過硫酸鹽氧化強化餐廚垃圾發(fā)酵沼液固液分離研究

吳 畏，徐繼超，秦玉坤，楊廣龍，李夢慧，張玉生，董瑞麒，宮長斌，陳英文

(1. 南京環(huán)境集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210026；2. 南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

1 引言

餐廚垃圾是目前世界產(chǎn)生量最多的生物垃圾之一[1]。厭氧發(fā)酵后的沼液含有大量的N、P、K等營養(yǎng)元素，還富含微量元素、腐殖酸、有機質(zhì)等，因此常常被用作液態(tài)有機肥[2]。但由于沼液的氨氮濃度、重金屬、鹽度含量較高，氣味較大等特點，餐廚沼液的處理成了行業(yè)難題[3,4]；且沼液內(nèi)部有機物濃度和膠態(tài)物質(zhì)含量高，難以固液分離[5]，因此，需尋求一種有效的沼液預(yù)處理方法。

化學(xué)絮凝是一種簡單、高效、廉價的沼液處理方法[6]，可以有效降低廢水中有機物、固體懸浮物量[7]。無機高分子絮凝劑是在傳統(tǒng)的鐵鹽和鋁鹽絮凝劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有適應(yīng)性強、效能高、價格低等優(yōu)點[8]，但需多種藥劑聯(lián)用、運行和藥劑費用偏高[9]。高級氧化法中的過硫酸鹽體系，具有很強的氧化性和非選擇性[10]，可以氧化絕大部分有機物[11]，對胞外聚合物有很好的破壞與分解作用[12]，能促進(jìn)污泥絮體中部分水的釋放，改善污泥脫水性能[13]。采用過硫酸鹽預(yù)氧化沼液，其有機物含量減少并且改善其脫水性能后，再進(jìn)行絮凝，可減少藥劑投加量，節(jié)約處理成本。本文研究了過硫酸鹽高級氧化技術(shù)的沼液預(yù)處理性能，優(yōu)化運行參數(shù)，形成了高級氧化-絮凝組合工藝，實現(xiàn)了沼液經(jīng)濟(jì)性高效預(yù)處理。

2 材料與方法

2.1 水質(zhì)

本試驗選取的餐廚沼液來自南京某餐廚垃圾處理廠，采用國標(biāo)法對沼液成分進(jìn)行分析，由于實際生產(chǎn)中水質(zhì)具有一定波動，表1中數(shù)據(jù)為平均值，具體實驗計算以當(dāng)批水樣數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

表1 水質(zhì)指標(biāo)

2.2 實驗設(shè)計

本實驗以發(fā)酵后的餐廚沼液為研究對象，分別進(jìn)行過硫酸鹽高級氧化實驗、絮凝實驗、過硫酸鹽-絮凝組合實驗。以Fe(Ⅱ)作為活化劑，分別探究了Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比、摩爾濃度、反應(yīng)pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等因素對過硫酸鹽氧化性能的影響。以3‰ PAM為助凝劑，考察了聚合氯化鋁(PAC)、AlCl3、FeCl3、聚合氯化鋁鐵(PAFC)、Al2(SO4)3和聚合硫酸鋁(PAS)6種絮凝劑對沼液的絮凝效果。

基于以上獲得的最優(yōu)結(jié)果，進(jìn)行過硫酸鹽氧化-絮凝組合工藝研究，以COD、SS為檢測指標(biāo)。同時，通過沼液比阻(γ)參數(shù)分別對過硫酸鹽氧化、絮凝、過硫酸鹽氧化-絮凝工藝進(jìn)行沼液脫水性分析。

2.3 分析方法

檢測方法采用國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法，COD采用快速消解分光光度法測定，pH值采用手提式多參數(shù)測試儀測定，SS的測定采用重量法，沼液比阻的測定采用布氏漏斗-真空抽濾法。

3 結(jié)果與討論

3.1 過硫酸鹽氧化實驗分析

3.1.1 Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比

在原始沼液pH、Fe(Ⅱ) = 10 mmoL/L、室溫條件下探究了不同F(xiàn)e(Ⅱ)和S2O82-摩爾比對沼液COD去除效率的影響。由圖1可知，當(dāng)摩爾比為1∶1時，沼液COD去除率最高。當(dāng)S2O82-濃度降低時，反應(yīng)體系中SO4-·減少；當(dāng)S2O82-濃度提高時，沒有足夠的Fe(Ⅱ)活化S2O82-，導(dǎo)致沼液COD去除率降低。因此，1∶1為最佳摩爾比。

圖1 不同F(xiàn)e(Ⅱ)和S2O82-摩爾比下沼液COD去除率

3.1.2 Fe(Ⅱ)和S2O82-濃度

圖2 不同F(xiàn)e(Ⅱ)和S2O82-濃度下COD去除率

3.1.3 反應(yīng)pH值

在室溫、Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比為1∶1且濃度為2 mmoL/L時，考察pH值對沼液COD去除率的影響。由圖3知，隨著pH值的增加，沼液COD去除率呈降低的趨勢，當(dāng)pH值為3時，COD去除率較高，這是因為過酸會抑制Fe3+水解生成Fe(OH)3，進(jìn)而使Fe(Ⅱ)保持較高的活性。繼續(xù)升高pH值，由于過硫酸鹽產(chǎn)生大量SO4-·[15]，所以在高pH值條件下，仍然保持較高COD去除率，最終優(yōu)選沼液原水pH值。

圖3 不同pH值條件下COD去除率

3.1.4 反應(yīng)時間

在原始沼液pH = 8.18、Fe(Ⅱ)和S2O82-摩爾比為1∶1且濃度為2 mmoL/L時，考察時間對沼液COD去除率的影響。結(jié)果如圖4所示，在0～30 min內(nèi)，COD去除率隨時間延長而增加。在氧化時間為30 min時，COD去除率達(dá)到41.12%，此后隨著時間的延長，COD去除率增加不明顯，說明體系中的S2O82-已全部參與反應(yīng)。

圖4 不同時間下COD 去除率

3.2 絮凝實驗分析

3.2.1 絮凝劑種類

考察6種不同絮凝劑對沼液COD去除率的影響(圖5)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于其他5種絮凝劑，AlCl3作用下沼液COD和SS去除率最高，分別達(dá)到60.59%和83.48%，因此，本實驗選用AlCl3做絮凝劑。

圖5 不同絮凝劑種類下沼液COD和SS去除率

3.2.2 絮凝劑濃度

以AlCl3為絮凝劑，不同投加濃度下沼液指標(biāo)去除率結(jié)果見圖6。由圖可知，AlCl3濃度越高，COD和SS去除率就越高，但是當(dāng)AlCl3濃度過高時，沼液會產(chǎn)生大量的氣泡，綜合考慮，選用6%質(zhì)量濃度的氯化鋁。

圖6 不同氯化鋁濃度對沼液COD和SS的去除率

3.2.3 復(fù)合絮凝劑

雖然AlCl3表現(xiàn)出了優(yōu)異的COD和SS去除效果，但其價格較高，增加了沼液處理成本，因此，本實驗進(jìn)一步優(yōu)選價格較低的PAC絮凝劑和AlCl3進(jìn)行復(fù)配，進(jìn)行了PAC∶AlCl3質(zhì)量比分別為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4和7∶3的絮凝實驗。由圖7可知，當(dāng)AlCl3和PAC的質(zhì)量比為1∶1時和單獨使用AlCl3時的COD和SS去除率較為接近。而PAC的價格僅為AlCl3的一半，因此結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和實際處理效果，選用質(zhì)量比為1∶1的AlCl3∶PAC復(fù)合絮凝劑。

圖7 不同質(zhì)量比下沼液COD 和SS的去除率

3.3 組合工藝效果分析

3.3.1 COD和SS去除效果分析

在Fe(Ⅱ)：S2O82-=1∶1，S2O82-和Fe(Ⅱ)的濃度為2 mmoL/L、原沼液pH值、室溫、反應(yīng)時間30 min的最優(yōu)條件下進(jìn)行過硫酸鹽氧化，再選用不同濃度的復(fù)合絮凝劑(PAC+AlCl3)絮凝，考察組合工藝對沼液COD和SS的去除率。如圖8所示，PDS+6%復(fù)合絮凝劑組去除率最高，但是相對于PDS+3%復(fù)合絮凝劑組，去除率沒有明顯提高，所以PDS+3%復(fù)合絮凝劑組處理效果最優(yōu)。該組沼液的COD和SS的去除率分別達(dá)到了75.73%和96.40%，比單獨使用復(fù)合絮凝劑時去除率顯著提高。

圖8 組合工藝對COD和SS去除效果的影響

3.3.2 沼液脫水性能分析

考察了原沼液、絮凝劑處理后沼液、過硫酸鹽氧化后沼液、絮凝劑+過硫酸鹽氧化后沼液的沼液比阻，具體結(jié)果見表2。

沼液比阻(γ)是表征沼液過濾特性的綜合指標(biāo)，沼液比阻越小，表示沼液脫水效果越好[16]，由表2可知，經(jīng)過硫酸鹽氧化后，γ降低，因為Fe(Ⅱ)活化過硫酸鉀產(chǎn)生的SO4-·可對沼液EPS結(jié)構(gòu)和部分化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行破壞，促使沼液絮體中部分束縛水的釋放，從而改善沼液脫水性能[13]；絮凝劑單獨處理后，γ下降，原因在于有機絮凝劑使絮凝物的粒徑更大、比表面積更小、分型維數(shù)更小[17]；經(jīng)過硫酸鹽氧化和絮凝劑處理后γ進(jìn)一步降低，絮凝劑和過硫酸鹽聯(lián)合處理沼液，脫水效果達(dá)到了1+1>2的效果，可能在于兩者協(xié)同處理，使體系達(dá)到了平衡，所以加強了效果。

表2 沼液比阻數(shù)據(jù)

結(jié)合圖8和表2，經(jīng)過硫酸鹽氧化和絮凝劑絮凝組合工藝處理后沼液的COD、SS、比阻比單獨使用絮凝劑或過硫酸鹽氧化都得到了強化，且減少了絮凝劑的投加。綜合所述，選用過硫酸鹽氧化-絮凝組合工藝效果最佳。

4 結(jié)論

(2)根據(jù)絮凝實驗結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)選6%的PAC+AlCl3·6H2O為復(fù)合絮凝劑。

(3)最適過硫酸鹽氧化條件和最適絮凝條件下，絮凝劑減半投加后，過硫酸鹽高級氧化-絮凝組合工藝中沼液COD去除率可達(dá)75.74%，SS去除率可達(dá)96.40%，沼液比阻降低了97.69%。