（环境工程专业论文）混凝吸附对垃圾渗滤液的预处理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 垃圾渗滤液具有高c o d 浓度、高氨氮、高重金属的特点，直接采用常规 生物方法难以使处理过程正常运行。物化法作为垃圾渗滤液生物处理的预处理 工艺，可降低渗滤液中的生物毒性，为后续生物处理提供良好条件。因此，对 一垃圾渗滤液预处理方法研究具有重要的理论意义和工程实践意义。 论文以成都长安垃圾填埋场的垃圾渗滤液为研究对象，采用混凝吸附法 对垃圾渗滤液进行预处理研究。 在混凝处理阶段，采用聚合硫酸铝铁做混凝剂，考察了p h 值、药剂投加 量、沉淀时间等因素对实验的影响。通过正交试验发现，垃圾渗滤液的p h 对 c o d 的去除率影响最大，其次是药剂投加量和沉淀时间；p a f s 投加量在 2 0 0 m g l ，p h 为8 0 ，沉淀时间为4 0 r a i n 时，混凝效果最佳，c o d c ，的去除率可 达3 7 5 ；聚合硫酸铝铁氨氮的去除效果不理想。混凝出水将作为吸附实验水 样。 在吸附阶段，采用了两种廉价吸附剂进行对比试验，实验表明，泥炭对 c o d 的吸附效果不明显，但能有效吸附渗滤液中的氨氮，经过8 小时的吸附， 能使氨氮的去除率达到6 6 3 4 。粉煤灰对c o d 和氨氮的吸附效果优于泥炭。 用量为5 0 9 l 的粉煤灰对水样中c o d 的吸附经3 小时达到饱和，吸附饱和时 c o d 去除率能达到5 5 5 7 。随吸附时间的延长，粉煤灰能吸附更多的氨氮， 到吸附时间为8 小时，氨氮的去除率可达9 6 3 4 。并且，氨氮的去除率随水 样中p h 值的升高而增加。 关键词：垃圾渗滤液；混凝一吸附；聚合硫酸铝铁；粉煤灰 一一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| f 页 a b s t r a c t l a n d f i l ll e a c h a t eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t a i n i n gh i g hc o n c e n t r a t i o no f c o d ，h e a v ym e t a la n da m m o n i a c a ln i t r o g e n t r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lt e c h n i q u e sc a n n o tm a k et h et r e a t m e n tp r o c e s sr u ni ng e a r a st h ep r e t r e a t r n e n to f l a n d f i l ll e a c h a t e ， p h y s i c a lc h e m i s t r yt e c h n i q u e sc a nr e d u c et h eb i o l o g i c a lt o x i c i t ys oa st op r o v i d i n g ag o o dc o n d i t i o nf o rf o l l o w i n gb i o l o g i c a l t r e a t m e n t t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a t i v e t os t u d yo np r e t r e a t m e n to fl a n d f i l l l e a c h a t eb yp h y s i c a lc h e m i s t r y t e c h n i q u e s w h i c hc a nm a k eg r e a ts e n s ei nt h e o r ya n dp r a c t i c eo f e n g i n e e r i n g t h i st h e s i ss t u d i e so nt h ep r e t r e a t m e n to ft h ec h e n g d uc h a n g ，a n l a n d f i l l l e a c h a t eb yc o a g u l a t i o n a b s o r p t i o np r o c e s s p o l ya l u m i n u mf e r r i cs u l f a t e ( p a f s ) w a su s e da sc o a g u l a n ti nc o a g u l a t i o n p r o c e s s c o n s i d e r i n gt h a tt h ee f f e c to fp hv a l u e ，d o s e so fp a f s ，s e t t i n gt i m ea n d t h eo t h e rf a c t o r s ，t h e e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tb yo n h o g o n a ld e s i g nm e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h ep ho fl e a c h a t ea f f e c t sm o s to nt h er e m o v a lr a t eo fc o d a n d d o s e so fp a f s ，s e t t i n gt i m e ，a l s oh a v ee f f e c t i o no ni t u n d e rt h eb e s tc o n d i t i o no ft h e a d d i t i o no fp a f sa ta b o u t2 0 0 m g l ，p hv a l u ea b o u t8 0 ，s e t t i n gt i m e4 0 m i n ，w e c a na c h i e v et h eb e s to u t c o m e ：t h er e m o v a lr a t e so fc o d c fi s a b o u t3 7 5 b u t c o a g u l a t i o np r o c e s sw i t hp a f sc a nn o tr e d u c ea m m o n i a n i t r o g e ni ne f f e c t t h e w a t e ra f t e rt h ec o a g u l a t i o np r o c e s sw i l lb eu s e di nf o l l o w i n g a d s o r p t i o np r o c e s s e i np h r a s eo fa b s o r p t i o np r o c e s s ，t w ok i n d so fc h e a pa d s o r b e n t sw e r eu s e di n t h ee x p e r i m e n t b yc o n t r a s t ，t h er e m o v a lo fc o d b ya b s o r p t i o nw i t hp e a tc o a lw a s n o tc o n t e n t ，b u tp e a tc o a lc a na b s o r bm u c h a m m o n i a n i t r o g e nf r o ml e a c h a t e a f l e r 8 h o u r s a b s o r p t i o n ，a b o u t6 6 3 4 a m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a lw a sa c h i e y e d o n a c c o u n to fi t so w ns t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t s ，c o a la s hc a nr e d u c em o r ec o d a n d a m m o m a 。m t r o g e no fl e a c h a t et h a np e a tc o a ld o e s t h er e s u l ts h o w st h a t t h ec o a l a s hd o s a g ew i t h5 0 9 lc a nr e d u c e5 5 5 7 c o di nl e a c h a t ew h e nt h ea b s o r p t i o no f c o dr e a c h e ss a t u r a t i o na f t e r3h o u r s t h ea m m o n i a n i t r o g e l la d s o r b e db vc o a la s h b e c a m em o r ew i t ht i m ee x t e n d e da n di t sr e m o v a lc a m et o9 6 34 o rs oa f t e r8 h o u r sa d s o r p t i o n m e a n w h i l e ，t h ea m m o n i a - n i t r o g e nr e m o v a li n c r e a s e d a st h ep h v a l u er o s e k e yw o r d s ：l a n d f i l ll e a c h a t e ，c o a g u l a t i o n a d s o r p t i o n ，p o l ya l u m i n u mf e r r i c s u l f a t e ，c o a la s h 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：卸蹬 日期：弘i o 譬多d 指导老师签名：冲瑕 日期：2 ，o o j - 岁o 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、独力完成论文实验； 2 、首次将聚合硫酸铝铁运用于垃圾渗滤液的混凝处理中； 3 、对粉煤灰及泥炭的吸附效果进行了比较。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：参p 磴 日期：j d 笠口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 概述 近年来，随着我国经济的飞速发展，城市生活垃圾产量急剧增加。在城市 垃圾的填埋过程中，由于压实及微生物的分解作用，垃圾中所含的污染物随水 分溶出并与降水径流等一起形成垃圾渗滤液。垃圾渗滤液是一种污染很强的高 浓度有机废水，其水质和水量受到许多因素的影响，变化范围大，没有特定的规 律。 我国普遍采用卫生填埋法处置垃圾，所产生的垃圾渗滤液的主要特性 为【l 】：有机污染物种类多，水质复杂，污染物的浓度高、范围变化大，水质水 量随季节变化大，且随填埋时间发生变化。由于我国的垃圾未经严格分选，渗 滤液中的金属含量高，氨氮浓度高，营养元素比例失调，不适宜生化处理中微 生物的生长，以至在生化处理后c o d 的浓度仍然较高，达不到满意的去除效 果。 通常认为，影响垃圾渗滤液成分和性质的因素包括垃圾成分、填埋方法、 填埋场年龄及结构、降雨及雨水径流。具体而言，垃圾渗滤液的成分中所含的 有机物主要有三种，即低分子量的脂肪酸、中等分子量的灰黄霉酸类物质，以 及高分子量的碳水化合物类物质、腐殖质类，并且垃圾渗滤液中还含有大量重 金属，处理不当会造成很大污染【1 1 。垃圾渗滤液主要来自降水的渗入、外部地 表水的流入、地下水渗入、垃圾本身含有的水分、垃圾填埋后微生物厌氧分解 产生的水，其中最主要的是降水，其对渗流量和渗滤液的性质都有影响。而填 埋场年龄分为两类：一类是填埋时间在5 年以下的早期渗滤液；另一类是填埋 时间在5 年以上的晚期渗滤液，也称“老龄”渗滤液。不同填埋时间下垃圾渗 滤液水质特点的比较见表1 1 i lj ： 表1 】不同填埋时间垃圾渗滤液水质特点比较 此外，压实密度、填埋深度对渗滤液的水质也具有一定的影响。 我国的垃圾填埋起步较晚，渗滤液的处理主要经历了三个阶段 2 ，3 】：第一 阶段在2 0 世纪9 0 年代初期，处理工艺主要参照城市污水的处理方法，代表性 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的工程实例有杭州天子岭、北京阿苏卫等；第二阶段在2 0 世纪9 0 年代中后期， 研究人员考虑到渗滤液的水质独特性，采取了脱氨措施，采取的处理工艺一般 为氨吹脱+ 厌氧处理+ 好氧处理，代表性的工程实例有深圳下坪、香港新界西等； 第三阶段在2 0 0 0 年以后，一般采取生物处理+ 深度处理的方法，代表性的工程 实例有广州新丰、重庆长胜桥等。 目前垃圾渗滤液的处理工艺主要分为两大类：一是将垃圾渗滤液经一定的 预处理后直接排入城市污水处理厂进行合并处理；二是将其单独处理【2 l 。常用 的方法是生物处理工艺和物理处理工艺。好氧生物处理通常包括活性污泥法、 生物膜法等常见的废水生物处理方法。这些方法不仅可以有效地降低b o d 5 、 c o d 和氨氮，还可以去除另一些污染物质如铁、锰等金属【4 】。厌氧生物处理与 好氧法相比，则具有耗能少，污泥增量小的特点，能降解一些好氧条件下难处 理的有机化合物，且有机负荷较高，处理系统占地面积较小。因此，厌氧生物 处理方法适宜处理此类高浓度有机废水。 由于垃圾渗滤液可生化性很差，常常需要采用生化处理与物化处理相配合 的处理方法，特别是提高垃圾渗滤液的可生化性，有助于达到更好的处理效果， 减少其造成的污染。通常采用的物化方法有化学氧化法、吸附法、混凝法、膜 分离法、吹脱法1 3 】。混凝法作为物化法的一种，用于垃圾渗滤液生物处理的预 处理或后处理，被广泛研究，并且在理论和操作应用方面都有很大的发展，得 到了较好的推广。吸附法可吸附垃圾渗滤液中难降解有机物和重金属，因此也 有很好的应用前景。将混凝法和吸附法耦合使用1 5j ，研究其处理效果，使之成 为成熟、经济、高效的处理方法，能对垃圾渗滤液的处理作出贡献。 混凝吸附法是一种易操作、效率高的处理方法。将混凝剂投加到垃圾渗 滤液中，经过混凝沉淀的过程，再将吸附剂投加到沉淀所得上清液中，通过 吸附剂对渗滤液中污染物的充分吸附，能大大降低垃圾渗滤液中的难降解物含 量。 经过多项研究证明，混凝处理和吸附过程在垃圾渗滤液的处理中有显著效 果，处理出水大部分指标能达到可生化性要求。而且，该技术具有工艺过程简 单，工程投资低，运行成本少等特点。 1 2 国内外的应用研究状况 国内外有研究者分别对混凝和吸附对垃圾渗滤液的处理进行了相关研究。 1 2 1 国内外对混凝的研究情况 合适有效的混凝剂是保证对垃圾渗滤液混凝效果的关键因素。目前，常用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的混凝剂主要分为铝盐系和铁盐系【l j ，包括硫酸铝、三氯化铁、硫酸亚铁、聚 合氯化铝等。除此而外，高分子混凝剂、复合高分子混凝剂也逐渐应用在垃圾 渗滤液的混凝处理中。还有研究者开始将微生物混凝剂用于垃圾渗滤液的处理 中【6 1 。 在对垃圾渗滤液的混凝预处理研究中，采用铝盐系混凝剂作为混凝剂的研 究较多。沈耀良等【7 】采用p a c 做混凝剂、焦炭做吸附剂对垃圾渗滤液进行混凝 一吸附预处理研究，发现混凝和吸附对各污染物的去除具有互补性，因而混凝 一吸附工艺具有良好的运行灵活性和稳定性。研究结果表明，p a c 和焦炭投量 分别为4 0 0m g l 和8 10 9 l 时，c o d 去除率达5 8 9 ，重金属离子的去除率 均达6 0 左右，其中对c u 的去除近l0 0 。张富韬等【8 j 仍采用p a c 做混凝剂， 但采用自制的改性膨润土做吸附剂对垃圾渗滤液进行了混凝一吸附实验研究。 结果表明，渗滤液中c o d c ，的去除率可达7 9 ，氨氮的去除率达4 6 ，重金 属的去除率为5 3 9 8 。由此得到，混凝一吸附预处理垃圾渗滤液，在去除 重金属离子或降低其含量的同时，大部分c o d c ，和部分氨氮也同时被去除的结 论。 也有研究者选用了铁盐系混凝剂对垃圾渗滤液进行预处理研究，并采用创 新的混凝方法，实验效果较好。a a m o k r a n e 等人pj 采用混凝沉淀法预处理垃 圾渗滤液，涉及到氯化铁和硫酸铝等最有效的混凝剂，使浊度去除率达到了 9 7 。t u r a s e 等人【lo 】采用氯化铁做混凝剂混凝处理高浓度有机废水，结果表 明，p h 为9 0 时金属离子的去除率高于p h 为4 0 时的去除率。徐冰峰等i j 在 对垃圾卫生填埋场的渗滤液做预处理研究中，首次将混凝一沉淀法进行二次串 联，采用聚铁盐作为混凝剂，实验结果表明，渗滤液的浊度去除率达 7 2 6 7 ，c o d c ，的去除率达6 4 6 0 。实验证实，采用二次混凝一沉淀法比常见 的混凝一吸附、混凝一沉淀一化学沉淀法效果更好而且投资少，同时还证实聚 铁盐适于渗滤液预处理，效果明显。 e d i a m a d o p o u l o s 的研究发现【l2 1 ，尽管铝盐、铁盐混凝剂用量相等，对c o d 含量为4 1 0 0 m g l 的垃圾渗滤液进行混凝处理后，f e c l 3 使渗滤液中有机化合物 的含量降低了5 5 ，比明矾降低的有机化合物含量多达4 2 。说明铁盐系混凝 剂在混凝处理垃圾渗滤液方面有一定的优势。a a t a t s i 等人【l3 j 的论文也表明， 在不调节渗滤液p h 的情况下，加入1 5 9 l 的f e c l 3 能使c o d 的去除率达到 8 0 ，而加入同样多的铝离子，c o d 的去除率只能达到3 2 。同样的结论在 f k a r g i 和m y p a m u k o g l u 的实验中也得到证实i l 引。 对渗滤液循环回灌出水的预处理，薛俊峰等1 1 5 】针对渗滤液循环回灌出水含 有大量胶体物质和腐殖质、生物降解性差、氨氮含量高的特点，采用聚合硫酸 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 铁对其进行混凝处理，实验结果分析，混凝对分子量在10 0 0 0u ( u ：原子质量 单位， 1u = ( 1 6 6 0 5 4 0 2 士0 0 0 0 0 0 10 ) x10 屯7k g ) 以上的渗滤液回灌出水去除比较 彻底，而对分子量在10 0 0u 以下的有机物的去除率很低，最高去除率也仅为 2 3 5 2 ，并得到铁盐对渗滤液循环回灌出水的c o d 去除效果优于铝盐的结论。 李泗清等i l6 j 对渗滤液生化处理出水进行了后处理研究。采用壳聚糖三元接 枝高分子絮凝剂( c a s ) 与聚合氯化铝( p a c ) 、磷酸镁铵沉淀法( m a p 法) 复配处 一理。对絮体粒径分布测试、絮体形态结构分析和z a t a 电位测定结果表明，c a s 与p a c 复配，可充分发挥c a s 架桥和p a c 电荷中和的协同作用，强化混凝过程， 使细小的凝聚体形成体积庞大的絮状沉淀物，并在沉降过程中，网捕水体中的 胶体颗粒，因而显著提高混凝效果。实验结果表明，采用m a p 法与c a s 、p a c 复配，当投加量分别为5 0 m g lc a s 、5 0 0m g lp a c 、8 5 6m g lm g c l 2 6 h 2 0 、 1 5 0 9m g ln a 2 h p 0 4 1 2 h 2 0 时，出水c o d 、色度分别小于3 0 0m g l 、3 0 倍，n h 4 + - n 降至2m g l 左右。 朱启红【1 。7 】在对垃圾渗滤液的混凝处理研究中，针对水泥具有混凝特性的特 点，探讨了水泥处理垃圾渗滤液的可行性。试验结果表明，水泥对垃圾渗滤液 中的浊度、六价铬、铜离子和c o d 均有较好的去除效果。 文献【18 中，将混凝与s b r 法连用进行实验，结果表明调节适当的p h 值 是絮凝成功的关键。由试验可知，p h 值为9 左右时是最佳p h 值范围，并且认 为混凝剂加药量的多少直接影响渗滤液处理的效果。文献【18 】将混凝处理作为 a 2 o 法的后处理，分析影响混凝效果的因素为投加量和p h ，得到了生物处理 后的混凝处理宜采用聚铁为混凝剂的结论，其结果是，混凝的最佳p h = 5 ，投加 量以1 l 水投加6 m l 聚铁盐为宣。因此，也得出在实验研究中，p h 和混凝剂 投加量是两个重要因素的结论。 t o n n ia g u s t i o n ok u r n i a w a n 1 9 j 则总结性地指出在混凝过程中要注意浓度梯 度、p h 、沉淀时间此三因素在加速胶体粒子沉淀过程中的作用。这个结论值得 研究者在实际研究应用中注意。 1 2 2 国内外对吸附的研究状况 通常对吸附现象的研究从吸附剂、溶剂及溶质( 吸附质) 三者之间的相互 作用去研究【2 0 1 。要取得良好的吸附效果，需要对上述三者分别分析研究。目前 用于垃圾渗滤液吸附处理的高分子吸附剂主要是合成树脂，除了与活性炭有同 样优良的空隙结构外，树脂还具有可再生，选择性高，可以调节孔径的优点1 5 】。 传统的吸附剂有活性炭、硅藻土、沸石及廉价的膨润土、泥炭、粉煤灰等【2 。 其中活性炭的使用非常广发，美国甚至把活性炭作为选择水或废水中有机微污 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 染物代用处理方法的一种参照方法，以保证处理效果的有效性1 2 2 。但在吸附剂 的使用方面，筛选低廉合适的吸附剂是其处理各种废水的关键。国内外很多学 者对廉价吸附剂的吸附效果进行了研究。 由于渗滤液中高浓度氨氮会使b o d n h 3 n 或c o d n h 3 n 的比例失调，影 响生物处理的效果【23 1 。蒋建国等人通过实验探讨了沸石吸附法去除垃圾渗滤液 中的氨氮的可行性j 结果表明，沸石对氨氮的吸附速度较低，在饱和吸附量的测 定试验中，平均吸附速度最大仅为0 2 5 6m g n h 3 n ( g 沸石h ) ，当沸石粒径较大 时吸附平衡历时较长，在实际运行中沸石一般很难达到饱和吸附容量1 24 | 。但同 时作者分析认为，沸石的动态吸附方式比静态吸附方式具有更好的吸附量。 姜浩等人利用赤泥吸附垃圾渗滤液中的有害物质，研究了赤泥的c o d 、氨 氮吸附效果与其用量、渗滤液p h 、温度、振荡时间的关系【25 1 。分析认为赤泥 对氨氮有一定的吸附能力，在条件为赤泥用量3 0g l 、p h = 8 、温度4 、振荡 时间6 0 m i n 时，达到氨氮最大吸附量约为3 2 m g g ；赤泥对c o d 也有一定的吸 附能力，当赤泥用量3 0 9 l 、p h = 8 、温度4 、振荡时间为8 0 m i n 时，其对 c o d 的吸附量达到最大为8 7 m g g 。 d a v i l aj s 的研究发现，泥炭对废水中的重金属离子有极为明显的处理效 果。对c u 和z n 的去除率可分别达9 9 以上和9 3 9 6 ，对s e 、c r 、a s 、b o 、 a g 、n i 、h g 等均有显著的去除能力，对c o d 、b o d 5 、n 、p 、t s s 、油类等的 吸附效果相当显著1 2 6 。 有研究者用硫酸对粉煤灰进行改性处理，并用活化粉煤灰对垃圾渗滤液的 c o d 进行了吸附，通过正交试验表明，活化粉煤灰用量对c o d 的影响最大， 其次是反应时间、反应温度、垃圾渗滤液的p h 值和垃圾渗滤液的浓度，得到 了高达9 5 8 的垃圾渗滤液c o d 吸附率【27 1 。安晓雯等f 2 8 1 利用粉煤灰预处理 c o d 含量为1 2 0 0 0 2 5 0 0 0 m g l 的垃圾渗滤液，使其c o d 含量降低到3 0 0 0 m g l 左右，去除率达到7 5 ；而氨氮含量由4 0 0 4 5 0m g l 降低到5 0 7 0m g l ， 去除率达到8 4 。试验结果使垃圾渗滤液的b o d c o d 由o 0 6 0 1 3 提高到 0 3 6 0 3 7 ，生化性有很大程度改善。 对于含重金属废水，吸附法是去除重金属的较好方法，得到了广泛的应用。 彭安等【29 】研究了各种吸附剂在不同p h 值条件下对甲基汞的吸附。研究分析表 明，在p h 值较低的情况下，溶液中的重金属离子呈阳离子状态，吸附剂对重 金属离子的去除效果较差；当溶液的p h 值升高，主要体现为重金属离子的交 换吸附性能；当p h 值进一步增加时，由于重金属离子已生成氢氧化物沉淀， 其吸附剂的晶种作用增强，交换吸附能力减弱，同时o h 。对吸附剂发生竞争吸 附，物理吸附增强，化学吸附会减弱到没有，吸附量将下降。罗道成等【3o 】研究了 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 吸附时间对重金属离子去除率的影响，表明随着吸附时间的增大，重金属的去 除率增大，当吸附时间超过6h 后，多孔质沸石颗粒接近达到饱和吸附，对吸附 量随时间的增大而增大。仁乃林等【3 1 】对体系初始浓度以及吸附剂的比表面积对 重金属离子的影响进行了研究。结果认为，去除率随离子初始浓度的增大而减 小，这说明金属离子浓度较高时，要达到较高的去除率应增加吸附剂用量；吸 附剂的表面积较大，富集能力增强，能吸附更多的金属离子，提高其去除率。 将水生植物应用于吸附水体中的重金属的做法，逐渐成为国际研究热点， 已经得到了一些研究者的运用 3 2 , 3 3 。侯晓龙等【3 4 】将水浮莲、浮萍、水葫芦3 种水生植物在垃圾渗滤液中进行培养实验，研究它们对垃圾渗滤液中重金属的 吸附能力。结果表明，不同植物对重金属的吸附能力表现为：水浮莲 浮萍 水葫 芦，其中水浮莲对垃圾渗滤液中n i 、z n 、c r 、c d 、p b 、m n 的最高吸附率分别 可达5 0 2 1 、5 0 9 2 、10 0 、7 3 2 7 、8 9 9 9 ：8 8 5 2 ，并且吸附后的垃圾 渗滤液可以达到污水排放标准。 在吸附技术的研究方面，变压吸附技术在环境工程领域的应用越来越广泛， 有广阔的前景【35 l 。天津市滨海新区汉沽垃圾处理场采用多级深度生化物化工艺 处理垃圾渗滤液，该工艺中非常重要的富氧强化氧化池采用两台变压吸附制氧 机现场制氧为富氧曝气提供氧气【36 。研究认为变压吸附制氧技术可为垃圾渗滤 液深度处理中的富氧曝气以及臭氧氧化过程便捷地提供高浓度、低成本的氧 气。 前述诸多方面的研究都是主要围绕如何高效去除垃圾渗滤液中的污染物 和提高垃圾渗滤液的可生化性，但在研究和应用中还存在不少问题。就我国而 言，由于传统的垃圾收运分选系统本身的局限性及我国的实际情况，垃圾渗滤 液的混凝预处理还没有完全做到提高水质，到目前为止主要还是试验研究，并 朱广泛应用。同时对于已经兴建的垃圾渗滤液预处理系统缺乏全面、系统的评 估，无法对其工程进行准确、科学的评价。药品价格和处理设备等因素也制约 着混凝、吸附等物化法在垃圾渗滤液处理中的应用。 混凝法和吸附法在基础理论研究方面虽然有很大进展，但还有欠缺，对一 些新型混凝剂的混凝机理还处于定性了解阶段，对如何克服混凝法的缺点还缺 乏对策。例如，混凝会增加污泥量和处理后水中的铝、铁含量【6 】。这就需要采 用更高效的混凝剂，以减少因大量投加混凝剂造成的水中铝、铁含量增高。比 如采用兼具了铝盐和铁盐性质的聚合氯化铝铁、聚合硫酸铝铁等复合高分子混 凝剂，能同时发挥铝盐、铁盐的优势，并能减少混凝剂的用量。此外，由于许 多高性能的吸附剂价格昂贵，利用变废为宝的思路，采用一些廉价的吸附剂如 粉煤灰、泥炭等，在生产运用中更有实际意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 本论文研究的主要内容及方法 1 3 1 研究内容 根据以上分析，本文运用混凝一吸附法对垃圾渗滤液进行预处理研究，采 用新型复合高分子混凝剂聚合硫酸铝铁( p a f s ) 混凝处理垃圾渗滤液，分析 其特性，并通过正交试验确定其最佳实验条件下的处理效果，进而选择合适的 吸附剂进行吸附实验，并确定最佳的吸附效果。最终确定出混凝一吸附法对垃 圾渗滤液的预处理效果。具体内容包括： l 、p a f s 特性分析 对p a f s 的分子结构、物理化学性质、在水中的化学反应，特别是混凝机理 进行全面的分析。 2 、p a f s 混凝特性实验研究 针对垃圾渗滤液的特点，根据p a f s 的混凝特性进行烧杯搅拌实验，采用 正交实验方法，以找到最佳的试验条件。 3 、吸附实验研究 根据混凝正交实验结果，选择高效的吸附剂进行吸附对比实验，确定最佳 吸附条件，并对最终结果进行系统分析。 1 3 2 研究方法 论文研究按照“资料收集一理论分析一实验论证一结果分析”为主要的方 式。整个研究过程是：系统分析国内外混凝、吸附法预处理垃圾渗滤液的研究 进展；分析p a f s 的特性、p a f s 处理的可行性；分析几种廉价吸附剂的吸附效 果；设计实验方案；通过烧杯实验和吸附实验，进行实验分析，确定实验的最 佳条件；对本文采用的方法做出分析评价。 研究技术路线如下图1 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1r 混凝试验 1r i 吸附试验 图1 1 技术路线图 匹困 臣亟 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章混凝、吸附机理研究 2 1 混凝机理研究 2 1 1 胶体性质 1 、胶体结构 混凝的主要对象是水中的胶体物质。胶体状物质的颗粒尺寸很小，通常只 有1o n t o - - 1o o n m ，常为粘土、藻类、腐殖质及蛋白质等。胶体物质在水中具 有稳定性，造成水体浑浊，并带来臭和味【37 1 。水中的胶体颗粒可分为憎水和亲 水两大类【3 引。亲水胶体能在吸水自动分散形成胶体溶液后，又可脱水恢复成原 来的物质，并重新在水中分散形成胶体，蛋白质、淀粉、胶体等有机物质属于 亲水胶体。憎水胶体不具备亲水胶体的可逆性质，水中粘土等无机物质属于憎 水胶体。但无论是哪种类型的胶体颗粒都具有双电层结构，如图2 1 所示【39 1 。 一l + 滑动面 扩散层 + 图中：一电动电位，胶粒与扩散层之间的电位差；由一总电位，胶核表面电位离 子与溶液之间的电位差。 图2 1 胶体结构示意图 胶体的中心称为胶核，滑动面以内的部分称为胶粒。在胶核表面选择性地 吸附了一层带有同号电荷的离子，而通常污水中的胶体微粒都带有负电荷，图 2 1 中的胶核表面吸附了一层负电荷，称为电位离子，它们是由胶核的组成物 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 直接电离而成或从水中选择性吸附h + ( 或o h ) 而成。电位离子具有静电引 力，将大量的异号离子吸附在自身周围，因此形成了双电层结构。 2 、胶体性质 胶体微粒有不断的保持分散悬浮状态的性质，说明胶体具有稳定性。微粒 在水中作布朗运动，并且胶粒之间还存在着范德华引力，导致胶体分散不易脱 稳。 憎水胶体的双电层结构说明其稳定性：带相同电荷的胶粒产生静电斥力， 且电位越高，胶粒间的静电斥力越大。因此，胶粒具有良好的稳定性。 亲水胶体的双电层结构不能说明其稳定性，其稳定性主要由它所吸附的大 量水分子所构成的水化膜( 见图2 2 ) 来说明。水化膜阻碍亲水胶体颗粒表面 接近，使范德华力不起作用。因此，亲水胶体的稳定性比憎水胶体的稳定性更 强。对亲水胶体而言，离子价数对凝聚无重要作用，且能使亲水胶体凝聚的是 阴离子，阴离子对无论何种电性的亲水胶体都起作用【3 引。 水化 非极化 水分子 图2 - 2 胶体水化膜- 3 x 慈图 3 、d l v 0 理论 混凝学及其混凝作用机理的主要理论基础是胶体化学和界面化学，在胶体 化学中，d l v o 理论应用非常广泛。d l v o 理论是胶粒相互作用理论，它认为 两个胶体粒子相互接近以至双电层发生重叠时，产生了静电斥力，但同时两个 颗粒之间又存在范德华引力。研究者用引力势能的曲线方程( 2 1 ) 描述斥力 势能和引力势能随颗粒间距的变化【3 8 】： 驴甜寿+ 等北竽 弘， 式中卜一两胶粒中心间距；，一胶粒半径；彳一哈马克( h a m a k e r ) 常数， 决定于颗粒和介质特性，一般a = 1 10 1 4 1 10 - 1 2 e r g 。 当胶粒表面之间距离z 很小是，引力势能已可近似按式2 2 计算： 只= 一篙 ( 2 2 ) 式中x 一两胶粒表面间距。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 当胶粒表面间距远小于胶粒半径时( z ，) ，静电排斥势能昧为： e u ：s , o o1 n 【1 + e x p ( 一h ) ( 2 3 ) 二 式中一水的介电常数。 式2 3 表明，当表面间距x - - 0 时，排斥势能e r 具有极大值为o 3 5 r 多0 2 。 随着两胶粒表面间距x 增大，e 月迅速减小。当反离子浓度和离子价增大时，k 增大，昧按指数关系急剧减小。由此可知，在高价电解质可有效减少颗粒间排 斥能。 根据式2 1 和式2 3 可得到胶粒间相互作用总势能e 的表达式： e = 已1 l e 月( 2 4 ) 对2 4 进行微分，能确定排斥能峰州甜，并能确定排斥能在取得最大值时 的间距x 6 。研究者分析认为，排斥能峰是阻碍两个胶体粒子相互凝聚的壁障， 当e 册口工 历，壁障可被突破，凝聚发生【4 0 1 。通常胶体布朗运动的动能很小，而 水中粘土等胶粒排斥能峰很大，使得胶粒保持稳定状态。 2 1 2 混凝机理 水处理中的混凝现象十分复杂。混凝剂种类不同，作用机理不同；同一种 混凝剂，在不同条件下作用机理也不同。在环境中研究水的混凝机理，不像胶 体化学中胶体凝聚那样单纯，d l v o 理论不能解释所有现象。在混凝作用中， 还有其他几种作用机理，共同解释了混凝机理【40 1 。即： 1 、压缩双电层作用： 在水处理中，双电层压缩( 图2 3 ) 作用相当于混凝剂所离解的金属离子 如a l ”、f e 3 + 的作用。 图2 3 双电层压缩示意图 a 1 3 + 、f e 3 + 具有很强的压缩双电层的能力，使胶体脱稳凝聚，但在混凝过 程中，金属离子还要继续发生水解，并短暂存在，转化为一系列的其他带有羟 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 基的较简单离子以及聚合离子之后，最终产生a i ( o h ) 3 、f e ( o h ) 3 等带正电的 胶体。因此，使胶体脱稳凝聚不止是金属离子的作用，还有所有中间产物中的 带正电的高价离子。 2 、吸附一中和作用： 高价电解质在水中经水解缩聚而形成的高分子物，无论是否带电或所带电 荷符号与胶体电荷符号是否相同，都能吸附在胶体粒子上。带有正电荷的高分 子物质或高聚合粒子吸附了负电荷胶体粒子后，产生电性中和作用，导致胶粒 电位的降低，失去稳定性。同时，由于胶粒和高分子或聚合离子之间的吸附 不仅只由静电引力引起，还来自于氢键、共价键、极性键、范德华引力等各种 吸附力，因此胶粒可能吸附更多的聚合离子以至使胶体颗粒电荷改变符号，能 由原来负电荷胶体变成带正电荷胶体。 高分子 图2 4 吸附中和作用示意图 3 、吸附一架桥作用： 高分子物质对胶体的强烈吸附，起到在胶粒与胶粒之间的架桥连接作用。 吸附架桥作用包括两种情形：一是高分子絮凝剂把许多较小的胶体吸附起来， 形成更大的颗粒，特别还指非离子型以及与胶体同电号的离子型高分子絮凝剂 所起的吸附作用；二是两个大的同号胶体中间，由于有一个较小的异号胶体而 连在一起。 胶 图2 5 吸附架桥示意图 高分子絮凝剂的强烈吸附，还起到在胶粒与胶粒之间架桥连接作用，即形 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 成“胶粒一高分子一胶粒”的絮凝体，见图2 5 。 但是，当胶粒表面被高分子全部覆盖后，两胶粒接近时，会因胶粒表面吸 附的高分子受到压缩变形而具有排斥能，也会因高分子带电而相互排斥，因此 产生胶体不能凝聚的“胶体保护”现象。尽管有国外研究者】提出，胶粒表面 高分子的覆盖率为5 0 时，絮聚效果最好，但在实际处理中，投加量只能由 试验决定。 4 、絮体网捕作用： 随着混凝剂投加量较多，高价离子经水解缩聚可形成大量的氢氧化物聚合 体( 如【f e ( o h ) 3 【a i ( o h ) 3 。) ，从水中析出，可以网捕、卷带水中的细小胶粒 形成絮状物，加速絮体的增长和沉淀。因此，水中胶体杂质多时，需要的混凝 剂较少；而水中胶体杂质少，所需混凝量更多。 在水处理中，这几种混凝机理各自不是孤立存在的，往往会几种同时存在， 只是在某些特定情况下会以其中一种机理为主。 2 1 3 影响混凝的因素 通常认为影响混凝的因素有以下几个方面： 1 、水温：水温过低，胶体的布朗运动减慢，水化作用增强，混凝剂水解 缓慢。水温一般以2 0 3 0 为宜。 2 、水中悬浮物浓度：浓度低，颗粒碰撞速率大大减小，混凝效果差。浓 度高，所需混凝剂量多，通常还需投加高分子助凝剂【4 2 1 。 3 、p h 值：值影响着污染物的存在形态和表面性质，影响着混凝剂的水解 平衡和产物存在形态和时间。高分子混凝剂受p h 值影响较小。由于水解过程 不断产生h + ，导致p h 值下降，故要有一定量的碱性物质与之中和。渗滤液含 有较高的重碳酸盐碱度，对p h 有缓冲作用【4 3 1 。 4 、水利条件：混凝过程分为混合和反应两个阶段。混合阶段要求药剂能 在几秒钟或一分钟以内均匀地扩散到水体中，使胶体脱稳，此时需要快速剧烈 的搅拌；反应阶段要求混凝剂微粒通过絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝 剂，此时搅拌强度或水流速度应逐渐降低，以免打碎已结大的絮凝体。 5 、混凝剂的投加量：混凝剂的投加量与水中微粒种类和浓度有关，还与 混凝剂的品种、投加方式和介质条件有关，应视具体情况而定。一般给水处理 中普通无机混凝剂投加浓度为5 5 0 m g l ，聚合盐为普通盐的1 2 l 3 。有机 高分子絮凝剂一般为2 5 m g l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 1 4 渗滤液中胶体的可混凝一沉淀性分析 渗滤液所含胶体物质比例很高，其胶体物质可分为两类：有机类和无机类。 无机胶体一般含有惰性矿物粒子，例如淤泥、粘土和尘埃。有机胶体一般是来 自活的细菌、病毒、噬菌体、生物的细胞质碎片和来自化工、食品工业的各种 物质。渗滤液中的有机物多为腐殖质，腐殖质以溶解状态或呈胶体分散状态存 在于水中。它们的分子量变化很大，从几百到几万，无定形，颜色为褐色或黑 色，具有亲水、酸性、高分散的特点。腐殖质的重要特征有【ll j ： 1 、有抵抗微生物降解的能力； 2 、有同金属离子和水合氧化物形成稳定的水溶性和水不溶性的盐类以及 络合物的能力，它能被各种电解质( 水处理的常用混凝剂) 所凝结； 3 、有与粘土矿物以及加入的有机化合物( 造成有毒污染的有机物) 相互作 用的能力。 渗滤液中含大量有机物，其中大多是高分子腐殖质类物质( 高分子碳水化 合物和中等分子量的灰黄霉酸类) ，这些腐殖质在浓度很高的情况下，由于存 在空间位阻等因素，不容易被吸附剂吸附，由于表面活性基团的存在，腐殖质 很容易与絮凝剂发生反应而絮凝【4 4 1 。 2 2 吸附机理研究 2 2 1 吸附机理 吸附是利用一种物质( 吸附剂) 与另一种液相或气相中的物质( 吸附质) 接触时，在吸附剂的表面将吸附质固着，使两相中物质浓度发生变化的过程。 吸附过程是一种从液相或气相到固体表面的传质现象【45 1 。吸附分为三种，一种 是吸附剂与被吸附物质之间通过分子问引力而产生的物理吸附，一种是吸附剂 与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起的化学吸附【39 1 ，第三种为吸 附质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固 定在这些带电点上的其他离子的交换吸附。物理吸附和化学吸附随条件变化可 以相伴发生，在污水处理中，往往是这三种种吸附的综合结果。 一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质及其浓度和温度有关。吸 附等温式用来表明被吸附物的量与浓度之间的关系。目前常用的吸附等温公式 有： 1 、f r e u n dlic h 吸附等温式： 上= k p ”( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 式中少一吸附剂所吸附的物质总量，n a g ；聊一投加的吸附剂量，m g ： p 一达到平衡时溶液中被吸附物的浓度，m g l ； k 、玎经验常数，刀值在正常条件下大于1 。 此公式是经验公式，取对数后可得： l o g ( y ) = l o g k + 三l o g p ( 2 6 ) 常用于检验实验资料的拟合和计算k 、n 值，在低浓度时较实用。 2 、l a n g m uir 吸附等温式： 上：坐 ( 2 7 ) 一= 一 l 一， m 1 + k 1 p 、7 此公式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下导出的，由于这个假设使它 的应用受到限制，但对某些数据，此公式更适合采用，并适用于各种浓度条件。 此公式可变换成以下形式： ym = 上k + 堕k 夕 ( 2 - 8 ) | 、 由式( 2 8 ) 可知，生与p 呈直线关系。 y m 2 2 2 影响吸附的因素 衡量