垃圾滲濾液膜后濃縮液混凝預處理

劉婷，趙長盛，陳慶鋒，司國瑞，李磊，馮優，李金業

(齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省分析測試中心，山東 濟南 250014)

垃圾滲濾液是一種成分復雜的高濃度的有機廢水，是生活垃圾在儲存或者填埋的過程中產生的一種由垃圾自身所含水分、自然降水、有機物分解水等形成的有機廢水[1-2]。近年來，我國加強了對生活垃圾處理場滲濾液處理的投資，垃圾滲濾液的處理能力得到了很大的提高。但是，出于經濟和運行費用的考慮，我國垃圾滲濾液的處理仍以生化處理為主，難以達到生活垃圾填埋場污染控制標準的要求。

垃圾滲濾液膜后濃縮液是垃圾滲濾液經膜處理過程產生的一種成分復雜、難以生物降解的高濃度有機廢水，處理膜濃縮液的方法一般分為轉移、資源化、減量化和無害化處理[3-4]。目前采用的主流的垃圾滲濾液處理方式為垃圾滲濾液經過生化處理后進入膜處理系統，清水達標后排放，膜后濃液蒸發結晶出鹽，無鹽冷凝水經處理后達標排放。現今采用比較多、效果比較好的膜處理工藝是碟管式(disc-tube ,DT)膜技術，垃圾滲濾液經DT膜技術處理后產生的膜后濃縮液(DT出水)再經過蒸汽機械再壓縮技術(mechanical vapor recompression, MVR)蒸發結晶，最后達標排放[5-6]。處理過程中，由于DT出水具有高化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)、高氨氮、高鹽等特點，高COD導致鹽分達到飽和狀態后無法結晶析出，造成MVR蒸發器難以順利運行。針對以上問題，本文利用混凝法對垃圾滲濾液處理過程中產生的DT出水進行預處理，降低了DT出水的COD濃度，使MVR蒸發器能夠順利運行，達到垃圾滲濾液全量化處理的目的。

1 實驗材料和方法

1.1 水樣與水質

實驗用水取自濟南市某垃圾處理廠垃圾滲濾液的DT膜后濃縮液，用不同混凝劑對DT出水進行單因素混凝試驗，同時對影響混凝處理效果的因素進行研究，從而確定混凝處理DT出水的最佳處理條件。試驗期間的DT出水水質情況如表1所示。

表1 DT出水水質指標Table 1 DT effluent quality index

1.2 試驗方法

單因素試驗法，在500 mL的燒杯中分別加入250 mL的DT出水，分別改變混凝劑的種類和投加量、助凝劑的投加量及膜后濃縮液的初始pH，用混凝攪拌器以200 r/min攪拌5 min，50 r/min攪拌2 min，靜置沉淀5 min，過濾，進行測試分析，比較其COD去除率。COD的測定采用重鉻酸鉀法，具體方法參照HJ 828—2017《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鉀法》[7]。

2 結果與討論

在混凝沉淀工藝處理DT出水試驗中，選取4種不同的混凝劑：三氯化鐵(FeCl3)、六水合氯化鋁(AlCl3·6H2O)、聚合氯化鋁(polyaluminum chloride ，PAC)、聚合氯化鋁鐵(polyaluminum ferric chloride ，PAFC)，以COD去除率作為評價參數，比較其混凝效果。

2.1 混凝劑投加量對COD去除率的影響

圖1為混凝劑投加量對COD去除率的影響，可以看出，FeCl3、PAC、AlCl3·6H2O在投加量小于0.8 g/L時，加大劑量，去除率先增后減，FeCl3投加量在0.64 g/L時，去除率最高，為75.0%；AlCl3·6H2O在投加量為0.32 g/L時，去除率達到最高，為62.2%；PAC在投加量為0.64 g/L時，去除率達到最高，為56.8%。這主要是因為隨著FeCl3投加量不斷增加，溶液中Fe3+、H+等帶正電荷的離子數量會增加，這些帶正電的離子會與膠粒吸附的帶負電荷的離子進行離子交換反應，膠體顆粒的電荷數和靜電斥力就會隨之減少，此時范德華力增加，膠粒間的作用力表現為引力，使膠粒吸附凝聚，進而被沉淀去除[7]。在投加量為0.80～1.12 g/L時，增加投加的藥劑量，去除率先增后減，投加的劑量為0.96 g/L時，去除率最高，FeCl3去除率為68.8%，AlCl3·6H2O去除率為55.2%，PAC去除率為62.2%。隨著投加量的增加，PAFC的去除率在不斷上升，在投加量為0.96 g/L時，去除率達到最高，為59.8%，此后，繼續增加混凝劑，COD去除率不變。投加的混凝劑超過一定數量后，部分膠粒重新開始帶正電荷，導致再穩定現象，去除率也隨之降低[8]。根據圖1，并考慮處理過程的其他影響因素，效果最好的混凝劑為FeCl3，最佳投加劑量為0.64 g/L。

圖1 混凝劑投加量對COD去除率的影響Fig.1 Effect of coagulant dosage on COD removal rate

2.2 助凝劑投加量對COD去除率的影響

聚丙烯酰胺(polyacrylamide ，PAM)只有在粒子之間才能起到架橋的作用，前期投加的FeCl3具有較好的壓縮雙電層和吸附電中和的作用，但其吸附架橋效果較差，形成絮凝體的礬花小，將二者結合，以期達到更好的混凝效果[8-9]，故將PAM作為本試驗的助凝劑。由圖1可知4種混凝劑的最佳投加量，在混凝劑的最佳投加量下，加入不同劑量的助凝劑，比較其混凝效果。

圖2為助凝劑投加量對COD去除率的影響，從圖2可知，助凝劑投加量對COD去除率影響效果不明顯，除PAC外，投加量小于4 mg/L時，不斷增加PAM的量，COD去除率不斷提高，在投加量為4 mg/L時，去除率最高，FeCl3的去除率為75.8%，PAFC的去除率為60.4%，AlCl3·6H2O的去除率為63.4%；在投加量大于5 mg/L后，隨著投加量的增加，COD去除率反而下降。對于PAC，不斷增加其投加量，去除率先增加后減少，在投加量為3 mg/L時，達到最高去除率63.3%。去除率呈現先升高后降低的現象主要是因為PAM是一種分子上存在大量活性基團的高分子有機絮凝劑，適當地投加一定量的PAM時，懸浮的膠體粒子和PAM分子上的活性基團之間就會產生較強的吸附架橋作用，增大混凝劑形成的絮體，進一步增強混凝效果，從而提高COD去除率[10]。但是，如果繼續增大投加量，體系中的高分子絮凝劑投加過量，高分子鏈會將顆粒包圍，導致架橋所需的活性點位減少，吸附架橋難以進行，與此同時，由于顆粒間的排斥作用，顆粒會保持相對分散狀態，難以進行絮凝沉淀，去除率也會隨之降低[11-12]。

圖2 助凝劑投加量對COD去除率的影響Fig.2 Effect of coagulant aid dosage on COD removal rate

在反應過程中可觀察到：在PAM的投加量小于最佳投加量時，絮體出現速度越來越快，尺寸也依次增大，沉降速度逐漸加快；在最佳投加量時，絮體出現最快、尺寸最大、沉降速度最快；投加量大于最佳投加量后，絮體出現速度越來越慢，尺寸也逐漸變小，沉降速度依次減慢。

2.3 初始pH對COD去除率的影響

改變DT出水的初始pH，在混凝劑和助凝劑的最佳投加量下，COD去除率隨pH的變化如圖3所示。由圖3可知，pH對混凝效果的影響較明顯，隨著pH的升高，4種混凝劑的COD去除率都呈現先升高后降低的整體趨勢，其中FeCl3的去除率最高。在初始pH為6時，FeCl3的去除率最高，為80.6%。由圖3可知，當pH不斷升高，COD去除率先升高后降低，這主要是因為pH較低時，溶液中H+與有機配體結合生成有機酸，大大減少了混凝劑周圍膠體顆粒的吸附，吸附電中和架橋作用被減弱，絮凝沉淀效果較差。pH繼續升高，Fe3+會與水中離子發生絡合反應，生成沉淀物，水中的顆粒會在沉淀物沉淀過程中被沉淀物的網捕卷掃作用去除，COD去除率也隨之提高。當pH超過了最佳值后，形成的沉淀會被溶解，使其網捕卷掃能力減弱；同時會形成絡合物，與顆粒帶同種電荷，使粒子再穩定，不易去除[13-14]。

圖3 溶液初始pH對COD去除率的影響Fig.3 Effect of initial pH on COD removal rate

由圖3可知，FeCl3在DT出水中充當混凝劑的最佳pH為4～7。這主要是由于鐵鹽在較低pH下處理效果較好，特別是在pH為4～7時(當然，過低就無法形成鐵鹽絮體了)[8]。因為DT出水本身的pH為7.12，在pH為7時，COD去除率為75.7%。在實際生產中，如果考慮到經濟和工藝各方面的條件，可不調節pH，直接用DT出水進行混凝處理。

3 結論與展望

3.1 結論

(1)混凝處理試驗中，綜合各種因素考慮，4種混凝劑的COD去除效果從高到低依次為：FeCl3、AlCl3·6H2O、PAC、PAFC。

(2)對4種混凝劑的影響因素進行了探究，得出4種混凝劑試驗影響因素的最優值分別是：FeCl3投加量為0.64 g/L，PAM最佳投加量為4 mg/L，最佳反應初始pH為6；AlCl3·6H2O投加量為0.32 g/L，PAM最佳投加量為4 mg/L，最佳反應初始pH為6；PAC投加量為0.64 g/L，PAM最佳投加量為3 mg/L，最佳反應初始pH為7；PAFC投加量為0.96 g/L，PAM最佳投加量為4 mg/L，最佳反應初始pH為6。

(3)綜合各種因素考慮，試驗采用的混凝劑中，FeCl3為最佳混凝劑。

3.2 展望

(1)試驗采用的混凝劑都是常見的混凝劑，可以嘗試制備一些新型、高效的混凝劑，加入試驗中進行混凝劑性能對比。

(2)混凝對DT出水有較好的處理效果，但也很難達到出水標準，應對出水進一步處理，可采用高級氧化、生物膜等方法對出水進行進一步的處理。

(3)試驗主要是以COD去除率作為指標來評價混凝對DT出水的去除效果，今后可以測定更多的指標評價混凝對DT出水的處理效果，深入研究混凝對DT出水中污染物的去除機理。

垃圾滲濾液膜后濃縮液的全量化處理是我國現階段垃圾滲濾液處理工作的重點和難點所在。本文結合垃圾滲濾液膜后濃縮液的特性，綜合經濟、環境效益，采用混凝法去除DT出水中的大部分有機物，為后續工藝的穩定運行創造了條件，有望解決現今垃圾滲濾液膜后濃縮液處理過程中存在的問題，成為垃圾滲濾液膜后濃縮液的全量化處理的重要方法。