MFPAC强化混凝一改性矿化垃圾吸附处理垃圾渗滤液

 刘占孟，刘荣荣，聂发辉

 （华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）

 摘要：采用纳米Fe3 04与聚合氯化铝(PAC)复配制备磁性复合絮凝剂MFPAC，利用MFPAC强化混凝一改性矿化垃圾吸附处理垃圾渗滤液。结果表明，MFPAC中适宜的前驱物质量比为m(Fe304):m(PAC) =1:.3，正交实验结果表明，m( Fe3 04)：m( PAC)以及投药量对混凝效果有较为显著的影响，pH和沉淀时间对去除效果影响相对较小，MFPAC对COD和色度的去除效果均优于单独投加PAC，投加量为1.5g／L时，COD和色度去除率分别达到62. 6%和66.5%；采用焙烧法对矿化垃圾进行改性，利用改性矿化垃圾吸附MFPAC混凝出水，在焙烧温度为700℃，吸附剂投加量为40 mg/L的条件下，COD和氨氮的去除率分别为56,7%和68. 4%；MFPAC混凝一矿化垃圾吸附联合工艺对垃圾渗滤液COD、色度和氨氮的去除率分别为83. 8%、78. 5%和74. 3%。

 关键词：纳米Fe304；聚合氯化铝；矿化垃圾；垃圾渗滤液

 随着纳米技术的快速发展，磁性纳米颗粒被越来越广泛地应用于水处理领域。纳米Fe304粒子具有比表面积较大以及容易分离等特点，被广泛应用于各种分离过程。在絮凝剂中引入纳米Fe304可提高絮凝体的密实度和沉降性能，缩短矾花的形成、聚集及沉降时间，改善絮凝行为，从而提高废水中污染物的去除效率。混凝是垃圾渗滤液处理中应用最为普遍的环节之一，研制新型混凝絮凝剂一直是混凝处理垃圾渗滤液的研究热点。然而，混凝对氨氮的去除效果并不理想，矿化垃圾作为一种价格低廉的新型吸附材料具有较好的COD和氨氮吸附效果，对矿化垃圾改性可提高其对废水的吸附性能。因此，将纳米Fe304与PAC复配制备新型磁性复合絮凝剂MFPAC，采用MFPAC强化混凝一改性矿化垃圾吸附联合工艺处理垃圾渗滤液，为垃圾渗滤液低成本运行提供一定的技术指导。

1实验

1.1  实验试剂

 实验所用试剂PAC为化学纯；FeCl3.6H20、盐酸、H2S04、NaOH、NaH2P04、丙酮、NH3．H20、无水乙醇均为分析纯。

1.2实验水样

 实验水样取自南昌市麦园垃圾填埋场，废水外观呈黑褐色，带有恶臭味，主要水质指标如下：COD为5 146—6 553 mg/L；氨氮质量浓度为1 063~1 648 mg/L;色度为1 360～2 160倍；pH为6.8~8.2。1.3 MFPAC磁性复合絮凝剂的制备

 纳米Fe3 04制备：MFPAC前驱物纳米Fe30。采用化学还原法制备。

 MFPAC制备：将一定量的纳米Fe304加入盛有300 mL蒸馏水的三角烧瓶中，用磁力搅拌机快速搅拌直至磁性粒子在蒸馏水中完全混合均匀，缓慢加入一定量的PAC溶液，快速搅拌的同时，用20 min滴加20 mL的NaH2P04( 10 mL/g)作为稳定剂。快速搅拌2h后，再慢速搅拌2h，利用真空抽滤机（膜孔径为0.22 ym）将溶液进行分离，将分离得到的絮体在真空干燥箱（温度为80cC，时间为24 h）下烘干，烘干所得固体在玛瑙研钵研成粉末即得到MFPAC混凝剂。

1.4矿化垃圾改性

 矿化垃圾：矿化垃圾取自南昌市麦园垃圾填埋场1997-2000年填埋单元，经过简单的分选，剔除颗粒较大的石子、橡胶塑料以及木棒等杂物后，在实验室自然晾干后取粒径0~ 2mm部分。

 焙烧活化改性：将盛有矿化垃圾的坩埚置于马弗炉内，改变炉内温度从100~ 800℃，焙烧2h后取出，冷却至室温，制备不同焙烧条件下的改性矿化垃圾。

1.5实验方法

 混凝实验：采用烧杯搅拌实验，将200 mL的垃圾渗滤液加入到300 mL烧杯中，用H2S04和NaOH调节pH后加入絮凝剂，在搅拌速度为300 r/min下快速搅拌1min，在100 r/min下慢速搅拌30 min，之后静置一定时间，采用微波密闭快速消解法和紫外分光光度计法测定上层清液的COD和色度。

 吸附实验：取20 mL混凝出水水样、一定量矿化垃圾置于100 mL锥形瓶中进行混合，在恒温振荡器中以振荡速度为150 r/min进行吸附试验，再将混合液用离心机以3 000 r/min速度离心10 min，取上层清液测定COD和氨氮质量浓度。

2  结果分析与讨论

2.1  磁性复合絮凝剂MFPAC强化混凝

2.1.1MFPAC中Fe3 04与PAC质量比优化

纳米Fe304与PAC质量比是影响MFPAC混凝效果的重要因素。通过制备不同m( Fe304)：m( PAC)的MFPAC产品处理垃圾渗滤液，结果如图1所示。

 随着纳米m( Fe304): m( PAC)的增加，COD和色度的去除率均逐渐增加．在m( Fe304):m(PAC)=1：4时，色度的去除率达到最高值64. 4%，当m( Fe，04): m,(PAC)增加至1：3时，COD去除率达到最高值55.7 %，此时色度去除率为62. 5%。随着m( Fe304): m( PAC)的继续增加，COD和色度的去除率均大幅度降低，当m(Fe304): m,(PAC)为1：1时，COD和色度的去除率仅为35.6%和41. 6%。综合考虑COD和色度的去除率，在m(Fe304)：m( PAC)为1：3时，COD去除率最大，尽管色度去除略有降低，但去除率依然较高，因此确定制备MF-PAC采用m(Fe304):m(PAC) =1:3是适宜的。

2.1.2MFPAC强化混凝影响因素比较

MFPAC絮凝剂中，m( Fe304)：m,( PAC)、投药量、渗滤液初始pH、沉淀时间等是影响混凝效果的主要因素。在前期实验基础上，以COD和色度去除率为指标进行四因素、三水平的L。(34)正交实验，比较各个因素的相互交叉影响。正交实验因素及水平如表1所示，正交实验结果如表2所示。

 正交实验中，选用2个考核指标：COD和色度去除率，分析方法采用综合评分法中的指标叠加法；对于MFPAC强化混凝处理垃圾渗滤液，COD是最重要的参考指标，因此综合指标中COD叠加系数取0.6，色度取0.4。综合指标=0.6×COD去除率+0.4×色度去除率。

 S为离差，离差越大，该因素对实验指标的影响也越大，由表2中可看出，各因素对混凝效果的影响程度如下：m( Fe，0。)：m(PAC)>投药量> pH>沉淀时间。因此，m( Fe304): m( PAC)和投药量对去除效果有较为显著的影响；pH和沉淀时间对混凝效果影响相对较小。

2.1.3不同絮凝剂对垃圾渗滤液的絮凝效果

 在相同实验条件下，分别采用PAC与MFPAC处理垃圾渗滤液，结果如图2所示。由图2可以看出，相比于PAC，采用纳米Fe3 04与PAC复配制备的MFPAC磁性絮凝剂无论对COD还是色度的去除均有较大的改善。随着PAC、MFPAC的投加量的增加，COD和色度的去除率呈先增加后减少的趋势。当投药量为1.5 g/L时，MFPAC对COD的去除率达到最大值，为58. 9%，而此时PAC对COD的去除率仅为46.5%。色度去除率最大值出现在MFPAC投加量为1.75 g/L，色度的去除率为66. 8%，相同投药量下PAC对色度的去除率仅为53. 4%。这是因为：一方面纳米Fe30。具有较大的比表面积以及较强的吸附废水中悬浮物的能力，在絮凝过程中成为矾花的核心，起到异相成核的作用，提高絮凝体的密实度和沉降性能，缩短了矾花的形成、聚集及沉降时间，从而增强聚合硫酸铁的絮凝作用；另一方面纳米Fe3 04带有磁性，其投加量较多时，更容易与絮凝剂絮体结合形成更为紧密的磁絮凝，此外增加了磁性粒子间的相互吸引力，从而增加凝聚成大的絮体的颗粒数量，达到较好的凝聚效果。

 当MFPAC投加量大于1.75 g/L时，随着投药量的继续增加，COD和色度均逐渐降低，原因在于MFPAC投加量较多导致纳米Fe304投加过量，带有磁性Fe3 04之间会发生自凝聚，不再与絮凝剂的絮体进行结合形成复合紧密的磁絮凝体，不能起到异相成核作用，导致其絮凝性能下降。此外MFPAC投加量较大时，会将废水中已脱稳的胶体颗粒表面重新带上较多的正电荷而出现胶体再稳现象，导致混凝效果变差。尽管MFPAC投加量为1.5 g/L，色度的去除不是最佳，但色度的去除依然高达64.7 %，综合考虑，确定MFPAC的最佳投加量为1.5 g/L。

2.2矿化垃圾吸附处理垃圾渗滤液

 垃圾渗滤液混凝出水作为吸附用水样，水质如下：COD为1 730~2 670 mg/L；氨氮质量浓度为760～1 410 mg/L；色度为460~ 814倍；pH为6.5~7.8。

2.2.1  焙烧改性对矿化垃圾吸附效果的影响

不同焙烧温度下的矿化垃圾改性产品对混凝后出水的吸附效果如图3所示。

 COD和氨氮的去除率随着焙烧温度的增加而逐渐增大，当焙烧温度为700C时，COD和氨氮的去除率达到最大值55.7%和64.2 %。随着焙烧温度的继续增加，COD和氨氮的去除率有所下降，焙烧温度为800℃时，COD和氨氮的去除率下降至44.3 %和60. 7%。这是由于随着焙烧温度的增加，矿化垃圾的孔道逐渐增多，其比表面积由此增大，但焙烧温度大于700℃时，增加焙烧温度容易导致矿化垃圾的结构水丢失，导致矿化垃圾的结构破坏而坍塌，从而使其内部的微孑L被堵塞，降低其比表面积，而此时矿化垃圾中载有的一定质量分数的氧化物活性被烧结死，从而大大降低矿化垃圾的吸附性能[1 0]，因此焙烧的最佳温度为700℃。

2.2.2  吸附剂量对吸附效果的影响

吸附剂量对COD和氨氮的吸附效果如图4所示。由图4可以看出，随着矿化垃圾投加量的增加，COD和氨氮的去除率逐渐增加最终趋于平衡。这是因为增加吸附剂的投加量能增加吸附的表面积，导致参与吸附的官能团数目增加，从而为吸附提供更多的活性位点，所以在渗滤液中增加吸附剂的投加量能有效地提高COD和氨氮的去除率，当吸附剂投加量达到一定时，吸附剂对污染物的吸附逐渐达到饱和，因此，最终COD和氨氮的吸附趋于平衡。

 对于渗滤液中COD的吸附，当吸附剂投加量为40 mg/L时，COD的去除率达到最大值57. 3%，而此时氨氮的去除率为66. 7%；当吸附剂投加量由40 mg/L增加到60 mg/L时，氨氮的去除率达到最大值71. 1%，尽管氨氮的去除率有所增加，但其增加并不明显；当吸附剂的投加量为20 mg/L时，矿化垃圾对COD和氨氮的吸附量同时达到最大值，其吸附量分别为20.85 mg/g和22.95 mg/g。当吸附剂的投加量大于20 mg/L时，吸附剂对COD和氨氮的吸附量随着吸附剂投加量的增加而减少，这是因为吸附剂投加量增加所造成的凝结会导致吸附剂总面积减小，增长有机污染物到吸附剂的扩散路径，再加上吸附点本身就不饱和，造成单位吸附量降低，从而导致单位吸附量降低。

3结论

 基于纳米Fe3 04与PAC复配制备的MFPAC磁性复合絮凝剂处理垃圾渗滤液，对COD和色度的去除效果优于单独投加PAC，适宜的纳米Fe3 04与PAC质量比为1：3。m( Fe304)：m( PAC)与投药量对混凝效果影响较为显著；pH和沉淀时间影响相对较小。在MFPAC投加量为1.5 g/L条件下，COD和色度去除率分别达到62.6 %和66.5%。

 改性矿化垃圾可有效消减MFPAC强化混凝后水样中COD和氨氮的质量浓度，尤其对氨氮有很好的吸附效果，利用改性矿化垃圾吸附混凝出水，在焙烧温度为700℃，吸附剂投加量为40 mg/L的条件下，COD和氨氮的去除率分别为56. 7%和68. 40/0。

 采用纳米Fe3 04强化混凝一改性矿化垃圾吸附处理垃圾渗滤液，最终COD、色度和氨氮的去除率分别达到83. 8%、78. 5%和74.3%。