Ca²⁺对磷酸铵镁沉淀法处理垃圾渗滤液的影响研究

王雅楠，杨军

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃兰州，730070)

摘要：磷酸铵镁沉淀法因其反应时间短，操作简便和原材料容易获得的优势被广泛利用在垃圾渗滤液的处理中。在生活垃圾产生的渗滤液中出存在着大量的Ca²⁺，而这些Ca²⁺会对磷酸铵镁沉淀法处理渗滤液产生一定影响。本文叙述了垃圾渗滤液现状以及磷酸铵镁沉淀法目前在处理垃圾渗滤液中的应用，通过设置渗滤液中Ca²⁺的浓度探索Ca²⁺对磷酸铵镁沉淀法降低COD和氨氮的影响。在此次实验中，磷酸铵镁沉淀法对氨氮的去除率从65.12%下降至42.52%，同时COD的去除率也从51.90%下降至37.87%。实验证明，垃圾渗滤液中Ca²⁺的含量会影响Mg²⁺与PO₄^3-和氨氮结合，降低氨氮和COD去除率。

关键词：磷酸铵镁； 化学沉淀法； 垃圾渗滤液

Study on the effect of Ca²⁺ on landfill leachate in Lanzhou treatment by precipitation

Abstract：There is a large amount of Ca²⁺ in leachate produced by household garbage, and these Ca²⁺ will have a certain impact on leachate treatment by ammonium magnesium phosphate precipitation. This paper describes the status quo of landfill leachate and the application of magnesium ammonium phosphate precipitation method in the treatment of landfill leachate. By setting the concentration of Ca²⁺ in the leachate, the paper explores the effect of Ca²⁺ on the reduction of COD and ammonia nitrogen in the leachate magnesium ammonium phosphate precipitation method. In this experiment, the removal rate of ammonia nitrogen by ammonium magnesium phosphate precipitation method decreased from 65.12% to 42.52%, and the removal rate of COD also decreased from 51.90% to 37.87%. Experiments have proved that the content of Ca²⁺ in landfill leachate can affect the binding of Mg²⁺ with PO₄^3- and ammonia nitrogen, and reduce the removal rate of ammonia nitrogen and COD.

Keywords: magnesium ammonium phosphate; Chemical precipitation; Landfill leachate

1.背景及目的

1.1垃圾渗滤液现状

现代城市垃圾的产出量随着城市规模的不断扩大显著增加，垃圾种类繁多且成分也十分复杂。在袁志宇的统计报告中，我国城市垃圾年产量超1.4×10⁸t，并且正在以每年8%-10%的速度增长^[1-2]。固体废弃物的处理处置常见方法一般有卫生填埋、焚烧、堆肥。这些方法中，卫生填埋以其投资和运行成本低廉的优势最为常用。兰州市的地形特点是黄河两边是山峰和沟壑，因此卫生填埋就成为了处理兰州市生活垃圾比较理想的方法^[3]。在生活垃圾的填埋过程中，地表水、地下水的浸透，雨水的冲刷淋溶，以及微生物的分解作用使得垃圾产生具有严重污染性，浓度极高并具有毒害作用的垃圾渗滤液^[4]。在2010年的一份调查报告中显示：在我国，由城市垃圾填埋所产生的渗滤液的COD 高达32.46×10⁴t，氨氮也有约3.22×10⁴t^[5]。目前作为一种具有严重污染性的废水，渗滤液的处理已经成为当下废水处理项目中的研究热点。

垃圾渗滤液由于它组成成分种类繁多，且变化范围较广，浓度极高的特点，并且目前已经被检测到的有机污染物有63种^[6]，所以它不易被处理，更是会对周围环境及水体产生较大的危害作用。在降解过程中，渗滤液会经过调整期、过渡期、酸形成期、甲烷形成期和成熟期这五个阶段，其中含有的成分在经过很长一段时间的降解后才可以达到稳定，此后的降解速率会更加缓慢。这个过程大致需要6~15年。

目前垃圾渗滤液主要的处理方法是生物处理法、土地处理法以及物化处理法^[7]。其他方法也有使用，但以上三种处理方法因为其原理简单，操作方便的特点，更易在实际中应用而成为主流方法。其中，物化处理法针对兰州市生活垃圾渗滤液BOD₅/COD 较低且降水量根据季节变化的特点更为适用。但物化处理运行成本较高，所以多用于对垃圾渗滤液的预处理或深度处理^[8]。在这些物理化学法中，又分别根据不同的适用条件分为化学混凝法、化学沉淀法、物理吸附法、微波化学法以及氧化剂氧化法。

1.2磷酸铵镁沉淀法

磷酸铵镁(MAP)俗称为鸟粪石，属于无定型沉淀，微溶于水。磷酸铵镁沉淀法属于化学沉淀法。它是在具备合适条件下的渗滤液中加入Mg²⁺和PO₄^3-，使其与废水中的氨氮生成磷酸铵镁沉淀物（0℃时其溶解度仅为0.23g/mol），从而降低出水的氨氮^[9]。与传统活性污泥法相比,该方法可以减少49%的污泥体积^[10]。磷酸铵镁化学法作为一种较为成熟的技术，常与其他技术相结合，可有效去除水中的色度、COD及氨氮。它具有反应时间短，材料易得且容易控制的优点。并且生成的磷酸铵镁沉淀物经过一系列提纯处理后可以用作农业肥料。

1.3 Ca2+对渗滤液的影响

在垃圾渗滤液中含有十几种金属离子，其中Ca²⁺的含量极高，能达到4300mg/L。在岳秀^[9]对垃圾渗滤液的研究报告中显示，Ca²⁺的浓度也高达2250±2.58%mg/L。Ca²⁺和PO₄^3-与氨氮反应会生成磷酸铵钙的白色沉淀，在磷酸铵镁沉淀法中，Ca²⁺和Mg²⁺存在竞争关系。垃圾渗滤液中大量的Ca²⁺会影响Mg²⁺和PO₄^3-与氨氮结合。在废水中Ca²⁺与Mg²⁺共存的条件下，PO₄^3-会优先与Ca²⁺发生化学反应，从而抑制磷酸铵镁结晶反应^[9]。本次实验即在实验中设置渗滤液不同的Ca²⁺浓度以探索Ca²⁺对磷酸铵镁沉淀法降低氨氮和COD的影响。

2. 材料及方法

2.1实验材料

本次实验所用垃圾渗滤液来自于兰州市皋兰县忠和镇丰泉环保公司填埋场的渗滤液，经过实验的测定，渗滤液COD为8525mg/L，氨氮为350.2mg/L。

另外，此次实验所需的主要药品分别为MgCl₂·6H₂O，NaH₂PO₄·2H₂O，CaCl₂。

2.2实验方法

先通过实验得出氨氮和COD的标准曲线，然后测定处理后水样的COD和氨氮，测定Ca²⁺对磷酸铵镁沉淀法的影响。

取1750ml垃圾渗滤液放置至室温；分别分为七组水样至烧杯，每份250ml；调节垃圾渗滤液酸碱度，使得PH=9；之后以[Mg²⁺]/[NH₄⁺]/[PO₄^3-]为1:1:1加入试剂，再以[Mg²⁺]/[Ca²⁺]分别为2.5:0，2.5:0.2，2.5:0.6，2.5:0.8，2.5:1，2.5:1.2，2.5:1.4，编号为1,2,3,4,5,6,7，另外设置一组空白样以作为蒸馏水水样的对照，编号8号。加入上述试剂后搅拌20min，静置20min，过滤，最终测定COD和氨氮。

3. 实验结果与讨论

3.1实验现象

加入MgCl₂·6H₂O和NaH₂PO₄·2H₂O后，1号至7号烧杯中均出现沉淀，上清液呈灰色，颜色较浅，在加入MgCl₂·6H₂O后，上清液变得浑浊，但搅拌后与先前上清液无异。沉淀2min后，2号至7号沉淀依次增多，上清液颜色相差不大；沉淀20min后，2号至7号沉淀依次增多，过滤速度依次变小。

3.2添加Ca2+对磷酸铵镁沉淀法降低氨氮的影响

由紫外分光光度计测定后，得到一系列值，带入氨氮标准曲线方程，最终得到如下数据：

表1   Ca²⁺对氨氮去除率的影响

图1   Ca²⁺对氨氮去除率的影响

从实验所得数据可以看出，Ca²⁺的量会影响磷酸铵镁沉淀法的处理效果，氨氮的去除率随着Ca²⁺的量的增加从65.12%逐渐下降，在[Mg²⁺]/[Ca²⁺]为2.5:1.4时，去除率降为42.52%，下降趋势如图1所示。由图中可得，Ca²⁺的含量会影响氨氮去除率，Ca²⁺越多，去除率越低。

3.3添加Ca²⁺对磷酸铵镁沉淀法降低COD的影响

由紫外分光光度计测定后，得到一系列值，带入COD标准曲线方程，最终得到如下数据：

表2   Ca²⁺对COD去除率的影响

图2   Ca²⁺对COD去除率的影响

从实验所得数据可以看出，Ca²⁺的量会影响磷酸铵镁沉淀法的处理效果，COD也会随着Ca²⁺的量的增加从51.90%逐渐下降，在[Mg²⁺]/[Ca²⁺]为2.5:1.4时，去除率降为37.87%，下降趋势如图2所示。由图可得，Ca²⁺的含量会影响COD去除率，Ca²⁺越多，去除率越低。

3.4总结

在使用磷酸铵镁沉淀法处理垃圾渗滤液的过程中，Ca²⁺的含量会降低氨氮和COD 的去除率，Ca²⁺越多，去除率下降的越多。说明Ca²⁺的确会影响Mg²⁺与PO₄^3-和氨氮结合。

4.应用和展望

在实际应用的过程中，磷酸铵镁沉淀法因为其操作简单方便，反应时间短，添加物容易得到的特点已被广泛应用在废水处理中。反应的沉淀物磷酸铵镁因富含N、P元素，经过一系列处理可以用作农业肥料，但在反应中，要控制Ca²⁺的含量，以免与Mg²⁺竞争，降低处理效率。在实际应用时，还要根据实际渗滤液的浓度成分等情况，设置更合适的反应条件和物料投加量，以达到最佳反应条件，得到最高的处理效率。

参考文献

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