滲濾液是一種水質水量變化大、成分復雜的高濃度有機廢水，其水質水量特征決定了須采用物化和生化組合工藝加以處理。物化法預處理可有效削減滲濾液中的COD、氨氮、重金屬離子、色度等，為其后續的生物處理工藝創造良好的條件。本文對混凝—焦炭吸附預處理滲濾液的效果及機理進行了研究。
1 研究工藝及方法
滲濾液取自杭州天子嶺垃圾填埋場，其水質情況見表1(各指標的測定分析方法按標準法進行)，混凝—吸附間歇處理工藝流程見圖1。
1.1 混凝試驗
混凝的目的是去除滲濾液中的COD和部分重金屬離子，以COD的去除作為主要考察對象和指標。混凝試驗過程中先對不同類型的混凝劑進行篩選，最后選擇具有高效、低耗、價廉及對pH適應性較好的聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑。
混凝操作條件為：向裝有600mL水樣的燒杯中加入不同量混凝劑的同時，快速攪拌30～60s(轉速為300 r/min)，接著在中速條件下攪拌10min(轉速為100r/min)，最后在慢速條件下攪拌15min(轉速為50r/min)。攪拌結束并靜置沉降30min后，取上清液進行分析測定(作三次平行測定)。
1.2 吸附試驗
滲濾液經混凝沉淀處理后進行吸附處理。采用廉價的焦炭作為吸附劑(焦炭取自蘇州鑄造機械廠鍋爐間)，將焦炭研成細顆粒粉末狀，用100～200目孔徑分子篩進行篩分，再用0.05mol/L的HNO3溶液洗滌以去除其中的可溶性金屬氧化物，最后用蒸餾水洗滌數次以去除溶液中的酸，在100℃下置于干燥箱中烘干待用。焦炭經過粉碎及活化處理后具有較高的比表面積(225～500m2/g)，且呈多孔結構，其主要成分及典型含量為SiO2:63.87%、Al2O3:14.39%、Fe2O3：4.62%、CaO：3.70%、MgO：0.22%、其他氧化物：2.31%、有機物：11.5%、濕度：0.1%，故可借助其結構內部較多的堿性基團起到良好的絮凝吸附作用。
在室溫條件下以不同吸附時間和焦炭投量對重金屬離子的去除情況進行了考察(濾紙過濾分析)。
2 結果及分析
2.1 混凝試驗
圖2所示為不同混凝劑投量對滲濾液中COD和色度的去除效果。
由圖2可見，當PAC投量為50～100 mg/L時，COD去除率由18.4%上升至37.3%;當投量為200～280mg/L時，COD的去除率較為穩定，達38%左右;投量繼續提高，COD去除率明顯下降。因而，就COD的去除效果而言，其適宜的PAC投量為200～800mg/L，最優投量為200mg/L。對色度去除效果的測定結果表明，隨混凝劑投量的增加，色度的去除率呈現出先上升后下降的趨勢。當投量為400mg/L時色度去除率最高(68%)。對混凝出水中重金屬離子的測定結果表明，當PAC投量為400mg/L時，各重金屬離子的去除率均較其他投量時高(見表2)。對混凝反應過程中絮體性能的觀察發現，當PAC投量為200～800mg/L時，絮體較多;而投量為400mg/L時絮體出現速度較快、尺寸大且沉降速度最快，沉淀后上清液清澈，呈淡黃色，投量<200或>800mg/L時，絮體顆粒較小且沉降速度均較慢，上清液色度較高。
滲濾液中所含各種有機物大多為腐殖質類高分子碳水化合物和中等分子量的灰黃霉酸類物質。這些物質由于其結構的不同而存在不同的混凝劑適宜投量。從滲濾液的水質來看，其TS濃度較高(為4000mg/L)，而SS濃度較低(為350mg/L)，大部分為溶解性固體。因而根據SS中COD的大致含量可知，混凝所去除的COD中非懸浮部分的比例較高。
研究表明，PAC對重金屬離子有一定的處理效果。據報道，混凝過程中由于較快速攪拌而引起的充氧促進了重金屬離子的氧化，利于它們在絮體表面的吸附。由于滲濾液中的有機物量大、種類多，它們將與重金屬離子在絮體表面的吸附發生競爭而影響后者的去除。此外，滲濾液的pH值在中性附近，重金屬離子大多處于離解狀態，導致上述作用更為明顯。
根據上述試驗結果及綜合考慮對各指標的去除效果可知，在PAC投量為400mg/L時處理效果最佳COD去除率可達38.1%，色度去除率達68.0%，混凝后上清液pH為6.8。將此條件下所得的處理出水進行吸附試驗。
2.2 吸附試驗
不同焦炭投量下吸附平衡時的各重金屬離子及COD去除率如圖3所示。
由圖可見，通過焦炭吸附后，各重金屬離子及COD均得到較大幅度的去除。去除率隨焦炭投量的增加而提高。當焦炭投量為8～10g/L時(試驗條件：溫度22.5℃，原水pH6.8，吸附時間120min)，對Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和CODCr 的去除率分別為近100%、55.0%～56.4%、51%、28.2%～48.7%、51.1%～54.9%、34.4%～35.0%。焦炭對Cu具有極好的吸附性能，對Cr的去除率則較低。
研究中的吸附為多組分吸附，不能應用Frendlich或Langmuir吸附等溫式加以分析(有關 對雙組分有機物的研究也表明了這一點)。現僅就焦炭對不同重金屬離子的吸附能力及去除效果結合吸附機理及影響因素作如下分析。
表3列出了各重金屬離子和COD吸附平衡時的吸附量。焦炭對Cu、Pb、Zn的吸附能力要高于Cd和Cr，前者的吸附能力為0.011～0.022 7 mg/g炭，后者要比前者低一個數量級。其中對Zn的吸附能力最強，對Cd的吸附能力最差。焦炭對COD具有良好的吸附能力，吸附容量為70.95～96.46mgCOD/g，平均為83.86mgCOD/g。
研究表明，焦炭對滲濾液中的重金屬離子具有較好的吸附去除效果，但對不同重金屬離子的去除效果和吸附能力有所不同，且總體上各離子的去除率和吸附容量要比有關研究報道[2]的單組分吸附低，這說明滲濾液中各重金屬離子對焦炭存在競爭吸附的現象。Majone利用高嶺土對滲濾液中重金屬離子的吸附研究亦表明了這一點。焦炭對Cr去除效果較其他離子差，其原因在于混凝后滲濾液的pH在6.8左右。此時鉻主要以CrO42-的六價鉻形式存在。當pH>6時，其吸附能力將受到影響。
焦炭對COD具有一定的吸附去除能力。焦炭投量為2～10 g/L時，COD去除率由12.7%增加到35.0%，其最大吸附容量可高達96.46mgCOD/g焦炭。吸附劑對廢水中污染物的吸附效果與污染物的分子量及其濃度有關，分子量越大、污染物濃度越高，則吸附量越大。滲濾液中的COD大多由腐殖酸類高分子有機物構成，且經混凝處理后COD濃度仍較高，因而具有較強的吸附競爭能力。雖然COD的去除率低于重金屬離子，但其去除量則遠高于重金屬離子。
經焦炭吸附處理后的出水pH有所上升，在試驗的焦炭投量范圍內，處理后水的pH由原來的6.8升高至7.2～7.8。pH的升高與焦炭的成分及其對污染物、尤其是重金屬離子的吸附機理有關。焦炭中含有較多的堿性基團，它們具有很強的化學反應活性，對廢水中陽離子以較強的化學和物理化學吸附作用為主，從而導致pH的升高。
根據路易斯酸堿理論，吸附過程中存在一定程度的對H+的競爭作用。這種競爭作用使溶液的pH得到“緩沖”，并使吸附體系的pH向吸附劑的等電點方向變化，由此可說明在吸附過程中溶液pH有所上升的原因。
Dimitrova等人對高爐渣蒸餾水浸泡實驗亦發現溶液的pH由6.2增高至10.0～10.5。Smith和Gray等人的研究也發現同樣的現象，且pH的升高幅度與原水pH、吸附劑投量及離子濃度有關。
不同焦炭投量下各污染物濃度隨時間的變化表明，在2 h的攪拌接觸后，它們均已達到吸附平衡，但吸附速率是不同的。焦炭對Cu、Zn和COD具有較快的吸附速度，達到吸附平衡的時間分別為45、75、45 min左右，對Pb和Cr的吸附速度較慢，吸附平衡時間約為105～120 min，對Cd的吸附速度最慢，所需的吸附平衡時間為120 min左右。
以上結果說明，焦炭是一種良好的吸附劑。當其處理混凝工藝出水且投量為8～10 g/L時，對所研究的各重金屬離子和COD具有良好的處理效果。表4列出了本研究與Majone等人的研究結果比較，說明焦炭具有比高嶺土更好的吸附效果。
2.3 混凝—吸附試驗結果綜合分析
圖4示出了各階段對各指標的去除效果。由圖可見，經混凝—吸附處理，各污染物均可達到60%左右的去除率。混凝對COD、Pb和Cr有較好的處理效果，其中對COD的去除量占總去除量的63.78%。PAC對各重金屬離子的去除率高低排序為：Pb>Cu>Cr>Cd>Zn。吸附階段對重金屬離子的去除效果和去除量明顯高于混凝，且對Cu、Zn和Pb具有50%以上的吸附去除率，其中對Cu的去除效果尤為顯著。焦炭吸附對重金屬離子的去除率高低排序為：Cu>Pb>Zn>Cd>Cr。
3 結論
①PAC混凝—焦炭吸附處理對滲濾液有良好的預處理效果。在PAC投量為400 mg/L、焦炭投量為8～10 g/L的條件下，各污染物的去除率分別達：COD 59.8%、Cu近100%、Pb 68.9%、Cd59.2%、Cr 59.1%、Zn61.0%。因而它作為一種經濟和運行靈活的處理工藝，應用于該滲濾液的預處理是可行的。
②混凝和吸附對污染物的去除(本研究中所分析考察的重金屬)具有良好的互補性。PAC對重金屬離子的去除率高低排序為Pb>Cu>Cr>Cd>Zn，焦炭對重金屬離子的吸附去除率排序為Cu>Pb>Zn>Cd>Cr，說明該工藝具有較強的運行穩定性，可獲得對多種重金屬離子的良好去除效果。
③滲濾液含有多種污染物質，其吸附屬于多組分吸附過程，吸附過程中存在較強烈的競爭吸附現象，而COD則具有明顯的競爭優勢。
(審核編輯: 小王子)
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