Fenton－聚合硫酸鐵組合處理生活垃圾壓濾液研究

彭 娟，廖 雷，嚴(yán) 凱，聶 旭，阮芳妮，鄭國平

（1.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 桂林541006；2.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541006）

城市生活垃圾壓濾液產(chǎn)生于生活垃圾壓縮減容過程中。由于垃圾壓縮站所收集的生活垃圾具有區(qū)域特點(diǎn)，因此壓縮減容產(chǎn)生的生活垃圾壓濾液主要成分有所不同，但共同特點(diǎn)是成分極其復(fù)雜，COD、BOD5、SS、氨氮含量均較高，且含有難降解的有毒有害物質(zhì)，可生化性小。垃圾壓縮站間歇式作業(yè)，導(dǎo)致生活垃圾壓濾液產(chǎn)生的時間不穩(wěn)定；此外壓濾液水量變化受天氣影響，降雨降雪可使其水量增加1～2倍［1—8］。由于生活垃圾壓濾液成分復(fù)雜、水量不穩(wěn)定，且含有有毒有害物質(zhì)，直接進(jìn)入污水處理廠處理，必將增加處理廠的負(fù)擔(dān)。綜合考慮生活垃圾壓濾液的特點(diǎn)和為了保證城鎮(zhèn)污水處理廠正常運(yùn)行，本文提出將生活垃圾壓濾液進(jìn)行現(xiàn)場處理，達(dá)標(biāo)后直接由下水道進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理的方案。

Fenton試劑被廣泛應(yīng)用于垃圾壓濾液和垃圾滲濾液處理領(lǐng)域，并取得了較好的效果［8—10］。Fenton試劑主要通過氧化和絡(luò)合作用去除壓濾液中的表觀大分子有機(jī)物。它在酸性條件下，通過催化劑的催化作用，產(chǎn)生羥基自由基，通過其強(qiáng)氧化能力，有效地將難降解的有機(jī)物去除，從而達(dá)到去除COD和降低濁度的目的［11—12］。與其他高級氧化法相比，F(xiàn)enton催化氧化法具有快速、高效、簡單、可產(chǎn)生絮凝等優(yōu)點(diǎn)。

聚合硫酸鐵（PFS）是一種無機(jī)高分子混凝劑，也是一種具有多種核結(jié)構(gòu)的無機(jī)高分子聚合物。當(dāng)溶液中pH值不同時，PFS混凝劑在溶液中可以產(chǎn)生多種多核羥基絡(luò)合離子，多核絡(luò)合物中心離子絡(luò)合的羥基平均數(shù)較單核多，由于其核電荷數(shù)多，所以對膠體顆粒產(chǎn)生很強(qiáng)的電中和及吸附架橋作用，使水中的膠體顆粒懸浮物得以去除［13］。PFS相對其他混凝劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：在污水處理過程中對COD、氣味、濁度和氨氮的去除均有較好的效果，且pH值適應(yīng)范圍廣，對水質(zhì)變化大的污水具有理想的凈化效果；PFS用量少、性質(zhì)穩(wěn)定，且價格相對于其他高分子混凝劑更低廉。目前國內(nèi)外有許多研究者對其進(jìn)行了研究［14—20］。

雖然已有關(guān)于利用Fenton＋PFS聯(lián)合處理抗生素發(fā)酵廢水的報道［21］，也有Fenton聯(lián)合聚硅酸鹽處理生活垃圾壓濾液的報道［22］，但關(guān)于利用Fenton＋PFS聯(lián)合處理生活垃圾壓濾液卻鮮見報道。為此，本文對Fenton＋PFS組合處理生活垃圾壓濾液進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究，首先研究Fenton法處理生活垃圾壓濾液的最佳反應(yīng)條件，然后研究PFS法處理生活垃圾壓濾液的最佳反應(yīng)條件，再將經(jīng)Fenton法最優(yōu)處理后的污水各項指標(biāo)調(diào)節(jié)到PFS法處理的最佳條件，最后利用PFS法處理生活垃圾壓濾液，從而得到Fenton＋PFS組合處理的最佳條件。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)用生活垃圾壓濾液取自桂林市南溪山壓縮式垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站，所采生活垃圾壓濾液水樣密封保存于塑料桶內(nèi)。生活垃圾壓濾液的水質(zhì)指標(biāo)如下：pH值為3.76～4.35，COD為24 316～25 823mg/L，濁度為220.6～252.7NTU，氨氮為247.5～316.8 mg/L，BOD5為4 254～4 392mg/L，BOD5/COD＜0.2（不宜生物降解）。

1.2 主要試劑與儀器

試驗(yàn)主要試劑：FeSO4·7H2O、過氧化氫（H2O2，30%）、硫酸（H2SO4）、氫氧化鈉（NaOH），以上均為分析純。

試驗(yàn)主要儀器：pHS－3C型酸度計；H05－1型恒溫磁力攪拌器；COD消解儀（重鉻酸鉀法）；UV－721型紫外分光光度計；WGZ－800型濁度計；常規(guī)玻璃器皿；FA1004型電子天平。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 Fenton法

將16份各100mL生活垃圾壓濾液試驗(yàn)水樣分別注入編號為1～16的16個250mL玻璃燒杯中，將燒杯依次放在磁力攪拌器上，然后按照表1所設(shè)計的條件進(jìn)行正交試驗(yàn)，反應(yīng)完成后靜置沉淀30 min，取各水樣的上清液測定COD和濁度（原水樣COD為24 613mg/L，濁度為225.1NTU）。

1.3.2 聚合硫酸鐵（PFS）法

取9份各100mL生活垃圾壓濾液試驗(yàn)水樣分別注入編號為1～9的9個250mL玻璃燒杯中，將燒杯依次放在磁力攪拌器上，然后按照表2所設(shè)計的條件進(jìn)行正交試驗(yàn)，反應(yīng)完成后靜置沉淀30min，取各水樣的上清液測定濁度、COD和氨氮（原水樣濁度為238.3NTU，COD 為24 712mg/L，氨 氮 為264.6 mg/L）。氨氮的測定方法為納氏試劑光度法。其中，混凝攪拌方式有：攪拌方式1為200r/min反應(yīng)5 min；攪拌方式2為先250r/min反應(yīng)2min、再60 r/min反應(yīng)8min；攪拌方式3為先250r/min反應(yīng)1 min、100r/min反應(yīng)5min、再60r/min反應(yīng)10min。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fenton法處理生活垃圾壓濾液的條件優(yōu)化

按L16（54）5因素4水平設(shè)計正交試驗(yàn)方案，各水平的設(shè)計參考文獻(xiàn)［8］，初步確定pH值、H2O2的投加量、FeSO4的投加量（H2O2與Fe2＋的摩爾比）、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間5因素對生活垃圾壓濾液中COD和濁度去除效果的次反應(yīng)條件。Fenton法正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析見表1。

由表1可以看出：Fenton法正交試驗(yàn)中，所選的5個因素對COD去除率的影響大小順序依次為H2O2的投加量＞pH值＞H2O2與Fe2＋的摩爾比＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間，去除COD最佳的反應(yīng)條件是pH值為2.5、H2O2的投加量為12.0mL、H2O2與Fe2＋的摩爾比（Fe2＋的投加量）為10∶1、反應(yīng)時間為40min、反應(yīng)溫度為30℃；所選的5個因素中對濁度去除率的影響大小順序依次為pH值＞H2O2與Fe2＋的摩爾比＞H2O2投加量＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間，去除濁度的最佳反應(yīng)條件是pH值為2.0、H2O2的投加量為14.0mL、H2O2與Fe2＋的摩爾比（Fe2＋的投加量）為10∶1、反應(yīng)時間為40 min、反應(yīng)溫度為40℃。

表1 Fenton法處理生活垃圾壓濾液正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析表Table 1 Orthogonal experimental design for Fenton method and result analysis

由于所研究的生活垃圾壓濾液COD含量較高，且后續(xù)會采用絮凝劑進(jìn)一步對濁度進(jìn)行降解，根據(jù)正交試驗(yàn)的極差趨勢確定Fenton法處理生活垃圾壓濾液時的最佳條件為：pH值為2.5，H2O2的投加量為12.0mL，H2O2與Fe2＋的摩爾比（Fe2＋的投加量）為10∶1，反應(yīng)時間為40min，反應(yīng)溫度為30℃。根據(jù)以上最優(yōu)條件設(shè)計驗(yàn)證試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 Fenton法最優(yōu)條件下處理垃圾壓濾液的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of leachate treatment by Fenton method under the optimum condition

由表2可以看出：COD去除率為70.54%，濁度去除率為89.10%，可見Fenton法最優(yōu)條件下處理生活垃圾壓濾液可達(dá)到較好的去除效果。

2.2 PFS法處理生活垃圾壓濾液的條件優(yōu)化

按L9（43）4因素3水平設(shè)計PFS法處理生活垃圾壓濾液正交試驗(yàn)方案，各水平的設(shè)計參考文獻(xiàn)［8］，初步確定PFS投加量、pH值、攪拌方式、反應(yīng)溫度4因素對生活垃圾壓濾液中COD和濁度去除效果的次反應(yīng)條件。PFS法處理生活垃圾壓濾液正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析見表3。

表3 PFS法處理生活垃圾壓濾液正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析表Table 3 Orthogonal experimental design for PFS method and result analysis

由表2可以看出：PFS法正交試驗(yàn)中，所選的4個因素對COD去除率的影響大小順序依次為pH值＞PFS投加量＞攪拌方式＞反應(yīng)溫度，各因素水平的最大K值顯示出各因素的較佳處理條件，去除COD的最佳處理條件為PFS的投加量為3.6mL、pH值為7、攪拌方式2（先250r/min反應(yīng)2min、再60r/min反應(yīng)8 min）、反應(yīng)溫度為30℃；4個因素對濁度去除率的影響大小順序依次為pH值＞PFS投加量＞攪拌方式＞反應(yīng)溫度，而去除濁度的最佳處理條件為PFS的投加量為3.6mL、pH值為8、攪拌方式2（先250r/min反應(yīng)2 min、再60r/min反應(yīng)8min）、反應(yīng)溫度為30℃；4個因素對氨氮去除率的影響大小順序依次為pH值＞攪拌方式＞PFS的投加量＞反應(yīng)溫度，而去除氨氮的最佳處理條件為PFS的投加量為3.6mL、pH值為8、攪拌方式為3（先250r/min反應(yīng)1min、100r/min反應(yīng)5 min、再60r/min反應(yīng)10min）、反應(yīng)溫度為30℃。

由于PFS法主要是處理經(jīng)Fenton法最佳條件處理后的生活垃圾壓濾液中的濁度，所以經(jīng)分析，PFS法處理生活垃圾壓濾液的最佳反應(yīng)條件為：PFS的投加量為3.6mL、pH值為8、攪拌方式為2（先50r/min反應(yīng)2min、再60r/min反應(yīng)8min）、反應(yīng)溫度為30℃。

2.3 Fenton＋PFS組合處理生活垃圾壓濾液的效果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，先采用最佳反應(yīng)條件下的Fenton法處理生活垃圾壓濾液，然后將經(jīng)Fenton法最優(yōu)處理后的生活垃圾壓濾液各項指標(biāo)調(diào)節(jié)到PFS法處理的最佳反應(yīng)條件，并向其中加入準(zhǔn)備好的PFS混凝劑進(jìn)行反應(yīng)，并檢測處理后的生活垃圾壓濾液的各項水質(zhì)指標(biāo)，其檢測結(jié)果見表4。試驗(yàn)采用3次平行測定，其結(jié)果取平均值。

表4 Fenton＋PFS組合處理生活垃圾壓濾液的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of leachate treatment by Fenton and PFS under the optimum condition

由表4可以看出：經(jīng)Fenton法與PFS法在最優(yōu)條件下組合處理后，生活垃圾壓濾液剩余COD降到3 728.0mg/L，COD去除率達(dá)到85.2%；剩余濁度為8.4NTU，濁度去除率為96.49%；剩余氨氮為149.8mg/L，氨氮去除率達(dá)到45.35%。可見，該組合方法對COD和濁度的去除效果較好，對氨氮的去除效果相對前兩者稍差。盡管該組合方法不能使處理后的生活垃圾壓濾液各項指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，但在很大程度上改善了生活垃圾壓濾液的可生化性，降低了后續(xù)生物處理的負(fù)荷，為后續(xù)生化處理正常進(jìn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，該組合方法所用時間短，占地面積小，且能夠?qū)ι罾鴫簽V液進(jìn)行現(xiàn)場處理，也可緩解土地緊張地區(qū)城市垃圾壓縮站處理垃圾壓濾液占地面積的問題。

3 結(jié) 論

（1）利用Fenton法處理桂林南溪山垃圾壓縮站100mL生活垃圾壓濾液時，通過極差值的大小可以看出：各因素對COD去除率的影響主次順序依次為H2O2投加量＞pH值＞ H2O2與Fe2＋的摩爾比＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間；各因素對濁度去除率的影響主次順序依次為pH值＞H2O2與Fe2＋的摩爾比（Fe2＋的投加量）＞H2O2的投加量＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間；Fenton法最佳處理條件是pH值為2.5、H2O2的投加量為12.0mL、H2O2與Fe2＋的摩爾比（Fe2＋的投加量）為10∶1、反應(yīng)時間為40min、反應(yīng)溫度為30℃。

（2）利用PFS法處理垃圾壓縮站100mL生活垃圾壓濾液試驗(yàn)水樣時，通過極差值的大小可以看出：各因素對COD去除率的影響主次順序依次為pH值＞PFS投加量＞攪拌方式＞反應(yīng)溫度；各因素對濁度去除率的影響主次順序依次為pH值＞PFS投加量＞攪拌方式＞反應(yīng)溫度；各因素對氨氮去除率的影響主次順序依次為pH值＞混凝攪拌方式＞PFS的投加量＞反應(yīng)溫度；PFS法最佳處理條件是PFS的投加量為3.6mL、pH值為8、攪拌方式為2（先50r/min反應(yīng)2min、再60r/min反應(yīng)8 min）、反應(yīng)溫度為30℃。

（3）南溪山垃圾壓縮站100mL生活垃圾壓濾液經(jīng)Fenton法和PFS法在最優(yōu)條件下組合處理后，濁度去除率為96.49%，COD去除率為85.2%，氨氮去除率為45.36%；濁度、COD和氨氮分別降到8.4NTU、3 728mg/L、149.8mg/L。

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