煤矸石制聚合氯化鋁預(yù)處理垃圾滲濾液的試驗(yàn)研究

李江山，陸海軍，蔡光華，胡竹云

(武漢工業(yè)學(xué)院多孔介質(zhì)力學(xué)研究所，湖北武漢430023)

煤矸石制聚合氯化鋁預(yù)處理垃圾滲濾液的試驗(yàn)研究

李江山，陸海軍，蔡光華，胡竹云

(武漢工業(yè)學(xué)院多孔介質(zhì)力學(xué)研究所，湖北武漢430023)

為研究煤矸石所制聚合氯化鋁處理垃圾滲濾液的性能及最優(yōu)控制條件，在實(shí)驗(yàn)室條件下，開(kāi)展了添加量、攪拌時(shí)間、滲濾液pH值和沉淀時(shí)間對(duì)處理效果的影響研究，基于正交試驗(yàn)，探討處理效果最優(yōu)控制條件。結(jié)果表明：煤矸石所制聚合氯化鋁對(duì)垃圾滲濾液有較強(qiáng)的處理能力，在添加量為50 mL/L，以120 r/min的速度攪拌20 min，滲濾液pH值為9，沉淀30 min的情況下，COD去除率可達(dá)62.79%，NH3-N可達(dá)43.87%，濁度可達(dá)74.92%，色度可達(dá)89.72%，為后續(xù)生化處理提供便捷。與市面上所賣聚合氯化鋁相比，煤矸石所制聚合氯化鋁在處理垃圾滲液方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，成果為實(shí)現(xiàn)以廢治廢提供了思路。

煤矸石;聚合氯化鋁;垃圾滲濾液

隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展，煤矸石以每年2億噸左右的速度在增長(zhǎng)［1］，由于管理不善，大量的煤矸石長(zhǎng)期堆存于露天，不僅占用了大量的土地，其中的污染物還會(huì)造成土壤和地下水的污染，間接危害人類身體健康。事實(shí)證明，煤矸石經(jīng)一定方式處理后，可作為潛在資源，能加工成建材，供熱發(fā)電，生產(chǎn)化工用品和農(nóng)業(yè)肥料等［2］，可我國(guó)煤矸石綜合利用率不到30%，煤矸石資源化利用問(wèn)題是亟待解決的環(huán)境巖土工程問(wèn)題。

煤矸石中含有大量的硅、鋁和鐵的氧化物［3］，它們本身具有一定的吸附性，但經(jīng)過(guò)一些工藝處理后，可制成吸附性更強(qiáng)的無(wú)機(jī)高分子聚合物，如聚合氯化鋁、聚氯硅酸鋁、聚合硫酸鋁等，這些聚合物在凈化污水時(shí)作用明顯。張君等［4］利用改性煤矸石預(yù)處理垃圾滲濾液;李廣科等［5］進(jìn)行了鐵鋁共聚物處理滲濾液的試驗(yàn)研究;趙星等［6］利用煤矸石研制了復(fù)合絮凝劑聚硅酸鋁鐵，馬艷然［7］等利用煤矸石制取聚合氯化鋁并應(yīng)用于處理污水中。但利用煤矸石制備聚合物絮凝劑應(yīng)用于垃圾滲濾液的處理中少有文獻(xiàn)可閱。

本方案利用阜新市露天煤礦煤矸石制得聚合氯化鋁(PAC)，處理武漢市京口垃圾填埋場(chǎng)新鮮垃圾滲濾液，研究不同添加量、攪拌時(shí)間、滲濾液pH值和沉淀時(shí)間對(duì)凈化效果的影響，基于正交試驗(yàn)，提出煤矸石制聚合氯化鋁處理垃圾滲濾液的最優(yōu)控制條件，以市面聚合氯化鋁作對(duì)照，揭示煤矸石制聚合氯化鋁在處理垃圾滲濾液方面的優(yōu)勢(shì)。

1 聚合氯化鋁制備

所用煤矸石取自遼寧省阜新市露天煤礦，經(jīng)氣相色譜儀測(cè)定分析，其化學(xué)成份見(jiàn)表1。

表1 阜新煤矸石主要化學(xué)成份 /%

利用煤矸石中Al2O3，聚合氯化鋁的制備采用圖1中的工藝，各工藝參數(shù)采用劉臻［8］的研究成果。

圖1 PAC制備工藝圖

2 聚合氯化鋁處理垃圾滲濾液的試驗(yàn)研究

2.1 材料和測(cè)試方法

所用垃圾滲濾液取自武漢市金口垃圾填埋場(chǎng)，其出水水質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 垃圾滲濾液主要水質(zhì)指標(biāo)

垃圾滲濾液各水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)試分別采用以下方法。

COD：重鉻酸鉀法測(cè)定;

NH3－N：納氏試劑法測(cè)定;

濁度：GDS－3光電式渾濁度儀測(cè)定;

色度：稀釋倍數(shù)法測(cè)定。

2.2 聚合氯化鋁添加量對(duì)處理效果的影響

PAC添加量是影響處理效果的最重要因素，添加量過(guò)少，滲濾液得不到完全處理;過(guò)多會(huì)造成PAC的浪費(fèi)。取100mL垃圾滲濾液，在以120r/min的速度攪拌條件下分別加入不同劑量的煤矸石制聚合氯化鋁，攪拌20min，靜置20min，取上清液測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，以考察聚合氯化鋁的添加量對(duì)垃圾滲濾液絮凝性能的影響。圖2反映了不同聚合氯化鋁的添加量對(duì)垃圾滲濾液處理效果的影響規(guī)律。

圖2 PAC添加量對(duì)處理效果的影響

從圖2可以看出，隨著添加量的增加，在開(kāi)始階段處理效果明顯提高，煤矸石制添加量從10 mL/L提高到30mL/L，滲濾液COD、NH3－N、濁度和色度的去除率分別提高了 35.92%、29.46%、56.12%和62.8%，添加量繼續(xù)上升，處理效果提升較緩慢，當(dāng)添加量到達(dá)40 mL/L左右時(shí)，滲濾液COD、NH3－N的處理效果最佳，去除率分別為59.64%、42.76%，當(dāng)添加量到達(dá)50mL/L左右時(shí)，吸附量已達(dá)飽和，此時(shí)、滲濾液濁度和色度的去除率分別達(dá)74.81%和87.24%，添加量再增加，去除效果基本保持不變。

2.3 滲濾液pH值對(duì)處理效果的影響

滲濾液pH值的大小會(huì)改變?nèi)芤旱膸щ娦裕瑥亩绊懳廴疚锱cPAC之間的吸附作用，本試驗(yàn)采用0.1 M HCl和0.1 M NaOH溶液調(diào)節(jié)滲濾液pH值。取100 mL不同pH值垃圾滲濾液，添加4mL所制PAC，以120r/min的速度攪拌20 min，靜置20 min，取上清液測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，以考察滲濾液pH值對(duì)絮凝性能的影響。圖3反映了煤矸石制PAC對(duì)不同pH值垃圾滲濾液的處理效果。

圖3 滲濾液pH值對(duì)處理效果的影響

從圖3中可以看出，煤矸石制PAC對(duì)垃圾滲濾液對(duì)處理效果隨其pH值的增加先增大后減小，酸性條件對(duì)PAC的絮凝有抑制作用，當(dāng)pH為9左右時(shí)，即溶液為弱堿性時(shí)，滲濾液處理效果最佳，此時(shí)，滲濾液的COD、NH3-N、濁度和色度的去除率分別達(dá)60.1%、45.37%、76.12%和89.73%。當(dāng)滲濾液 pH值繼續(xù)增加，處理效果反而降低，通過(guò)肉眼觀察溶液狀態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)溶液中出現(xiàn)大量的沉淀，可能是PAC在強(qiáng)堿作用下生成了不溶物。

2.4 攪拌時(shí)間對(duì)處理效果的影響

攪拌作用使得PAC與垃圾滲濾液中的污染物質(zhì)充分接觸，但攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使原來(lái)的絮凝體受剪力作用而分解，反而降低處理效果。取100 mL pH值為9垃圾滲濾液，添加4mL所制PAC，在以120r/min的速度攪拌不同時(shí)間作用下，靜置20 min，取上清液測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，以考察攪拌時(shí)間對(duì)絮凝性能的影響。圖4反映了不同攪拌時(shí)間對(duì)滲濾液處理效果的影響。

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)滲濾液處理效果的影響

從4圖中可以看出，當(dāng)攪拌時(shí)間在15—20 min左右時(shí)，處理效果最佳，此時(shí)COD、NH3-N、濁度和色度的去除率分別達(dá) 60.37%，40.78%，73.25% 和89.28%，攪拌不充分對(duì)滲濾液的處理效果影響較大，攪拌時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，滲濾液的濁度去除率下降較快，其余水質(zhì)指標(biāo)基本保持不變。

2.5 沉淀時(shí)間對(duì)處理效果的影響

停止攪拌后，混合溶液會(huì)在慣性力的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中PAC可以繼續(xù)和污染物碰撞并發(fā)生吸附反應(yīng)，當(dāng)沉淀時(shí)間過(guò)短，此過(guò)程中的絮凝作用將得不到發(fā)揮，且絮凝體存在于整修溶液中，濁度和色度去除率將很低。取pH值為9垃圾滲濾液100mL，添加4mL所制PAC，以120 r/min的速度攪拌20 min，靜置不同時(shí)間作用下，取上清液測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，以考察沉淀時(shí)間對(duì)絮凝性能的影響。圖6反映了不同沉淀時(shí)間對(duì)處理效果的影響。

圖5 沉淀時(shí)間對(duì)處理效果的影響

從圖5中可以看出，沉淀最佳時(shí)間應(yīng)在20—30 min左右，COD去除率可達(dá)62.37%，NH3-N可達(dá)43.28%，濁度可達(dá) 74.82%，色度可達(dá) 89.72%，繼續(xù)增加時(shí)間對(duì)處理效果影響不大，同時(shí)也證明了絮凝體的穩(wěn)定性較好。

2.6 最優(yōu)控制條件的確定

根據(jù)對(duì)各控制條件的影響規(guī)律研究，采用正交試驗(yàn)確定煤矸石制PAC處理垃圾滲濾液的最優(yōu)控制條件，以垃圾滲濾液COD的去除率為判別標(biāo)準(zhǔn)，正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同影響因素組合下滲濾液COD的去除率

從表3中可以看出，控制煤矸石制PAC絮凝垃圾滲濾液效果的最優(yōu)條件是：添加量為50 mL/L，攪拌20min，pH值為9，沉淀30min。添加量的極差最大，說(shuō)明PAC添加量在處理垃圾滲濾液的效果中占主導(dǎo)地位，添加量的變化對(duì)垃圾滲濾液處理效果的影響最為顯著，其次是滲濾液的pH值。

為研究煤矸石制PAC與市面上所售PAC在處理垃圾滲濾液方面的區(qū)別，基于正交試驗(yàn)，在保持各自最優(yōu)控制條件的情況下做了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 煤矸石制PAC與市售PAC處理滲濾液的去除率比較 /%

從表4可知煤矸石制PAC在處理垃圾滲濾液方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，其原因可能是在制備PAC的過(guò)程中，由于煤矸石中含有Fe2O3，同時(shí)也生成了聚合氯化鐵絮凝劑，在凈化垃圾滲濾液過(guò)程中產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)所致。

3 結(jié)論

利用阜新露天煤礦煤矸石自制PAC，研究其在處理垃圾滲濾液方面的效果和最優(yōu)控制條件，最后比較了其與市售PAC在處理滲濾液方面的優(yōu)勢(shì)，得到的主要結(jié)果如下。

3.1 煤矸石制PAC在處理垃圾滲濾液方面有良好的性能，在添加量為50mL/L，以120r/min的速度攪拌20min，垃圾滲濾液pH值為9，沉淀30 min的條件下，COD去除率可達(dá)62.79%，NH3-N可達(dá)43.87%，濁度可達(dá)74.92%，色度可達(dá)89.72%。

3.2 煤矸石制PAC在處理垃圾滲濾液方面較市售PAC有明顯的優(yōu)勢(shì)，原因是煤矸石含有多種氧化物，所制聚合物成份復(fù)雜，在吸附污染物時(shí)協(xié)同作用。

3.3 利用煤矸石制取聚合物絮凝劑處理垃圾滲濾液，實(shí)現(xiàn)了以廢治廢，對(duì)于我國(guó)環(huán)境保護(hù)作用巨大。

［1］ 劉迪.煤矸石的環(huán)境危害及綜合利用研究［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，22(3)：60-62.

［2］ 石磊，牛冬杰，金龍，等.煤矸石的綜合利用［J］.煤化工，2005，33(4)：15-18.

［3］ 馮彬.煤矸石活性的研究［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2000，19(7)：349-353.

［4］ 張君，吳俊峰，王現(xiàn)麗.改性煤矸石吸附預(yù)處理垃圾滲瀝液試驗(yàn)研究［J］.煤礦環(huán)保，2010，16(1)：124-126.

［5］ 李廣科，趙由長(zhǎng).應(yīng)用鐵鋁共聚物對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行預(yù)處理的研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(1)：104-106.

［6］ 趙星，胡友彪.煤矸石制備絮凝劑生產(chǎn)分析［J］.淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11(5)：103-104.

［7］ 馬艷然，于伯蕖，魯秀國(guó).從煤矸石中制備聚合氯化鋁及應(yīng)用研究［J］.化學(xué)世界，2004，45(2)：63-65.

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Experimental research of pre-treating leachate with PAC made from gangue

LI Jiang-shan，LU Hai-jun，CAI Guang-hua，HU Zhu-yun
(Institutes of Porous Mechanics，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

To study the performance and optimal control conditions of PAC made from gangue in treating leachate，experimental research is conducted on the effect of PAC addition content，stirring time，pH value and effect of precipitation time on treating efficiency of leachate，to seek the optimal control conditions based on orthogonal experimental.The results showed that PAC made from gangue had a strong capability in treating leachate，removal rate of COD，NH3-N，and turbidity and chroma could reach to 62.79%，43.87%，74.92%and 89.72%respectively when addition amount was 50mL/L，stirring time was 20min at the speed of 120r/min，pH value of leachate was 9 and precipitation time was 30min，which provided a convenient condition for biological treatment.Compared with the PAC bought from market，PAC made from gangue had an obvious advantage in treating leachate.research results provide a guideline for waste control by waste.

gangue，PAC，leachate

TU 43

A

1009-4881(2011)03-0061-04

10.3969/j.issn.1009-4881.2011.03.015

2011-02-21.

2011-05-03

李江山(1987-)，男，碩士研究生，E-mail：ljshyq1314@163.com.

陸海軍(1979-)，男，講師，博士，E-mail：luhaijun111@163.com

武漢工業(yè)學(xué)院2009年研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(No.09cx008).