垃圾渗滤液预处理铁-镁-铝无机复合絮凝剂的制备.pdf

垃圾渗滤液预处理铁 - 镁 - 铝无机复合絮凝剂的制备 ＊ 桑义敏 1,3 谷庆宝 2 孙体昌 1 李发生 2 梁存珍 3 陈 英 3 1. 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083; 2. 中国环境科学研究院土壤污染控制实验室, 北京 100012; 3. 北京石油化工学院环境工程系, 北京 102617 摘要 为了开发适用于垃圾渗滤液预处理的新型高效铁-镁-铝无机复合絮凝剂 PFMAS , 以垃圾渗滤液的 COD 去 除率为主要考察指标, 分别从铁镁铝 3 种盐的配制浓度、3 种元素的摩尔比、熟化时间、熟化温度、投药量等方面对絮 凝剂的制备及应用条件进行一系列优化研究。 通过对某垃圾填埋场渗滤液进行预处理的试验结果表明, PFMAS 的最 优配方制备条件为 nFeⅢ ∶ nMgⅡ ∶nAlⅢ5∶ 0. 35∶ 0. 5、熟化温度为50 ℃、熟化时间为0. 5 h, 对垃圾渗滤液预处 理 COD 去除率可达 60以上。PFMAS 是通过OH基键合形成的具有长链晶形结构的无机高分子铁镁铝共聚物。 关键词 垃圾渗滤液 无机复合絮凝剂 铁镁铝共聚物 COD 去除率 配方优化 ＊科技部科研院所技术开发专项 2005-JKZX-314 。 0 引言 填埋法处理城市生活垃圾会产生大量的含污染 物浓度高、持续时间长 、流量极不均匀且水质变化大 的渗滤液 , 这些渗滤液的排放和不当处理则会对周 围土壤和地下水环境产生严重的二次污染 。在垃圾 渗滤液的处理技术中 ,采用絮凝沉淀预处理技术不仅 能去除垃圾渗滤液 40～ 60的 COD 和 70～ 90 以上的色度 ,还能去除重金属污染, 降低垃圾渗滤液 的毒性 ,提高其可生化性 , 尽量减少重金属和 NH3- N 等对微生物的抑制作用, 降低负荷, 为后续的生化处 理工艺创造良好的条件, 并节省处理费用 [ 1 -4] 。 无机复合高分子絮凝剂 IPF 是 1960 年研制成 功并在全世界广泛应用 [ 5] ,在我国絮凝剂市场销售量 中, 传统絮凝剂仅约占20,而IPF 约占80以上 [ 6] 。 IPF 的主要原料是铝盐 、 铁盐和硅酸盐等 。铁铝共聚 物由于是铁盐和铝盐的聚合, 能发挥其各自的絮凝优 势,弥补各自的不足 , 所以其絮凝除浊效率一般要高 于聚铝和聚铁。镁盐具有很好的辅助脱色效果,广谱 性好 ,在废水处理时 ,能弥补铁盐及铝盐的不足,在铁 盐及铝盐絮凝剂中加入适量的镁盐成分 ,可增强絮凝 剂的混凝脱色的广谱性 , 使混凝效果更好 [ 7 -8] 。目前 关于铁 - 镁 -铝无机复合絮凝剂 PFMAS 的研究虽 然有少量报道 [ 3,9- 10] , 但是面向垃圾渗滤液预处理的 PFMAS 详细配方优化研究尚未见报道 。本研究旨在 通过絮凝沉淀试验全面优化适于垃圾渗滤液预处理 的无机复合絮凝剂 PFMAS 的制备方法 。 1 试验 1. 1 仪器及药品 仪器 CTL-12 化学需氧量测定仪 ; PHS-3C 精密 pH 计; DDS-307电导率仪; 78-1 磁力加热搅拌器; FA- 1004 电子天平; HZS- H 水浴振荡器 。 药品 FeSO47H2O ; Al2 SO4 318H2O; MgSO4; H2O2;H2SO4; 邻苯二甲酸氢钾 ; 硫酸汞 。所用药品均 为分析纯级别。 1. 2 试验水样 试验水样取自北京市某垃圾填埋场 。该垃圾填 埋场已经运行 10余年, 目前尚未封场, 其垃圾渗滤液 呈黑色 ,有机物含量高, 并伴有恶臭气味, 水体浑浊。 垃圾渗滤液原水样的主要水质指标见表 1。 表 1 垃圾渗滤液的主要水质指标 ρ COD mgL- 1ρ SS mgL- 1电导率 μ scm- 1 pH值 4 602. 84036 5007 . 86 1. 3 试验方法 1. 3. 1 絮凝剂的制备 以FeSO47H2O、Al2 SO4318H2O 、 MgSO4为原 料,分别配制一定浓度的溶液, 并将它们按照一定的 配比进行混合 , 加入一定量的 H2SO4, 在磁力加热搅 拌器上加热高速搅拌混合 ,达到一定温度后加入一定 量的H2O2。将上述混合后的溶液在设定温度下熟化 一定的时间 ,静置冷却即得该工艺条件 配方 下的液 体成品。 1. 3. 2 絮凝剂的应用优化 以COD 去除率为主要考察指标 , 通过对不同配 50 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 方制备的 PFMAS 絮凝剂进行应用优化试验, 以确定 PFMAS 中铁 、 镁 、 铝3 种元素的最佳配比 、 原料液浓度 和熟化条件 , 从而优化复合絮凝剂 PFMAS 的制备条 件。应用优化试验的方法是将不同体积的某种配方 絮凝剂投加到装有100 mL垃圾渗滤液的烧杯中 各烧 杯内附有搅拌子 , 在磁力搅拌器上搅拌后静置 30 min ,取沉淀后的上清液分别测定其 COD 值, 计算 COD去除率 。 2 结果与讨论 首先对PFMAS 中的铁、镁、 铝 3种元素的比例进 行了优化, 按照一定的配比对其中两种成分组合, 再 改变另外一种组分的配比 ,找到最佳配比。然后在最 佳配比基础上, 从熟化温度和熟化时间两个方面对 PFMAS 的熟化条件进行优化, 从而最终确定 PFMAS 的最佳制备条件 。 2. 1 PFMAS 的配比优化研究 2. 1. 1 PFMAS 原料浓度的确定 对于絮凝剂成品 ,其有效成分的浓度是一个重要 的指标参数。为了确定 PFMAS 制备时原料液的合适 浓度, 在 nFe Ⅲ ∶ nMg Ⅱ ∶ nAl Ⅲ 4∶ 0. 35∶ 2、熟 化时间为0. 5 h的基础上对A、B、 C 具体参数见表 2 3 种原料浓度配方进行垃圾渗滤液处理效果对比试验, 结果如图 1 所示 。为便于比较分析, 对所制备的 3 种 絮凝剂成品的体积略作调整, 使其铁、 镁 、 铝各成分总 含量 M FeMg Al分别为表 2中所示 。 表 2 不同浓度配方的原料液浓度和成品浓度mol L 浓度编号 FeSO4MgSO4Al2 SO4 3 M Fe Mg Al A1. 53. 00. 751. 0 B1. 01. 50. 50. 75 C0. 50. 50. 50. 5 图 1 不同投药量情况下不同浓度配方 对垃圾渗滤液 COD 去除率的对比 由图 1 可以看到 ,在投加量 Fe Mg Al 18 5 10 -4 mol 时 , 3 种浓度配方的 PFMAS 对渗滤液 COD去除率的差别较为明显, 浓度越低去除率越高, 可能是因为低浓度配方成品浓度较稀,增大了与渗滤 液接触反应的几率和颗粒碰撞机会 ,同时也存在对渗 滤液的稀释作用 。在投药量 Fe Mg Al 处于最佳 投药量范围 20～ 28 5 10 - 4 mol 时三者的去除效 果相差不大 ,均为 80～ 85, 原料液浓度的影响可 以忽略。高浓度配方处理垃圾渗滤液时投加体积量 比较小 ,应用起来相对比较方便, 同时基本不会影响 COD去除率 。此外, 考虑到絮凝剂浓度太高时在常 温下容易结晶, 要配制一定比例的絮凝剂存在一定困 难,配方的各成分含量难以得到保证 。所以在后面的 配方优化试验研究中 ,将配方所用药品浓度适当降低 一些 ,FeSO4、 MgSO4、 Al2 SO43溶液的浓度宜分别配 制在 1. 5,2. 5, 0. 75 mol L 。 2. 1. 2 PFMAS 铁镁铝配比的优化 首先, 将不同配比 nFe Ⅲ ∶ nMg Ⅱ ∶ nAl Ⅲ 分别为4∶ 0. 35∶ 0. 5,4∶ 0. 35∶ 1,4∶ 0. 35∶ 2 ,4∶ 0. 35∶ 3,4∶ 0. 35∶ 4 的铁镁铝复合絮凝剂进行应用优化试验, 结 果如图 2 A 所示 。从总体上看, 铁镁铝复合絮凝剂 投加量对垃圾渗滤液 COD 的影响变化趋势相近, 在 初始阶段 COD 去除率随着投药量的增加而增大, 投 加量到达某值时 ,COD 去除率趋于平缓 , 继续增加投 药量 COD 去除率又有向上升的趋势, 但增加的幅度 不大 。综合比较上述几种不同配比 PFMAS 处理垃圾 渗滤液的试验 结果, FMA4 -0. 35 -0. 5 配 方 nFe Ⅲ ∶ nMg Ⅱ ∶ nAlⅢ 4∶ 0. 35∶ 0. 5 去除 COD 的 效果最好, COD 去除率高达 70. 52, 相应的铁 、镁、 铝投加量分别为 4. 63,0. 17,0. 28 g L。 然后, 以 nMg Ⅱ ∶ nAl Ⅲ 0. 35∶ 0. 5 不变, 改 变铁的相对比例 ,进行一系列的配比优化试验, 最终 确定铁镁铝复合絮凝剂的最佳配比 。由试验结果图 2 B 可以看出 , 复合絮凝剂 FMA5 -0. 35-0. 5[ nFe Ⅲ ∶ nMg Ⅱ ∶ nAl Ⅲ 5∶ 0. 35∶ 0. 5] 对 COD 的去 除效果最好 ,在投药量为10 mL即铁、镁、铝投加量分 别为 4. 72, 0. 14, 0. 23 g L 时 , COD 去 除 率 可 达 63. 25。从总体上看来 ,随着絮凝剂投加量的增加, COD去除率有增大趋势 , 但并不是呈直线式一直上 升,在一定投加量时 COD 去除率会出现下降 , 当继续 增加投药量时 COD 去除率还会增大。 从图 2 结果比较来看, 铁配比的变化对垃圾渗滤 液COD 去除率的影响大于铝配比变化的影响程度, 同时 Al Ⅲ 的增加并不能提高 COD 去除效果 ,反而 51 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 图 2 铁镁铝不同配比 PFMAS 的 COD 去除率随加药量的变化 略有降低 ;Fe Ⅲ 的增加在一定范围内能较为明显地 提高 COD 去除效果, 但过高反而不好。 这说明 1 Al Ⅲ 和 Fe Ⅲ 形成共聚物, 在吸附电中和、黏结 架桥和沉淀物网捕中共同发挥作用 ,只有当二者配比 最优时其协同作用才最佳 ,处理效果才最好; 2 共聚 物中Al Ⅲ 增多时 , 其吸附电中和 、 黏结架桥和沉淀 物网捕作用较好 ,但絮体的密实性降低 , 沉降速度减 慢而使固液分离效果和污泥脱水性能变差 ; 共聚物 Fe Ⅲ 增加时 , 密实性增强, 密度增大 , 沉降速度加 快,固液分离效果和污泥脱水性能好; 总的混凝沉淀 效果,Fe Ⅲ 增多时的共聚物优于 Al Ⅲ增多时的 共聚物 [ 11] 。 2. 2 PFMAS 熟化温度的优化 熟化温度的高低 ,往往会影响无机高分子絮凝剂 的絮凝性能 [ 12] 。考虑到试验条件下室温为25 ℃ 及水 浴加热震荡器的温度范围 , 试验熟化温度选在 25 ～ 75 ℃。在 nFeⅢ ∶ nMgⅡ ∶ nAl Ⅲ5∶ 0. 35∶ 0. 5、 熟化时间为0. 5 h 、不同熟化温度条件下制备的 PFMAS 的絮凝效果作对比分析 ,如图3 所示。 在不同熟化温度下 , 絮凝剂投药量对 COD 去除 率影响趋势基本一致 ,都是随着絮凝剂投药量的增加 呈上升趋势。熟化温度对絮凝效果具有一定影响 ,但 影响不是很大。在絮凝剂投加量相同条件下 ,熟化温 度为50 ℃的配方对 COD 去除率基本保持在上方, 效 图 3 不同熟化温度下 PFMAS 对 COD 去除率的影响 果最好。其次在熟化温度为60 ℃或70 ℃时对 COD 的去除效果比较好, 投加量为10 mL时 COD 去除率分 别达到 65. 61和 61. 15。相比之下 , 尽管室温 25 ℃ 时最高 COD 去除率也能达到 62. 06, 但 COD 去除率变化趋势线基本上处于下方 , 其去除 COD 的 效果不理想 。所以最佳熟化温度定在50 ℃。 2. 3 PFMAS 熟化时间的优化 熟化时间的长短 ,也会影响无机高分子絮凝剂的 絮凝性能 [ 12] 。对不同熟化时间制备的复合絮凝剂 FMA5- 0. 35- 0. 5 的应用效果进行对比分析 , 考察在 T 50 ℃ 下熟化时间对 COD 去除效果的影响, 试验 结果如图 4 所示 。 图 4 不同熟化时间下 PFMAS 对 COD 去除率的影响 在有效期内熟化时间对的絮凝性能影响不是太 明显 ,其中熟化时间为0. 5 h时 ,COD去除率变化趋势 线基本上处于最上方 ,絮凝效果相对好一些。而在其 他熟化时间条件下 COD 去除率随絮凝剂投加量的变 化趋势图基本一致。因此 ,最优熟化时间为0. 5 h 。 3 结论 1 PFMAS 配方所用 FeSO4、 MgSO4、 Al2 SO43溶 液的浓度宜分别配制在 1. 5 ,2. 5,0. 75 mol L 。 2 PFMAS 配方的最优元素配比条件为 nFe Ⅲ ∶ nMg Ⅱ ∶ nAl Ⅲ5∶ 0. 35∶ 0. 5。熟化温度和熟化 时间对混凝作用的影响不是很大 , 显示了 PFMAS 较 好的稳定性 。在熟化温度 T 50 ℃、熟化时间 t 0. 5 h时,对垃圾渗滤液 COD 的絮凝去除效果最好 。 52 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 3 在最优制备条件和最佳投药量情况下 PFMAS 对垃圾渗滤液预处理 COD去除率可达 60 以上。 4 PFMAS 是铁镁铝 3组分紧密交错结合形成的 高分子长链 , 是通过 OH基键合形成的无机高分子 物质。铁盐 、铝盐和镁盐优势互补, 协调作用, 是 PFMAS 对垃圾渗滤液预处理效果较好的重要原因 。 参考文献 [ 1] 孙红杰, 张万忠, 谷晓昱. 几种絮凝剂的絮凝效果研究. 沈阳化 工学院学报, 2005, 19 4 314 -317 [ 2] Tatsi A A, Zouboulis A I, Matis K A, et al. 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Keywords soil infiltration particle COD wastewater treatment adsorption clogging INFLUENCE OF AERATING GAS-WATER RATIO ON TREATING EFFECT OF CONSTRUCTED WETLANDZhong Qiushuang Wang Shihe Sun Xiaowen et al 42 Abstract The influence of different aerating gas -water ratio on treating effect of constructed wetland was discussed from dissolved oxygen. Seven kinds of gas-water ratios, 0, 2, 4, 6, 8, 10 and12, were selectedfor test operation condition. The result showed that aeration could make the level of DO and treating effect improve obviously, especially the removal rate of TN. Treating effect of wetlandswas bestwhen gas-water ratio was 6, and removal rate of COD, TP, TN and NH3-N was respectively up to 85. 6, 70. 9, 83. 1 and 84. 2, the concentration of NO - 3-N of the effluent was the lowest 6. 32 mg L . Keywords constructed wetland aeration gas -water ratio DO treating effect TREATMENT OF TOILET WASTEWATER FROM PARKS BY COIX CONSTRUCTED WETLAND Li Yan Zhang Jian Li Weijiang et al 45 Abstract Subsurface constructed wetland planted with Coix was used for the treatment of toilet wastewater from parks. The results showed that Coix grew well in constructed wetland. With a hydraulic loading rate of 8 cm d and a hydraulic retention time of 1. 5 d, the average removal efficiencies of COD, NH4-N, TN and TP for constructedwetlandwere 56. 4, 53. 3, 49. 8and 73. 0, respectively. While for the sys - temwithout Coix, the average removal efficiencies of COD, NH4-N , TN and TP were 46. 0, 50. 1, 49. 1 and 68. 1, respectively. Coix can be applied to constructedwetland due to its possibility of pollutants removal aswell as its higher economic benefit. Keywords Coix constructed wetland toilet wastewater NUMERICAL SIMULATION AND COAGULATION OF FLOW FIELD FOR FOLDED PLATE FLOC - CULATORZhang Bingbin YangKaiming Yang Xiaolin et al 47 Abstract FLUENT analytic software was used to numerically simulate the flow field of different angles for a foldedplate flocculator. Then it was compared the flow state of fluids in different folded plate flocculators, whose coagulation effectswere analyzed according to the design condi- tions. Finally some measures were proposed for improving and enhancing the efficiency of the flocculator, which could guide the practical engi- neering design. Keywords FLUENT folded plate flocculator numerical simulation PREPARATION OF Fe -Mg-Al COMPOSITE FLOCCULANT FOR PRETREATMENT OF LANDFILL LEACHATESang Yimin Gu Qingbao Sun Tichang et al 50 Abstract In order to get optimal preparation conditions of Fe -Mg -Al composite flocculant PFMASfor pretreatment of landfill leachate, COD removals of landfill leachate were optimaized by jar test from concentration of raw FeSO4,MgSO4and Al2 SO43, mole ratio of three salts, aging temperature, aging time and dosage. The experimental results of a landfill leachate indicated that the optimal preparation conditions of PF - MAS were as belownFeⅢ ∶ nMg Ⅱ ∶nAl Ⅲ5∶ 0. 35∶ 0. 5, aging temperature50 ℃ and aging time0. 5 h. After pretreatment by PFMAS, COD removal could reach over 60. PFMAS is a kind of inorganic macromolecular copolymer of Fe Ⅲ , MgⅡand AlⅢ , with long macromolecular chains and macrocosmic crystal structure. Keywords landfill leachate inorganic polymer flocculant copolymer of Fe Ⅲ MgⅡand Al Ⅲ COD removal rate preparation optimization THE STUDY ON THE INOCULA FOR BOD5DETERMINATION Cui Jiansheng Wang Fang Wei Fusheng 54 Abstract Three strains screened from the municipalwastewater were used to make the BOD5inocula for BOD5test. The best conditionsfor making the freeze dry power BOD5inoculawere studied. The characteristics of the BOD5inoculawere compared by test on soil leaching solution and commercial Polyseed of GGA s and the actualwastewater s BOD5determinition. The standard deviation of inocula, soil leaching solutionand polyseedwas 3. 60, 8 . 34 and 2. 87 mg L respectively in GGA s experiment, and 8. 5, 33. 2 and 6. 0 mg L in the test of actual wasterwater. Keywords Biochemical Oxygen Demand BOD5 inocula repeatability UATION AND IMPROVING ON THE S OF MONITORING COD IN SEDIMENT- LADEN RIVERHe Zhijuan Xiao Xiangqun Mao Yuxia et al 57 Abstract Based on the analysis of the characteristics of sediments in the Yellow River and the impacts of sediments on the water environ - ments, this paper analyzed the primary problem which existsinmonitoring COD in Yellow Riverwith the prevenient and current monitoring meth - ods. According to which, an improved of monitoring COD was put forward.In this , the concept of non -attenuation COD value of sediment was introduced and the computing ula of the value in lower reaches of the Yellow River was got by experimentation. The experiments 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 6,December,2008