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垃圾渗滤液生化尾水处理技术

发布时间:2015-2-23 9:01:24  中国污水处理工程网

城市生活垃圾填埋过程中产生的垃圾渗滤液因成分复杂、氮磷含量高、处理难度大而备受关注。目前对渗滤液的处理主要采用各种生物处理单元的组合工艺,但处理后的渗滤液尾水中 CODCr和氮磷等浓度仍很高,如若处理不善,不仅会对周围的土壤和地下水造成污染,还会造成水体的富营养化,进而危害人类健康〔6〕。虽然用膜分离、高级氧化、活性炭吸附等技术处理有较好的处理效果,但是存在成本高、膜堵塞、工艺复杂、吸附剂再生困难、引发二次污染等问题。

水滑石(HT)也称作层状双氢氧化物或阴离子黏土,经焙烧改性后得到的改性水滑石(MHT),在水溶液中可重新恢复为HT的层状结构,同时达到去除污染物的目的,具有成本低、比表面积大、易再生、吸附能力强等优点,在水处理方面已得到广泛应用,而在实际垃圾渗滤液生化尾水的处理中鲜有报道。黄山市生活垃圾填埋场的渗滤液经处理后最终流入新安江,生物处理后的尾水中仍含有较高的氮和磷,给新安江营养盐的净化带来一定影响。笔者以黄山市生活垃圾填埋场渗滤液Ⅰ期生物处理尾水为研究对象,选用经焙烧处理后的改性水滑石为吸附剂,考察其用于处理垃圾渗滤液生化尾水中TN、NH4+-N、CODCr及TP的可行性及其产物的再生性能,为垃圾渗滤液生化尾水的处理提供技术参考的同时,对于减轻新安江营养盐的输入负荷具有重要的意义。

1 材料与方法
 
1.1 材料与试剂
 
将Mg/Al碳酸根型水滑石置于马弗炉内于500 ℃条件下焙烧2.0~3.0 h,制得改性水滑石(MHT)。垃圾渗滤液生物处理后的尾水取自黄山市生活垃圾填埋场(场龄7 a),其pH为7.0~7.4,TP、TN、 NH4+-N、CODCr分别为5.5、156.2、63.5、365.8 mg/L。实验中所用试剂除特别说明外均为分析纯,实验用水为新鲜去离子水。

1.2 吸附实验
 
在一系列250 mL具塞锥形瓶中分别加入一定质量的改性水滑石和100 mL垃圾渗滤液,在设计的实验条件下恒温振荡一定时间后,离心分离,分别采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、纳氏试剂分光光度法、钼酸铵分光光度法和重铬酸钾法测定上清液中TP、TN、NH4+-N、CODCr的含量,计算相应的去除率和吸附量,采用EXCEL2010和SPSS19.0对实验数据进行分析处理。所得固体于70 ℃条件下干燥 24 h,以X射线衍射仪为测试手段,对吸附产物的晶体结构进行表征。

1.3 再生实验
 
分别采用碳酸钠解吸再生法和焙烧再生法对吸附产物进行再生。焙烧法,即将吸附产物置于500 ℃下重新焙烧2~3 h得到MHT,同时已吸附的污染物质转变为无机小分子物质;碳酸钠解吸法,即在产物投加质量浓度为1 g/L,温度为70 ℃,碳酸钠浓度为0.05 mol/L的条件下反应5~7 h,吸附质被碳酸根置换出来进入溶液。两种方法再生后的样品重新用于吸附实验,以污染物的去除率表征吸附剂的再生率。

2 结果与讨论
 
2.1 投加量对去除率的影响
 
温度为25 ℃、振速为150 r/min,向一系列100 mL渗滤液中分别投加0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.5 g MHT,恒温振荡120 min,结果见图 1。

 由图 1可知,TN、NH4+-N、CODCr、TP的去除率随着MHT投加量的增加而逐渐升高,当MHT投加质量增加至0.6 g时,MHT的利用率达到最高,而投加质量大于0.6 g时去除率增幅不明显,因此,后续实验中MHT的投加质量浓度均选为6 g/L。

2.2 振荡时间对去除率的影响
 
在温度为25 ℃、振速为150 r/min,MHT的投加质量浓度为6 g/L条件下,TN、NH4+-N、CODCr、TP的去除率随振荡时间的变化趋势见图 2。

 由图 2可以看出,去除率均随着时间的延长而增加,60 min后增速趋于平缓。MHT对TN、NH4+-N、CODCr、TP的去除率最高分别为59.09%、49.20%、45.00%、85.38%。去除50%的TN和45%的NH4+-N所需时间分别为40、60 min,去除40%的CODCr需要60 min,去除80%的TP所需的时间为20 min,总磷初始质量浓度为5.5 mg/L的生化尾水在经过快速吸附后即可达到《生活垃圾填埋场控制标准》(GB 16889—2008)的排放标准。快速吸附的过程可有效地缩短MHT实际应用时的水力接触时间,有助于减少反应池体容积,降低投资。采用准二级动力学模型对实验数据进行线性拟合可知,准二级动力学模型可以很好地表征MHT的吸附过程,吸附速率常数的大小顺序为TP>NH4+-N>TN>CODCr,且初始吸附速率均大于0.53 mg/(g·min)。回归分析表明线性回归极显著,显著性概率均小于0.05。

2.3 振荡时间对去除率的影响
 
在温度为25 ℃、MHT的投加质量浓度为6 g/L、振荡60 min的条件下,改变振荡速度,考察振荡速度对去除率的影响,结果见图 3。

 由图 3可知,随着振荡速度的提高,TN、NH4+-N、CODCr、TP的去除率先升高,当振荡速度达到150 r/min之后,各去除率略有减少,但整体变化不大。

2.4 pH对去除率的影响
 
在温度为25 ℃、振速为150 r/min、振荡60 min、MHT的投加质量浓度为6 g/L的条件下,考察pH对TN、NH4+-N、CODCr、TP去除率的影响,结果表明,随着pH的升高,4种污染物去除率整体变化较小,在pH=7时去除率达到最高。酸性和碱性条件均会影响吸附的顺利进行,这是因为,MHT对溶液中阴离子的吸附优先于阳离子和分子,酸性条件下产生的酸根阴离子和碱性条件下产生的OH-均会与吸附质形成竞争吸附。另外,MHT在水溶液中恢复层状结构的同时会释放出OH-起缓冲作用,而碱性条件下这种缓冲作用消失。

2.5 再生效果
 
图 4为水滑石与吸附TN后样品的XRD图谱。可以看出,各衍射峰峰窄而尖,杂峰少,两者晶体结构吻合较好,但相对强度略有减小,说明MHT吸附TN后仅部分恢复了水滑石层状结构。为了考察MHT吸附污染物后产物的再生性能,在MHT投加质量为6 g/L、pH=7、振荡60 min、振速为150 r/min的条件下,以吸附TN为例,比较了焙烧法和解析法的再生吸附效果,结果见图 5。

由图 5可以看出,焙烧后的吸附率和解吸后的吸附率均随着再生次数的增加而减小,焙烧再生法的效果明显优于解析法,再生4次的样品对TN的吸附率分别为45.90%、37.20%,之后去除率降幅较大。一方面,经过多次高温焙烧后,再生产物在结构重建过程中的结晶程度大大降低,降低了再生产物的吸附能力。另一方面,MHT吸附污染物后样品的憎水性增强,解析率减小直接导致了再吸附率的降低。焙烧再生法可明显提高吸附剂的使用率,实现吸附剂再生的同时减少了二次污染。

2.6 动态吸附试验
 
将50 mL滴定管改装为小型动态吸附柱,其内径为 1.1 cm,MHT填充质量为6.0 g,底部铺有1.0 cm高的粗砂和2.0 cm高的细沙以防止MHT流失,MHT有效柱高为8.0 cm,采用恒流泵连续进水,流量为0.36 L/h,定时对出水进行分析,计算各指标的去除率,结果见图 6。

 由图 6可以看出,随着时间的延长,4种污染物的去除率逐渐增加至吸附平衡,且达到最大值所需时间不同,其大小顺序为CODCr>TN>NH4+-N>TP,TN、NH4+-N、CODCr、TP的最高去除率分别为、52.07%、41.21%、42.10%、82.00%。120 min以后去除率迅速下降,最佳吸附时间为40~90 min。

3 结论
 
(1)当MHT投加质量为6 g/L、pH=7,振荡时间60 min、振速为150 r/min、垃圾渗滤液尾水中TN、NH4+-N、CODCr、TP的去除率最高分别为59.09%、49.20%、45.00%、85.38%。吸附过程符合准二级动力学模型,初始吸附速率均大于0.53 mg/(g·min)。进水流量为0.36 L/h,MHT装填质量为6.0 g时,TN、NH4+-N、CODCr、TP的去除率最高分别为52.07%、41.21%、42.10%、82.00%,且最佳的吸附时间为40~90 min。具体参见http://www.topicons.com更多相关技术文档。

(2)吸附产物分别经焙烧法和解吸法再生4 次后,再生样品对TN的去除率分别为45.90%、37.20%,焙烧再生法明显优于解吸再生法,表现出了良好的再生利用性能。

(3)本实验条件下,改性水滑石处理垃圾渗滤液生化尾水具有较好的处理效果,尤其是氮和磷的去除,减少了新安江氮磷营养盐的输入,在渗滤液深度处理方面有一定的参考价值,其工程化应用的条件仍需进一步探索。

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