磁种混凝-磁分离技术处理垃圾渗滤液的过滤特性研究

苏念英, 郦宜斌,黎铉海

(1. 桂林市生产力促进中心，广西 桂林 541002；

2. 广西大学 化学化工学院, 广西 南宁 530004）

摘要：应用磁种混凝技术处理垃圾渗滤液，考察了污泥的沉降性能、污泥比阻、过滤速度、过滤常数等悬浮液的过滤特性，并研究了混凝-絮凝、磁种混凝、磁种混凝-磁分离和MBR四种不同处理方式对出水效果的影响。实验结果表明，磁种混凝技术处理的污泥沉降速度是混凝-絮凝的1/3.4，污泥比阻为1.33×10⁴ s²﹒g^-1，是混凝-絮凝的1/618，过滤常数为1.213×10^-7 m²﹒s^-1，是混凝-絮凝的2.85倍。磁种混凝技术处理垃圾渗滤液后的悬浮液污泥比混凝-絮凝的更易过滤，而且，从出水的氨氮和COD含量及去除率考虑，磁种混凝-磁分离技术处理效果最佳。

关键词：磁种混凝；磁分离；垃圾渗滤液；过滤特性

中图分类号：X 703.1        文献标识码：A        文献编号：

Study on Filtration Characteristics of Landfill Leachate Processed by Magnetic Seed Coagulation-Magnetic Separation Technology

SU Nian-ying¹, LI Yi-bin², LI Xuan-hai²

(1. Guilin Production Promotion Center，Guilin, Guangxi 541002，China；

2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning,Guangxi 530004,China）

Abstract: Magnetic seed coagulation technology was used to process waste leachate. Filtration characteristics of sludge from the treatment, such as, sludge settling property, specific resistance of sludge, filtration rate and filtration constant, were investigated. The influence of effluent effect in the four methods of coagulation-flocculation, magnetic seed coagulation, magnetic seed coagulation-magnetic separation as well as MBR was also studied. Experimental results indicate that the sludge settling rate in magnetic seed coagulation technology is 1/3.4 of that by coagulation – flocculation, and the specific resistance of sludge is 1.33×10⁴ s²﹒g^-1, 1/618 of that in coagulation–flocculation treatment, and the filtration constant is 1.213×10^-7 m²﹒s^-1，2.85 times of that in coagulation flocculation method. It shows that it is easier to filter the sludge from landfill leachate treated by the method of magnetic seed coagulation than that by the coagulation-flocculation method, and the magnetic seed coagulation-magnetic separation technology has the best treatment effect in consideration of content and removal rate of NH₃-N and COD.

Key words: magnetic seed-coagulation; magnetic separation; landfill leachate; filtration characteristic

随着我国城镇化建设工作的推进，城市垃圾量以平均每年8％～10％的速度增长^［1］。我国大部分地区对生活垃圾采用卫生填埋法的处理方式^[2]，在垃圾的填埋过程中，经雨水的淋溶作用，垃圾中水分经过垃圾层和覆盖的土层之后形成大量的垃圾渗滤液。这种垃圾渗滤液具有有机物浓度高、氨氮含量大、成分复杂、营养元素比例失调、水质水量变化大且无规律可寻等特点^[3-8]，会对地下水、土壤和周边生态环境造成严重的污染^[9,10]。目前，国内外处理垃圾渗滤液的主要技术路线是：预处理—生化处理—后处理，处理方法有生化法、物化法等^[11,12]。混凝法是垃圾渗滤液处理最常用的物化法之一，因其原料来源广泛、价格低廉，能有效处理难生物降解废水，故常作为预处理方法来提高废水的可生化性，降低垃圾渗滤液中的污染物浓度^[13-18]。但混凝法通常会产生大量污泥，污泥含水率高，固液分离困难，耗时长，且污泥分离设备占地面积大，这些缺点使混凝法的应用受到限制。

磁种混凝技术是近几年新兴的一种水处理技术，它是在普通的混凝沉淀工艺中同步加入磁粉，使之与污染物絮凝成一体，以加强混凝、絮凝的效果，使生成的絮体密度更大、更结实，从而达到增强污水处理的效果和快速沉降的目的，同时降低处理成本。该技术在工业水处理方面的研究已取得一定突破，而且，部分成果已运用于工业生产的污水处理^[19-27]，在垃圾渗滤液的处理方面，主要处于研究阶段。

本实验分别采用传统的混凝-絮凝和磁种混凝技术处理垃圾渗滤液，研究垃圾渗滤液处理后的悬浮液中污泥的过滤特性。悬浮液的过滤特性直接影响到悬浮液的分离效果和分离设备的选型，本研究将为处理垃圾渗滤液的磁种混凝-磁分离工艺的确定及其分离设备的选型提供基础理论依据。

1 实验材料和方法

1.1实验材料

1.1.1 原料来源及水质特征

实验所用的垃圾渗滤液来自广西某生活垃圾填埋场，水质指标如表1所示。

表1 垃圾渗滤液的基本水质特征

Tab1 Basic water quality characteristics of landfill leachate

1.1.2 实验材料

混凝剂：聚合硫酸铁(PFS)，铁含量为20%，工业级。

絮凝剂：阴离子型聚丙烯酰胺(PAM)，分子量为1800万，含量为20%，工业级。实验前将PAM配置为0.1%的溶液。

磁种：黑色固体颗粒，Fe₃O₄含量为98%。

悬浮液：按照本研究确定的磁种混凝工艺以及在相同条件下的混凝-絮凝工艺处理垃圾渗滤液所得的悬浮液。

1.1.3 实验装置

图1 磁分离装置示意图

Fig1 Schematic illustration of magnetic separation device

1.2 测定方法

1.2.1 氨氮测定

采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》 (HJ535-2009)；

1.2.2 COD测定

采用《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(HJ828—2017代替GB11914-89)。

1.3 实验方法

① 对垃圾渗滤液进行曝气处理，然后，取曝气后的水样，调节pH值，在一定温度、搅拌方式下，加入PFS混凝剂混凝，如果是磁种混凝则加入磁种磁化，最后加入0.1%PAM溶液絮凝得悬浮液。

对于磁种混凝-磁分离，则取磁种混凝-絮凝处理后的悬浮液，加入磁分离装置，在一定的磁场作用下进行水样固液分离。

② 分别取100 mL混凝-絮凝和磁种混凝处理后的悬浮液，置于量筒中，每隔一定时间读取污泥体积，测定混凝-絮凝和磁种混凝两种方法处理后悬浮液中污泥的沉降性能。

③ 在压强为0.05 MPa的条件下，分别对混凝-絮凝、磁种混凝处理后的悬浮液进行恒压抽滤，读取不同抽滤时间时的滤液体积，作～曲线，根据公式，计算出污泥比阻。其中，t—过滤时间，s；V—滤液体积，mL；α—单位质量污泥的比阻，s²/g；p—过滤时的压强，MPa；A—过滤面积，cm²；b—t/V～V直线斜率；μ—滤液粘度，g﹒(cm﹒s)^-1；C—获得单位体积滤液所得的滤渣干重，g﹒mL^-1；K—过滤常数，m²﹒s^-1。

④ 常压下，分别对混凝-絮凝和磁种混凝处理后的悬浮液进行过滤，读取不同时间时的滤液量，分析过滤速度的变化规律。

⑤ 使用Origin^[28]软件对实验测得的～进行公式拟合，根据拟合得出的参数值，计算过滤常数K。其中，q—单位过滤面积的滤液量，L；t—过滤时间，s。

⑥ 分别检测混凝-絮凝、磁种混凝、磁种混凝-磁分离三种方法处理后出水的氨氮、COD、pH和浊度，同时，对填埋场MBR工艺处理后的垃圾渗滤液进行相应的分析检测，然后，对比分析四种工艺处理后的出水水质情况。

2  结果与讨论

2.1 沉降性能的比较

在混凝剂用量相同的情况下，分别对混凝-絮凝和磁种混凝所得的悬浮液中污泥的沉降性能进行研究，不同混凝方式的污泥沉降体积随沉降时间的变化规律如图2所示：

图2 不同混凝方式对沉降性能的影响

Fig2 Effect of different coagulation methods on sedimentation

由图2可知，在0～15 min内，混凝-絮凝的污泥体积从100 mL减小至63.0 mL，磁种混凝污泥体积则迅速减少至51.9 mL；沉降时间继续增大，沉降速度变缓，在沉降60 min后，混凝-絮凝污泥体积基本保持在50.4 mL左右，磁种混凝污泥体积在25.7 mL左右。当污泥体积沉降至51.9 mL时，磁种混凝法只需沉降14 min，是混凝-絮凝方法的1/3.4。这是因为在重力作用下，磁种介质加快了污泥沉降，当污泥沉降在量筒底部，重力作用会将污泥间的水分挤出，拉近颗粒间的距离，使得污泥体积进一步被压缩减小，但此时污泥颗粒间也会产生相互作用力来削弱重力作用，导致沉降速度减缓。图1中，磁种混凝所得的污泥沉降速度快，达到平衡时的污泥体积小。这是因为磁种混凝中，加入的比重较大的磁种成为絮凝核心，显著地增加了絮团的质量，也极大地提高了絮团的紧实度，从而加快了絮团的沉降速度。

实验结果表明，磁种混凝加快了沉降速度，提高了污泥的沉降性能，大大减少了污泥的体积，能有效降低后续污泥的处理成本。

2.2 污泥比阻的比较

在压强为0.05 MPa的条件下，分别对混凝-絮凝和磁种混凝方法所得的悬浮液污泥进行恒压抽滤，作～的关系曲线，如图3所示：

图3 t/V～V线性拟合结果

Fig3 Fitting leaner of t/V～V

表2 参数计算表

Tab2 Parameter table

其中，R—过滤阻力，cm﹒s²﹒mL^-1。

混凝-絮凝处理方法的直线拟合方程式为：y=0.102x-0.163，求得斜率b为0.102。磁种混凝的直线拟合方程式为：y=0.0021x+0.3421，斜率b为0.0021。实验测得混凝-絮凝处理方法的滤渣干重C为0.0242 g̣̣̣﹒mL^-1，磁种混凝方法的滤渣干重C=0.307g﹒mL^-1，过滤常数K=1.95×10¹¹ cm⁴﹒s^-1，求得混凝-絮凝和磁种混凝方法的污泥比阻分别为8.22×10⁶ s²﹒g^-1和1.33×10⁴ s²﹒g^-1。

两种悬浮液的污泥比阻均低于0.4x10⁹s²﹒g^-1，由此可判断其均属易过滤污泥。但磁种混凝方法的污泥比阻更小，是混凝-絮凝方法的1/618，说明磁种混凝方法能有效改善过滤性能，污泥更易过滤。

2.3 过滤速度的比较

对用混凝-絮凝、磁种混凝处理所得的悬浮液进行过滤，记录不同过滤时间时所得的滤液量，作～的关系曲线，得到过滤速度的变化规律，如图3所示，其中，Δt—过滤时间，s；Δq—滤液量，mL；q—单位过滤面积的滤液量，mL。

图4 不同混凝方式对过滤速度的影响

Fig4 Effect of different coagulation methods on filtration velocity

由图4可知，随着过滤时间的增加，过滤速度逐渐下降，过滤10 min后，混凝-絮凝方式所得悬浮液的过滤速度从17 mL﹒min^-1降至0.8 mL﹒min^-1，获得54.2 mL滤液，磁种混凝方式过滤速度从22 mL﹒min^-1降至0.8 mL﹒min^-1，获得71 mL滤液。当滤液体积达到50 mL时，磁种混凝只需3.5 min，是混凝-絮凝的1/2.14。这是因为随着过滤的进行，污泥被拦截在滤纸上形成较密的滤饼层，会阻碍液体透过滤纸，降低了过滤速度。与混凝-絮凝相比，磁种混凝液中的细微颗粒物质较少，不会堵塞滤纸的空隙，液体能较快滤过，且磁种混凝能更大程度地挤出污泥间的水分，增加滤过液量。这表明，磁种混凝处理后的悬浮液的过滤速度比混凝-絮凝的更快。

2.4 过滤常数的比较

常压下，对混凝-絮凝、磁种混凝处理垃圾渗滤液后的悬浮液进行过滤，将两种方法实验测得的滤液量和过滤时间的数据用Origin软件按照公式进行回归拟合，计算过滤常数K。其中，q—单位过滤面积的滤液量，mL；K—过滤常数，cm.s^-1；t—过滤时间，s；t_e—介质常数，s；q_e—介质常数，m³/m²。

拟合回归曲线如图5所示。

图5 过滤常数的拟合曲线

Fig5 Fitting curve of filtration constants

表3 过滤常数计算表

Tab3 Table of filtration constants

根据方程y=[K*(x+a)]^1/2+b对数据进行拟合后，可直接得出混凝-絮凝方法的过滤常数K为0.426×10^-7 m²﹒s^-1，磁种混凝的过滤常数为1.213×10^-7 m²﹒s^-1。可见，磁种混凝的过滤常数是混凝-絮凝的2.85倍。因为过滤常数较大的更易过滤，故磁种混凝处理垃圾渗滤液所得的悬浮液比混凝-絮凝处理的更易过滤。

2.5 出水水质的比较

在混凝剂用量和其他工艺参数相同的条件下，分析混凝-絮凝、磁种混凝、磁种混凝-磁分离三种处理方法出水和MBR生化处理出水的氨氮和COD的含量。检测结果如表4所示。

表4 不同处理方法出水水质的比较

Tab4 Comparison of effluent treated by different methods

注：MBR生化处理数据来自广西某垃圾填埋场

表4的数据显示，总体上讲，混凝处理方法均具有较好的出水效果，氨氮去除率保持在70%以上，氨氮含量在240 mg﹒L^-1以下，COD去除率能保持在80%以上，COD含量在711 mg﹒L^-1以下；而且，磁种的加入可加强混凝处理效果，使氨氮和COD去除率分别提高至73.8%和83.5%，氨氮和COD含量分别降至210 mg﹒L^-1和608 mg﹒L^-1；磁分离技术的引入，可进一步优化出水效果。与MBR处理相比，磁种混凝-磁分离技术对于垃圾渗滤液中氨氮、COD和浊度的去除具有更加明显的优势。

3 结论

① 悬浮液自身的性质是影响过滤效果的主要因素。垃圾渗滤液处理后的悬浮液污泥沉降至相同体积时，磁种混凝处理方法耗时是混凝-絮凝的1/3.4，且悬浮液沉降60 min后，磁种混凝法的污泥体积为25.7 mL，比混凝-絮凝的少近一倍；磁种混凝法的污泥比阻为1.33×10⁴ s²﹒g^-1，是混凝-絮凝的1/618，更易过滤；混凝-絮凝法的过滤常数K值为0.426×10^-7 m²﹒s^-1，磁种混凝法的过滤常数为1.213×10^-7 m²﹒s^-1，是混凝-絮凝的2.85倍，过滤常数较大的更易过滤，故磁种混凝法比混凝-絮凝法处理的悬浮液更易过滤。

② 在其他工艺参数相同的条件下，混凝-絮凝、磁种混凝、磁种混凝-磁分离和MBR四种处理方法中，磁种混凝-磁分离方法的处理效果最好，氨氮和COD去除率分别为75.6%和86.8%，出水氨氮和COD含量分别为196 mg﹒L^-1和486 mg﹒L^-1，比MBR处理的出水氨氮和COD含量减少一半左右；混凝-絮凝、磁种混凝方法的处理效果介于磁种混凝-磁分离和MBR两种方法之间。

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