超磁混凝工藝應(yīng)急垃圾滲濾液預(yù)處理實驗研究

黃付平 黃智寧 黃枰 覃岳隆 龍朝金 何少媚 覃霞

【摘 要】垃圾滲濾液是一類性質(zhì)復(fù)雜、水質(zhì)成分波動大、富含難降解有機物的高污染廢水。我國南方降雨豐沛，雨季滲濾液產(chǎn)生量往往超過常規(guī)設(shè)計處理量，增加了垃圾滲濾液處理站壓力，給周邊環(huán)境帶來較大的生態(tài)安全隱患。文章采用超磁混凝技術(shù)對垃圾滲濾液進行實驗，篩選最佳混凝劑、優(yōu)化工藝條件、磁種混凝條件。結(jié)果表明，在優(yōu)化條件下中試應(yīng)急設(shè)備處理垃圾滲濾液，COD、BOD5、氨氮去除率分別達到為86%、70%、73%，磁種回收率達96%以上，HRT僅為60 min，達到快速應(yīng)急處理目的，設(shè)備出水水質(zhì)穩(wěn)定，可生化性顯著提高（BOD5/COD≥0.58），為后續(xù)深度達標處理提供了穩(wěn)定預(yù)處理水質(zhì)保障。超磁混凝工藝技術(shù)能有效去除垃圾滲濾液中的COD、氨氮含量，提高處理尾水可生化性能，具有處理效率高、設(shè)備簡單、占地面積少、效果穩(wěn)定等特點，為垃圾滲濾液應(yīng)急處理提供了很好的解決方案。

【關(guān)鍵詞】垃圾滲濾液;超磁混凝;中試;磁種回收

【中圖分類號】X703 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）11-0070-04

隨著人民生活水平的提高，生活垃圾的產(chǎn)生量也日益增加，據(jù)統(tǒng)計，自2016年起全國生活垃圾處理量已超過2億t/年，且該數(shù)據(jù)呈逐年遞增的趨勢[1]。衛(wèi)生填埋是我國處理生活垃圾的主要方式，垃圾處理量占50%以上，其產(chǎn)生的垃圾滲濾液具有污染物濃度高、水質(zhì)組分復(fù)雜、毒害性強和難處理等特點，隨著填埋場年限延長，其產(chǎn)出的老齡滲濾液難降解有機物比例增大，微生物營養(yǎng)元素比例嚴重失調(diào)，生化處理難度越來越大[1，2]。目前，我國已應(yīng)用的垃圾滲濾液處理主流工藝有“UASB厭氧+MBR+納濾/反滲濾”和“兩級DTRO工藝”兩種，但經(jīng)長期運行實踐分析，該兩種工藝存在系統(tǒng)設(shè)備投資大、建設(shè)周期長、操作復(fù)雜、設(shè)備維護費用高昂等問題，一旦設(shè)施出現(xiàn)問題或處理水量波動變化大，很難適應(yīng)垃圾滲濾液處理需求，尤其在雨季，我國南方的許多垃圾滲濾液處理站常滿負荷運轉(zhuǎn)處理仍未能滿足其產(chǎn)生量的處理要求，必須額外增加處理設(shè)施進行協(xié)同處理才能確保降低外溢的風險[2，3]。因此，研發(fā)處理效率高、用時短、成本低、占地少、適用范圍廣、能滿足應(yīng)急處理的垃圾滲濾液處理技術(shù)工藝及相關(guān)處理設(shè)備十分必要。

磁混凝技術(shù)是近幾年熱門的新興水處理技術(shù)，具有占地面積小、水力負荷高、節(jié)省藥劑投加量、產(chǎn)水水質(zhì)好、啟動快、成本低廉等優(yōu)點[4，5]，越來越多地應(yīng)用在包括黑臭水體、重金屬廢水、含油廢水等廢水應(yīng)急處理領(lǐng)域，但其在垃圾滲濾液處理方面仍處于實驗室研究階段[6]。因此，本研究采用磁混凝技術(shù)處理垃圾滲濾液，通過小試和中試設(shè)備實驗研究，優(yōu)化磁混凝、絮凝、磁種回收等工藝條件和設(shè)備參數(shù)，以期為城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場滲濾液處理提供一套經(jīng)濟、可行、高效的處理工藝設(shè)備。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

試驗所使用的垃圾滲濾液原液由廣西某縣生活垃圾衛(wèi)生填埋場提供，廢水外觀呈黑褐色，帶有惡臭味，其主要水質(zhì)特征如下：pH值為6.8～8.2，COD為4 031～4 410 mg/L，氨氮為1 868～2 180 mg/L，BOD5為1 017～1 360 mg/L，色度為1 360～2 160倍，生化指標BOD5/COD平均約0.27，表明垃圾滲濾液可生化性能較差，直接利用生化法難以有效去除難降解有機物。

滲濾液處理主要用到的試驗藥劑材料包括硫酸鋁、氯化鐵、聚合硫酸鐵（PFS）、聚丙烯酰胺（PAM配置成1%溶液）、氫氧化鈉和磁種（專利產(chǎn)品為ZL201510960137.6，主要成分為Fe3O4）。

1.2 實驗方法

（1）小試實驗：通過燒杯實驗確定設(shè)備混凝反應(yīng)優(yōu)化條件，包括混凝劑種類、投加量、PAM用量、磁種投加量、初始pH值等。試驗步驟如下：取200 mL垃圾滲濾液原水調(diào)節(jié)pH值，在一定攪拌方式下加入混凝劑混凝，然后加入磁種磁化，最后加入0.5 mL的PAM絮凝，反應(yīng)完成后靜置沉淀5 min，取上清液過濾分析檢測COD和氨氮濃度。

（2）中試實驗：主要針對超磁混凝應(yīng)急設(shè)備處理垃圾滲濾液進行調(diào)試優(yōu)化，將垃圾滲濾液原液以一定流量流速泵入磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)進行處理，參照前期小試實驗條件優(yōu)化參數(shù)，經(jīng)加藥系統(tǒng)連續(xù)投加一定量的pH調(diào)節(jié)劑、混凝劑、磁種（通過磁回收系統(tǒng)投加）和絮凝劑，處理后廢水經(jīng)磁混凝沉淀后進入中間水池，污泥經(jīng)過磁回收系統(tǒng)回收磁種后經(jīng)污泥沉降池沉降、壓濾機深度脫水處理，整個系統(tǒng)連續(xù)運行12 h，每隔1 h取進出水水樣測定COD、BOD5和氨氮濃度。

（3）磁種回收實驗：主要是檢測超磁混凝應(yīng)急設(shè)備對磁種的回收效率，降低磁種損耗以降低藥劑使用量。以磁回收系統(tǒng)入口及磁粉循環(huán)出口取樣測定磁回收系統(tǒng)分離磁種效率，具體操作如下：試驗設(shè)備穩(wěn)定處理1 h后，每隔20 min分別在磁回收設(shè)備進出水口處用量筒取水樣500 mL，參考陽旭等人[7]的研究方法將水樣清洗→過濾→烘干→稱重，將進水口磁粉的量減去出水口磁粉的量作為回收的磁粉的量，最終取樣次數(shù)為3次。

1.3 分析方法

BOD5采用稀釋與接種法（GB 7488—87）測定，COD 采用重鉻酸鉀法（GB 11914—8）測定，氨氮采用納式劑比色法（GB 7479—87）測定，pH值采用玻璃電極法（GB 6920—86）測定，色度采用稀釋倍數(shù)法（GB 11903—89）測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 超磁混凝小試實驗研究

2.1.1 常規(guī)混凝實驗

混凝劑種類和投加量在磁混凝反應(yīng)中起決定性作用。通過前期探索，確定硫酸鋁、氯化鐵、PAC、PFS 4種混凝劑的投加量在2.5、5、10、15、20、25 mg/L范圍內(nèi)進行實驗。當4種混凝劑的投加量超過10 g/L時，COD的去除率的變化幅度有所減小，其中PFS對COD和氨氮的去除效果最明顯，當投加量大于15 g/L時，COD、氨氮的去除率分別達到80.0%和71.0%（如圖1所示）。此外，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，PFS混凝形成的絮體比其他3種混凝劑更為粗大，絮體的沉降速度更快，污泥量產(chǎn)生較少。因此，選擇PFS作為處理垃圾滲濾液的混凝劑。

2.1.2 超磁混凝實驗

（1）混凝劑投加量對超磁混凝的影響。在選定PFS為最佳混凝劑后，進一步對PFS投加量（13、14、15、16、17、18 g/L）對出水COD去除率影響實驗。結(jié)果表明，COD去除率隨著聚鐵投加量的增加先有所上升，且當投加量為16 g/L時，COD、氨氮去除率達到最高值，分別為83.0%和71.5%，此時繼續(xù)增加PFS的投加量去除率呈現(xiàn)下降趨勢，混凝劑的最佳投加量為16 mg/L時。表明PFS在投加量較低時，在水解產(chǎn)物的作用下垃圾滲濾液中的膠體雙電層穩(wěn)定性被破壞，脫穩(wěn)并與正電荷陽離子聚集形成絮體沉降下來，此時COD去除率快速上升;而當PFS加量過多時，產(chǎn)生“膠體保護”現(xiàn)象[8]，從而出現(xiàn)膠體再穩(wěn)，使COD的去除率降低。

（2）磁種投加量對超磁混凝的影響。在PFS投加量為16 mg/L條件下，選擇磁種投加量為10、20、30、40、50、60 g/L對出水COD、氨氮去除率影響實驗。結(jié)果表明，COD去除率在磁種投加量為30 g/L時達到最高值83.5%。磁種投加量從10 g/L增加至30 g/L時，氨氦去除率變化范圍為70.6%～73.4%，提升變化不大，此后氨氮去除率幾乎不受磁種增加量的影響。因此，選擇30 g/L作為磁種的最佳投加量。

（3）助凝劑投加量對超磁混凝的影響。在PFS投加量為16 g/L、磁種投加量為30 g/L條件下，設(shè)置助凝劑投加量范圍為5、10、20、30、40 mg/L進行滲濾液處理實驗。結(jié)果表明，PAM的投加量增加至20 mg/L時，COD的去除率提高到85.6%，繼續(xù)增加投加量時，COD去除率出現(xiàn)了略微下降趨勢;投加量大于20 mg/L時，氨氮去除率保持在72.0%左右。PAM是有機高分子絮凝劑，它能有效且快速地增大絮體的尺寸和強化絮狀物的牢固程度，使絮凝體快速與水分離;但作為一種高分子有機物質(zhì)，若PAM投加過多會增加COD的含量，也會使出水的黏度增加，對于廢水的后續(xù)處理不利[8]。綜上考慮，選取20 mg/L作為PAM的最佳投加量。

（4）反應(yīng)初始pH值對超磁混凝的影響。在PFS投加量為16 g/L、磁種投加量為30 g/L、PAM投加量為20 mg/L的條件下，選取pH值為4～11進行垃圾滲濾液處理實驗。結(jié)果表明，在初始pH值小于7.0即酸性時，氨氮和COD去除率相對較低，分別低于70%和83%;當初始pH值大于7.0為堿性時，氨氮和COD去除率隨著pH值增大而緩慢上升，當pH值等于10.0時，氨氮和COD去除率分別為73%和86.0%，之后pH值繼續(xù)增大而去除率變化不明顯。綜上考慮，選擇適宜的初始pH值為10.0。

2.1.3 混凝絮體沉降性能比較

混凝絮體沉降性能直接影響懸浮液的分離效果和沉淀池選型設(shè)計。在混凝劑用量相同的情況下，分別對常規(guī)混凝和超磁混凝所產(chǎn)生的懸浮液中污泥絮體沉降性能進行實驗。結(jié)果顯示，在0～15 min內(nèi)，超磁混凝的污泥絮體體積從100 mL迅速降低至51.9 mL，而常規(guī)混凝污泥絮體體積僅減少至63.0 mL，且當沉降至相同體積即51.9 mL時，表明超磁混凝較常規(guī)混凝水力表面負荷大;當沉降時間為15～60 min，污泥絮體沉降速度變緩;在60 min后，常規(guī)混凝污泥體積基本保持在50.4 mL，而超磁混凝污泥體積保持在25.7 mL。以上結(jié)果表明，超磁混凝中加入比重較大的磁種作為絮凝核心，顯著地增加了絮團的質(zhì)量，提高表面負荷，從而加快了絮團的沉降速度;同時，極大地提高了絮團的緊實度，減少污泥量，降低后續(xù)污泥的處理成本。

2.2 超磁混凝中試設(shè)備設(shè)計及實驗研究

2.2.1 超磁混凝工藝中試設(shè)備設(shè)計

整套中試設(shè)備由加藥系統(tǒng)、磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)、磁種回收系統(tǒng)3個部分組成，裝機總功率為5 kW（如圖2所示）。其中，加藥系統(tǒng)由3套35 L/套的加壓藥箱組成，分別提供PFS、PAM、氫氧化鈉，PE材質(zhì)，采用變頻加藥泵，最大流量為5 L/h。磁混凝反應(yīng)系統(tǒng)由反應(yīng)器和豎流式沉淀池構(gòu)成，均為304不銹鋼材質(zhì)，反應(yīng)器內(nèi)分別設(shè)置pH調(diào)節(jié)、混凝、磁粉混合、絮凝區(qū)，尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 850 mm;沉淀池內(nèi)置管式布水器，最大斷面尺寸為φ1 500 mm×1 000 mm。磁回收系統(tǒng)由分散裝置、磁分離回收裝置構(gòu)成，尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 500 mm，其中分散裝置將磁混凝絮體中的磁種、污泥分散，磁分離回收裝置采用高梯度永磁磁鼓機，磁感應(yīng)強度≥5 000高斯。

2.2.2 中試設(shè)備處理垃圾滲濾液運行效果

根據(jù)小試結(jié)果，在垃圾滲濾液進水流量為2 m3/h，調(diào)節(jié)初始pH值為10.0左右，分別在超磁混凝條件下（PFS、磁種、PAM投加量分別為16 g/L、30 g/L、20 mg/L）和常規(guī)混凝條件（PFS、PAM投加量分別為16 g/L、20 mg/L）下開啟中試設(shè)備進行連續(xù)運行實驗，結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，在進水流量及初始pH值相同的情況下，超磁混凝工藝對原水的處理效果明顯優(yōu)于常規(guī)混凝工藝。COD濃度為4 031～4 410 mg/L的垃圾滲濾液原水經(jīng)超磁混凝工藝處理后，COD、BOD5和氨氮平均去除率分別約86%、70%、73%，相比于常規(guī)混凝的74%、62%、65%去除率有明顯提高;同時，經(jīng)超磁混凝工藝處理后，出水B/C比值較進水0.27提高至0.58，是常規(guī)混凝1.5倍，出水完全可生物降解。

2.2.3 磁種分離回收效果

調(diào)節(jié)垃圾滲濾液進水初始pH值為10.0左右，在PFS、磁種、PAM投加量分別為16 g/L、30 g/L、20 mg/L左右條件下，設(shè)置進水流量分別為1、2 m3/h開啟中試設(shè)備進行連續(xù)運行實驗。結(jié)果表明，磁粉的分離回收效率隨進水處理量的增大而增加，但增大幅度不高，當處理量為1 m3/h時，磁粉的分離回收率為93.5%，當處理量增加到2 m3/h時，磁回收設(shè)備對磁粉的分離回收率最大，達到96.7%左右。

2.2.4 經(jīng)濟分析

該工藝運行的主要費用包括超磁混凝所需的藥劑費和電費，在最佳運行條件下，其中所用藥劑有PFS、氫氧化鈉、PAM、磁種，各項費用分析如下。

（1）超磁混凝藥劑費：按處理1 t廢水需消耗16 kg的PFS、0.02 kg的PAM、1 kg磁種和2.5 kg中和劑計算，混凝藥劑PFS的單價為0.48 元/kg、絮凝劑PAM的單價為28 元/kg、磁種藥劑的單價為0.83元/kg、中和劑的單價為3元/kg，則處理1 t廢水藥劑費用為20.74元/m3。

（2）電費：污水處理系統(tǒng)設(shè)備總功率為5 kW，每度電按0.9元計，污水處理能力為2 m3/h，則處理1 t廢水的費用為4.5 元/m3。

綜上，該工藝總體運行成本約25.24元/m3。

3 結(jié)論

（1）小試實驗表明，當垃圾滲濾液原液COD在4 410 mg/L以下時，超磁混凝工藝PFS、磁種、PAM最佳投加量為16 g/L、30 g/L、20 mg/L，COD、氨氮去除率分別達到86%和74%。

（2）在最優(yōu)藥劑投加量條件下，中試應(yīng)急設(shè)備處理垃圾滲濾液實驗表明，超磁混凝對垃圾滲濾液COD、BOD5、氨氮去除率分別約86%、70%、73%，出水濃度分別降至590、344、544 mg/L，出水可生化性由0.27提升至0.58，出水完全可生物降解。

（3）組合工藝具有較好的經(jīng)濟性，采用超磁分離回收裝置，磁種回收率為96.7%左右，降低了運行成本。整套工藝運行成本約25.24元/m3。

（4）磁加載混凝形成的絮體密實，沉降時間短，采用豎流式高效沉淀池沉降的停留時間僅為60 min，具有設(shè)備體積小、重量輕的特點，適用于垃圾滲濾液的應(yīng)急處理。

參 考 文 獻

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