氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝預處理老齡垃圾滲濾液

摘要：針對老齡垃圾滲濾液成分復雜、可生物降解性差、氨氮濃度高等特點，文章采用氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝對其進行預處理，研究生石灰投加量、pH值、液體PFS（聚合硫酸鐵）投加量、活性炭投加比及H2O2投加量等不同因素對垃圾滲濾液中COD（化學需氧量）和氨氮去除效果的影響。試驗結果表明，在生石灰投加量為10 g/L，pH值為7～8，液體PFS投加量為20 mL/L、活性炭投加比為1‰、H2O2投加量為2 mL/L的條件下，垃圾滲濾液的COD和氨氮的平均去除率分別達到79.2%和77.7%。

關鍵詞：老齡垃圾滲濾液；活性炭吸附；PFS混凝沉淀；Fenton氧化；物化預處理

中圖分類號：X5" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）07-0069-05

0 引言

衛生填埋技術是我國處理城市生產及生活垃圾的傳統方法。填埋場中的垃圾在不同環境條件下會發生多種物理與化學變化，由此產生的液體稱為垃圾滲濾液［1］。垃圾滲濾液的水質會隨填埋時間變化，填埋超過10年的可稱為老齡垃圾滲濾液。老齡垃圾滲濾液中的可生物降解有機物含量降低，可生化性變差，氨氮含量增高，高濃度的氨離子對生物處理產生抑制，易導致處理結果不達標［2-3］。目前，垃圾滲濾液的處理方法多采用生物處理工藝，而對其物化預處理組合方法的研究相對較少。在垃圾滲濾液單一物化預處理技術研究方面，梁良等［4］開展了垃圾滲濾液氨吹脫法的生產性試驗，對吹脫影響因素進行研究，結果顯示在最佳水體溫度為35℃、氣液比為2 500、pH值為7.9的條件下，氨氮的最高去除率為43.37%。商平等［5］采用PAC（聚合氯化鋁）和PFS復合混凝法對垃圾滲濾液進行處理，結果顯示，在PAC與PFS最佳投加比為1.5∶3.5時，COD和氨氮的去除率分別為59.2%和10.68%。王晟［6］研究了Fenton氧化法預處理垃圾滲濾液的效果，發現在最佳反應條件下，氨氮的平均去除率僅為12.28%，去除效果不理想。

本文以廣西賀州市某縣生活垃圾填埋場的垃圾滲濾液為對象，采用氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝對其進行預處理，選擇COD和氨氮去除率為評價指標，探究預處理反應體系中生石灰、pH值、PFS、活性炭和過氧化氫（H2O2）的最佳運行參數，旨在實現預處理的高效降解，為后續滲濾液處理提供便利條件。

1 材料與方法

1.1 試驗水質

試驗原水取自廣西賀州市某縣生活垃圾填埋場調節池，填埋廠的服務年限為12年。垃圾滲濾液水質主要指標見表1。

1.2 工藝流程

老齡垃圾滲濾液進入吹脫反應池后，投加生石灰創造堿性條件，促使游離氨逸出，再通過鼓風曝氣加快吹脫；在管道混合器中投加PFS，混合均勻后流入物化反應池進行混凝沉淀；隨后添加H2O2引發Fenton氧化反應，并使用活性炭進行協同吸附，最終去除大部分懸浮物質和有機污染物。垃圾滲濾液物化預處理工藝流程圖見圖1。

1.3 試驗方法

本研究使用的試驗材料及試劑如下：去離子水、硫酸（分析純）、生石灰、PFS（全鐵含量為11%）、椰殼活性炭（碘值為800）等。

1.3.1 氨吹脫-混凝協同活性炭吸附試驗

（1）用量筒從垃圾滲濾液調節池中分別量取500 mL滲濾液置于燒杯中，改變生石灰投加量并固定攪拌強度，充分曝氣攪拌24 h，反應結束后測定COD和氨氮，以確定生石灰的最佳投加量。

（2）量取“步驟（1）”的出水（500 mL）置于燒杯中，固定PFS投加量并調節pH值，充分曝氣攪拌15 min后靜置30 min。取其上層清液測定COD和氨氮，以確定混凝的最佳pH值。

（3）量取“步驟（1）”的出水（500 mL）置于燒杯中，保持原液pH值在7～8范圍內，改變PFS投加量并充分曝氣攪拌15 min后靜置30 min，取其上層清液測定COD和氨氮，以確定混凝的最佳反應條件。

（4）量取“步驟（3）”的出水（500 mL）置于燒杯中，調節活性炭投加量并充分曝氣攪拌2 h后靜置30 min，取其上層清液測定COD和氨氮，以確定最佳的活性炭投加比。

1.3.2 Fenton氧化試驗

用量筒分別量取上述試驗后的出水500 mL，改變H2O2投加量，充分反應后靜置30 min，取其上層清液測定COD和氨氮，以確定最佳H2O2投加量。

1.4 水質指標測定方法

pH值的測定遵循《水質 pH值的測定 電極法》（HJ 1147—2020）；COD的測定遵循《水質化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017）；氨氮的測定遵循《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）。

2 試驗結果與討論

2.1 氨吹脫-混凝協同活性炭吸附試驗

2.1.1 生石灰投加量的影響

生石灰投加量為2～7 g，固定攪拌強度，體系溫度維持在22 ℃，曝氣攪拌24 h，靜置后取上層清液進行水質分析。生石灰投加量對COD和氨氮去除率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著生石灰投加量的增加，COD和氨氮的去除率均呈現先上升后趨于平穩的趨勢。當生石灰投加量為5 g（即10 g/L）時，COD去除率達到最大，為12%，此時的氨氮去除率為82%；投加量增至7 g（即14 g/L）時，氨氮去除率達到最大，為89%，而COD去除率保持不變。繼續增加生石灰投加量，COD去除效率增幅變緩，氨氮去除率無變化。出現這一現象的原因是生石灰主要改變了垃圾滲濾液的pH值，而pH值對氨氮吹脫效率有顯著影響。垃圾滲濾液中的銨鹽以強酸弱堿鹽為主，生石灰投加量的增加會打破銨鹽的電離平衡，導致氨解離率隨pH值升高而快速增大。當生石灰投加量大于10 g/L時，垃圾滲濾液中的氨氮多以游離氨存在，此時pH值的提高僅增加了少量游離氨，對氨氮去除率的提升影響不大［7-8］。因此，從經濟和技術的角度考慮，選擇10 g/L作為生石灰的最佳投加量。

2.1.2 混凝處理最佳反應條件的確定

2.1.2.1 pH的影響

固定PFS投加量為10 mL，將pH值設定為4～9，充分曝氣攪拌，靜置后取其上層清液進行水質分析。pH值對COD和氨氮去除率的影響見圖3。

由圖3可知，pH值對混凝效果的影響較大，當pH值小于7時，混凝效果隨pH值升高而增強；當pH值大于7時，混凝效果隨pH值升高而減弱。因此，當pH值為7時，混凝效果最佳，COD去除率達71.9%，氨氮去除率達6.1%，符合鐵系混凝劑在中性和弱酸條件下表現更優的特點［9］。鐵離子以水合鐵絡離子的形態存在，pH值適當升高時，易發生配位水解反應，對滲濾液中的負電荷膠體起電性中和作用，生成氫氧化鐵沉淀物，對污染物有明顯的去除效果。但是，當pH值大于7時，氫氧化鐵沉淀大量溶解，水解產物以負離子的形態存在，不利于混凝，對污染物的去除效果變差［5，10］。考慮到垃圾滲濾液原液經氨吹脫反應后的pH值（7～8）與最佳pH值（7）下的混凝效果相近，而且調節pH值需付出額外的藥劑成本，故實際處理中不需要調節pH值。

2.1.2.2 PFS投加量的影響

保持垃圾滲濾液原液pH值（7～8），PFS投加量為8～12 mL，充分曝氣攪拌，靜置后取上層清液進行水質分析。PFS投加量對COD和氨氮去除率的影響見圖4。

由圖4可知，COD和氨氮的去除率隨PFS投加量的增大，呈現先上升后下降的趨勢。試驗中的曝氣過程對氨氮有輕微吹脫作用，平均去除率為10.5%。當PFS投加量達到20 mL/L時，COD去除率達到峰值，為77.8%。同時，氨氮去除率也達到最大，為10.8%。此后，隨著PFS投加量繼續增加，有機污染物被過多的混凝劑包裹，失去了同其他微粒架橋的機會，并且過多的PFS使電荷發生逆轉，導致已沉淀的絮體結構被破壞，脫穩的膠體重新回穩，從而降低了混凝沉淀效果，使COD和氨氮的去除率下降［11-12］。因此，確定PFS的最佳投加量為20 mL/L。

2.1.3 活性炭投加比的影響

活性炭投加比例為0.5‰～5‰，充分攪拌吸附2 h，靜置后取上層清液進行水質分析，測定COD和氨氮濃度。活性炭投加量對COD和氨氮去除率的影響見圖5。

由圖5可知，隨著活性炭投加量的遞增，COD和氨氮的去除率均呈平緩上升趨勢。當活性炭投加量達到1‰時，COD去除率達到78.2%，此時氨氮去除率為31.7%，這是由于活性炭量越多，比表面積越大，吸附性能越好，表面活性基團的增多促進了有機物的有效去除。然而，當活性炭投加量超過2‰并持續增加時，COD的去除率變化不大，氨氮的去除率增幅也較小。因此，考慮到藥劑成本及運行費用的增加，綜合評估后確定活性炭最佳投加量為1‰，此時污染物綜合去除效果最優。

2.2 Fenton氧化試驗

Fenton氧化法具有對污染物無特定選擇性、對難降解有機物處理效果好、對有毒有害物質去除能力強的突出優點，因此廣泛用于垃圾滲濾液的處理中。在Fenton反應體系中，H2O2作為氧化原料，在Fe2+的催化作用下產生高活性的·OH（羥基自由基），·OH承擔氧化降解污染物的主要作用。反應過程中，Fe2+最終轉化為Fe3+，形成沉淀物便于后續去除。然而，過量投加H2O2也會帶來浪費和鐵泥污染問題［13］。本試驗H2O2投加量為0.5～2.5 mL，充分反應后靜置，取上層清液進行水質分析。H2O2投加量對COD和氨氮去除率的影響見圖6。

由圖6可知，隨著H2O2投加量的增加，COD和氨氮的去除率呈現先上升后下降的趨勢，當H?O?投加量為2 mL/L時，COD去除率達到最大值78.5%，此時氨氮去除率為14.0%；而當投加量增至4 mL/L時，氨氮去除率達到峰值（17.6%），但此時COD去除率已下降至68.6%。然后，隨著H2O2投加量進一步增大，COD和氨氮的去除率均下降。出現這一現象的原因是垃圾滲濾液中的H2O2過量時，H2O2一開始就將溶液中的Fe2+氧化成Fe3+，使整個反應過程在Fe3+而不是Fe2+的催化下進行，同時與產生的·OH發生反應而相互消耗，導致參加氧化反應的·OH的數量減少，從而降低了Fenton氧化的催化性能［14-15］。比較4 mL/L與2 mL/L的H2O2投加效果發現，投加量為4 mL/L時的氨氮去除率提升幅度小于COD去除率的下降幅度。因此，選定H2O2最佳投加量為2 mL/L，此時的Fenton氧化反應對污染物的綜合去除效果最佳。

2.3 氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝生產性試驗

將氨吹脫、混凝沉淀與Fenton氧化處理工藝相結合，設定最佳處理條件如下：生石灰投加量為10 g/L，pH值為7～8，PFS投加量為20 mL/L，活性炭投加比為1.0‰，H2O2投加量為2 mL/L。在此最佳工況下，將該組合工藝投入實際工程中進行為期一年的運行。工程老齡化滲濾液進水COD濃度為2 400～5 100 mg/L，氨氮濃度為1 200～1 600 mg/L，工程實施中每運行一個月即進行一次采樣與檢測工作。COD和氨氮的進出水濃度數據見表2；最佳運行條件下COD和氨氮的去除率見圖7。

從圖7中可以看出，在最佳處理條件下，氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝對COD的去除率為72.60%～85.52%，對氨氮的去除率為74.98%～79.86%，平均去除率分別為79.2%和77.7%，垃圾滲濾液中污染物濃度明顯降低。由此可見，本試驗的組合工藝處理效果均優于單獨使用氨吹脫、混凝沉淀法、Fenton氧化法等，證明了本工藝預處理垃圾滲濾液的可行性。

3 結論

本文通過氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝處理垃圾滲濾液，確定了最優垃圾滲濾液物化預處理方案，研究結果如下。

（1）氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝是一種有效的老齡垃圾滲濾液預處理方法。在生石灰投加量為10 g/L、pH值為7～8、PFS投加量為20 mL/L、活性炭投加比為1‰、H2O2投加量為2 mL/L的反應條件下，老齡垃圾滲濾液的COD和氨氮平均去除率分別達到79.2%和77.7%，并且處理效果穩定。

（2）Fenton反應中的Fe2+由PFS與滲濾液反應產生，不需要額外加亞鐵藥劑，降低了藥劑成本。

（3）試驗得出的最佳工藝條件對處理老齡垃圾滲濾液工程設計具有較高的參考價值，實際工程可借鑒此最佳工藝條件設計運行參數和工藝流程，并在實際運行中驗證和修正參數，使之更符合實際需要。

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*廣西重點研發計劃項目“飛灰水洗高鹽廢水污染物高效脫除及鹽分質分離技術研究與應用示范”（桂科2023AB25013）。

【作者簡介】楊丹，男，遼寧丹東人，高級工程師，研究方向：水污染防治、固體廢物處理處置及資源化利用；趙良忠（通信作者），男，廣西桂林人，工程師，研究方向：水污染控制、固體廢物處理；祁莘月，女，廣西南寧人，助理工程師，研究方向：環境污染與控制、環境咨詢；杜仲惜，男，廣西南寧人，助理工程師，研究方向：垃圾滲濾液工程設計、建設、運維管理；覃霞，女，廣西貴港人，工程師，研究方向：環境污染與控制、環境咨詢；周鴻飛，男，廣西桂林人，工程師，研究方向：市政環衛垃圾分類、垃圾滲濾液處理；黃魁，男，廣西柳州人，副教授，研究方向：環境污染與控制。

【引用本文】楊丹，趙良忠，祁莘月，等.氨吹脫-混凝協同活性炭吸附-Fenton氧化工藝預處理老齡垃圾滲濾液［J］.企業科技與發展，2024（7）：69-72，92.