混凝与Fenton联用处理垃圾渗滤液的效能及成本_尹军

第4卷 第5期环境工程学报

V o l .4,N o.5

2010年5月

Ch i n ese Jour nal of Env iron m enta lEng ineeri n g

M ay 2010

混凝与Fent on 联用处理垃圾渗滤液的

效能及成本

尹 军 蒋宝军 吴晓燕 梁 梁 刘 亮 张居奎

(吉林建筑工程学院水污染控制与资源化利用吉林省重点实验室,长春130021)

摘 要 为对混凝/F enton 工艺与F enton /混凝工艺处理垃圾渗滤液的效果和成本进行比较,分别对年轻渗滤液和老龄渗滤液原液按照混凝/F en t on 工艺与Fenton /混凝工艺2种技术路线进行处理。实验结果表明,F enton 试剂对年轻垃圾渗滤液和老龄垃圾渗滤液COD 去除率最高的反应条件为p H =315、H 2O 2和Fe 2+的摩尔比为6、H 2O 2和渗滤液原液的COD 质量比为3、反应时间4h ;在PAC 与渗滤液原液的COD 质量比为0.6时,PAC 混凝对渗滤液原液的COD 去除率最高。在对渗滤液COD 去除率最高的Fenton 反应和PAC 混凝反应条件下,混凝/F enton 工艺对年轻渗滤液和老龄渗滤液的COD 去除率分别为90156%和86156%;F enton /混凝工艺对年轻渗滤液和老龄渗滤液的COD 去除率分别为89199%和85199%,2种技术路线对渗滤液COD 的去除率相差不大,但先PAC 混凝后F enton 氧化工艺比先Fenton 后混凝工艺每t 节省62.6元,是更优化的渗滤液处理工艺。

关键词 垃圾渗滤液 F enton 试剂 PAC COD 去除率

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2010)05-0988-05

E ffect and cost of coagulati on co mbined w ith Fenton for leachate treat m ent

Y i n Jun Jiang B ao j u n W u X iaoyan L iang Liang L i u Liang Zhang Jukui

(J ili n Prov i nce K ey Laboratory ofW ater Poll u tion C ontro l and Res ou rces Reuse ,

Jili n A rch itect u ral and C i vil Engineeri ng Insti tute ,C hangchun 130021,Ch i na)

Abst ract In order to co m pare treat m ent e ffect and costs of coagulation /Fenton process and Fenton /coagu -lation process on leachate treat m en,t young leachate and o l d leachate w ere separately treated by the t w o tech -n iques .The experi m ental resu lts i n d icate that highest C OD re m oval o f Fenton reaction on leachate can be ac -quired under t h e cond itions o f pH =3.5,n H 2O 2/n Fe 2+

=6,m H 2O 2/m COD=3,reaction ti m e=4hours .The experi m ental results a lso indicate that P AC coagu lati o n has the highestCOD re moval on leachate under the cond-i ti o n of m PAC /m COD=0.6.U nder the opti m u m reacti o n cond itions ,coagulati o n /Fenton process and Fenton /co -agulation process w ere separately adopted to treat ra w leachate .The experi m enta l resu lts ind icate t h at C OD re -m ova l o f coagu lation /Fenton process on the young leacha te and the o l d leachate are 90156%and 86156%sepa -rately ;C OD re m oval of Fenton /coagu lation process on the young leachate and the o ld leachate are 89199%and 85199%separately ,no obv ious d ifference .But the cost of coagu lation /Fenton process for leacha te treat m ent is lo w er 6216yuan /t than the cost of Fenton /coagu lation process at leas;t therefore ,coagulati o n /Fenton process is m ore opti m ized than Fenton /coagu lation process for leachate treat m en.t

K ey w ords leachate ;Fenton coagulan;t PAC ;COD re m oval 基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008Z X07207-005-004);吉林建筑工程学院青年科技发展基金项目(J 20091080)

收稿日期:2009-05-25;修订日期:2009-07-08

作者简介:尹军(1954~),男,教授,主要从事水污染控制和污水资

源化技术的研究工作。E-m ai:l h itj uny i n @163.co m

垃圾渗滤液是一种高浓度难降解的有机废水,其COD 浓度一般为2000~80000m g /L,是一般生活污水或工业废水的几十倍甚至几百倍;NH 3-N 含量高达1000~6000m g /L ,是一般生活污水的几十倍[1]

。此外,垃圾渗滤液中还含有十几种重金属离子,成分极其复杂。Fenton 试剂具有催化氧化效果

好、使用方便的特点[2,3]

,近年来,采用Fenton 试剂和混凝/Fen ton 试剂联用工艺处理垃圾渗滤液成为

研究热点[4,5]

,相关的研究成果已有报道,但大都集

中于Fenton 试剂或混凝/Fenton 试剂联用处理渗滤

液的最佳药剂投加量和处理效果上,对混凝/Fenton

第5期尹 军等:混凝与Fenton 联用处理垃圾渗滤液的效能及成本

工艺和Fenton /混凝工艺处理垃圾渗滤液的效果和成本的比较研究则未见报道,而且研究大都是把Fenton 试剂或混凝/Fenton 试剂用于垃圾渗滤液的

后续处理[6,7]

,并未将其用于垃圾渗滤液的原液处理。由于垃圾渗滤液的处理成本要远高于一般生活污水和工业废水的处理成本,因而若能找到混凝/Fenton 工艺处理垃圾渗滤液的最佳技术路线,则可减轻垃圾渗滤液的处理负担,降低垃圾渗滤液的处理费用。本实验采用混凝/Fenton 、Fenton /混凝2种工艺分别处理相同的垃圾渗滤液原液,比较考察了2种处理工艺对渗滤液COD 的去除情况和处理成本。考虑到垃圾渗滤液分为年轻垃圾渗滤液和中老年垃圾渗滤液,两者的水质有所差别,一般来说,年轻渗滤液中可生物降解的有机物占总污染物的比重高于老年垃圾渗滤液。长春三道垃圾卫生填埋场已使用10年以上,进入封场阶段,不再运进生活垃圾,因而实验中取用的长春三道垃圾填埋场的渗滤液属于中老年渗滤液。为了考察2种工艺对年轻渗滤液的处理效果,实验中建立了圆柱形垃圾填埋反应器,里面加入取至垃圾站的新鲜生活垃圾,采用模拟降雨的方式产生垃圾渗滤液,将其近似作为实验中的年轻垃圾渗滤液。

1 实验材料及方法

111 实验材料

实验所使用的垃圾渗滤液为实验室模拟垃圾填埋反应器(图1)产生的年轻垃圾渗滤液原液取自长春市某垃圾卫生填埋场的老年渗滤液原液,水质情况如表1所示。实际渗滤液主要成分是难生物降解的高分子有机物、无机物和重金属离子等,而实验室模拟垃圾渗滤液的降雨用水为蒸馏水,且垃圾成分简单、垃圾量较小,故COD 、氨氮等指标的浓度比实际渗滤液小。采用30%H 2O 2、FeSO 4#7H 2O 聚合氯化铝(PAC )及硫酸等作为整个实验的Fenton 试剂和混凝药剂;主要测定仪器和设备为p H 计、

搅拌

图1 实验室模拟垃圾填埋反应器F ig 11 R eac tor of si m ulated l andfill

器和分光光度计等。

表1 垃圾渗滤液原液水质情况T ab le 1 W ater quality of ra w l eachate

实验室模拟年轻渗滤液

填埋场老龄渗滤液

COD(mg /L )1310031680BOD 5(m g /L)56337603NH 3-N (m g /L)

18794478pH 7.57.2色度(倍)

1340

2580

112 实验方法

取若干份300mL 渗滤液分别置于1L 的烧杯中,加硫酸将渗滤液的p H 值调节至Fenton 试剂氧化的适宜p H 值315,向各个烧杯中投加相同量的

H 2O 2和不同量的Fe 2+,使H 2O 2/Fe 2+

的摩尔比分别为4、415、5、515、6、615和7。将烧杯放到搅拌器

上搅拌1h ,加Na OH 调节pH 至8左右[8]

,然后静沉2h,取上清液测定其COD 和色度。本文定义

H 2O 2和Fe 2+的摩尔比为n H 2O 2/n Fe 2+

,H 2O 2和COD 的质量比为m H 2O 2/m C OD,PAC 和C OD 的质量比为m PAC /m C OD 。

取若干份300mL 渗滤液分别置于1L 的烧杯

中,向烧杯中分别投加不同量的H 2O 2和Fe 2+

,使H 2O 2与渗滤液原液的COD 质量比分别为1、2、3、4、5和6。将烧杯放到搅拌器上搅拌1h ,加N a OH 调节p H 至8左右,再静沉1h ,每隔1h 取上清液然后测定其COD 和色度,直到找到最佳反应时间为止。

取若干份300mL 渗滤液原液,按照对其COD

去除率最高的H 2O 2和Fe 2+

的投加量和反应时间对其进行Fenton 氧化,测定氧化后水样的COD ,再按照PAC 与氧化后水样的COD 质量比分别为012、014、016、018和1,向水样中投加不同量的P AC 。将烧杯放到搅拌器上搅拌1h ,再静沉2h ,取上清液测定其C OD 和色度,计算C OD 去除率。

取若干份300mL 渗滤液分别置于1L 的烧杯中,按照PAC 与渗滤液原液的COD 质量比分别为012、014、016、018、110,向烧杯中投加不同量的PAC ,将烧杯放到搅拌器上搅拌1h ,再静沉2h,取上清液测定其C OD 和色度,计算COD 去除率。将经P AC 混凝处理后的各份上清液水样,按照对其

COD 去除率最高的H 2O 2和Fe 2+

投加量及反应时间,对其进行Fenton 试剂氧化处理,测得处理后的水样C OD 值,计算C OD 去除率。

2 实验结果与分析

211 Fenton 使用分析

在H 2O 2投加量一定(H 2O 2和COD 的质量比为

989

环境工程学报

第4卷

4[9]

)、n H 2O 2/n Fe 2+

不同条件下,Fen ton 试剂对渗滤液COD 的去除情况如图2所示。由图2可知,在

n H 2O 2/n Fe 2+

从4增加到6的过程中,Fenton 试剂对渗滤液COD 的去除率从65.60%增加到83.24%,

当n H 2O 2/n Fe 2+

继续从6增加到7时,Fenton 试剂对渗滤液COD 的去除率开始下降。按照传统的自由基机理,Fenton 试剂对渗滤液中污染物的去除是由于催化产生氧化性极强的#OH,#OH 将污染物

质氧化分解的结果。Fe 2+

在Fenton 反应中起到催

化剂的作用,如果Fe 2+

相对于H 2O 2过少,则不能对H 2O 2充分催化来产生更多的#OH,从而不能氧化分解更多的污染物质,导致Fenton 试剂对渗滤液

COD 去除率降低;相反,如果Fe 2+

相对于H 2O 2过多,则在将H 2O 2充分催化产生最大量#OH 的基础上,由于化学平衡缘故,即使投加N a OH 仍有剩余

的Fe 2+

留在上清液中,构成上清液中的COD,导致Fenton 试剂对渗滤液COD 去除率降低。实验结果显示,在固定H 2O 2和COD 的质量比为4的条件下,当n H 2O 2/n Fe 2+

=6时,Fenton 试剂对渗滤液COD 去除率最高,表明Fenton 试剂处理垃圾渗滤液的最

佳n H 2O 2/n Fe 2+

为6。

图2 不同过氧化氢与亚铁摩尔比时F enton

试剂对渗滤液COD 的去除率曲线F i g 12 C OD remova l curve of Fenton reagent on leachate

under cond iti ons o f d iffe rent n H 2O 2/n Fe 2+

当n H 2O 2/n Fe 2+

=6时,在不同H 2O 2与渗滤液原液C OD 质量比条件下,Fenton 反应时间与渗滤液COD 去除率关系曲线分别如图3和图4所示。由图可知,模拟渗滤液和填埋场渗滤液虽然COD 浓度不同,但Fenton 试剂对其处理效果却有相同的变化规律。随着反应时间的延长,不同m H 2O 2/m COD 条件下的COD 去除率均随反应时间的增加而升高,但在反应进行4h 以后,增加反应时间,COD 去除率几乎没有升高,表明4h 后,Fenton 试剂对渗滤液中污染物质的氧化已基本完成。实验还表明,m H 2O 2/m C OD =3时,Fenton 反应对渗滤液COD 的去除率高于其他m H 2O 2/m COD 条件下Fenton 反应对渗滤

液COD 的去除率。污染物质的种类与数量不同,对

其进行充分氧化的H 2O 2和Fe 2+

投入量也不一样,

渗滤液的COD 浓度越高,投入的H 2O 2量应越多。从实验结果上看,m H 2O 2/m COD=3时,Fenton 试剂最大限度地发挥了氧化渗滤液中污染物的作用,将渗滤液中的高分子有机污染物氧化为小分子物质;

当m H 2O 2/m COD >3时,由于反应体系中Fe 2+

含量过高,导致COD 去除率下降。这一实验结果说明Fenton 试剂对渗滤液的COD 有较高的去除率,在

m H 2O 2/m COD=3和n H 2O 2/n Fe 2+

=6时,Fenton 试剂对渗滤液的C OD 去除率高达88.58%,但由于渗滤液原液的COD 浓度很高,仅经Fenton 试剂处理后的渗滤液浓度仍高达1496m g /L ,表明单纯的Fenton 试剂不能将渗滤液中的有机污染物氧化降解完全。但实验表明渗滤液和填埋场渗滤液的BOD 5/COD 从Fenton 氧化前的0.26和0.38提高到0.58和0.7,提高了可生化性,为后续的生物处理创造了条件。

212 先F enton 氧化后混凝对垃圾渗滤液COD 的去除效能

当n H 2O 2/n Fe 2+

=6、m H 2O 2/m COD =3、反应时

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第5期尹 军等:混凝与Fenton 联用处理垃圾渗滤液的效能及成本

间为4h 时Fenton 氧化并调节p H 后的水样,在不同PAC 投加量下对其COD 的去除率关系曲线如图5和图6所示。由图可知,模拟渗滤液和填埋场渗滤液在经Fen ton 氧化后投加PAC ,COD 去除率均有进一步的提高,但提高幅度不大,而且2种渗滤液都是在P AC 与COD 质量比为0.6时对渗滤液COD 去除率最高,模拟渗滤液为89.99%,填埋场渗滤液为85.99%。在Fenton 试剂不能继续提高对渗滤液COD 去除率的情况下,P AC 仍然能去除一些渗滤液中的COD,说明某些不能被Fenton 氧化的高分子有机物能够通过P AC 混凝沉淀去除。但由于PAC 主要适于去除长链的高分子有机物,而经Fenton 氧化后,渗滤液中的高分子有机物已很少,因此渗滤液的COD 去除率很难通过投加P AC 来提高。PAC 投加过多时,不仅不能提高对COD 的去除率,反而会因为PAC 沉淀不完全导致COD 去除率下降,实验结果显示,在PAC 与COD 质量比为018时,COD

去除率已开始下降。213 先混凝后Fent on 氧化对垃圾渗滤液COD 的去除情况分析

在不同PAC 投加量下,先混凝后Fenton 氧化的垃圾渗滤液COD 去除情况如图7和图8所示。由图可知,在m PAC /m C OD =016时,PAC 混凝对模拟渗滤液原液和填埋场渗滤液原液的COD 去除率最高,分别为38117%和45117%;在m PAC /m COD =016的条件下,渗滤液和填埋场渗滤液的COD 去除率最高,分别达90155%和86155%,略高于先Fenton 氧化再PAC 混凝对渗滤液C OD 的去除率;m PAC /m C OD >016时,COD 去除率下降。PAC 混凝主要

适于去除渗滤液中的高分子有机物质[10,11]

,为增强后续Fenton 氧化的处理效果创造条件,但实际的COD 去除率并不明显高于先Fenton 后混凝方法,说明Fenton 氧化不能将渗滤液中的污染物氧化完全。当m PAC /m C OD >016时,由于投加的PAC 过量,过多的P AC 很难完全沉淀,导致处理后的渗滤液COD

升高。

991

环境工程学报第4卷

3 2种渗滤液处理方案的比较

实验结果表明,采用先混凝后Fenton 氧化工艺和先Fenton 氧化后混凝工艺处理同样的垃圾渗滤液原液,先混凝后Fenton 氧化对垃圾渗滤液COD 的去除率略高于先Fenton 氧化后混凝工艺,但2种方案的差异并不明显。从处理成本角度来看,先混凝后Fenton 工艺比先Fenton 后混凝工艺少消耗了过氧化氢,多消耗了PAC 。

按照本实验对长春三道垃圾填埋场渗滤液的处

理结果,垃圾渗滤液和H 2O 2密度均按1000kg /m 3

计,用COD 浓度为31680m g /L 计算,氧化去除率均为80%,混凝去除率均为45%,则每处理1t 垃圾渗滤液,先Fen ton 氧化后混凝工艺消耗30%过氧化

氢的量为31680@1000@10-6

@3

013

=31618kg ,消耗

的硫酸亚铁量为

31680@1000@10-6

@334@6

@278=129151kg ,P AC 消耗量为31680@(1-80%)@016

@1000@10-6

=61336kg(式中:013为30%过氧化氢,过氧化氢分子量34,七水硫酸亚铁分子量278,其他为单位换算和实验所得最佳比例),按照市场价格,30%过氧化氢为500元/,t 硫酸亚铁为90元/,t PAC 为1100元/,t 处理1t 垃圾渗滤液的费用为177103元。同样对于先混凝后氧化工艺,过氧化氢消耗为174124kg ,硫酸亚铁消耗量为71123kg ,PAC 消耗量为19kg ,此时处理1t 垃圾渗滤液的费用为114143元。以上比较分析表明,在处理相同垃圾渗滤液效果相差不大的条件下,混凝/Fenton 工艺比Fenton /混凝工艺,每处理1t 垃圾渗滤液,节约6216元。且混凝/Fen ton 工艺比Fenton /混凝工艺产生的沉淀少,Fenton 产生的污泥比混凝产生的污泥更难处理,因此混凝/Fen ton 工艺处理垃圾渗滤液费用会更低于Fenton /混凝工艺。

4 结 论

(1)Fenton 氧化对垃圾渗滤液中的污染物质具有很强的催化氧化分解作用,能够氧化分解渗滤液

中很多难于生物降解的有机物。在p H =3.5、n H 2O 2/nFe 2+

摩尔比为6、渗滤液原液的COD 质量

比为3、反应时间为4h 的条件下,采用Fenton 氧化

对COD 浓度为13100m g /L 和31680m g /L 的渗滤液原液的COD 去除率高达90167%和82113%。

(2)聚合氯化铝(PAC )在与渗滤液原液的COD 质量比为016时,对渗滤液原液的COD 去除率最高,为45117%。

(3)采用先PAC 混凝后Fen ton 氧化工艺时,在最佳反应条件下,可将模拟年轻渗滤液和填埋场老龄渗滤液COD 分别去除90155%和86155%;采用先Fenton 氧化后PAC 混凝工艺时,在最佳反应条件下,可将模拟渗滤液和填埋场渗滤液COD 分别去除89199%和85199%,两种工艺对同样水质的渗滤液原液COD 去除率相差不大。但先PAC 混凝后Fenton 氧化工艺可比先Fenton 后混凝工艺每处理1t 垃圾节省6216元。参考文献

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