（环境工程专业论文）垃圾渗滤液处理过程中悬浮颗粒及胶体分布与去除机制.pdf

摘要 本文以垃圾渗滤液为研究对象，利用激光粒子分析仪，系统分析了六里屯垃圾渗滤液实际工 程流程各单元悬浮颗粒和胶体的分布和去除效率，并研究了生物膜法中试，超声辐照、冻融小试 对悬浮颗粒和胶体的影响。 垃圾渗滤液中c o d 。，、n h 4 + n 、浊度等指标在六里屯工艺流程中逐步降低，生化预处理后、 进入膜处理前c o d 。约在1 0 0 0 m g l 左右，均是难以生化降解的有机物质，渗滤液的可生化性变 差，在物理形态上则表现为悬浮颗粒与胶体。悬浮颗粒与胶体对于膜处理出水、膜污染都有很大 影响：一、可以从悬浮颗粒与胶体的角度出发选择预处理工艺，使之有利于进入膜处理流程，即 可达到国家排放标准，又能降低运行费用；二、根据悬浮颗粒与胶体的分布、变化趋势，对于选 择适合的膜孔径具有一定的实践意义；三、对膜出水的悬浮颗粒和胶体粒径分布进行分析，可以 检查和诊断膜处理设施是否存在泄露和阻塞。 在试验中发现，粒径范围1 0 2 4 1 0 0 0 2 , u m f l c j 超胶体为主要组成，该粒径的颗粒物用通常的固 一液分离技术比较难以去除。生物膜法处理垃圾渗滤液c o d 。及n h 4 + - n 去除率高而稳定，能显著 减小5 0 v m 粒子含量，从而可以有效地达到渗滤液深度处理的目标。频率4 0 k h z 超声波对“老龄” 垃圾渗滤液进行辐照，随着超声时间的延长，粒径范围0 2 2 4 1 0 0 2 , u r n 之间的胶体数量有减小一 增大一再减小的变化趋势。冷冻融化能改变垃圾渗滤液中悬浮颗粒与胶体的比例。 根据上述研究结果，认为未来优化的渗滤液处理工艺应以采用下列技术的串联形式为宜：回 灌、生物膜法、m b r 、n f 、达标排放或回用。 关键词：垃圾渗滤液，悬浮颗粒和胶体，粒径分布，处理 a b s t r a c t a i ma tl a n d f i l ll e a c h a t e ，u s el a s e rp a r t i c a l et oa n a l y z et h a tt h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo fl a n d f i l l l e a c h a t ei sc h a n g e di nl i u l i t u n l a n d f i l ll e a c h a t et r e a t m e n t s t u d yt h e e f f e c to fb i o l o g i c a lf i l ma n d u l t r a s o u n da n df r e e z i n gi nt e s t m e n t i t e m si nc o d c r 、n h 4 + - na n dt u r b ik e e po nr e d u i n g a f t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，c o d c ri nt h e r a n g eo f1 0 0 0 m g 1 i ti sd i f f c u l tt od e g r a d e t h el e a c h a t ei st r o u b l et ob i o l o g i c a lt r e a t m e n g t h i sm a t e r i a l a l w a y si ss u s p e n d e da n dc o l l o i dp a r t i c l et h a td i s t u r bt h em e m b r a n e t h e r e f o r e ，i ti sg o o dt os e l e c t m e t h o do fb i o l o g i c a lt r e a t m e n tb ys u s p e n d e da n dc o l l o i dp a n i c l e a c c o r d i n gt oq u a l i t ya n dq u a n t i t yo f s u s p e n da n dc o l l o i d ，i ti si m p o r t a n tt ou s em e m b r a n ei nc o r r e c tm e t e r a tt h es a m et i m e ，i ti se f f e c tt o c b e c ki ft h em e m b r a n ei si nn o r m a l d u r i n gt h et e s t m e n t t h er a n g eo f1 0 2 4 1 0 0 0 2 肆mi sp o r p u l a r , i ti sd i f f c u l tt or e d u ei no r d i n a r y m e t h o d i ti sh i g he f f i c i e n tb yb i o l o g i c a lf i l mt ot h ep a r t i c a lw h i c hs i z ei su n d e r5 0 “m t h es u p e r s o u n d c a nc h a n g et h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo fl a n d f i l ll e a e h a t e e s p e c i a l l yt ot h er a n g eo f0 2 2 4 m m 1 0 0 2 m b y f r e e z i n g ，t h es i z er a n g e o f s u s p e n d i n g g r a n u l ea n d c o l l o m o f t h e l e a e h a t ec a n c h a n g e i n l i t t l e a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s u l t ，t h ei m p r o v i n gm e t h o do fl e a c h a t et r e a t m e n ti sg o tw h i c h i n d u d e s i n f l o w 、b i o l o g i c a lf i l m 、m b ra n dn f i tc a nc o n t r i b u t et ol e a c h a t et r e a t m e n tb yt h i sm e t h o d k e yw o r d ：l a n d f i l ll e a c h a t es u s p e n da n dc o l l o i d p a r t i c l e sd i s t r i b u t i o n t r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间：涮年乡月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 一躲弘j 翩蠢琴江 时间：训年月，日 鼬同：孔悖毛年6 只 第一章文献综述 1 1 城市生活垃圾渗滤液概述 随着我国城市化进程的加快、人口的不断增长，城市生活垃圾的产量不断增加，以2 0 0 5 年 北京市为例，垃圾产量已高达1 4 0 0 0 吨日。全国垃圾产量以逾亿吨日，且仍以每年1 0 的速度 递增。我国垃圾处理以卫生填埋为主，已建卫生填埋场6 0 0 多个，处理量占8 5 以上；燃烧和堆 肥处理为辅等，处理量约占1 5 左右，世界范围内填埋也是最主要的垃圾终端处置方式”j 。 垃圾填埋处置会产生垃圾渗滤液等二次污染物，垃圾渗滤液是由垃圾分解后产生的内源水与 外来水( 火气降水、地表水、地下水入侵) 所形成的液态浊流，含有高浓度有机物、悬浮物和胶 体、重金属和多种病源微生物，这些有毒有害物质若不与环境隔离，将污染土壤、地下水、空气 甚至危害人体健康。垃圾渗滤液的污染问题已经引起，泛关注。 垃圾渗滤液水质水量特征受许多因素影响，水质水量变化大，化学成分复杂，研究表明：处 于不同填埋时期的垃圾渗滤液中污染物浓度和种类相差很大，年轻期( 填埋时间 5 年) 的渗滤 液中挥发性有机酸f 1 a ) 浓度可达每升几千毫克至上万毫克，主要成分为乙酸、丙酸、丁酸，戊 酸和己酸。中年期( 5 年 填埋时问 1 0 年) 一般为每升几十毫克至上千毫克，乙酸、丙酸、丁 酸含量较多，戊酸和己酸含量较低。老年期( 加年 填埋时间) 则低于每升一百毫克或经常检测 不到，主要成分为少量乙酸，有时还有丙酸 2 ”。年轻期渗滤液中的腐植酸含量一般低于5 然 而，中、老年期渗滤液中的腐植酸物质则可占d o c 的3 0 6 0 ，甚至更高。主体有机物中挥发 性脂肪酸是有机物降解的中间产物，容易进一步完全无机化，而腐植酸为由大分子有机物分解的 小分子有机酸和氨基酸又合成的大分子产物，且浓度又较高，因此它是渗滤液中长期性的最主要 有机污染物4 ”。 从垃圾微生物降解角度来看，生活垃圾填埋处理后有机质是沿着动态的生物降解过程而不断 矿化，通常会经历好氧、产酸及产甲烷等三个阶段。垃圾渗滤液成分也随之变化。( 1 ) 好氧阶段 在填埋场初始填埋时，一定量的氧气存在于垃圾堆体内，使之处于好氧状态，由于好氧细苗对氧 气的迅速消耗，这一状态很快便会向厌氧状态转换，有的填埋场只需一个月的时间，但对于一些 填埋高度小于3 米的填埋场，这一阶段通常会持续半年左右。在这一阶段内，降解垃圾的微生物 主要来自丁- 每日覆盖的土壤，由于降解过程中，大量的c 0 2 和h ：将产生，渗滤液的p n 开始下降。 ( 2 ) 产酸阶段，厌氧菌及兼性菌开始水解和酸化纤维素和其它易腐烂的物质，易被生物降解的 挥发性脂肪酸和氨氮将产生。这一时期的渗滤液的生化需氧量( b o d 5 ) 可高达2 0 9 l ，可生化性 好，b o d s c o d 为0 5 0 7 。由于可溶解性的有机酸的产生渗滤液的p h 值开始降低，通常为5 6 左右，同时，大量的无机物质，尤其是重金属因渗滤液n h 值的降低而溶解性增加，随渗滤液一 起渗出，渗滤液的电导率增加。通常，产酸阶段将会持续1 3 年时间。( 3 ) 随着大量易降解的 有机酸的产生，生长缓慢的产甲烷细菌逐渐成为优势菌种，它利用产酸阶段产生的中间产物，生 成甲烷和二氧化碳气体，即填埋气。在这一阶段，由于易降解有机酸的消耗，渗滤液的生化需氧 量降低，可生化性也逐渐变差，其口h 值开始上升，通常维持在6 8 之间，同时，渗滤液的重金属 中国农业大学硕士论文 第一章文献综述 因溶解性降低，其浓度开始逐渐降低( 尤其是铁的含量显著降低) ，电导率下降。由于产酸菌不断 产生n h 3 ，因此n i t ，浓度不断升高。在产甲烷阶段成熟后，渗滤液中有机污染物主要为腐殖酸和 棕黄酸，这些均是难以生物降解的有机物质，网此，渗滤液的可生化变筹，通常b o d 5 ，c o d 值为 0 1 o 1 2 i “7 1 。 从物质分子或化学种类水平上来表征渗滤液的化学成分研究表明：主体有机物包括低分子量 ( 5 0 0 的挥发性脂肪酸( v f a ) ；中等分子量的富里酸类物质( 主要组分分子量在5 0 0 1 0 0 0 0 之 间) ；高分子量的胡敏酸类( 主要组分分子量在1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 之间) 佯j 。 1 1 1 垃圾渗滤液的化学组成 了解渗滤液的化学组成对评价污染物的归宿和预测处理工艺的有效性是必要的，尤其是对分 析有毒污染物及其潜在环境影响方面。通过气- 质谱( g c - m s ) 发现，垃圾渗滤液中含有1 0 0 多种 成分，包括烃类化合物，卤代烃，邻苯二甲酸盐，酚类化合物，苯胺类化合物，其它微量有机物， 无机离子，氢氮，重金属离子等。作者对六里屯填埋场生化处理5 年跟踪调查经生物处理后出水 残余的c o d 。在2 0 0 1 5 0 0 岫g ，l 三间。生物预处理后仍存在相当数量的难生物降解物质，c o d 。约 在1 0 0 0 m g l 左e ，它主要由腐植酸贡献p 】。填埋场年龄对渗滤液中有机物分子量的分布有很大影 响，处于填埋场年轻期时，低分子量的有机物占大多数，但高分子量的也占一定比例，可见难降 解有机物基本上从渗滤液一形成即存在。随着填埋时间的增长，有机物分子量范围扩大，中、高 分子量有机物的含量也变大。用超滤法测量卫生填埋场中、老年期的渗滤液中该组分有机物以 1 c 表示的浓度可达6 9 4 8 9 8 m 蛆j 。 1 1 2 垃圾渗滤液的物理组成 垃圾渗滤液中污染物是处于溶解态、胶体和颗粒态的复杂混合体，它们的粒径从小于0 0 0 耻i n 到大于l o 嘶m 溶解态物质一般难于物理去除，且总含量大，成分复杂，用化学组成表示更全面、 合理，而颗粒态物质容易物理去除，化学组成基本上为无机物。胶体态物质构成主要为大分子有 机物包裹在无机物表面，前者含量约占2 2 8 0 ，无机物成分主要为碳酸盐、硅酸盐和硫化物等。 渗滤液中大分子有机物，主要是极难生物降解的腐植酸，这类物质基本分布于胶体态组分上，而 可生物降解的有机物绝大多数存在于溶解态组分中对渗滤液的处理工艺选择及有机物的去除效 果影响很大。 垃圾渗滤液中的总固体含量一般在2 3 5 9 ，l 范围内，其所含的绝大部分是无机成分。总固 体在各组分问的分布特点比较一致，处于溶解态的为大多数，占8 2 4 9 4 6 。胶体态组分的含 量相对于总固体含量来说很低，5 4 1 7 6 ，其浓度小于3 5 9 几，典型值小于1 5 9 l 。有机物在不 同组态的分布波动很大，除颗粒态物质中表明基本不含有机物，溶解态物质变化于2 8 o 7 0 0 之间，胶体态组分随之变化而在胶体态物质内，有机物的分布还随着胶体大小或分予量的变小 而升高【i l | 2 1 3 1 。 2 i i 3 垃圾渗滤液处理工艺 影响垃圾渗滤液水质水量特征的因素复杂，垃圾渗滤液中有机污染物多达上百种r 其中有持 久性有机污染物( p o p s ) 、难降解有机物、无机污染物重金属( m ) 、氨氯( n h 4 ) 和悬浮颗粒物( s s ) 等1 1 ”，如果采用一种或几种简单工艺拼凑在一起，将很难完成这些污染的去除。有些工艺缺乏系 统考量，路线过长，构筑物过多，建设费用过高，运行管理繁琐。许多工艺应用在垃圾渗滤液处 理中有许多难以克服的弱点，如絮凝加药量大，生物处理效率低，耐冲击负荷差，分离膜处理时 污堵严重等，这些都成为垃圾渗滤液处理工艺运行和管理的瓶颈。 垃圾填埋场一般远离城区，渗滤液往往没有条件直接排入城市污水管网，根据我国现行的垃 圾渗滤液排放标准生活垃圾填埋污染控制标准( g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 ) 要求达到二级甚至一级排放标 准，处理方式有场内单独处理如一种或几种工艺单元组合处理，进入城市地下管网与城市生活污 水合并处理。垃圾渗滤液处理工艺有好氧法包括曝气稳定塘法，活性污泥法，生物膜法等；厌氧 法包括厌氧生物滤池，上向流式厌氧污泥床法( u a s b ) 等；物理化学法包括絮凝，气浮，膜过 滤法，氧化还原法，电解法等。2 0 0 2 年之前我国建设的垃圾渗滤液处理工程多采用生物法处理， 但由于垃圾渗滤液中腐殖酸含量高，颗粒物质多，有机负荷波动，经简单生物处理不能达标排放， 外排会给水体和土壤环境造成危害。目前新建工程多采用生物法和分离膜法相结合工艺，即通过 生物法去除大部分易降解污染物，然后根据污染物颗粒或粒子的大小应用膜工艺把该组分分离出 来，从而使渗滤液的可处理性提高或达标处理。如广州新丰渗滤液处理厂采用的是u a s b + s b r + 反渗透处理工艺。重庆长生桥渗滤液处理厂采用的是反渗透的处理工艺等。生化法和膜法相结 合，具有出水稳定，运行费用相对较低，但生物法和膜法的衔接过程中，悬浮颗粒和胶体物质会 造成分离膜处理时污堵严重l l 。”j 。 1 2 垃圾渗滤液的分散体系及胶体特性 垃圾渗滤液分散体系的构成对垃圾渗滤液的处理至关重要。通常把溶液分散体系分为：溶解 性粒径小于0 0 0 m m 、胶体粒径在0 0 0 弛m 1 0 z m 、超胶体粒径在1 o # r a 1 0 0 v m 、可沉粒子粒 径大于l o o u m 。悬浮颗粒经过重力作用，能与水溶液分离。而胶体物质则相对稳定的存在于垃圾 渗滤液中，由于胶体态物质可以向溶解态和颗粒态转化，同时胶体表现出许多独有的特点，因此 关注垃圾渗滤液胶体分布和特性具有重要意义。胶体有机质( c o m ) 存在于溶解态和颗粒态有机 物质之间，是二者之间迁移转化的重要介质，是连接溶解态有机质与颗粒态有机质的桥梁，并且 对元素的迁移、有机碳的转化以及有机质的聚集均起重要的作用；胶体被认为是真正联系溶解相 与颗粒相之间的“桥梁”，即起到所谓“胶体泵”的作用l l ”。 3 1 2 1 胶体的生成与消除过程模式 l 生成 厂面f l ，_ j l 消除 消除过程 图1 - 1 胶体的生成与消除过程【l 哪 f i g 1 - 1 c o l l o i db u i l d i n ga n dr e m o v i n g 1 2 2 胶体粒子的数量和活性 水体中胶体粒径差异较大，腐殖质、蛋白质等的粒径通常小于1 0 n m ，细胞碎屑、碳水化合 物、粘土矿物质等的粒径一般大于1 0 n m ，同时胶体粒子的数量、重量随其粒径分布变化特别大， 在1 1 0 # m 的粒子中，1 1 0 m 的粒子重量百分数约为8 5 ，o 4 5 m m 的粒子重量百分数约为 1 3 5 ，而l n m 0 + 4 5 , u m 的粒子重量百分数约1 5 ，就是这1 5 的胶体粒子，其表面积达到粒子 总面积的4 0 7 0 ，并且其数量与粒径的关系符合p a r e t o 定律： n i 却) = a n a d p = a a l p - 8 式中，v 为粒子数；却为粒子直径；a 为常数；卢为常数( 约为3 4 ) 。由于小胶体粒子的个数 在数量级上大于大胶体粒子，其表面积也远超过大胶体粒子，导致了它们具有很高的反应活性i l 。 1 2 3 胶体粒子的稳定性及逗留时间 根据热力学原理，界面原子具有与其它原子或微粒相结合，以降低表面能，进而使体系自由 焓降低，体系得以稳定化。因此，在热力学上，胶体粒子总是有自发聚集倾向，胶体在热力学上 通常是不稳定的。由于胶体粒子具有如此多的数量，很容易因相互之间的碰撞发生聚集反应而导 致脱稳。水体中胶体粒子的碰撞效率在0 1 0 0 之间，即有0 a 1 。对于快速聚集反应， 口1 ，此时胶体的扩散速度为胶体粒子聚集的限制因素，小胶体快速形成疏散的大聚集体 佃l c a 聚集过程) ：反之，当。很小时，聚集速度很小并由胶体粒子之间的相互作用控制，此 时形成的是高密度的聚集体限l c a 聚集过程) 。 4 o o 8 c 鬻 蒜教雌相 量囊龉鞠 图1 - 2 胶体粒子的聚集反应过程示意图 f i g l 一2s c h e m a t i cd i a g r a mo f a g g r e g _ f a t i o n p r o c e s so f c o l l o i d 根据模型模拟计算表明，粒径小于0 m 的胶体很快聚集成o 1 一珈m 的粒子而数量减少，粒 径大于1 n “m 的粒子则很快沉降，净的结果是粒径是为了o 1 一l o , u m 的粒子是最稳定的。胶体粒 子在水中的逗留时间反映了它在水中的循环时间和聚集情况【“。 1 2 4 胶体粒子表面电荷、动力学稳定性 由于胶体粒子的细小，且沉降速度与微粒粒径的平方成j ：e 比。粒径增加将增大沉降速度，而 微粒的热力学不稳定性易于导致胶体粒子聚集增大，进而诱发动力学的不稳定性。当胶体中含有 不同种类表面电荷的微粒时，异性微粒将因静电引力而聚集在一起，胶体粒子粒径增大，胶体稳 定性将被破坏。分散介质中的异电性离子( 也称反离子) 将压迫胶团的扩散双电层，减小动电电位， 导致胶团失去双电层的保护而聚集长大，根据叔采哈迪规则，异电性离子的聚沉力与其价数的6 次方成正比，因此高价反离子对胶体稳定性有极强的破坏作用。高分子对胶体稳定性有促进稳定 性和破坏稳定性两种截然相反的作用。中小分子量的高分子一方面可提高分散介质的动力粘度， 减缓微粒的沉降速度，另一方面可在微粒表面形成一层保护膜，防止微粒聚集长大。一些较大分 子量的高分子的稀薄溶胶则对胶体具有聚沉作用，其作用机制为大量微粒吸附、停靠在高分子上 成为了一个大的胶团l “l 。 1 2 5 胶体有机质 胶体有机质的成分主要是碳水化合物，其中以单糖和多糖为主，这与溶解有机碳的成分具有 相似性。对胶体有机质的研究则发现，胶体有机碳占总有机碳的1 5 2 5 。胶体有机质在水体 中具有较强的动力学活性。首先，胶体有机质具有较大的表面积，且含有多种有机配体，可与 痕量金属发生吸附或络合，从而控制痕量金属元素在水体中的迁移、毒性和生物利用性：其次， 大部分胶体有机质在水体中的逗留时间短，一般为3 3 0 d ，这与溶解有机质( 1 4 4 1 d ) 和颗粒有机 质( 1 9 6 8 d ) 相比，明显偏低，但是，胶体可通过絮凝作用转化为大颗粒，并参与生物和地质 过程，因而胶体有机质在有机碳的生物地球化学循环以及有机质的保存中具有重要作用1 2 2 j 。 胶体有机质是碳水化合物等溶解有机质，通过物理化学作用聚合而成，同时具有较强的动力 学活性和较大的比表面积，可以与其他类型的有机质，以及与粘士矿物和无机元素之间相互作用， 5 形成聚合有机质，这表明胶体有机质既来源于溶解有机质，也是溶解有机质与聚合有机质间的连 接桥梁，聚合有机质也是水体中有机质的一种存在形式，一部分与生物体密切相关，如粪球粒， 是生物的排泄物；一部分实际上是溶解有机质、胶体有机质和生物有机质相互之间以及与水体中 粘土矿物和无机元素等各种物质相聚合的产物，是沟通有机质沉积和保存的重要纽带聚合有机 质具有很好的稳定性，不易被生物、化学作用分解和水流破坏，并且具有一定的携带有机质沉降 的能力，因而对有机质的保存和沉积具有重要的意义【2 3 】。这是因为与大粒子结合的毒性化合物， 可以因大粒子的迅速沉降而从水中除去，或被多孔介质所滤阻；而与小胶体粒子结合的毒性化合 物则不然，由于小胶体粒子的粒径要小于多孔介质的孔径，使得胶体粒子可以在其中迁移很长的 距离，在此之后才会因形成较大聚集体而被滤阻或形成大聚集体而沉降。 1 2 6 胶体粒子的吸附性质 由于胶体粒子的结构和表面性质，使得胶体粒子具有表面交换吸附作用，金属离子( 或络离子) 和一些阴离子、有机物等可以在胶体粒子表面交换吸附，形成二元、三元表面络合物。大量的研 究结果表明，在o 4 5 t m 斯l 膜处理过的水样中，有相当量的痕量金属是同胶体粒子相结合，以胶 体态存在。被研究过的元素有： f e ，a i ，m n ，c u ，z n ，c d ，p b ，n i ，a g ，t h 等；至于所研究 元素在胶体粒子上的吸附比例，天然水中痕量金属的化学存在形态应包括胶体态，痕量金属的胶 体态甚至是它的主要存在形态i 弭j 。 1 3影响垃圾渗滤液悬浮颗粒和胶体分布的几种工艺 1 3 1 超声波 超声波是指频率在2 0 0 0 h z 以上的声波，它具有声波的普遍特性。但是由于其频率高于一般声 波，因而就有一些特殊的性能。超声波化学转化的有关机理还不是很清楚，研究人员提出了以下 几种反应机理：热分解、羟基自由基氧化、等离子化学和超临界氧化。热分解发生在气穴内部， 主要表现在当溶剂或待分解物渗透进入气泡后被分解。事实上，往往在气泡里的能量不足以打断 化学键，而在水溶液中，主要的热分解反应是对水的分解。这一热解反应导致了在气泡中产生了 活性相对较高的自由基，这些自由基会在气泡里或者气泡周围重新结合。否则，在这些自由基进 入溶液以后可能与一些大分子接触从而氧化它们。 污水处理中常用的超声波是频率在1 6 k h z 1 0 m h z 的声波，以球面波的形式传播，超声波对有 机物的降解作用并不是直接来自声波与有机分子的直接作用，而是源于超声波在水中产生的空化 现象和自由基反应机理。空化现象是指液体中的微小气泡核在超声波作用下被激化，表现为泡 核的振荡，生长，收缩及崩溃等一系列力学过程。在空化泡崩溃的极端的时间内，空化泡及其周 围极小空间范围内出现热点，局部产生高达1 9 0 0 - 5 2 0 0 k 的高温和超过5 0 m p a 的高压环境，并且产 生具有强烈冲击力的微射流，在这些极端条件下污水中的有机物在空化核内发生自由基反应，化 学键断裂或高温裂解反应等，从而使难降解高分子有机物转化为小分子的有机物或相应的无机 物。通常，易于挥发的有机物主要发生热解反应，极类似燃烧化学反应，使其彻底降解，不宜或 6 难挥发的有机物主要发生自由基反应。超声空化反应时空化泡崩溃的瞬间产生的高温高压使水分 解为h 和h o 自由基。在自由基的反应中能产生具有氧化性的h o 等，该自由基在氧化污染物时 无选择性，可引发链反应，直接将有机物氧化为二氧化碳，水或矿物盐从而避免了二次污染 声化学反应中大多数是热解反应和自由基反应同时发生的。可见，超生空化降解主要是通过高温 热解，自由基氧化的途径，同时超声波的机械效应可使大分子主链上的碳键发生断裂从而使高分 子降解。瞄2 6 + 2 7 j 1 3 2 絮凝法 在水处理中加入带正电荷的离子，例如n a + 、m 9 2 + 、a l 3 + 、f p + 等离子，用来中和胶体表面 的负电荷使胶体脱稳，随后胶体聚集形成较大的颗粒，最后沉降下来。这就是混凝的基本原理。 混凝剂发挥作用的主要途径包括：双电层压缩，吸附电中和，卷扫絮凝，吸附架桥。压缩双电子 层理论指出，在正常情况下，胶体散射的稳定性依赖于2 个邻近颗粒之间的相互作用力。2 个胶体 之间存在着最小的距离，小于这个距离它们容易聚集在一起通过测试水样中胶体在加入混凝剂前 后电动电位的改变，验证了混凝剂加入后对胶体起到了压缩双电层的作用。凝聚是两种基本机制 的结果：一种是异向凝聚叫做电动凝聚，即通过投加相反电荷的离子或胶体电位降低小于范德华 力的程度；二是同向凝聚，即胶态分子集结成团而凝聚合成胶体颗粒投加高价阳离子，可以减小 颗粒电荷和双电层的有效距离，因此，可阻降低电位。混凝剂溶解后，其中的阳离子就与胶体颗 粒带有的负电荷中和。这一过程发生在可见的絮凝体形成之前，这时候快速搅拌，对去除胶体外 之包裹物很有效接着就形成无数微小絮凝体若在酸性介质中，这些微小絮凝体吸附h + ，从而带 有正电荷，它也能中和并包裹胶体粒子。同向凝聚往往简称絮凝，絮凝是使絮状胶体集结起来的 过程。在这个阶段，表面吸附也起作用，起初未被吸附的胶体物质，此时被裹夹入絮团中。垃圾 渗滤液中的腐植酸类物质主要以钠盐或铵盐的形式溶解在中性或碱性水中，且相当稳定。但是， 腐植酸盐类遇酸，发生置换反应。结果，正价的盐离子钠、铵被置换成酸性的氢离子，易溶于水 的腐植酸盐类变成难溶于水的腐植酸，实现脱稳凝聚。垃圾渗滤液中的大部分有机污染物带负电 性，存在较厚的双电层，易于分散溶解在水中，且相当稳定。铁盐带正电性，能中和有机污染物 负电性，压缩其双电层，使之脱稳凝聚和架桥絮凝唧“1 。 超高分子量的聚丙烯酰胺可作为自来水的高效净化剂。为此，合理利用胶体电学性质及添加 适宜的高分子可在一定程度上人为控制胶体的稳定性。胶体颗粒带有电性，能产生斥力避免集结 和沉淀，胶体物质内部的固定层带有电荷，其性质随所吸附的离子的价目和数目不同而异稳定离 子被紧紧吸附其上，该层之外是靠电力吸引相反离子而形成的外部扩散层。 废水中的胶体可能是憎水的或亲水的，憎水性胶体物质如黏土等对液体介质没有亲和力，在 有电解质存在是缺乏稳定性，对混凝敏感。亲水性胶体物质如蛋白质对水有明显的亲和力，吸收 上去的水会阻止絮凝一般需作特殊处理才能有效地产生混凝反应。有利于絮凝的的物质，无机 盐类均能压缩胶体粒子的扩散层厚度，促进胶体粒子凝聚，离子浓度越高，促进能力越强，并可 使混凝范围扩大。在加入混凝剂后，水中胶体的电动电位发生明显变化，其绝对值明显下降。这 是由于在胶团外部加入了反离子，溶液内部的反离子浓度增加，进入了s t e r n 层，随着扩散层变薄 电动电位变小，静电斥力随之减小，微粒在碰撞时可以更加容易接近；再加上v a nd e f w a a l sl 力 7 作用，在颗粒相距较小处它变得更大，这时混凝剂就起到了压缩双电层厚度的作用，这样就引起 了胶体中综合位能曲线上的能垒降低高度。当能垒降低到一定程度时，胶体就将脱稳而发生混凝t 混凝成絮体。电动电位改变双电层被压缩，在宏观上表现为浊度的变化上，经过混凝剂处理的 水浊度有明显的改变，这是由于混凝剂将悬浮颗粒凝聚后沉降，改善了水质l “”。 1 3 3 介质过滤 介质过滤，介质过滤可以去除原水中的悬浮物和胶体，它是基于水流流过过滤介质的床层时 悬浮物和胶体会附着在过滤介质的表面从而达到过滤效果，其过滤出水水质取决于杂质和过滤介 质的大小，表面电荷和形状，原水组成和操作条件。水处理系统最常用的过滤介质是石英砂和无 烟煤。细砂过滤器石英砂颗粒有效宜径为o 3 5 o 5 m m 。无烟煤过滤器无烟煤颗粒有效直径为0 7 0 8 m m ，当采用石英砂上填充无烟煤的双介质过滤器时，它允许悬浮物杂质进入过滤层中产生更 有效的深层过滤而延长过滤器的清洗间隔，过滤介质最小设计从层深度为0 8 r a m ，在双介质过滤 器中，通常填充0 - 5 m 高的石英砂和0 3 m 高的无烟煤。介质过滤器的过滤方式一般有重力过滤和压 力过滤2 种，重力过滤比较简单，压力过滤简体可耐压，能用较高的过滤床层，较精细的过滤介 质颗粒或较高的过滤滤速。一般情况下，过滤滤速要求小于1 0 2 0 m y h ，对于高污染倾向的原水， 过滤滤速必须小于l o m h ，或采用双级介质过滤器，另外，在线过滤即在介质过滤前对原水中的 胶体进行絮凝和助凝处理，它可以大幅度地提高介质过滤器降低s d l 的效率j 。 1 3 4 超滤( u f ) 超滤的工作原理为滤膜的筛除作用，即在一定的压力作用下，超滤是以压力为驱动力，利 用超滤膜的高精度截留性能进行固液分离或者使不同相对分子质量物质分级的膜分离技术。超滤 膜的孔隙能通过溶液及由溶液带走的小于滤膜尺寸的溶质( 如无机盐类) 而截留大于孔隙尺寸的 溶质( 如有机物胶体等) 。超滤膜主要应用于液体中的颗粒物、胶体和大分子与溶剂等小分子物 质的分离，如溶液中的细菌热源、病毒以及胶体蛋白质、大分子有机物等，分别实现净化分离和 浓缩的功能。超滤装置操作简单，启动快，易于维护容易控制。超滤膜之主要技术参数：膜的截 留分子量范围为5 0 0 5 0 0 ，0 0 0 道尔顿左右，使用压力：0 1 o 7m p a ，p h 值应用范围：2 1 3 ， 使用温度范围：5 4 5 i ”。 1 3 5 纳滤 纳滤膜又称为“低压反渗透”或“疏松反渗透”。分离需要的跨膜压差一般为o 5 2 o m p a 操 作压力低，比反渗透( r o ) 同样的渗透量所必须压力低1 3 m p a 。n f 截留相对分子量在2 0 0 1 0 0 0 道尔顿之间，分子大d l n m 的溶解组分，具有离子选择性，在膜上或膜中常带有荷电基团，通过 静电相互作用，产生d o n n a n 效应，可实现不同价态离子的分离。对单价盐不要求有很高的截留率， 可实现不同价态离子的分离，实现不同分子质量有机物的分离。钠滤膜对废水中相对分子质量为 几百的有机小分子具有截留作用，对色度、硬度和异味有很好的去除能力，并且操作压力低，水 通量大，因而在垃圾渗滤液处理领域得到实际的应用。 8 1 4 小结 由于胶体在粒径上与膜的孔径相近，容易进入膜孔内部，造成污堵，且这种污染难以恢复。 通过对有关悬浮颗粒和胶体研究文献的调查分析，发现胶体在环境水体和污水处理等方面具有独 特的环境行为和性能，如吸附性，动力学稳定性，热力学稳定性，带电性等；另外，不同工艺条 件如超声、絮凝、生化处理泥水分离、多介质过滤等能改变悬浮颗粒和胶体的组成，减少溶液中 胶体的含量水平，进一步降低深度处理时膜的污堵，提高深度处理的效率。上述工艺中许多去除 胶体的机制还不太清楚，控制条件还不太完善。同时由于分析手段的制约，对垃圾渗滤液处理从 悬浮颗粒和胶体的分布、数量等角度来考察生化法和膜深度处理的文献较少，说明该领域的研究 还刚刚起步因此，研究垃圾渗滤液中悬浮颗粒和胶体具有重要的理论价值和实践意义。 9 2 1 立项依据 第二章研究思路与内容 城市化进程加快、人口增长，生活垃圾产量增加，填埋处理产生垃圾渗滤液对环境的污染问 题已经引起f 。泛关注。垃圾渗滤液水质时空变化多样，物理、化学成分复杂，难降解物质多，对 微生物有毒性，使渗滤液处理工艺的选择成为很大困难。通常，生物处理出水c o d 约1 0 0 0 m g l ， 远大于g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 的c o d 小于1 0 0 m g l 的排放标准。为了达标排放，目前工艺主要采用生 物处理后加膜深度处理，但由于超滤、微滤、纳滤膜孔径不同，因而各种膜会受到不同粒径悬浮 颗粒和胶体的污堵，造成回收率低、更换膜频繁，运行费高。为了提高膜运行效率，降低投资和 运行费用，：i ：程上一般通过提高生物池泥水分离效率、增加混凝、多介质过滤等手段来减少悬浮 颗粒和胶体，但由于过去测定手段简单，只能从宏观指标如浊度、s s 分析，认识不深，不能从 微观上正确反映悬浮颗粒和胶体粒径和数量分布，致使生物法结合膜法工艺组合盲目性大，单元 衔接不能相互弥补缺点，而是造成问题扩大，膜污堵问题更加难以解决。 悬浮颗粒和胶体的组成有无机颗粒、腐殖质、大分子有机物等，悬浮颗粒和胶体在溶液中表 现为不同的环境行为和性能，如吸附性，动力学稳定性，热力学稳定性，带电性等；不同工艺条 件如超声、絮凝、生化处理泥水分离、多介质过滤等对悬浮颗粒和胶体性质的改变，从而使其从 溶液中分离出去，减少其溶液中的含量水平，减少膜的污堵，提高膜深度处理的效率。 对渗滤液悬浮颗粒与胶体的研究手段还比较少，一些研究方法如污泥淤积指数( s d i ) 测定、 不同孔径过滤膜技术、凝胶分析技术、浊度指标等，往往因操作烦琐，处理过程会对溶液中悬浮 颗粒和胶体的数量、性质、形态有影响，不能真实反应其存在状态。如膜过滤技术的溶液粒子梯 度分离，所得到的粒径范围较宽、孔径分级跨度大，很难确定不同粒径的粒子含量和相对比例。 另外，上述测定指标往往是悬浮颗粒和胶体的宏观表现，不能从微观尺度上客观评价悬浮颗粒与 胶体的粒径和数量。 采用激光粒子分析仪，系统分析六里屯实际工程处理过程中悬浮颗粒和胶体的分布和变化， 评估生物法和膜法相结合的科学合理性，同时对膜污染或截留胶体效率效果分析提供依据，对存 在的问题加以分析，探讨生物膜、超声辐照、冻融等工艺悬浮颗粒与胶体的影响，为提高运行水 平，增加同收率，改善膜进水水质提供参考，根据研究成果，提出优化渗滤液处理工艺的途径。 2 2 研究思路 分析六里屯垃圾渗滤液处理工艺单元的悬浮颗粒和胶体的粒径分布范围和数量，比较“新 鲜”、“老龄”渗滤液、各单元的进出水理化指标、分析：c 艺中存在的问题，比较各工艺单元去除 悬浮颗粒物和胶体的效率，评估六里屯实际运行工艺组台的合理性和效率。对生物膜、超声辐照、 冻融等：i _ = 艺对悬浮颗粒与胶体的影响进行探讨，并对其效果效率与六里屯工艺单元的理化性质、 悬浮颗粒与胶体的分布特征相比较。对冻融、超声辐照过程中悬浮颗粒与胶体的分布初步探讨。 弥补( 艺组合中的缺点，进一步探讨优化垃圾渗滤液处理工艺的途径。 试验技术路线图： 图2 1 技术路线图 f i g 2 1s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h er o s e a r c hs t r a t e g y 进水 调节池 图2 - 2 调节池、u a s b 、氧化沟装置示意图 f i 9 2 2m e c h a n i s mo fa d u s t m e n ta n du a s ba n do x i d i t i o nd u t c h 投加p a m搅拌子 图2 - 3 絮凝装置示意图 f i 9 2 3 m e c h a n i s mo f f l o c c u l a t i o n l b 水 图2 - 4 多介质过滤装置示意图 f j 9 2 4 m e c h a n i s mo f p o l y m e d l u mf i l t r a t i o n 浓水 图2 - 5 膜处理装置示意国 f i 9 2 5m e c h a n i s mo f m e m b r a n e 1 4 第三章垃圾渗滤液处理过程中悬浮颗粒和胶体的分布特征 人里屯填埋场是典型的平原坑式生活垃圾填埋场有效容积1 2 x 1 0 m t 分两期建设完成， 设计填埋垃圾1 5 0 0 吨日，填埋最大高度为5 0 m 。一期工程1 9 9 9 年9 月建成并投入使用，垃圾填 埋操作【= 艺为每填埋垃圾2 4 m 高后覆盖2 0 c m 层厚的亚黏士，六里屯填埋场实行“路堤结合” 式填埋，即先筑路，分区填埋压实、覆盖渣土，然后下推填埋垃圾，压实密度为0 9 吨m 3 。目前 填埋场一期j ：程已填埋垃圾4 0 0 万吨，垃圾堆体高度为3 0 m ，并进行了中期简易封场。现在每日 垃圾填埋在二期，填埋量为2 0 0 0 吨日。填埋场底部采用双导排系统，即渗滤液导排系统和地下 水导排系统。渗滤液导排系统为填埋区底部防渗层上设3 0 0 m m 厚鹅卵石导排层，以中间分水蛉向 两侧导排，接入渗滤液提升泵收集至渗滤液提升泵房后，被送至渗滤液处理区进行处理。 六里屯填埋场垃圾渗滤液处理工程路线较长，工艺种类齐全。基本包含了水处理的大部分工 艺，对研究悬浮颗粒和胶体具有重要的现实意义和理论价值。 辈型l r r 鸟 厂厂 磊 注：u a s b 为上流式厌氧污泥反应床 圈3 一l 六里屯填埋场垃圾渗滤液处理工艺流程图 f i 9 3 ，1 t h e m e t h o do f 工j u i j t u n h n d f i l l t r e a t m e n t 3 1 研究内容和方法 1 分析“新鲜”渗滤液与“老龄”渗滤液的理化性质、分析六里屯垃圾渗滤液处理工艺单 元的浊度( n t u ) 、c o d 。氨氮斟h 4 + - n ) 、p h 等水质指标或变化趋势等； 2 对“新鲜老龄”垃圾渗滤液、各处理工艺单元进出水悬浮颗粒和胶体的分布和去除效 果和机理初步探讨； 3 从悬浮颗粒和胶体的角度出发，分析六里屯渗滤液处理工艺中存在的问题，提出改进的 建议。 表3 1 主要监测项目的分析方法 t a b 3 1a s s a ym e t h o d o l o g yo f i t e m 监测项目分析方法和手段 悬浮颗粒和胶体激光粒了分析仪 c o d h a n a 快速消煮后分光光度法 氨氨k d y - 9 8 2 0 定氨仪 p hp h s - 2 5 数显p h 计 电导率d d s 2 n c 型电导率仪 浊度h a n n a l p 2 0 0 0 - 1 1 浊度测量仪 3 2 试验材料 “新鲜”垃圾渗滤液取自垃圾压缩转运车和填埋区内垃圾碾压渗出水，“老龄”垃圾渗滤液 取自填埋场东南渗滤液收集井，“混合样”取自调节池。为了不破坏悬浮颗粒与胶体的数量、性 质等，样品取回实验室后，直接测定悬浮颗粒与胶体。工艺单元取样均为该段的进水1 ：3 和出水e 1 ， 样品样品取回实验室后，直接测定悬浮颗粒与胶体。 取样时间为2 0 0 5 年4 、8 、1 1 月，2 0 0 6 年4 月为每日监测。取样时间为2 0 0 5 年4 月、8 月、 1 1 月，2 0 0 6 年4 月。氨氮、p h 、电导率、浊度、c o d 。，为每月( 2 0 0 5 4 2 0 0 6 - 4 ) 取样三次，悬浮 颗粒和胶体分别为2 0 0 5 5 2 5 、2 0 0 6 4 5 。 工艺单元设计参数如下： 1 调节池容积4 5 0 0 m 3 ( 3 0 m 2 5 m 6 m ) ，水力停留时间9 天，自f l h d p e 膜保温，最低温度1 2 。c 。 2 u a s b 反应器温度控制为3 5 4 - 3 * ( 2 ，有机负荷为8 1 2 k g m 3 d ，进水c 0 1 l ，浓度为( 1 3 ) x 1 0 m g l ，进水氨氮小于3 0 0 0 m g l ，沼气产量为0 3 5 m 3 k g c 0 v 3 氧化沟为3 4 x 5 x 5 7 m ( 4 廊道) ，采用6 台转刷和4 台水下射流曝气器曝气，水力停留时i h q l