超磁混凝工艺应急垃圾渗滤液预处理实验研究

时间：2024-07-06

黄付平黄智宁黄枰覃岳隆龙朝金何少媚覃霞

【摘要】垃圾渗滤液是一类性质复杂、水质成分波动大、富含难降解有机物的高污染废水。我国南方降雨丰沛，雨季渗滤液产生量往往超过常规设计处理量，增加了垃圾渗滤液处理站压力，给周边环境带来较大的生态安全隐患。文章采用超磁混凝技术对垃圾渗滤液进行实验，筛选最佳混凝剂、优化工艺条件、磁种混凝条件。结果表明，在优化条件下中试应急设备处理垃圾渗滤液，COD、BOD5、氨氮去除率分别达到为86%、70%、73%，磁种回收率达96%以上，HRT仅为60 min，达到快速应急处理目的，设备出水水质稳定，可生化性显著提高（BOD5/COD≥0.58），为后续深度达标处理提供了稳定预处理水质保障。超磁混凝工艺技术能有效去除垃圾渗滤液中的COD、氨氮含量，提高处理尾水可生化性能，具有处理效率高、设备简单、占地面积少、效果稳定等特点，为垃圾渗滤液应急处理提供了很好的解决方案。

【关键词】垃圾渗滤液;超磁混凝;中试;磁种回收

【中图分类号】X703 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）11-0070-04

随着人民生活水平的提高，生活垃圾的产生量也日益增加，据统计，自2016年起全国生活垃圾处理量已超过2亿t/年，且该数据呈逐年递增的趋势[1]。卫生填埋是我国处理生活垃圾的主要方式，垃圾处理量占50%以上，其产生的垃圾渗滤液具有污染物浓度高、水质组分复杂、毒害性强和难处理等特点，随着填埋场年限延长，其产出的老龄渗滤液难降解有机物比例增大，微生物营养元素比例严重失调，生化处理难度越来越大[1，2]。目前，我国已应用的垃圾渗滤液处理主流工艺有“UASB厌氧+MBR+纳滤/反渗滤”和“两级DTRO工艺”两种，但经长期运行实践分析，该两种工艺存在系统设备投资大、建设周期长、操作复杂、设备维护费用高昂等问题，一旦设施出现问题或处理水量波动变化大，很难适应垃圾渗滤液处理需求，尤其在雨季，我国南方的许多垃圾渗滤液处理站常满负荷运转处理仍未能满足其产生量的处理要求，必须额外增加处理设施进行协同处理才能确保降低外溢的风险[2，3]。因此，研发处理效率高、用时短、成本低、占地少、适用范围广、能满足应急处理的垃圾渗滤液处理技术工艺及相关处理设备十分必要。

磁混凝技术是近几年热门的新兴水处理技术，具有占地面积小、水力负荷高、节省药剂投加量、产水水质好、启动快、成本低廉等优点[4，5]，越来越多地应用在包括黑臭水体、重金属废水、含油废水等废水应急处理领域，但其在垃圾渗滤液处理方面仍处于实验室研究阶段[6]。因此，本研究采用磁混凝技术处理垃圾渗滤液，通过小试和中试设备实验研究，优化磁混凝、絮凝、磁种回收等工艺条件和设备参数，以期为城市生活垃圾卫生填埋场渗滤液处理提供一套经济、可行、高效的处理工艺设备。

1 实验部分

1.1 试验材料

试验所使用的垃圾渗滤液原液由广西某县生活垃圾卫生填埋场提供，废水外观呈黑褐色，带有恶臭味，其主要水质特征如下：pH值为6.8～8.2，COD为4 031～4 410 mg/L，氨氮为1 868～2 180 mg/L，BOD5为1 017～1 360 mg/L，色度为1 360～2 160倍，生化指标BOD5/COD平均约0.27，表明垃圾渗滤液可生化性能较差，直接利用生化法难以有效去除难降解有机物。

渗滤液处理主要用到的试验药剂材料包括硫酸铝、氯化铁、聚合硫酸铁（PFS）、聚丙烯酰胺（PAM配置成1%溶液）、氢氧化钠和磁种（专利产品为ZL201510960137.6，主要成分为Fe3O4）。

1.2 实验方法

（1）小试实验：通过烧杯实验确定设备混凝反应优化条件，包括混凝剂种类、投加量、PAM用量、磁种投加量、初始pH值等。试验步骤如下：取200 mL垃圾渗滤液原水调节pH值，在一定搅拌方式下加入混凝剂混凝，然后加入磁种磁化，最后加入0.5 mL的PAM絮凝，反应完成后静置沉淀5 min，取上清液过滤分析检测COD和氨氮浓度。

（2）中试实验：主要针对超磁混凝应急设备处理垃圾渗滤液进行调试优化，将垃圾渗滤液原液以一定流量流速泵入磁混凝反应系统进行处理，参照前期小试实验条件优化参数，经加药系统连续投加一定量的pH调节剂、混凝剂、磁种（通过磁回收系统投加）和絮凝剂，处理后废水经磁混凝沉淀后进入中间水池，污泥经过磁回收系统回收磁种后经污泥沉降池沉降、压滤机深度脱水处理，整个系统连续运行12 h，每隔1 h取进出水水样测定COD、BOD5和氨氮浓度。

（3）磁种回收实验：主要是检测超磁混凝应急设备对磁种的回收效率，降低磁种损耗以降低药剂使用量。以磁回收系统入口及磁粉循环出口取样测定磁回收系统分离磁种效率，具体操作如下：试验设备稳定处理1 h后，每隔20 min分别在磁回收设备进出水口处用量筒取水样500 mL，参考阳旭等人[7]的研究方法将水样清洗→过滤→烘干→称重，将进水口磁粉的量减去出水口磁粉的量作为回收的磁粉的量，最终取样次数为3次。

1.3 分析方法

BOD5采用稀釋与接种法（GB 7488—87）测定，COD 采用重铬酸钾法（GB 11914—8）测定，氨氮采用纳式剂比色法（GB 7479—87）测定，pH值采用玻璃电极法（GB 6920—86）测定，色度采用稀释倍数法（GB 11903—89）测定。

2 结果与讨论

2.1 超磁混凝小试实验研究

2.1.1 常规混凝实验

混凝剂种类和投加量在磁混凝反应中起决定性作用。通过前期探索，确定硫酸铝、氯化铁、PAC、PFS 4种混凝剂的投加量在2.5、5、10、15、20、25 mg/L范围内进行实验。当4种混凝剂的投加量超过10 g/L时，COD的去除率的变化幅度有所减小，其中PFS对COD和氨氮的去除效果最明显，当投加量大于15 g/L时，COD、氨氮的去除率分别达到80.0%和71.0%（如图1所示）。此外，在实验过程中发现，PFS混凝形成的絮体比其他3种混凝剂更为粗大，絮体的沉降速度更快，污泥量产生较少。因此，选择PFS作为处理垃圾渗滤液的混凝剂。

2.1.2 超磁混凝实验

（1）混凝剂投加量对超磁混凝的影响。在选定PFS为最佳混凝剂后，进一步对PFS投加量（13、14、15、16、17、18 g/L）对出水COD去除率影响实验。结果表明，COD去除率随着聚铁投加量的增加先有所上升，且当投加量为16 g/L时，COD、氨氮去除率达到最高值，分别为83.0%和71.5%，此时继续增加PFS的投加量去除率呈现下降趋势，混凝剂的最佳投加量为16 mg/L时。表明PFS在投加量较低时，在水解产物的作用下垃圾渗滤液中的胶体双电层稳定性被破坏，脱稳并与正电荷阳离子聚集形成絮体沉降下来，此时COD去除率快速上升;而当PFS加量过多时，产生“胶体保护”现象[8]，从而出现胶体再稳，使COD的去除率降低。

（2）磁种投加量对超磁混凝的影响。在PFS投加量为16 mg/L条件下，选择磁种投加量为10、20、30、40、50、60 g/L对出水COD、氨氮去除率影响实验。结果表明，COD去除率在磁种投加量为30 g/L时达到最高值83.5%。磁种投加量从10 g/L增加至30 g/L时，氨氦去除率变化范围为70.6%～73.4%，提升变化不大，此后氨氮去除率几乎不受磁种增加量的影响。因此，选择30 g/L作为磁种的最佳投加量。

（3）助凝剂投加量对超磁混凝的影响。在PFS投加量为16 g/L、磁种投加量为30 g/L条件下，设置助凝剂投加量范围为5、10、20、30、40 mg/L进行渗滤液处理实验。结果表明，PAM的投加量增加至20 mg/L时，COD的去除率提高到85.6%，继续增加投加量时，COD去除率出现了略微下降趋势;投加量大于20 mg/L时，氨氮去除率保持在72.0%左右。PAM是有机高分子絮凝剂，它能有效且快速地增大絮体的尺寸和强化絮状物的牢固程度，使絮凝体快速与水分离;但作为一种高分子有机物质，若PAM投加过多会增加COD的含量，也会使出水的黏度增加，对于废水的后续处理不利[8]。综上考虑，选取20 mg/L作为PAM的最佳投加量。

（4）反应初始pH值对超磁混凝的影响。在PFS投加量为16 g/L、磁种投加量为30 g/L、PAM投加量为20 mg/L的条件下，选取pH值为4～11进行垃圾渗滤液处理实验。结果表明，在初始pH值小于7.0即酸性时，氨氮和COD去除率相对较低，分别低于70%和83%;当初始pH值大于7.0为碱性时，氨氮和COD去除率随着pH值增大而缓慢上升，当pH值等于10.0时，氨氮和COD去除率分别为73%和86.0%，之后pH值继续增大而去除率变化不明显。综上考虑，选择适宜的初始pH值为10.0。

2.1.3 混凝絮体沉降性能比较

混凝絮体沉降性能直接影响悬浮液的分离效果和沉淀池选型设计。在混凝剂用量相同的情况下，分别对常规混凝和超磁混凝所产生的悬浮液中污泥絮体沉降性能进行实验。结果显示，在0～15 min内，超磁混凝的污泥絮体体积从100 mL迅速降低至51.9 mL，而常规混凝污泥絮体体积仅减少至63.0 mL，且当沉降至相同体积即51.9 mL时，表明超磁混凝较常规混凝水力表面负荷大;当沉降时间为15～60 min，污泥絮体沉降速度变缓;在60 min后，常规混凝污泥体积基本保持在50.4 mL，而超磁混凝污泥体积保持在25.7 mL。以上结果表明，超磁混凝中加入比重较大的磁种作为絮凝核心，显著地增加了絮团的质量，提高表面负荷，从而加快了絮团的沉降速度;同时，极大地提高了絮团的紧实度，减少污泥量，降低后续污泥的处理成本。

2.2 超磁混凝中试设备设计及实验研究

2.2.1 超磁混凝工艺中试设备设计

整套中试设备由加药系統、磁混凝反应系统、磁种回收系统3个部分组成，装机总功率为5 kW（如图2所示）。其中，加药系统由3套35 L/套的加压药箱组成，分别提供PFS、PAM、氢氧化钠，PE材质，采用变频加药泵，最大流量为5 L/h。磁混凝反应系统由反应器和竖流式沉淀池构成，均为304不锈钢材质，反应器内分别设置pH调节、混凝、磁粉混合、絮凝区，尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 850 mm;沉淀池内置管式布水器，最大断面尺寸为φ1 500 mm×1 000 mm。磁回收系统由分散装置、磁分离回收装置构成，尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 500 mm，其中分散装置将磁混凝絮体中的磁种、污泥分散，磁分离回收装置采用高梯度永磁磁鼓机，磁感应强度≥5 000高斯。

2.2.2 中试设备处理垃圾渗滤液运行效果

根据小试结果，在垃圾渗滤液进水流量为2 m3/h，调节初始pH值为10.0左右，分别在超磁混凝条件下（PFS、磁种、PAM投加量分别为16 g/L、30 g/L、20 mg/L）和常规混凝条件（PFS、PAM投加量分别为16 g/L、20 mg/L）下开启中试设备进行连续运行实验，结果如图3所示。结果表明，在进水流量及初始pH值相同的情况下，超磁混凝工艺对原水的处理效果明显优于常规混凝工艺。COD浓度为4 031～4 410 mg/L的垃圾渗滤液原水经超磁混凝工艺处理后，COD、BOD5和氨氮平均去除率分别约86%、70%、73%，相比于常规混凝的74%、62%、65%去除率有明显提高;同时，经超磁混凝工艺处理后，出水B/C比值较进水0.27提高至0.58，是常规混凝1.5倍，出水完全可生物降解。

2.2.3 磁种分离回收效果

调节垃圾渗滤液进水初始pH值为10.0左右，在PFS、磁种、PAM投加量分别为16 g/L、30 g/L、20 mg/L左右条件下，设置进水流量分别为1、2 m3/h开启中试设备进行连续运行实验。结果表明，磁粉的分离回收效率随进水处理量的增大而增加，但增大幅度不高，当处理量为1 m3/h时，磁粉的分离回收率为93.5%，当处理量增加到2 m3/h时，磁回收设备对磁粉的分离回收率最大，达到96.7%左右。

2.2.4 经济分析

该工艺运行的主要费用包括超磁混凝所需的药剂费和电费，在最佳运行条件下，其中所用药剂有PFS、氢氧化钠、PAM、磁种，各项费用分析如下。

（1）超磁混凝药剂费：按处理1 t废水需消耗16 kg的PFS、0.02 kg的PAM、1 kg磁种和2.5 kg中和剂计算，混凝药剂PFS的单价为0.48 元/kg、絮凝剂PAM的单价为28 元/kg、磁种药剂的单价为0.83元/kg、中和剂的单价为3元/kg，则处理1 t废水药剂费用为20.74元/m3。

（2）电费：污水处理系统设备总功率为5 kW，每度电按0.9元计，污水处理能力为2 m3/h，则处理1 t废水的费用为4.5 元/m3。

综上，该工艺总体运行成本约25.24元/m3。

3 结论

（1）小试实验表明，当垃圾渗滤液原液COD在4 410 mg/L以下时，超磁混凝工艺PFS、磁种、PAM最佳投加量为16 g/L、30 g/L、20 mg/L，COD、氨氮去除率分别达到86%和74%。

（2）在最优药剂投加量条件下，中试应急设备处理垃圾渗滤液实验表明，超磁混凝对垃圾渗滤液COD、BOD5、氨氮去除率分别约86%、70%、73%，出水浓度分别降至590、344、544 mg/L，出水可生化性由0.27提升至0.58，出水完全可生物降解。

（3）组合工艺具有较好的经济性，采用超磁分离回收装置，磁种回收率为96.7%左右，降低了运行成本。整套工艺运行成本约25.24元/m3。

（4）磁加载混凝形成的絮体密实，沉降时间短，采用竖流式高效沉淀池沉降的停留时间仅为60 min，具有设备体积小、重量轻的特点，适用于垃圾渗滤液的应急处理。

参考文献

[1]陆景波，王丹，邓俊平，等.我国垃圾渗滤液处理现状及发展方向[J].中国标准化，2018（16）：235-236.

[2]陈雷，贺磊，吴立群，等.垃圾渗滤液的处理现状及发展方向[J].环境工程，2016，34（S1）：295-298.

[3]高鑫，付永胜.基于两级DTRO膜系统处理垃圾渗滤液的工程应用[J].四川环境，2018，37（3）：98-104.

[4]邱敬贤，刘君，黄献.磁混凝技术在水处理中的研究进展[J].再生资源与循环经济，2018，11（10）：40-44.