渗滤液是一种水质水量变化大、成分复杂的高浓度有机废水，其水质水量特征决定了须采用物化和生化组合工艺加以处理。物化法预处理可有效削减渗滤液中的COD、氨氮、重金属离子、色度等，为其后续的生物处理工艺创造良好的条件。本文对混凝—焦炭吸附预处理渗滤液的效果及机理进行了研究。
1 研究工艺及方法
渗滤液取自杭州天子岭垃圾填埋场，其水质情况见表1(各指标的测定分析方法按标准法进行)，混凝—吸附间歇处理工艺流程见图1。
1.1 混凝试验
混凝的目的是去除渗滤液中的COD和部分重金属离子，以COD的去除作为主要考察对象和指标。混凝试验过程中先对不同类型的混凝剂进行筛选，最后选择具有高效、低耗、价廉及对pH适应性较好的聚合氯化铝(PAC)作为混凝剂。
混凝操作条件为：向装有600mL水样的烧杯中加入不同量混凝剂的同时，快速搅拌30～60s(转速为300 r/min)，接着在中速条件下搅拌10min(转速为100r/min)，最后在慢速条件下搅拌15min(转速为50r/min)。搅拌结束并静置沉降30min后，取上清液进行分析测定(作三次平行测定)。
1.2 吸附试验
渗滤液经混凝沉淀处理后进行吸附处理。采用廉价的焦炭作为吸附剂(焦炭取自苏州铸造机械厂锅炉间)，将焦炭研成细颗粒粉末状，用100～200目孔径分子筛进行筛分，再用0.05mol/L的HNO3溶液洗涤以去除其中的可溶性金属氧化物，最后用蒸馏水洗涤数次以去除溶液中的酸，在100℃下置于干燥箱中烘干待用。焦炭经过粉碎及活化处理后具有较高的比表面积(225～500m2/g)，且呈多孔结构，其主要成分及典型含量为SiO2:63.87%、Al2O3:14.39%、Fe2O3：4.62%、CaO：3.70%、MgO：0.22%、其他氧化物：2.31%、有机物：11.5%、湿度：0.1%，故可借助其结构内部较多的碱性基团起到良好的絮凝吸附作用。
在室温条件下以不同吸附时间和焦炭投量对重金属离子的去除情况进行了考察(滤纸过滤分析)。
2 结果及分析
2.1 混凝试验
图2所示为不同混凝剂投量对渗滤液中COD和色度的去除效果。
由图2可见，当PAC投量为50～100 mg/L时，COD去除率由18.4%上升至37.3%;当投量为200～280mg/L时，COD的去除率较为稳定，达38%左右;投量继续提高，COD去除率明显下降。因而，就COD的去除效果而言，其适宜的PAC投量为200～800mg/L，最优投量为200mg/L。对色度去除效果的测定结果表明，随混凝剂投量的增加，色度的去除率呈现出先上升后下降的趋势。当投量为400mg/L时色度去除率最高(68%)。对混凝出水中重金属离子的测定结果表明，当PAC投量为400mg/L时，各重金属离子的去除率均较其他投量时高(见表2)。对混凝反应过程中絮体性能的观察发现，当PAC投量为200～800mg/L时，絮体较多;而投量为400mg/L时絮体出现速度较快、尺寸大且沉降速度最快，沉淀后上清液清澈，呈淡黄色，投量<200或>800mg/L时，絮体颗粒较小且沉降速度均较慢，上清液色度较高。
渗滤液中所含各种有机物大多为腐殖质类高分子碳水化合物和中等分子量的灰黄霉酸类物质。这些物质由于其结构的不同而存在不同的混凝剂适宜投量。从渗滤液的水质来看，其TS浓度较高(为4000mg/L)，而SS浓度较低(为350mg/L)，大部分为溶解性固体。因而根据SS中COD的大致含量可知，混凝所去除的COD中非悬浮部分的比例较高。
研究表明，PAC对重金属离子有一定的处理效果。据报道，混凝过程中由于较快速搅拌而引起的充氧促进了重金属离子的氧化，利于它们在絮体表面的吸附。由于渗滤液中的有机物量大、种类多，它们将与重金属离子在絮体表面的吸附发生竞争而影响后者的去除。此外，渗滤液的pH值在中性附近，重金属离子大多处于离解状态，导致上述作用更为明显。
根据上述试验结果及综合考虑对各指标的去除效果可知，在PAC投量为400mg/L时处理效果最佳COD去除率可达38.1%，色度去除率达68.0%，混凝后上清液pH为6.8。将此条件下所得的处理出水进行吸附试验。
2.2 吸附试验
不同焦炭投量下吸附平衡时的各重金属离子及COD去除率如图3所示。
由图可见，通过焦炭吸附后，各重金属离子及COD均得到较大幅度的去除。去除率随焦炭投量的增加而提高。当焦炭投量为8～10g/L时(试验条件：温度22.5℃，原水pH6.8，吸附时间120min)，对Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和CODCr 的去除率分别为近100%、55.0%～56.4%、51%、28.2%～48.7%、51.1%～54.9%、34.4%～35.0%。焦炭对Cu具有极好的吸附性能，对Cr的去除率则较低。
研究中的吸附为多组分吸附，不能应用Frendlich或Langmuir吸附等温式加以分析(有关 对双组分有机物的研究也表明了这一点)。现仅就焦炭对不同重金属离子的吸附能力及去除效果结合吸附机理及影响因素作如下分析。
表3列出了各重金属离子和COD吸附平衡时的吸附量。焦炭对Cu、Pb、Zn的吸附能力要高于Cd和Cr，前者的吸附能力为0.011～0.022 7 mg/g炭，后者要比前者低一个数量级。其中对Zn的吸附能力最强，对Cd的吸附能力最差。焦炭对COD具有良好的吸附能力，吸附容量为70.95～96.46mgCOD/g，平均为83.86mgCOD/g。
研究表明，焦炭对渗滤液中的重金属离子具有较好的吸附去除效果，但对不同重金属离子的去除效果和吸附能力有所不同，且总体上各离子的去除率和吸附容量要比有关研究报道[2]的单组分吸附低，这说明渗滤液中各重金属离子对焦炭存在竞争吸附的现象。Majone利用高岭土对渗滤液中重金属离子的吸附研究亦表明了这一点。焦炭对Cr去除效果较其他离子差，其原因在于混凝后渗滤液的pH在6.8左右。此时铬主要以CrO42-的六价铬形式存在。当pH>6时，其吸附能力将受到影响。
焦炭对COD具有一定的吸附去除能力。焦炭投量为2～10 g/L时，COD去除率由12.7%增加到35.0%，其最大吸附容量可高达96.46mgCOD/g焦炭。吸附剂对废水中污染物的吸附效果与污染物的分子量及其浓度有关，分子量越大、污染物浓度越高，则吸附量越大。渗滤液中的COD大多由腐殖酸类高分子有机物构成，且经混凝处理后COD浓度仍较高，因而具有较强的吸附竞争能力。虽然COD的去除率低于重金属离子，但其去除量则远高于重金属离子。
经焦炭吸附处理后的出水pH有所上升，在试验的焦炭投量范围内，处理后水的pH由原来的6.8升高至7.2～7.8。pH的升高与焦炭的成分及其对污染物、尤其是重金属离子的吸附机理有关。焦炭中含有较多的碱性基团，它们具有很强的化学反应活性，对废水中阳离子以较强的化学和物理化学吸附作用为主，从而导致pH的升高。
根据路易斯酸碱理论，吸附过程中存在一定程度的对H+的竞争作用。这种竞争作用使溶液的pH得到“缓冲”，并使吸附体系的pH向吸附剂的等电点方向变化，由此可说明在吸附过程中溶液pH有所上升的原因。
Dimitrova等人对高炉渣蒸馏水浸泡实验亦发现溶液的pH由6.2增高至10.0～10.5。Smith和Gray等人的研究也发现同样的现象，且pH的升高幅度与原水pH、吸附剂投量及离子浓度有关。
不同焦炭投量下各污染物浓度随时间的变化表明，在2 h的搅拌接触后，它们均已达到吸附平衡，但吸附速率是不同的。焦炭对Cu、Zn和COD具有较快的吸附速度，达到吸附平衡的时间分别为45、75、45 min左右，对Pb和Cr的吸附速度较慢，吸附平衡时间约为105～120 min，对Cd的吸附速度最慢，所需的吸附平衡时间为120 min左右。
以上结果说明，焦炭是一种良好的吸附剂。当其处理混凝工艺出水且投量为8～10 g/L时，对所研究的各重金属离子和COD具有良好的处理效果。表4列出了本研究与Majone等人的研究结果比较，说明焦炭具有比高岭土更好的吸附效果。
2.3 混凝—吸附试验结果综合分析
图4示出了各阶段对各指标的去除效果。由图可见，经混凝—吸附处理，各污染物均可达到60%左右的去除率。混凝对COD、Pb和Cr有较好的处理效果，其中对COD的去除量占总去除量的63.78%。PAC对各重金属离子的去除率高低排序为：Pb>Cu>Cr>Cd>Zn。吸附阶段对重金属离子的去除效果和去除量明显高于混凝，且对Cu、Zn和Pb具有50%以上的吸附去除率，其中对Cu的去除效果尤为显著。焦炭吸附对重金属离子的去除率高低排序为：Cu>Pb>Zn>Cd>Cr。
3 结论
①PAC混凝—焦炭吸附处理对渗滤液有良好的预处理效果。在PAC投量为400 mg/L、焦炭投量为8～10 g/L的条件下，各污染物的去除率分别达：COD 59.8%、Cu近100%、Pb 68.9%、Cd59.2%、Cr 59.1%、Zn61.0%。因而它作为一种经济和运行灵活的处理工艺，应用于该渗滤液的预处理是可行的。
②混凝和吸附对污染物的去除(本研究中所分析考察的重金属)具有良好的互补性。PAC对重金属离子的去除率高低排序为Pb>Cu>Cr>Cd>Zn，焦炭对重金属离子的吸附去除率排序为Cu>Pb>Zn>Cd>Cr，说明该工艺具有较强的运行稳定性，可获得对多种重金属离子的良好去除效果。
③渗滤液含有多种污染物质，其吸附属于多组分吸附过程，吸附过程中存在较强烈的竞争吸附现象，而COD则具有明显的竞争优势。
(审核编辑: 小王子)
