PFS混凝沉淀-內電解-Fenton氧化工藝預處理老齡垃圾滲濾液

王 碩， 劉 戀， 熊 笈， 何海亮

（武漢中科水生環境工程股份有限公司 湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室， 湖北 武漢 430074）

0 引言

垃圾滲濾液是垃圾在堆放和填埋過程中由于壓實、發酵等生物化學降解作用，同時在降水和地下水水的滲流作用下產生的一種高濃度的廢水。垃圾滲濾液水質具有污染物濃度高、毒性大、成分復雜的特點[1-3]；且滲濾液的成分與污染物濃度隨著填埋時間而變化，填埋齡3～5 a的填埋場的滲濾液稱為初期滲濾液，其中易生物降解的揮發性脂肪酸含量較高，一般可占總有機碳的 60% ～ 70%，ρ（BOD5）/ρ（COD）比值較高，一般在 0.4～0.8之間，氨氮質量濃度為1 000 mg/L左右，這種滲濾液易于生物處理；填埋齡超過3～5 a后，滲濾液易生物降解的有機物比例會明顯下降，稱為中后期滲濾液，其ρ（BOD5）/ρ（COD）比值一般為 0.1 ～ 0.3 之間，氨氮質量濃度升高，一般在1 200 mg/L左右，碳氮比低，pH值升高，呈中性或略偏堿性，滲濾液可生化性差，處理難度相對較大[4]。

襄樊市洪山頭垃圾填埋場隸屬于襄樊市城管局管理下的襄樊市固體廢棄物處理公司，該垃圾填埋場于2001年3月完成一期工程建設并投入運行，屬于老齡垃圾填埋場，產生的垃圾滲濾液屬于老齡垃圾滲濾液，氨氮含量高，可生化性差[5]，傳統生化法處理難度大。本研究主要通過化學預處理方法，采用聚合硫酸鐵（PFS）混凝沉淀+內電解+Fenton氧化的預處理工藝，降低老齡垃圾滲濾液COD濃度和色度，提高其生化性為后續的膜處理或生物處理提供便利的條件。

1 材料和方法

1.1 廢水水質

廢水取自襄樊洪山頭垃圾填埋場調節池，填埋場服務年限15 a，滲濾液為老齡垃圾滲濾液，成深褐色、渾濁、有明顯臭味，廢水水質見表1。

表1 廢水水質指標

1.2 工藝流程及方法

1.2.1 工藝流程

垃圾滲濾液預處理工藝流程見圖1。

圖1 垃圾滲濾液處理工藝流程

1.2.2 實驗方法

（1）PFS 混凝沉淀實驗

用量筒量取200 mL的滲濾液于燒杯中，通過改變pH值和PFS的投加量來確定混凝沉淀的最佳反應條件。反應結束后靜置30 min，取其上清液測定COD值。

（2）鐵碳內電解實驗

選用工業級顆粒活性炭，活性炭使用前先用原水浸泡24 h，使其吸附飽和；鐵粉直接選用成品鐵粉。將活性炭、鐵粉用紗布按實驗所需鐵炭比包扎一定質量的鐵炭包備用。

取混凝沉淀的出水于250 mL的燒杯中，通過投加不同碳氮比（體積比）的鐵碳，置于搖床內在一定的轉速下反應30 min，反應完畢取上清液測定COD、色度。

（3）Fenton 氧化實驗

將鐵碳出水調節pH值至4.0左右，通過加入不同量的H2O2（30%），反應2 h，然后取上清液投加 1 mol/L的NaOH將廢水pH值調至10左右，靜置0.5 h，取上清液測定COD、色度。

1.2.3 分析方法

pH值：玻璃電極法；COD：重鉻酸鉀法；BOD：接種稀釋法；色度：稀釋倍數法。

1.2.4 試驗儀器

自制的混凝沉淀反應器(混凝攪拌時間15 min、沉淀時間2 h)、鐵碳內電解反應器（停留時間1 h），Fenton反應器（停留時間1 h）。

2 結果與討論

2.1 聚合硫酸鐵混凝沉淀實驗

2.1.1 最佳 pH 值的確定

分別取滲濾液水樣各200 mL，各分別調節pH值到 2，3，4，5，然后各投加 500 mg/L 的 PFS，攪拌沉淀，取上清液進行水質分析，分析結果見圖2。

圖2 pH值對COD去除率的影響

由圖2可以看出，隨著pH值的升高，COD去除率呈現先升高后降低的趨勢，在pH值為4.0的時候，去除率最高。確定PFS反應的最佳pH值為4.0。

2.1.2 PFS 投加量的確定

分別取滲濾液的水樣各200 mL，各分別投加200，400，500，600，800 mg/L 的 PFS，攪拌沉淀，取上清液測定水樣的COD和濁度，兩者的去除率與PFS投加量之間的關系見圖3。

圖3 PFS投加濃度對COD去除率、濁度去除率的影響

由圖3可知，當PFS投加量為400 mg/L時，對COD的去除率達到最大，為44.6%，此時濁度的去除率為50.35%；當PFS投加量繼續增加至800 mg/L時，此時對濁度的去除率達到最大為54.32%，此時COD的去除率為40.60%。當繼續增加PFS的投加量時，過量的PFS會使脫穩的膠體再次穩定，導致COD的去除率下降，濁度的去除率的提高變緩，同時產生的沉淀和單位處理費用增加。因此PFS的最佳投加質量濃度為400 mg/L。

2.1.3 混凝沉淀處理效果

對混凝沉淀系統進行連續進水30 d，具體的pH值變化及COD的進出水情況見圖4、圖5。

圖4 混凝沉淀進出水COD及去除率變化曲線

圖5 混凝沉淀進出水pH值變化曲線

由圖4、圖5可知，將垃圾滲濾液的pH值調節到4.0左右時，對COD有一個比較穩定的去除效果，進水COD質量濃度在2 000～3 500 mg/L的范圍內變化時，出水COD質量濃度長期穩定在1 000～1 800 mg/L的范圍內，去除率維持在50%左右。出水的pH值相對于進水有一定的降低，還是基本上維持在 3.0 ～ 4.0 酸性的范圍內。

2.2 鐵碳內電解實驗

PFS混凝沉淀后，pH值維持在3.0～4.0的范圍內，屬于鐵碳內電解的最佳pH值范圍[2]，可以直接進水鐵碳內電解進行處理。

2.2.1 最佳鐵碳比的確定

取混凝沉淀后的水樣200 mL共6份，然后加入V（Fe）/V（C）分別為 5∶1，4∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.5∶1，0.2 ∶1，置于搖床內在一定的轉速下反應30 min，反應完畢取上清液測定COD、色度，結果見圖6。

圖6 鐵碳比對COD去除率、色度去除率的影響

由圖6可知，隨著鐵粉投加量的增加，COD的去除率迅速提高； 當V（Fe）/V（C）達到 1∶1 時，對COD的去除率達到最大，為51.60%，此時色度的去除率為 70.13%；當V（Fe）/V（C）達到 5∶1 時，此時對色度的去除率達到最大為72.53%，此時COD的去除率下降為28.14%。這主要是因為當鐵粉投加量較少時，形成的鐵炭原電池數量較少，故COD的去除率不高；隨著活性炭投加量的不斷增加，體系內原電池的數量逐步增多，反應加強，使得COD的去除率迅速提高；但當鐵碳表面被充分利用而形成微電池后，原電池電極反應的去除作用達到極限，而鐵粉的氧化作用并不能促進處理，再投加鐵粉只能對陽極反應產生抑制作用，由此導致COD去除率的緩慢下降，色度的去除率減緩。 結果表明，V（Fe）/V（C）達到1∶1時，內電解反應去除效果最佳。

2.2.2 鐵碳內電解處理效果

對混凝沉淀系統出水直接接入鐵碳內電解反應器，進行連續進水，具體的pH值變化及COD的進出水情況見圖7、圖8。

圖7 內電解反應器進出水COD及去除率變化曲線

圖8 內電解反應器進出水pH值變化曲線

由圖7可知，對于混凝沉淀的出水，在V（Fe）/V（C）為1∶1時，對COD有一個比較穩定的去除效果，進水COD質量濃度在1 000～1 800 mg/L的范圍內變化，出水COD長期穩定在500～900 mg/L的范圍內，去除率也長期穩定在50%以上。出水的pH值相對于進水有一定的升高，基本上維持在5.0～6.0偏酸性的范圍內。

2.3 Fenton 實驗

2.3.1 H2O2投加量確定

取鐵碳內電解后的水樣200 mL共6份，調節pH 值至 4.0 左右，然后加入體積分數分別為0.3，0.5，1.0，2.0，3.0，5.0 mL/L 的 H2O2，開始 Fenton 反應，反應2 h，然后取上清液投加1 mol/L的NaOH將廢水pH值調至10左右，靜置0.5 h，取上清液測定COD，結果見圖9。

由圖9可知，隨著H2O2投加量的增加，COD的去除率迅速提高；投加體積分數為1.0 mL/L時，對COD的去除率達到最大，為40.35%，然后COD的去除率逐漸下降，當投加體積分數為5.0 mL/L時，COD的去除率最低為30.67%。導致整個現象的主要原因為當H2O2投加量較少時，H2O2與前段鐵碳內電解反應產生的Fe2+發生Fenton反應，生成具有強氧化性的·OH，反應溶液的氧化性增加，并迅速的降解COD濃度；但是隨著H2O2投加濃度的過量，同時會產生額外的反應，H2O2將溶液中的Fe2+氧化成Fe3+，同時過量的H2O2同時會與·OH發生反應[6]，減少了實際參與氧化反應的·OH的濃度，從而造成了COD去除率的下降。結果表明，H2O2的投加量為1.0 mL/L時，Fenton反應去除效果最佳。Fenton試劑反應機理為：

2.3.2 Fe2+濃度對處理效果的影響

Fe2+濃度對COD去除率影響見圖10。

圖10 Fe2+濃度對COD去除率影響

由圖10可知，當隨著Fe2+投加濃度的增加，COD的去除率呈現一個先升高后降低的趨勢，當Fe2+質量濃度為360 mg/L時去除率達到最大，為54%。這說明Fe2+的投加濃度與H2O2投加量存在一個最佳配比，當H2O2濃度一定，Fe2+濃度超過最佳配比時，Fe2+會抑制反應的進行。當原水經過內電解反應后，此時Fe2+的質量濃度為200 mg/L左右，此時將微電解出水pH值調節池4.0，然后直接投加H2O2，COD的去除率可以達到40%左右，滿足本工藝對Fenton去除率的要求，所以本次試驗不再投加Fe2+，僅考慮H2O2對COD的去除率的影響。

2.3.3 Fenton 處理效果

對內電解反應器的出水將pH值調節到4.0左右時，直接接入Fenton反應器，進行連續進水，具體的pH值變化及COD的進出水情況見圖11、圖12。

圖11 芬頓反應器進出水COD及去除率變化曲線

圖12 芬頓反應器進出水pH值變化曲線

由圖11、圖12可知，對于鐵碳內電解的出水，對COD有一個比較穩定的去除效果，進水COD質量濃度在500～900 mg/L的范圍內變化，出水COD質量濃度長期穩定在300～500 mg/L的范圍內，去除率長期穩定在40%左右。出水的pH值相對于進水有一定的升高，基本上維持在7.0～8.0中性的范圍內。

2.4 串聯運行實驗

根據已確定的各運行參數，將整個系統按圖1串聯，總的處理效果見表2。

表2 各預處理單元處理效果

由表2可知，組合工藝對老齡垃圾滲濾液主要污染物的去除率分別為：COD為 85%～85.7%，BOD5為 73.3% ～ 75%，色度為 93.0% ～ 95.0%，ρ（B）/ρ（C）由 0.15 提高到 0.3 左右；滲濾液中污染物濃度得到了很大的降低，且滲濾液的可生化性得到了一定的提高。

3 運行成本分析

本實驗的運行成本主要是藥劑成本；PFS投加量為 400 mg/L，按 3 元/kg計算，費用為 1.2 元/m3；H2O2投加量為 1.0 mL/L，按 2 000 元/m3計算，費用為 2.0元/m3；鐵碳微電解反應耗鐵量為2 kg/m3，按1.5元/kg計算，費用為 3.0 元/m3；pH 值調節加酸堿費用按 1.0元/m3計算；整個預處理工藝流程直接運行成本為7.2 元/m3。

4 結論

（1）采用PFS混凝沉淀法處理老齡垃圾滲濾液在pH值為4.0，投加量為400 mg/L時，對COD的去除率達到50%以上。

（2）對于混凝沉淀后的滲濾液，直接進行鐵碳內電解反應，在V（Fe）/V（C）達到 1∶1 時，對 COD 的去除率大于50%，色度的去除率大于70%

（3）將鐵碳內電解后的滲濾液調節pH值到4.0，投加H2O2形成Fenton試劑，當H2O2的投加量為1.0 mL/L，對COD的去除率可以達到40%左右。

對于老齡垃圾滲濾液采用PFS混凝沉淀+鐵碳內電解+Fenton反應對COD的去除率為85%左右，對色度的去除率為93.0%～95.0%，同時滲濾液的可生化性也得到了提高。可見采用本預處理工藝運行效果穩定，成本低廉，是一種處理老齡垃圾滲濾液較為適宜的預處理工藝。