，氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝對(duì)COD的去除率為72.60%～85.52%，對(duì)氨氮的去除率為74.98%～79.86%，平均去除率分別為79.2%和77.7%，垃圾滲濾液中污染物濃度明顯降低。由此可見(jiàn)，本試驗(yàn)的組合工藝處理效果均優(yōu)于單獨(dú)使用氨吹脫、混凝沉淀法、Fenton氧化法等，證明了本工藝預(yù)處理垃圾滲濾液的可行性。

3 結(jié)論

本文通過(guò)氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝處理垃圾滲濾液，確定了最優(yōu)垃圾滲濾液物化預(yù)處理方案，研究結(jié)果如下。

（1）氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝是一種有效的老齡垃圾滲濾液預(yù)處理方法。在生石灰投加量為10 g/L、pH值為7～8、PFS投加量為20 mL/L、活性炭投加比為1‰、H2O2投加量為2 mL/L的反應(yīng)條件下，老齡垃圾滲濾液的COD和氨氮平均去除率分別達(dá)到79.2%和77.7%，并且處理效果穩(wěn)定。

（2）Fenton反應(yīng)中的Fe2+由PFS與滲濾液反應(yīng)產(chǎn)生，不需要額外加亞鐵藥劑，降低了藥劑成本。

（3）試驗(yàn)得出的最佳工藝條件對(duì)處理老齡垃圾滲濾液工程設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值，實(shí)際工程可借鑒此最佳工藝條件設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)和工藝流程，并在實(shí)際運(yùn)行中驗(yàn)證和修正參數(shù)，使之更符合實(shí)際需要。

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*廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“飛灰水洗高鹽廢水污染物高效脫除及鹽分質(zhì)分離技術(shù)研究與應(yīng)用示范”（桂科2023AB25013）。

【作者簡(jiǎn)介】楊丹，男，遼寧丹東人，高級(jí)工程師，研究方向：水污染防治、固體廢物處理處置及資源化利用；趙良忠（通信作者），男，廣西桂林人，工程師，研究方向：水污染控制、固體廢物處理；祁莘月，女，廣西南寧人，助理工程師，研究方向：環(huán)境污染與控制、環(huán)境咨詢；杜仲惜，男，廣西南寧人，助理工程師，研究方向：垃圾滲濾液工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維管理；覃霞，女，廣西貴港人，工程師，研究方向：環(huán)境污染與控制、環(huán)境咨詢；周鴻飛，男，廣西桂林人，工程師，研究方向：市政環(huán)衛(wèi)垃圾分類(lèi)、垃圾滲濾液處理；黃魁，男，廣西柳州人，副教授，研究方向：環(huán)境污染與控制。

【引用本文】楊丹，趙良忠，祁莘月，等.氨吹脫-混凝協(xié)同活性炭吸附-Fenton氧化工藝預(yù)處理老齡垃圾滲濾液［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（7）：69-72，92.