PFM處理垃圾滲濾液的混凝效果與微觀形態(tài)分析

劉占孟,胡云琪,占　鵬,聶發(fā)輝

(華東交通大學土木建筑學院,江西 南昌　330013)

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PFM處理垃圾滲濾液的混凝效果與微觀形態(tài)分析

劉占孟,胡云琪,占鵬,聶發(fā)輝

(華東交通大學土木建筑學院,江西 南昌330013)

摘要：針對垃圾滲濾液的污染特性,研究了鐵鎂復合混凝劑(PFM)的混凝效果及其微觀形態(tài)。結果表明:在相同的實驗條件下,相對于其他無機混凝劑, PFM處理垃圾滲濾液有更好的混凝效果,對COD和色度的去除率分別達60%和80%以上;PFM發(fā)揮了鐵鹽與鎂鹽組分的各自混凝優(yōu)勢;紅外光譜和X射線衍射分析結果顯示,鐵鎂復合混凝劑PFM是以羥基橋聯(lián)的鐵鎂共聚物。

關鍵詞：垃圾滲濾液;鐵鎂復合混凝劑;混凝;微觀形態(tài)

垃圾滲濾液含有大量的有機物、氨氮、重金屬等污染物,如果不進行合理收集并安全處置,可能形成對地下水和地表水的潛在污染源[1]。生物工藝具有獨特的優(yōu)勢,成為垃圾滲濾液處理的首選和主流工藝。然而對于垃圾滲濾液這種成分異常復雜的有機廢水,其可生化可降解性隨著填埋場運行年限的增加而降低, C、N、P營養(yǎng)比例失調,因此采用生物處理工藝處理廢水存在一定困難[2],往往不能達到廢水排放要求。鑒于單一工藝難以滿足垃圾滲濾液的處理要求,通常情況下,采取以生化工藝為主體,增加其他物化、化學等工藝進行預處理或深度處理,組成聯(lián)合工藝處理垃圾滲濾液[3-7]。

混凝是水處理技術中應用最為廣泛的處理工藝,大多作為預處理或中間處理或后處理單元,與其他工藝單元一起構成水處理工藝的流程系統(tǒng)[8]。采用混凝沉淀工藝等物化處理單元對垃圾滲濾液進行預處理,可有效削減垃圾滲濾液中的COD、BOD、色度和重金屬等污染物質,為后續(xù)生化工藝提供有利條件。

本文初步研究鐵鎂復合混凝劑(PFM)對垃圾滲濾液的混凝效果與微觀形態(tài),并與常規(guī)混凝劑的混凝效果進行對比。

1　實驗條件與方法

1.1原水水質

試驗水樣為南昌市某垃圾衛(wèi)生填埋場的調節(jié)池出水,屬于中老齡垃圾滲濾液,主要水質指標如下:COD, 7 350～9 200 mg/L;BOD, 1 840～2 030 mg/L;色度,600～800倍;pH,7.6～7.8。

1.2混凝實驗

鐵鎂復合混凝劑PFM通過實驗室制備:將FeSO47H2O、MgSO47H2O、H2SO4按一定比例加入到蒸餾水中并混合均勻,在高速攪拌的條件下加入一定量H2O2,所得溶液在恒溫水浴振蕩器上以一定溫度熟化,靜置、冷卻得到液體成品。其他對比混凝劑均來自市售。

混凝實驗通過六聯(lián)攪拌器采用燒杯攪拌實驗。在6個攪拌杯中分別加入800 mL垃圾滲濾液,投加混凝劑后先快速攪拌2 min,再慢速攪拌15 min,而后靜置沉淀30 min取上清液分析。

1.3實驗分析

COD:微波消解法;色度:采用稀釋倍數(shù)法; Fe(Ⅲ)形態(tài)分布:Ferron試劑法;XRD:日本D/Max-RC型X-射線衍射儀;FTIR:溴化鉀壓片法(德國Tensor27型紅外光譜儀)。

2　結果與討論

2.1PFM混凝劑的混凝效果

2.1.1pH值對混凝效果的影響

在廢水混凝過程中,pH是重要影響因素之一。COD和色度的去除率均隨著pH值的提高先迅速升高而后緩慢降低,在pH值為7～8的范圍內復合混凝劑PFM有著較好混凝行為,相比在其他pH值條件下,有著更高的COD和色度的去除率,見圖1。在較高的pH值條件下, PFM更易水解成具有較高分子量的Feb、Mg(OH)2形態(tài),Feb是公認的鐵鹽有效混凝形態(tài),而Mg(OH)2也是鎂鹽發(fā)揮作用的主要形態(tài),因此在較高pH值下呈現(xiàn)出較好的混凝效果[9-10]。該滲濾液在自然條件(沒有酸堿調節(jié))下的pH值為7.8,接近于最優(yōu)pH值,因此在此條件下混凝即可產(chǎn)生較好的效果。

圖1　pH值對混凝效果的影響

2.1.2投藥量對混凝效果的影響

隨著投藥量的增加,COD和色度的去除率均先迅速升高而后緩慢降低(圖2),因此存在一個適宜的投藥量范圍。在混凝劑PFM投加量為2.0～2.8 g/L的范圍內,COD和色度的去除率分別達到了60%和80%以上。當投藥量增大至3.6 g/L時,COD去除率略有下降,但滲濾液脫色效果顯著惡化,色度去除率明顯降低。可能的原因是投藥量超過系統(tǒng)所需藥量時,殘留在廢水中的混凝劑本身顏色所致。在混凝過程中,過多混凝劑不僅會降低混凝效果,而且會增加成本。因此,最優(yōu)混凝劑投藥范圍在2.0～2.8 g/L。在此范圍內,絮體密實,沉降速度快,混凝效果良好。

圖2　投藥量對混凝效果的影響

2.1.3PFM與常規(guī)混凝劑的混凝效果比較

在相同實驗條件下,以COD和色度的去除率為考察目標,進行PFM復合混凝劑與目前常用無機混凝劑處理垃圾滲濾液的對比實驗,結果見圖3。

圖3　不同無機混凝劑對垃圾滲濾液的混凝效果

對比4種混凝劑的COD去除率曲線,可知PFM的COD去除率在相同投藥量下始終保持最高,去除率在最佳條件下達到63%。PAC 和 PFS也都呈現(xiàn)出良好的混凝行為,去除率在50%以上。PFC的去除率較低,在40%左右。在低投藥量下,PFS比其他混凝劑有著略好的脫色性能,然而隨著投藥量的增加這種優(yōu)勢迅速減小,而且色度迅猛增加,可能是過多的混凝劑殘留在廢水中所致。在整個實驗范圍內,PFC色度去除率均較低。PFM和PAC色度去除率較高,而且未出現(xiàn)色度去除率急劇降低的現(xiàn)象。相對于PAC,鐵鎂無機復合混凝劑PFM在最佳投藥范圍內有著更好的色度去除率。

鐵鎂無機復合混凝劑PFM在去除COD和色度兩方面均顯示了其優(yōu)越性,在相同實驗條件下,其混凝效果優(yōu)于傳統(tǒng)市售無機混凝劑,表明PFM混凝劑中鐵鹽、鎂鹽組分產(chǎn)生了增效互補作用,實現(xiàn)協(xié)調效應。

2.2PFM的微觀形態(tài)

2.2.1PFM的 Fe(Ⅲ)形態(tài)分布

傳統(tǒng)無機混凝劑PFS和新型無機復合混凝劑PFM的Fe(Ⅲ)形態(tài)分布見圖4。

圖4　PFM與PFS的Fe(Ⅲ)形態(tài)分布

從圖4可以看出,PFS與PFM混凝劑中Fe(Ⅲ)的3種形態(tài)含量差別不明顯,說明鎂鹽對PFM混凝劑Fe(Ⅲ)形態(tài)分布基本不存在影響,PFM中鎂鹽的作用不是通過改變鐵鹽的存在形態(tài)來增強混凝劑的混凝效果。鎂鹽與鐵鹽復合制備PFM充分發(fā)揮了鐵鹽、鎂鹽各自的優(yōu)點。此外,鎂鹽的加入會使PFM混凝劑在貯存過程中較長時間保持較高的混凝優(yōu)勢形態(tài)。

2.2.2PFM的紅外光譜分析

采用溴化鉀壓片法對PFS和新型鐵鎂復合混凝劑PFM進行結構分析,兩種樣品的紅外光譜見圖5。兩種樣品的紅外光圖譜呈現(xiàn)出相似的趨勢。一般認為鐵(Ⅲ)和鎂(Ⅱ)所形成的混凝劑主要是以羥基橋連接的,均屬于羥基絡合物[11],因此這兩種樣品的紅外光圖譜都有相似之處,在3 700～3 000 cm-1、1 670～1 610 cm-1和1 230～990 cm-1處都有較強的羥基吸收峰。對于PFS在1 069 cm-1出峰和PFM在1 075 cm-1出峰分別是由于Fe-OH-Fe,Mg-OH-Mg伸縮振動所形成的,出峰的位置偏差的產(chǎn)生是因為兩種混凝劑形成的晶體結構不一樣,導致振動的角度也不一樣。PFS和PFM在625 m-1的吸收峰是由于Fe-OH彎曲振動引起的。對比PFM和PFS,PFM中512 m-1的出峰則是Mg-OH的彎曲振動所致,所以,PFM是以羥基橋聯(lián)的鐵鎂的復雜高分子多聚物,在制備過程中生成了新的聚合物形態(tài)。

圖5　PFM與PFS的紅外光譜

2.2.3PFM的X射線衍射分析

PFM具有良好的混凝效果,分析其內在原因,可能是兩種金屬鹽在制備過程中發(fā)生某種聚合作用而生成了新物相,為此對PFM進行X射線衍射分析,結果見圖6。

圖6　PFM混凝劑及其前驅物XRD射線衍射圖譜

由圖6可知,鐵鎂無機復合混凝劑PFM的XRD圖譜顯示為無定形狀態(tài),對比制備前驅物FeSO4·7H2O、MgSO4·7H2O的XRD圖譜,PFM的XRD圖譜中無明顯特征峰,晶體特性消失,這表明PFM混凝劑不同于其制備前驅物,不是兩者的混合物。鐵鎂無機復合混凝劑PFM在制備過程中,在前驅物Fe3+和Mg2+之間發(fā)生了某種反應,生成了新的聚合物,使其在混凝過程中有著更好的混凝行為。

3　結　論

在相同的實驗條件下,對比常規(guī)凝劑,鐵鎂無機復合混凝劑PFM處理垃圾滲濾液有著更好的混凝效果, 其對COD和色度的去除率可分別達到60%和80%以上。

從PFM的X-射線衍射圖譜和紅外光圖譜譜分析可知,PFM在制備過程中發(fā)生了某種聚合反應,生成了以羥基橋聯(lián)的鐵和鎂的復雜多聚物,這可能是鐵鎂無機復合混凝劑PFM改善混凝效果的內在原因。

參考文獻：

[1] 代晉國,宋乾武,張玥,等. 新標準下我國垃圾滲濾液處理技術的發(fā)展方向[J].環(huán)境工程學報,2011, 1(3): 270-274. (DAI Jinguo,SONG Qianwu,ZHANG Yue, et al. Directions for development of landfill leachate treatment technologies under the new standard in China[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2011, 1(3): 270-274. (in Chinese))

[3] GUO J S, ABDULHUSSAIN A A, CHEN Y P, et al. Treatment of landfill leachate using a combined stripping, Fenton, SBR, and coagulation process[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178(1/3): 699-705.

[4] ALTIN A. An alternative type of photoelectro-Fenton process for the treatment of landfill leachate[J].Separation and Purification Technology, 2008, 61 (3): 391-397.

[5] 桑義敏,常雪紅,車越,等. 鎂鋁復合脫色絮凝劑的微觀結構形態(tài)及絮凝機制[J]. 環(huán)境科學,2013,34(9): 3502-3506. (SANG Yimin,CHANG Xuehong,CHE Yue, et al.Microstructure morphology and flocculation mechanism of the decolorizing flocculant poly-aluminum(Ⅲ)-magnesium(Ⅱ)-sulfate[J].Environmental Science, 2013,34(9): 3502-3506. (in Chinese))

[6] ANGLADA A, URTIAGA A, ORTIZ I. Pilot scale performance of the electro-oxidation of landfill leachate at boron-doped diamond anodes[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43(6): 2035-2040.

[7] BASHIR M J K, ISA M H, KUTTY S R M, et al. Landfill leachate treatment by electrochemical oxidation[J]. Waste Management, 2009, 29(9): 2534-2541.

[8] TATSI A A, ZONBOULIS A I, MATIS K A,et al. Coagulation-flocculation pretreatment of sanitary landfill leachate[J].Chemosphere, 2003, 53(7): 737-738.

[9] ZOUBOULIS A I, MOUSSAS P A, VASILAKOU F. Polyferric sulphate: preparation, characterization and application in coagulation experiments[J]. Journal of Hazardous materials, 2008, 155(3): 459-468.

[10] MOUSSAS P A, ZOUBOULIS A I. A study on the properties and coagulation behaviour of modified inorganic polymeric coagulant：polyferric silicate sulphate (PFSiS) [J]. Separation and Purification Technology, 2008, 63(2):475-483.

[11] GU Q B, LIU S S, ZHUANG X N, et al. Preparation and performance of inorganic coagulant for landfill leachate pretreatment[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2006, 76(1): 98-104.

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.017

基金項目:國家自然科學基金(51468016); 江西省自然科學基金(20142BAB203027);江西省科技支撐計劃項目(20151BBG70020)

作者簡介:劉占孟(1977—),男,副教授,博士,主要從事水處理藥劑及水處理高級氧化研究。E-mail: ustblzm@163.com

中圖分類號：X705

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0105-04

(收稿日期：2015-08-17編輯：彭桃英)

Coagulation performance and microstructure morphology of poly-ferric (Ⅲ)-magnesium (Ⅱ) for treating landfill leachate

LIU Zhanmeng, HU Yunqi, ZHAN Peng, NIE Fahui

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Abstract：Based on the characteristics of landfill leachate pollution, the coagulation performance and microstructure morphology of poly-ferric (Ⅲ)-magnesium (Ⅱ) (PFM) were studied. The results show that, under consistent experimental conditions, the PFM has better coagulation performance in dealing with landfill leachate compared with other inorganic coagulants. The removal rates of COD and chroma exceeded 60% and 80%, respectively, when the PFM was used. The PFM can fully display the superiorities of the iron component and the magnesium component in coagulation. The XRD and FTIR analyses show that the PFM is a kind of macromolecular composite polymer of iron and magnesium based on hydroxyl bonding.

Key words：landfill leachate; poly-ferric (Ⅲ)-magnesium (Ⅱ); coagulation; microstructure morphology