垃圾渗滤液深度处理

Posted 2023-01-15 垃圾

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垃圾渗滤液的处理是近些年环境工作者研究的热点和难点之一〔1, 2〕，其处理比工业废水、生活污水要困难得多。垃圾渗滤液经传统生物法处理后，出水中仍含有大量环烷烃、酯类、羟酸类及苯酚类等有毒有害物质，需对其进行深度处理，才能达标排放。虽已有学者对垃圾渗滤液深度处理技术做了许多研究，也总结了许多方法〔3, 4〕，但都有其各自的弊端。因此，寻找更环保、低耗、高效的深度处理技术对中国乃至全世界都具有重大意义。

粉煤灰是燃煤电厂焚烧煤炉排出的一种工业废渣，目前我国每年以近1.8 亿t 的速度排放，并且有逐年上升的趋势，但能被重复利用的粉煤灰还不到 30%〔1〕。未被利用的粉煤灰不仅占用了大量土地，而且由于其粒细质轻，容易随风飘迁，造成环境污染，因而粉煤灰的综合利用已成为当代环境工作者研究的热门课题。近年来，粉煤灰在水处理领域中的应用日益增多〔5 -6〕。粉煤灰的主要化学成分为SiO2、 Al2O3、Fe2O3、CaO 等，具有一定的吸附能力，但由于其表面结构致密，若直接使用则吸附效率较低。为提高粉煤灰的吸附效率，本实验采用微波改性粉煤灰，考察了其最佳微波改性条件并对微波改性后的粉煤灰进行了表征，同时探讨了吸附时间、pH 和改性粉煤灰投加量等对改性粉煤灰深度处理垃圾渗滤液的影响，为其实际应用提供必要的科学依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

粉煤灰：取自莆田市某火电厂。经XRF 分析显示其主要化学成分（以质量分数计）为SiO2 58.3%、 Al2O3 21.1%、Fe2O3 8.1%、CaO 5.1%、MgO 1.1%等。由于SiO2 和Al2O3 的含量丰富（约近80%），为吸附反应提供了大量的Si、Al 活性点，有利于吸附反应的粉煤灰；Fe2O3 含量适中，在一定程度上可以促进反应过程中的离子交换以及更好地进行絮凝和沉淀。 XRD 分析显示粉煤灰的晶相是莫来石（3Al2O3· 2SiO2）和石英（SiO2）。

垃圾渗滤液：取自莆田市某垃圾填埋场厌氧- 好氧生化处理后的出水，CODCr 约为420～510 mg/L， BOD5/CODCr<0.2，其中大部分有机物为难生物降解物质，色度为0.704 （以吸光度表示，吸收波长 254 nm），pH 为5.8。

试剂：K2Cr2O7、HCl、NaOH、Fe2 （SO4）3、H2SO4、 Ag2SO4，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验仪器

SEM-S4800 型扫描电镜，日立公司； XRF-1800 型X 射线荧光光谱仪，日本岛津公司；DX-2000 型 X 射线衍射仪，丹东方圆仪器有限公司；HH-5 型 COD 快速测定仪，江苏江分电分析仪器有限公司； JJ-4 六联同步测速搅拌器，国华仪器有限公司； G70F23N1P-G5（W0）格兰仕微波炉，广东格兰仕集团有限公司；UVmini-1240 型紫外-可见分光光度计，日本岛津公司；pHS-25 型酸度计，上海精密科学仪器有限公司；DHG-9246A 电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；BS224S 电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；SHA-B 水浴恒温振荡器，上海申胜生物技术公司；D250 标准套筛。

1.3 实验方法

粉煤灰预处理：用蒸馏水清洗粉煤灰3～4 次，在振荡器里振荡30 min，沉淀，除去上部浑浊的液体；将清洗后的粉煤灰在干燥箱中于105 ℃干燥 24 h，冷却至室温，备用。

改性方法：将100 g 预处理后的一定粒径的粉煤灰在不同微波功率下活化一段时间，取出，冷却至室温，装入密封袋中备用。

实验方法：取150 mL 垃圾渗滤液置于250 mL 烧杯中，加入一定量不同改性条件下制备的微波改性粉煤灰，将烧杯置于搅拌器下搅拌反应一段时间后，静置1 h，过滤，取上层清液测定CODCr 和色度，并计算CODCr 和色度去除率以判断微波改性粉煤灰对垃圾渗滤液的吸附性能。

1.4 分析方法

（1）pH 的测定。水样pH 采用pHS-25 精密pH 计进行测定。

（2）CODCr 的测定。CODCr 采用库仑滴定法进行测定，并由此计算CODCr 去除率。

式中：C0———原水样的 CODCr，mg/L；

C———处理后水样的 CODCr，mg/L。

（3）色度的测定。色度采用紫外-可见分光光度计进行测定，并由此计算色度去除率。

式中：A0———原水样的吸光度；

A——处理后水样的吸光度。

（4）扫描电镜分析（SEM）。采用扫描电子显微镜对改性前后粉煤灰的表面结构进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同方法处理的粉煤灰吸附效果对比研究

为了考察不同方法处理的粉煤灰对垃圾渗滤液吸附处理效果的影响，选择原水样pH，分别称取不同方法处理的75 μm 粉煤灰2.5 g 进行吸附反应，吸附时间为100 min，结果如表 1 所示。

由表 1 可知，在相同条件下，经水洗预处理的粉煤灰对垃圾渗滤液中的CODCr 和色度的处理效果比未经处理的粉煤灰略有提高，但并不显著；而粉煤灰经微波改性后，对垃圾渗滤液中的CODCr 和色度的处理效果均大幅度提高，CODCr 去除率由14.20%提高至34.20%，色度去除率由30.40%提高至58.70%，说明微波改性后粉煤灰的吸附能力显著提高，这可能是因为微波改性既会影响粉煤灰表面的孔隙结构，又会影响粉煤灰表面的化学性质，同时还可使活化过程速率加快，化学反应历程改变，降低反应活化能等〔7〕，最终使微波改性粉煤灰活性大增。因此，以下实验均以微波改性粉煤灰作吸附剂。

2.2 微波改性条件对粉煤灰吸附性能的影响

2.2.1 微波功率的影响

实验所用微波炉功率为700 W，共10 档，取其中的5 档（分别取总功率的20%、40%、60%、80%、 100%）。取75 μm 预处理后的粉煤灰，采用不同微波功率活化10 min，制备微波改性粉煤灰。维持原水样 pH，取2.5 g 微波改性粉煤灰进行吸附反应，吸附时间为100 min。微波功率对微波改性粉煤灰吸附性能的影响如图 1 所示。

图 1 微波功率对微波改性粉煤灰吸附性能的影响

由图 1 可知，随着微波功率的增大，CODCr 和色度去除率均逐渐升高，当微波功率达到420 W 时，微波改性粉煤灰对垃圾渗滤液中的CODCr 和色度的去除率均达到最大，分别为37.80%和62.32%；继续提高微波功率，CODCr 和色度去除率均有所降低。这是因为在微波改性过程中粉煤灰的通道被逐渐打开且空穴半径增大，又新生了很多微孔，故其吸附效率大大提升；但过高的微波功率却可能破坏了粉煤灰的晶格空穴，烧塌或堵塞了粉煤灰的孔道，造成了吸附效率下降〔8〕。

2.2.2 微波活化时间的影响

以420 W 微波功率在不同的活化时间下活化 75 μm 预处理后的粉煤灰，制备微波改性粉煤灰。维持原水样pH，称取2.5 g 微波改性粉煤灰进行吸附反应，吸附时间为100 min。微波活化时间对微波改性粉煤灰吸附性能的影响如图 2 所示。

图 2 微波活化时间对微波改性粉煤灰吸附性能的影响

由图 2 可知，微波活化时间＜10 min 时，随着微波活化时间的增加，CODCr 和色度去除率增大；微波活化时间为10 min 时，CODCr 和色度去除率同时达到一个高峰值，分别为39.81%和62.80%；继续增加微波活化时间，CODCr 和色度去除率反而降低。其原因可能是在微波活化时间＜10 min 时，随着微波活化时间的增加，粉煤灰内的表面吸附水和层间水迅速气化逸出，促进了其内部空隙的形成和结构的畅通，吸附性能逐渐增强；当微波活化时间达到10 min 时，粉煤灰内部可逸出的水分减少，粉煤灰孔隙和通道达到一个最大值，此时吸附性能最强；若继续延长活化时间（＞10 min），粉煤灰内部温度继续上升，因其内部缺乏散热条件致使其孔隙和通道的结构被 “软化”，导致样品粉化，致使其吸附性能下降。故后续实验均采用10 min 作为微波活化时间。

2.2.3 粉煤灰粒径的影响

以420 W 微波功率活化不同粒径的粉煤灰 10 min，制备微波改性粉煤灰。维持原水样pH，称取 2.5 g 微波改性粉煤灰进行吸附反应，吸附时间为 100 min。粉煤灰粒径对微波改性粉煤灰吸附性能的影响如图 3 所示。

图 3 粉煤灰粒径对微波改性粉煤灰吸附性能的影响

由图 3 可知，当粉煤灰粒径为58 μm 时，CODCr 和色度去除率分别达到41.62%和64.25%；继续筛选更细的粉煤灰，CODCr 和色度去除率基本保持不变。这是因为粒径越小，粉煤灰的比表面积越大，改性粉煤灰的吸附能力发挥得越充分，但当达到一定值后，吸附达到饱和，此时继续减小粒径对吸附性能影响不大，因此后续实验均采用粒径为58 μm 的粉煤灰进行微波改性。

2.3 改性前后粉煤灰的SEM

在最佳改性条件下对粉煤灰进行改性，制得微波改性粉煤灰。采用扫描电镜对改性前后粉煤灰的表面结构进行分析，结果表明，原粉煤灰中有许多玻璃体微珠，粒形规则完整，表面光滑，质地致密，比表面积小；微波改性后粉煤灰中有多孔的玻璃体和海绵多孔体，其颗粒表面变得粗糙，具有多孔结构，比表面积大大增加，说明微波加热具有非常优异的扩孔、增容、提高比表面积的作用，同时由于微波加热的高温作用，也能除去其中部分有机基团，因此微波改性粉煤灰具有很强的吸附性。故后续实验中均以最佳条件下制备的微波改性粉煤灰作为吸附剂对垃圾渗滤液进行深度处理。

2.4 吸附条件对微波改性粉煤灰吸附效果的影响

2.4.1 吸附时间的影响

维持原水样pH，称取4 g 微波改性粉煤灰进行吸附反应，考察吸附时间对吸附效果的影响，结果如图 4 所示。

图 4 吸附时间对CODCr和色度去除率的影响

由图 4 可知，实验初期，CODCr 和色度去除率均随着吸附反应时间的延长而增加，当吸附时间为 100 min 时，CODCr 和色度去除率均达到最大，分别为46.05%和81.16%。继续增加吸附时间，CODCr 和色度去除率趋于稳定。这是因为微波改性粉煤灰对垃圾渗滤液中的有机物的吸附达到饱和状态后，溶液呈现出吸附平衡，此时继续延长吸附时间，去除率的提高不明显，因此取100 min 作为最佳吸附时间。

2.4.2 pH 的影响

调节水样pH 分别为3、4、5、6、7、8，称取4 g 微波改性粉煤灰对其进行吸附反应，吸附时间为 100 min。实验结果表明，pH 对吸附效果的影响较大，当pH 为5 或6 时，CODCr 和色度去除率达到高峰值，CODCr 去除率分别为43.30%、43.77%，色度去除率分别为72.22%、71.98%。水样过酸或过碱都不利于改性粉煤灰的吸附，这是因为吸附剂表面电荷特性和被吸附物质的存在形式受到pH 的影响。pH 越小，即H+越多，H+会和水样中的阳离子发生竞争吸附，从而占据粉煤灰孔道，造成其他阳离子甚至有机物被吸附的机率降低，使粉煤灰吸附效率下降；而当水样呈碱性时，会造成吸附剂表面堵塞，影响吸附效果〔9〕。综合考虑，直接采用原水样的pH 即可。

2.4.3 微波改性粉煤灰投加量的影响

维持原水样pH，称取不同量的微波改性粉煤灰进行吸附反应，吸附时间为100 min。微波改性粉煤灰投加量对吸附效果的影响如图 5 所示。

图 5 改性粉煤灰投加量对CODCr和色度去除率的影响

由图 5 可知，随着微波改性粉煤灰投加量的增加，CODCr 和色度去除率快速上升，当微波改性粉煤灰投加量增至4 g 时，CODCr 和色度去除率均达到最大值，分别为42.63%和69.57%；继续增加微波改性粉煤灰投加量，两者的去除率趋于稳定。这主要是因为微波改性粉煤灰投加量越多，粉煤灰可用的吸附交换位置越多，吸附有机物也就越多。但水样中能被吸附的有机物含量是一个定值，因此当微波改性粉煤灰投加量恰好将水样中能被吸附的有机物完全吸附，使水样内部呈现离子交换平衡时，继续增加微波改性粉煤灰投加量，CODCr 和色度去除率基本不再变化。故选取4 g 为最佳粉煤灰投加量。。

3 结论

（1）微波改性粉煤灰对垃圾渗滤液中的CODCr 和色度的去除效果明显优于未改性粉煤灰，CODCr 和色度去除率最高分别可达46.05%和81.16%。

（2）粉煤灰改性的最佳条件：微波功率为420 W，微波活化时间为10 min，粉煤灰粒径为58 μm。

（3）通过扫描电镜对粉煤灰改性前后的表面结构进行分析，结果表明，微波改性后的粉煤灰比表面和孔隙度增大，吸附孔道增多，对垃圾渗滤液中的 CODCr 和色度能起到更好的吸附效果。

（4）改性后粉煤灰吸附的最佳条件：对150 mL 水样，吸附处理时间为100 min，pH 为5.8，粉煤灰投加量为4 g。