（环境工程专业论文）膨润土预处理城市垃圾渗滤液研究.pdf

摘要 卫生填埋是我国目前处理垃圾的主要方法，其产生的垃圾渗滤液对环境危害 很大。垃圾渗滤液水质复杂，具有高c o d 浓度、高金属离子和高氨氮含量的特点， 且污染物浓度变化大。目前国内外的垃圾渗滤液处理工艺，总体上采用以生物处 理为主体工艺，物化法作为预处理工艺，土地法作为后处理工艺的系统。本实验 采用矿产资源丰富、价格低廉的膨润土作为吸附剂预处理城市生活垃圾渗滤液， 是对渗滤液预处理法的重要补充。 通过实验研究表明，膨润土预处理渗滤液方法是可行的，钠基膨润土是较优 的处理药剂。影响膨润土对垃圾渗滤液吸附工艺中的主要参数为：膨润土的投加 量、水利条件、渗滤液的p h 值及静沉时间。 钠基膨润土吸附最佳反应条件如下：p h 值7 0 ，投加为1 5 9 l ，水利条件 2 5 0 r m i n ( 3 m i n ) ，静沉1 h 。在该混凝条件下，渗滤液s s 去除率为7 4 2 ，c o d 盯 的去除效果为4 5 3 ，氨氮的去除率为3 9 5 。 根据试验结果结合机理分析得出，膨润土对渗滤液中污染物质的吸附主要有 物理吸附和化学吸附，其中以物理吸附为主，同时存在着深度效应和筛分作用。 关键词：渗滤液、膨润土、混凝、吸附 a b s t r a c t s a n i t a r yl a n d f i l li st h em a i np r o c e s so ft h em u n i c i p a lr e f u s et r e a t m e n t ，a n di tw i l l p r o d u c el a n d f i l ll e a c h a t et h a ti sv e r yh a r m f u l f o rt h ee n v i r o n m e n t t h el a n d f i l l l e a c h a t ei sac o m p l e xw a s t e w a t e rw i t hc o n s i d e r a b l ev a r i a t i o n si nc o m p o s i t i o n ，a n d l l i g hc o n c e n t r a t i o no fc o d 、h e a v ym e t a li o na n da m m o n i a n i t r o g e n p o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o no ft h el a n d f i l ll e a c h a t eu s e dt oc h a n g el a r g e l y c u r r e n t l y ，a l lo ft h e p r o c e s s i n g c r a f ti nd o m e s t i ca n df o r e i g na r ed i v i d e di n t ot h r e es e g m e n t s ；t h e b i o l o g i c a lt r e a t m e n ti st a k e na st h em a i nb o d yc r a f t ，t h ep h y s i c a l c h e m i c a lt r e a t m e n t a n dl a n dm e t h o da r et a k e na st h ep r e t r e a t m e n tc r a f ta n dt h ep o s t - p r o c e s s i n gc r a f t ， r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lu s eo f m i n e r a lr e s o u r c e r i c h ，l o wp r i c e so fb e n t o n i t ea s a b s o r b e n tp r e t r e a t m e n tm u n i c i p a ll e a c h a t e ，i ti sa l li m p o r t a n ts u p p l e m e n tt ot h e p r e t r e a t m e n tl e a c h a t e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d ys h o w e dt h a t t h em e t h o d o l o g yw h i c ht h e p r e t r e a t m e n tl e a c h a t eu s i n gb e n t o n i t ei sf e a s i b l e ，a n ds o d i u mb e n t o n i t ei sb e t t e ra s t r e a t m e n t p h a r m a c y t h e m a i n p a r a m e t e r s ，w h i c h a f f e c tt h e a b s o r b i n g p r o c e s s ，i n c l u d i n gb e n t o n i t ed o s a g e ，s o l u t i o np h ，a d s o r p t i o nt i m ea n ds t a t i c t i m e ，e t c s o d i u mb e n t o n i t ea d s o r p t i o no p t i m u mc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：p hv a l u eo f7 0 ， a d d i n gt o15g l ，w a t e rc o n d i t i o n s2 5 0r m i n ( 3 m i n ) ，s t a t i c t i m e1 h o u r i nt h e c o a g u l a t i o nc o n d i t i o n s ，t h el e a c h a t es sr e m o v a lr a t ei s7 4 2p e r c e n t ，c o d e rt h e r e m o v a lr a t ei s4 5 3p e r c e n t ，a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ei s3 9 5p e r c e n t b a s e do nt h et e s tr e s u l t so ft h a ta n a l y s i so ft h em e c h a n i s m ，t h el e a c h a t eb e n t o n i t ei n t h ea b s o r p t i o no fp o l l u t a n t st h ea d s o r bm e c h a n i s mi n c l u d ep h y 7 s i c a la n dc h e m i c a l a d s o r p t i o n ，t h e f o r m e ri st h em a i n a d s o r p t i o n ，a n d i n c l u d ed e p t hf i l t r a t i o na n d m o l e c u l a rs i e v i n gp r o p e r t i e sa sw e l l k e yw o r d s ：l e a c h a t e ，b e n t o n i t e ，c o a g u l a t i o n ，a d s o r p t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 参多故 论文知识产权权属声明 6 降多月衫日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：乒夕故 导师签名：剀4 金守 夕牌娟日 0 吕年莎月乙日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 随着人口增加和经济迅速发展，城市的规模不断扩大，我国城市垃圾产量急 剧增加。目前，城市生活垃圾处理的方法主要三种：焚烧、堆肥和填埋。填埋作 为一种成本较低、技术相对简单，能迅速处理垃圾的处理方式，比较适合我国国 情，成为目前的垃圾主要处理形式，随之而来的垃圾填埋场渗滤液的量快速增长， 已成为我国可持续发展的一大绊脚石【1 翻。 近年来我国陆续兴建的一批固体废物填埋场，其中大部分填埋场由于垃圾渗 滤液处理不当或处理工艺中存在问题，造成了二次污染，对垃圾填埋场的周围环 境、底层土壤和地下水都造成严重污染，使垃圾的卫生填埋失去应有的价值。为 此，渗滤液的处理法研究对推进当前填埋场渗滤液处理技术的发展，加强垃圾无 害化处理，彻底消除固体废弃物污染具有重要的指导意义。 1 1 垃圾渗滤液的来源及产生过程 垃圾填埋场可被概化为一个生态系统，其主要输入项为垃圾和水，主要输出 项为渗滤液和填埋气体。垃圾渗滤液，又称渗沥水或浸出液，是指垃圾在堆放和 填埋过程中由于发酵和雨水的淋浴、冲刷，以及地表水和地下水的浸泡而滤出来 的污水。渗滤液的产生是填埋场内生物、化学和物理过程共同作用的结果。 我国有9 0 左右的城市垃圾使用填埋法处理。垃圾填埋后，在微生物的作用 下，垃圾中的有机物会经过好氧反应和厌氧反应产生降解，其反应可分别用下式 简单表示【3 】： 有机物堑晏堕h 2 0 + c 0 2 + n h 3 + n 0 2 - + s 0 4 2 - + p 0 4 j - + 有机物丛鱼堕h 2 0 + c 0 2 + n h 3 + c h 4 + h 2 s + 低分子有机物 垃圾降解后生成的无机物以及垃圾中的可溶性污染物，大量进入垃圾渗滤液 中，使得垃圾渗滤液中污染物含量极高。同时，垃圾中的病原微生物也会在雨水 的淋溶作用下进入垃圾渗滤液。另外垃圾降解产生的c 0 2 溶于垃圾渗滤液中使 得渗滤液呈现酸性，导致垃圾中不溶于水的碳酸盐、金属及其金属氧化物等无机 物发生溶解，继而使垃圾渗滤液中含有利，类繁多且含量超标的重金属类物质。 第一章绪论 垃圾渗滤液的产生受多方面的因素影响，不仅水量变化大，而且变化无规律 性，其产生主要来自以下五个方面【4 】： 1 降水的渗入，降雨的淋溶作用是产生垃圾渗滤液的主要来源。 2 外来地表水的渗入。包括地表径流和地表灌溉。 3 地下水的渗入。 4 垃圾本身含有的水分。这包括垃圾本身携带的水分以及从大气和雨水中的 吸附量。当垃圾含水量为4 7 时，每1 t 垃圾可产生0 0 7 7 2 t 渗滤液。 5 垃圾填埋后，生物降解产生的水。 1 2 垃圾渗滤液的水质特性 垃圾渗滤液水质受垃圾组分、含水率、垃圾堆体温度、垃圾填埋时间、填埋 规律、工艺、降雨渗透量等因素的影响。垃圾渗滤液的特性如下： ( 1 ) 有机污染物种类繁多，水质复杂 垃圾渗滤液中含有大量的有机物，含量较多的有烃类及其衍生物、酸酯类、 醇酚类、酮醛类和酰胺类等。 ( 2 ) 污染物浓度高和变化范围大 垃圾渗滤液污染物浓度高和变化范围大特性是其他污水所无法比拟的，其中 的b o d 5 和c o d 浓度最高可达每升几万毫克。 ( 3 ) 水质、水量变化大 垃圾渗滤液水质水量变化大，主要体现在以下方面： 产生量随季节变化大，雨季明显大于旱季； 污染物组成及其浓度也随季节变化，例如，平原地区填埋场在干冷季节渗 滤液中的污染物组成和浓度较低； 污染物组成及其浓度随填埋时间而变化。 ( 4 ) 金属含量高 垃圾渗滤液中含有1 0 多种金属离子，由于国内垃圾不像国外某些城市那样 经过严格的分类和筛选，所以国内城市垃圾渗滤液的金属离子浓度与国外某些城 市垃圾渗滤液中金属离子浓度有差异。 ( 5 ) 氨氮含量高 城市垃圾渗滤液是一种组成复杂的高浓度有毒有害有机废水，其中高n h 3 n 2 长安人学硕上学位论文 是城市垃圾渗滤液的重要水质特征之一。渗滤液中的氨氮浓度随着垃圾填埋年数 而增加，可以高达1 0 0 0 0 m g l 以上，渗滤液中的氮多以氨氮的形式存在，约占 t n 的7 0 一8 0 。 ( 6 ) 营养元素比例失调 c n 的比例常出现失调情况，给生物处理带来一定难度。 ( 7 ) 其他特点 渗滤液在进行生物处理时会产生大量泡沫，不利于处理系统正常运行。由于 渗滤液中含有较多难降解有机物，一般在生化处理后，c o d c ，浓度仍在 5 0 0 - 2 0 0 0 m g l 范围内。 根据国内垃圾渗滤液的统计数据，总结出了典型垃圾渗滤液的成分及含量， 见表1 - 1 。 表1 - 1 国内几个城市垃圾渗滤液的主要成分( 除p h 外单位均为m g l ) 市 项目 上海杭州 广州 深圳台北 c o d15 0 0 8 0 0 010 0 0 5 0 0 01 4 0 0 5 0 0 015 0 0 0 6 0 0 0 04 0 0 0 3 7 0 0 0 b o d s 2 0 0 - 4 0 0 04 0 0 2 5 0 04 0 0 2 0 0 05 0 0 0 3 6 0 0 06 0 0 0 2 8 0 0 0 t n1 0 0 7 0 08 0 8 0 01 5 0 9 0 06 5 0 2 0 0 02 0 0 2 0 0 0 s s3 0 5 0 06 0 6 5 02 0 0 6 0 010 0 0 一6 0 0 05 0 0 2 0 0 0 n h 3 二n 6 0 _ 4 5 05 0 5 0 01 6 0 5 0 04 0 0 1 5 0 01 0 0 1 0 0 0 p h 5 o 一6 56 o 6 56 5 8 o6 2 8 o5 6 7 5 c u0 2 0 70 2 2 4 p b0 1 9 64 9 9 8 + c d0 0 1 20 4 5 4 c r 0 0 4 9 0 5 8 8 1 2 2 z n0 4 6 20 4 4 5 注：“一”代表未测；“木”疑似工业污染；以上指标均为运行期间测得。 通过分析渗滤液的水质特性发现，渗滤液中有机污染物种类繁多，水质复杂。 渗滤液高浓度有机物经过厌氧水解产生的挥发性脂肪酸可导致反应器内p h 值下 降至4 - 5 ，使微生物的酶体系丧失活性。当氨氮( 尤其是游离氨) 浓度过高时， 会影响微生物的活性，降低生物处理的效果，而高浓度的重金属离子也可使微生 物酶丧失活性，使微生物的代谢活性下降甚至完全消失，以上是导致垃圾渗滤液 难处理的主要原因。 第一章绪论 1 3 影响垃圾渗滤液特性的因素 城市垃圾填埋过程中，渗滤液的产生受许多因素影响，不仅水量变化大，而 且水质变化无规律性。影响垃圾渗滤液的特性主要因素有填埋垃圾的成分、性质， 垃圾填埋的时间以及填埋的方式、方法【5 】。 ( 1 ) 垃圾成分对渗滤液的影响 由于垃圾成分性质的不同，稳定化过程所需时间以及渗滤液的性质会有较大 的不同。渗滤液中的有机污染物负荷主要由城市垃圾中剩余废物含量决定，其原 因是人们生活水平、生活习惯、城市垃圾分类程度以及环保意识存在较大差异， 以上导致我国不同城市的垃圾渗滤液性质都存在较大差异，表1 2 是北京、台湾、 香港城市垃圾成份构成比例。 有机物的化学成分复杂且易分解，其含量对填埋场的沉降和容量有很大影 响，故对其含量十分重视。统计表明我国城市固体垃圾( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ， m s w ) 中有机质的含量大多在2 0 4 0 ，因微生物分解，填埋时间越长( 埋填 越深) 有机质含量越低。 表1 - 2 城市垃圾成分举例( ) 成分 金纸 塑橡皮、皮纺织品食物、生活垃 玻璃非食物无机物 属 板料革、木材 圾 品 北京 15114 514 6 台湾 2 8 342 53 。2 1 香港 33 371 01 51 02 2 ( 2 ) 垃圾填埋时间对渗滤液的影响。 填埋时间是影响渗滤液水质的一个关键因素。固体废弃物的生物降解一般经 历最初调节阶段、过渡阶段、产酸阶段、产甲烷阶段、成熟阶段等5 个阶段【6 】o 垃圾填埋后，由于其所处的阶段不同，垃圾渗滤液的性质会有较大的差异，见表 1 3 。 4 长安人学硕上学位论文 表1 3 垃圾渗滤液的性质随时间变化 时间 1 0 年 指标( 青)( 中) ( 老) p h 7 5 c o d ( m g l ) 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5 0 1 - - - 0 5 7 0 5 3 0 9 5 。 纳米级有机膨润土蒙脱土，要求膨润土蒙脱石纯度在9 8 以上。高纯度提纯膨润 土是纳米级膨润土的前提。 如下几种常用的膨润土制备及应用： 1 人工钠化膨润土 自然界产出的膨润土，绝大部分为钙基膨润土。钙基膨润土较钠基膨润土性 能差，所以生产厂常用人工钠化的方法将钙基膨润土改型为钠基膨润土。 膨润土人工钠化改型流程一般为：钙基膨润土原矿一破碎一钠化改型( 混合挤 压等) 一干燥_ 球磨_ 空气分级一气旋过滤_ 钠基膨润土产品。 钠基膨润土在铸造行业、钻井泥浆、铁矿球团、干燥剂、污水处理、建筑工 程防水材料、涂料等7 种行业需求用量较大。 2 有机膨润土 一般地说，有机膨润土( 胺化土) 是将钠基膨润土加入有机胺盐的乙二醇溶液 中，经高速搅拌、置换反应而成。 有机膨润土加工的一般流程为：原矿一粉碎一分散_ 改型( 钠化) - 提纯_ 加 铵盐覆盖_ 漂洗_ 脱水_ 烘干一粉碎叶包装。 1 9 第二章膨润士的吸附机理 有机膨润土主要用于油漆油墨、石油钻井、聚合物活性填充剂等领域。 3 活性白土( 颗粒白土) 活性白土是用膨润土为原料，经无机酸化处理，再经水漂洗、干燥制成的吸 附剂，外观为乳白色粉末，无臭，无味，无毒，吸附性能很强，能吸附有色物质、 有机物质。 活性白土的加工流程一般为：膨润土_ 破碎一加入盐酸或硫酸( 湿法需加水和 分散剂) 一充分搅拌_ 混合挤压_ 回转炉干燥_ 加热空气粉磨_ 空气分级_ 储 存。 活性白土用于矿物油、动植物油脂、制蜡及有机液体的脱色精制。还可用作 无碳复写纸显色剂、水分干燥剂，内服药物碱解毒剂，维生素a 、b 吸附剂，润 滑油重合接触剂，汽油气相精制剂等，以及用作中温聚合催化剂、高温聚合剂和 制造颗粒白土的原料。 2 2 膨润土在污水处理中的应用 膨润土在水处理中的应用可追溯到2 0 世纪3 0 年代。s i n t h ( 1 9 3 4 ) t 4 5 1 发现蒙脱 石能从水溶液中吸收有机阳离子，o l i n 等【4 6 1 将膨润土用作混凝剂来处理水和废 水。我国应用膨润土早在唐代就有记载，利用膨润土的吸附性能，但之后开发应 用膨润土相对处于停滞状态。近2 0 年，膨润土在环境保护中的应用得到了较大 的发展，最主要的是用于废水处理，膨润土符合吸附材料不仅能吸附水中的有机 污染物、重金属离子，还能去除细菌、病毒等微生物。尤其是表面活性剂改性的 有机膨润土表面由亲水性变为疏水性，有机碳含量大大提高，对环境中疏水性有 机污染物的吸附性能比原土高；经金属离子、聚合物等改性的膨润土或经活化、 酸化处理后的膨润土对含重金属离子或农药的废水、电镀废水、印染废水等有较 好的处理效果【4 7 4 8 ，4 9 1 。 2 2 1 膨润土对水中有机污染物的吸附 膨润土吸附有机物的性能及其机理与膨润土的种类、组成、浓度及有机物本 身性质有关。近年来，有关膨润土吸附处理水中有机污染的性能、机理及规律方 面的研究越来越多。b a n a t t 5 0 】等研究了天然膨润土对酚的吸附，探讨了酚的初始 浓度、p h 值、溶剂类型等因素对吸附量的影向。结果表明，吸附量随酚的初始 2 0 跃安人学硕i ：学位论文 浓度的增大而增大，随溶液p h 值的增大而减小。t o m i 5 1j 等考察- f * u 浆过程中， 大量水溶性高聚物( 纤维素、半纤维素和木素) 和胶体物质( 脂肪酸和树脂酸) 在天然膨润土上的吸附，发现高聚物以单分子层的形式吸附于膨润土表面，而胶 体成颗粒吸附。 2 2 2 膨润土对水中重金属的吸附 随着工业的迅速发展，重金属对环境的污染越来越严重，在一些地区，重金 属离子的污染已经严重破坏了生态平衡。重金属离子可在水生生物中富集，并通 过食物链对人类的生存和身心健康产生严重危害。金属矿山、冶炼、电解、电渡 等工业每年要排放相当数量的重金属废水，其处理的理想途经是回收利用废水所 含的重金属。但由于废水中所含的重金属离子的浓度低，给回收和处理带来了一 定的困难。近年来，新型廉价吸附材料的开发应用是重金属离子废水处理方面的 研究重点。而且为了保护和改善人类的生存环境，作为环境自净化剂的粘土矿物 的吸附性能得到了广泛的重视。 w i n n i e t 5 2 1 等研究了羟基铝锆夹层和柱撑蒙脱石对垃圾处理厂渗滤液中重金 属的吸附。n a s e e m 5 3 1 等用提纯后的膨润土处理p b 2 + ，去除率可以达9 8 。 e a l v a r e z a y u s o 和a g a n c h e z s a n c h e z t 5 4 1 在实验室及半工业化实验中，用钙基蒙 脱石和钠基蒙脱石对电镀工业废水中的重金属离子进行吸附研究，测定他们对这 些金属离子的滞留能力，发现用钠基蒙脱石处理电渡废水是一个有效的方法。 2 3 膨润土的吸附机理 2 3 1 胶体结构及电位 混凝就是在混凝剂得离解和水解产物作用下，使水中得胶体污染物和细微悬 浮物脱稳并聚集为具有可分离性得絮凝体的过程，其中包括凝聚和絮凝两个过 程，统称为混凝【5 5 1 。根据分散相粒度不同，废水可以分为三类：分散相粒度为 o 1 - - , l n m 间的称为真溶液；分散相粒度为1 - - - 1 0 0 n m 间的称为胶体溶液；分散相 粒度大于1 0 0 n m 称为悬浮溶液。其中，粒度在1 0 0 n m 以上的悬浮溶液可以采用 沉淀或过滤处理，粒度在l n m - - - 1 0 0 n m 间的部分悬浮溶液和胶体溶液可采用混凝 处理。 胶体结构中，粒子的中心是胶核。由数百乃至数千个分散相固体物质分子组 2 l 第二章膨润二i 二的吸附机理 成，在胶核表面，吸附了一层带同号电荷的离子，称为电位离子层。为了维持胶 体离子的电中性，在电位离子层外吸附了电量与电位离子层总量相同，而电性相 反的离子，这称为反离子层。 电位离子层与反离子层构成了胶体离子的双电层结构。其中电位离子层构成 了双电层内层，其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷，它的电性核电量决定了双 电层总电荷的符号和大小。反离子层构成了双电子层的外层，按其与胶核的紧密 程度，反离子层又分为吸附层和扩散层，吸附层紧靠电位离子，并随胶核一起运 动，它和电位离子层一起构成胶体里子的固定层。反离子扩散层是指固定层以外 的那部分离子，由于电位离子对它的引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中 扩散的趋势。固定层与扩散层之间的交界面称为滑动面，滑动面以内的称为胶粒。 胶粒与扩散层一起构成了电中性的胶团。 当胶粒运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液扩散。使得 胶粒产生剩余电荷，其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差，符号与 电位离子相同。这种电位差称为总电位电位。胶粒表面剩余电荷，使滑动面与 溶液主体之间产生电位，称为电动电位或电位。对于某类胶核而言，v 电位是 固定的。在总电量为一定的情况下，扩散层越厚，电位越高；反之，扩散层越 薄，电位越低电位引起的静电斥力，阻止胶粒互相接近和接触碰撞，并在水 分子的无规则撞击下做布朗运动，使胶粒长期稳定的分散于水中。 胶体的脱稳是因为电位的降低或消除。电位的大小反映胶体带电量的多少， 可以用来衡量胶体稳定的的大小。电位越高，胶体越稳定。不同的无机药剂能 使胶体以不同的方式脱稳、凝聚。 本实验所用膨润土( 2 0 0 目) 表面有许多微孔，孔径为7 4 纳米，是一种天然的 纳米微孔材料。 2 3 2 表面吸附 吸附是固体界面层分子和其它分子相互作用的一种现象。当固体界面的分子 处于不平衡作用力之下的时候，界面层分子会自发的吸引其它分子，使其所受作 用力部分或者完全均衡，这是吸附作用产生的原因。按照作用力的性质可以分为 物理吸附和化学吸附两种类型。 物理吸附是分子问力是范德化力，范德化力是微观力，在研究膨润土表面的 长安大学硕十学位论文 吸附作用时，是宏观物体之间或者分子与宏观物体的相互作用，而这种相互作用 力的范围比范德化力要大的多，所以是长程力。长程力可以看作是分子间的范德 化力以某种方式加和或传播而产生的。 2 3 3 膨润土深度效应 膨润土在对有污染物质吸附作用，至少还有两种作用，即筛分作用和深度效 应。筛分作用或称阻挡作用是由于吸附质分子过大，不能顺利进入孔内，而被“屏 蔽 在外的一种作用。深度效应是深层的阻留作用，尽管污染物粒子比微孔小， 长而曲折的微孔对悬浮粒子产生一种阻挡作用。在深层份反应时，分离过程只发 生在介质的内部。 对于分子较小的污染物质而言，其分子可穿过膨润土颗粒的面进入膨润土内 部深而曲折的微孔沟道和固体颗粒内部更细小的孔隙，当分子撞击到通道的壁上 时，就有可能脱离液流。但它是否能达到这一点，决定于分子所受到的拦截力、 惯性力、扩散力、重力、流体动力等。 2 3 4 膨润土筛分效应 滤材间的空隙或滤材上颗粒间的空隙较颗粒小时，颗粒从纤维或被捕集的颗 粒旁边通过就可能被捕集，这就是所谓的筛分效应，颗粒越大，纤维间隙越小， 被筛分的机率就越大。 膨润土的深度效应与它的筛分作用性质是类似的，都属于机械作用。其吸附 固体粒子的能力基本上仅与固体粒子和孔隙的相对大小形状有关。 膨润土具有独特的微孔状结构，当污水的杂质粒子大小与膨润土颗粒孔径大 小相适应，才有利于吸附。膨润土作为污水处理剂时，可有效去除污水中的微量 元素，对于传统污水处理工艺的改进有着重要的指导意义。 第二三章实验设备材料及分析方法 第三章实验设备材料及分析方法 3 1 渗滤液的制备 实验参照城市生活垃圾填埋场填埋过程，采用填埋并覆土的方式。填埋工作 自2 0 0 7 年7 月2 5 日起，在1 2 0 l 的塑料垃圾桶内进行填埋。填埋垃圾取自长安 大学南院生活区垃圾压缩站，覆土为长安大学南院建筑工地地基施工土，覆土中 混合部分砂子，根据徐迪民等【5 6 1 人的研究，取砂土比为：1 ：5 1 ：7 之间。 3 1 1 实验用垃圾的成分 实验用垃圾取自长安大学南院生活区垃圾压缩站，垃圾成分主要以居民区生 活垃圾为主。填埋前经过简单的分类筛选，主要剔出了大部分塑料制品。垃圾成 分详见表3 1 ，图3 1 。 表3 - 1 填埋垃圾的主要成分表 垃圾 厨余 纸布 塑料木条橡胶金属煤屑 细士石块 其他 成分 比 例 5 41 451 021o 54531 5 ( ) 注：垃圾比例为体积百分比。 图3 - 1 垃圾组成比例 3 1 2 实验用渗滤液的生成 2 0 0 7 年7 月2 5 日装填垃圾完毕加盖后，当日即出现少量渗水，颜色为浅褐 色，随着垃圾量的增加，水量逐渐增多。渗滤液颜色逐渐由浅褐色转为暗黑色， 其臭味亦随之增强。 长安大学硕士学位论文 3 1 3 实验用渗滤液的性质变化 实验自2 0 0 7 年9 月2 7 日起对渗滤液的主要污染物指标进行实验监测( 次3 天) ，其c o d e r 、氨氮值上升很快，8 月1 4 日，c o d c r 值上升至5 9 3 3 4 4 m g l ， 氨氮上升至1 4 3 1 5 m g l 。 实验用渗滤液c o d e r 与氨氮含量变化值见表3 2 ，图3 2 和图3 3 。 表3 - 2 填埋桶内c o d 和氨氮随填埋时间的变化 日期 7 2 77 3 08 28 58 88 118 1 48 1 78 2 08 2 3 温度2 5 52 52 92 72 82 7 5 2 9 2 82 82 7 c o d4 7 3 8 34 9 0 0 45 0 2 4 55 1 3 7 65 6 6 7 25 5 3 3 75 9 3 3 45 6 4 4 85 7 6 5 75 6 9 1 3 氨氮 3 7 6 5 8 4 1 0 4 71 2 3 8 1 2 2 8 1 2 7 01 4 3 l 1 5 2 71 6 3 31 5 8 6 备注：c o d 、氨氮均为m g l 图3 2 垃圾填埋期渗滤液c o d 。，含量变化图 图3 - 3 垃圾填埋期渗滤液氨氮含量变化图 由图3 2 和图3 3 可知，在垃圾填埋初期，垃圾层及覆土层较薄，由于气温 第三章实验设备材料及分析方法 较高，故微生物对垃圾中腐殖质好氧分解作用明显。填埋后第3 天监测渗滤液值 便体现出了高c o d 、高n i - 1 3 n 的特点。 3 1 4 实验用渗滤液的主要性质 本次实验渗滤液主要水质指标与垃圾填埋场渗滤液特性比较见表3 3 。 表3 _ 3 实验用垃圾渗滤液与现实渗滤液特性比较表 浓度范围 污染物 填埋场渗滤液实验用渗滤液 c o d 。，( m g l ) 10 0 9 0 0 0 04 5 0 0 0 6 0 0 0 0 b o d 5 ( m g l ) 4 0 7 3 0 0 03 5 0 1 0 f i l 0 0 s s ( m g l ) 1 0 7 0 0 04 0 0 3 0 0 0 n h 3 - n ( m g l ) 6 1 0 0 0 0 3 5 2 0 0 0 v f a ( m g l ) 1 0 1 7 0 2 6 4 8 2 5 c u ( m g l ) o 9 9末检出 z n ( m g l ) o 2 3 7 0 未检出 t c r ( m g l ) o 0 1 8 7 末检出 p h 5 8 65 8 8 c 1 ( m g l ) 5 6 4 2 0未检测 注：表中b o d 5 含量高时对应的c o d 。含量亦较高。 通过表3 3 可以看出，垃圾渗滤液得特点是：c o d 、氨氮、s s 等值较高， 而且波动范围较大，b o d 5 c o d 比值较低，说明难直接生物处理。并且根据水质 指标对比可知，表中所列实验用渗滤液各项目指标数值指标与城市垃圾填埋场渗 滤液基本一致。本次实验用垃圾渗滤液中未监测出重金属离子，与国外渗滤液相 近。 3 2 吸附剂材料 在本实验研究中选择价格相对低廉，具有基本特性的膨润原土( 钙基) 及可 以简单制得的钠基膨润土作为实验用吸附剂。实验中采用的膨润土为浙江临安产 原土( 钙基) 、钠基膨润土。其成份见表3 4 ，样品见图3 4 表3 - 4 天然膨润土及提纯后n a 膨润土的化学成份 s i 0 2a 1 2 0 3c a on a 2 0f e 硷0 3m g ok 2 0m n ( ht i 0 2p 2 0 s 6 5 7 82 0 3 35 o 】2 0 51 6 81 6 51 0 00 0 90 1 20 0 3 临安原 土 钠- 膨润 土 6 5 5 02 0 3 61 8 36 6 72 0 62 5 40 6 70 0 70 1 00 0 8 2 6 妊宜人学咧十学位论文 33 实验分析方法 图3 _ 4膨润土样品 根据实验进程及计划，主要对渗滤液中的c o d c r 、b o d 5 、n h 3 - n 、p h 、浊 度、色度等指标进行分析本次实验主要检测项目及使用仪器见表3 - 5 。 表3 - 5 实验主要检测项目及分析仪器 检铡项目 检测方法实验仪器 c o d 。，重铬酸钾加热回流法 全玻璃回流装鼹，电炉 肋d s 稀释接种5 日培养法生化培养箱( l 础2 5 0 a ) 重茸法 电子烘箱( l g l 0 0 b ) 屯子天平 n f a n 纳氏试剂比色法u _ 2 0 0 1 型紫外可见分光光度计 浊度光电式浑度仪g d s 一3 a 型浊度测定仪 色度稀释倍数法 p h 值直读式精密酸度计p h s 一3 t c 以上水质分析均按照国家环保总局水和废水监测分析方法( 第四版) 口7 】 规定的方法进行。 34 实验方法 奉实验将考虑膨润土投加量、p h 、搅拌强度、搅拌时间、沉降时间等主要 的影响因素对吸附效果的影响，重点关注c o d 和氨氮的去除率( 重金属未监出) 。 吸附效果用去除率表示去除率按公式( 3 一1 ) 计算： 去除率：c o 一- c 1 0 0 0 0 ( 3 一1 ) 式中：h 吸附前污染物质浓度，m g l ； c 一吸附后污染物质浓度，m g l 。 第三章实验设备材料及分析方法 3 5 实验可行性初步判断 参照于瑞莲【5 8 】等关于天然膨润土预处理垃圾渗滤液的实验研究，在用量 2 0 9 l ，p h = 7 ，搅拌时间2 0 m i n ，搅拌速度1 4 0 r m i n ，静置时间2 4 h 的操作条件 下，进行了膨润土预处理渗滤液的初步实验判断。具体情况见下表3 5 ： 表3 - 5 膨润土处理渗滤液初步实验结果 投加量 c o d ( m g l )氨氮( m g l ) 浊度p h 值 o ( 原水) 4 4 3 0 8 6 1 3 5 4 94 2 1 75 4 2 0 9 ( 原土) 2 6 2 7 4 99 1 7 21 1 6 3 86 7 去除率 3 0 73 2 37 2 4 通过表( 3 - 5 ) 可以看出，膨润土对渗滤液中各项污染指标都有一定的去除 效果，其中浊度高达7 2 4 ，c o d 去除率达3 0 7 ，氨氮达3 2 3 ，p h 值略有 上升。 对比其它物化预处理渗滤液的方法，庄相宁等采用铁一镁铝无机高分子复合 絮凝齐u ( p f m a s ) 对北京市某垃圾卫生填埋场渗滤液进行了预处理研究，结果表 明：当n ( f e ) ：n ( a 1 ) ：n ( m g ) = 4 ：o 0 7 ：l 时，复合絮凝剂对渗滤液c o d 的去除率最 高，达到2 9 6 0 。 从实验结果对比得出，膨润土用于垃圾渗滤液的预处理可行。 3 6 实验影响因子 固体表面上的原子、离子和分子处于化学力不均衡的状况之中。此种不均衡 可通过表面能来表达。于是，一种高度分散的固体物相具有降低其表面能的趋势， 这是通过减少它们的表面积，或从邻近相中吸附分子和出于的方式进行的。 在用膨润土作为实验介质进行研究工作时，由于固相矿物吸附剂的表面不 匀，同时，水相中也包含着同样复杂的可溶性和非溶解性有机物和无机物的混合 物，膨润土处理渗滤液来说，吸附作用受到多种条件的影响。 1 吸附剂使用量 在实际应用中是一个重要的考察指标。在渗滤液污染物质浓度一定时，吸附 剂用量的增加使得其表面提供的微孔和表面积都相应增多，有利于吸附剂对渗滤 液中污染物质的n 及附，此时，吸附剂表面提供了更多的进行离子交换的离子和活 2 8 长安大学硕十学位论文 性基团，使得可接受污染物质的吸附位置增加。一般，随着吸附剂用量的增加， 污染物质的去除率会有所提高，但是用量增加到一定数量，或者说吸附剂过量时 会造成不必要的“浪费。因此，吸附剂用量直接影响污水处理的吸附效果和成 本，是吸附实验中考虑的重要因素之一。 2 水利条件 水利条件包含搅拌速度和搅拌时间，由于膨润土在水介质中具有悬浮性，必 需通过搅拌破坏它的这种平衡，在亲水基的作用下形成溶胶、聚集、絮凝、凝胶 等吸附污染物。另外，拌增加膨润土和水中污染物的接触机会，对吸附效果有显 著作用，因此作为一个重要的参考因素。 3 酸碱度 对大多数离子，吸附作用往往直接取决于由h + o h 一吸附量所决定的吸附 剂表面电荷。在零电荷点以上，阳离子则被吸着以抵消负的表面净电荷，部分负 的表面电荷也因阳离子被排斥而得到抵消；在零电荷点以下，则是阴离子被吸着 以抵消负的表面正净电荷，部分正的表面电荷也因阴离子被排斥而得到抵消，但 这通常只抵消总电荷的一小部分，特别是在高浓的电解质溶液中更是如此。膨润 土表面会由于溶液酸碱化度的变化而发生质子和去质子化过程使得表面附不同 的电荷。同时，垃圾渗滤液p h 值会随着填埋时间的增加而改变，一般的变化规 律是，随着垃圾填埋年限的增长p h 值会呈上升趋势。因此吸附实验时必须考虑 溶液的p h 值对膨润土吸附的影响因子。 4 静沉时间 静沉时间也是影响吸附效果的重要因素，在吸附过程搅拌结束后颗粒依靠水 力的惯性旋转流作用产生的速度提升和颗粒的沉速差异沉降，进一步碰撞聚集， 形成絮团，以不断增加的速度沉降下来。在静置沉降的后期，废水中颗粒的浓度 已经很低，颗粒间碰撞的机会减少，当颗粒所受重力、浮力及阻力三种作用力达 到平衡时，颗粒等速下沉。这个阶段的沉降属于分散颗粒的自由沉降。沉降时间 的长短直接影响处理出水的水质。沉降时间过短，出水中絮凝颗粒由于沉淀不完 全，使得出水中污染物质去除率不高，同时也增加后续处理的负担；沉淀时间过 长，虽然出水水质较好，但是使得污水处理效率下降，从而增加工程建设和投资。 因此，在渗滤液沉降实验中必需考察沉降时间对污染物质的去除效果的影响。 2 9 第p q 章实验结果及分析 第四章实验结果及分析 吸附效果与吸附过程中各条件的变化有着直接的关系，本节主要研究在其他 吸附影响条件不变的情况下，通过改变单一实验条件来讨论膨润土对渗滤液中污 染物质的吸附效果，并对吸附过程进行分析。 4 1 钠基膨润土实验结果分析 4 1 1 钠基膨润土投加量对吸附效果的影响 废水处理中，药品投加量是影响絮凝过程的重要控制因素。大量的实验研究 表明，各种投加剂都有在相应条件下的最佳投加量，药品的投加量受水体中各种 因素的影响，不同的水体有不同的值。所以药品的最佳使用量不是由理论推导出 来的，而必须在使用前通过烧杯实验来确定。 渗滤液投加量的初步判断，是在渗滤液出水不调解p h 值( 5 6 ) 的情况下， 取7 份等量2 0 0 m l 的渗滤液置于2 5 0 m l 的烧杯中，1 份原水样，其余6 份中分别 投加进1 9 、2 9 、3 9 、4 9 、5 9 、6 9 的钠基膨润土，投加后用玻璃棒搅拌3 m i n ，静 沉2 h 后取上清液测量。 此节实验的主要目的是通过改变膨润土吸附剂投加量，探讨吸附效果与膨润 土用量之间的关系，确定最佳的投加量。结果见表4 1 ，图4 1 。 表4 - 1 钠基膨润土用量对渗滤液吸附效果的影响 投加量g 原水 5g l 1 0g l1 5g l 2 0 9 l2 5 l3 0 9 l 浊度 4 8 0 02 6 0 02 3 0 01 8 0 01 3 0 01 2 0 0 l 0 0 0 去除率 4 5 85 2 6 2 5 7 2 97 57 9 i b o d 5 8 5 0 06 9 8 06 8 9 06 9 1 06 9 0 0 6 8 5 06 8 8 0 去除率 1 7 8 81 8 9 41 8 7 51 8 8 21 9 4 11 9 0 5 悬浮物m g l 1 0 6 96 8 05 8 63 2 82 9 5 2 6 42 2 7 去除率 3 6 3 85 7 96 9 57 2 0 47 5 37 6 8 c o d m g g 5 5 2 2 0 43 4 8 0 7 23 3 4 0 5 6 3 3 1 6 5 2 3 2 4 9 7 6 3 1 8 5 4 63 1 5 4 6 7 去除率2 9 33 8 44 0 94 1 1 44 2 3 l4 2 8 7 氨氮m g l 1 3 8 7 6 1 0 9 4 29 6 0 48 8 5 48 7 2 98 5 1 58 3 6 8 去除率2 1 1 43 0 7 83 6 1 93 7 0 93 8 6 33 9 6 9 备注：室温2 8 3 0 长安人学硕f ：学位论文 图4 - 1 钠基膨润土投加量对吸附效果的影响 实验结果表明，随着膨润土用量的增加，提供的吸附位置也逐渐增多，这些 吸附位置可以有效的同溶液中的污染物质发生作用，所以溶液中污染物质的去除 率呈上升趋势。当投加量达到一定程度的时候，水中未被吸附的污染物质减少， 投加的膨润土不能达到饱和吸附，固去除率曲线上升缓慢最终趋于平稳。 关于渗滤液中浊度和s s 的去除关系见图4 2 。 图4 - 2 钠基膨润土对渗滤液浊度及s s 的去除率 从图4 2 中可以看出，当钠基膨润土用量达到1 5 l 时浊度的去除率达到6 2 5 ，此时渗滤液在颜色和嗅觉上都已经有了很大程度上的改观，颜色由灰黑色转 变为淡黄色，用稀释倍数法测得经钠基膨润土吸附前后渗滤液的色度分别为8 倍和3 倍。同时发现渗滤液在s s 的去除率上和浊度的去除率非常接近，通过实 验观察到膨润土对色度的去除相当明显，这说明了实验所用的渗滤液色度取决于 渗滤液中的非溶解性物质，即s s 。 第四章实验结果及分析 对渗滤液中c o d 、氨氮、s s 去除具体分析见图4 3 图4 - 3 钠基膨润