改性膨润土对垃圾填埋场渗滤液吸附效果

第６卷　第３期环境工程学报Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．３２０１２年３月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒ．２０１２改性膨润土对垃圾填埋场渗滤液吸附效果纪　华１　夏立江２　王　峰１　苏昭辉３　张劲松３　屈　波１（１．北京市勘察设计研究院有限公司环境与水文地质所，北京１０００３８；２．中国农业大学资源与环境学院，北京１００１９３；３．北京市环境卫生设计科学研究所，北京１０００２８）摘　要　通过制备不同组分改性膨润土，研究其对苯酚的吸附效果，结果表明，十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠＋硫酸铝改性膨润土＞十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠改性膨润土＞十六烷基三甲基溴化铵改性膨润土。通过改性膨润土对实际复杂组分渗滤液的吸附研究，结果表明，使用活性炭改性的膨润土吸附ＣＯＤ和ＮＨ＋４Ｎ最为理想，单位质量ＣＯＤ吸附量最高为２６８ｍｇ／ｇ，ＮＨ＋４Ｎ最高为３９２ｍｇ／ｇ，其中，ＣＯＤ最高去除率为７７３％，氨氮为２８９％；十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠＋硫酸铝改性膨润土对ＣＯＤ和ＮＨ＋４Ｎ均有去除效果，两者对于渗滤液实际处理工程具有应用价值。关键词　改性膨润土　吸附　苯酚　ＣＯＤ　ＮＨ＋４Ｎ　渗滤液中图分类号　Ｘ７０３　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２０１２）０３０８４８０７ＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｆｆｉｃｅｎｃｙｏｆｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓｆｏｒｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｃｈａｔｅＪｉＨｕａ１　ＸｉａＬｉｊｉａｎｇ２　ＷａｎｇＦｅｎｇ１　ＳｕＺｈａｏｈｕｉ３　ＺｈａｎｇＪｉｎｓｏｎｇ３　ＱｕＢｏ１（１．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ＆ＨｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃｉａｌＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＢＧＩＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓＬｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３８，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９３，Ｃｈｉｎａ；３．ＢｅｉｊｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳａｎｉｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｆｏｒｐｈｅｎｏｌａｎｄｌｅａｃｈａｔｅｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｒｅａｌｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｂｙｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙｏｒｃｏｍｐｌｅｘ）ｗｉｔｈｂｅｎｔｏｎｉｔｅａｎｄｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＣ１９Ｈ４２ＢｒＮ（ＨＴＭＡＢ）ｏｒＣ１８Ｈ２９ＮａＯ３ＳｏｒＡｌ２（ＳＯ４）３ａｎｄａｃｔｉｃａｒｂｏｎａｓｍｏｄｉｆｉｅｒｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ＴｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｉｅｓｏｆｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓｗｅｒｅＨＴＭＡＢ＋Ｃ１８Ｈ２９ＮａＯ３Ｓ＋Ａｌ２（ＳＯ４）３＋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ＞ＨＴＭＡＢ＋Ｃ１８Ｈ２９ＮａＯ３Ｓ＋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ＞ＨＴＭＡＢ＋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ，ａｎｄｔｈｅｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｉｅｓｏｆｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓｆｏｒＣＯＤａｎｄＮＨ＋４Ｎｗｅｒｅａｃｔｉｃａｒｂｏｎ＋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ＞ＨＴＭＡＢ＋Ｃ１８Ｈ２９ＮａＯ３Ｓ＋Ａｌ２（ＳＯ４）３＋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ．ＴｈｅｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓｏｆＣＯＤａｎｄＮＨ＋４Ｎａｄｓｏｒｐｔｅｄｂｙｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓｗｅｒｅ２６８ｍｇ／ｇａｎｄ３９２ｍｇ／ｇ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｅｒｃｅｎｔａｇｅＣＯＤａｎｄＮＨ＋４Ｎｒｅｍｏｖｅｄｆｒｏｍｌｅａｃｈａｔｅａｃｏｕｎｔｆｏｒ７７３％ａｎｄ２８９％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂｏｔｈａｃｔｉｃａｒｂｏｎ＋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅａｎｄＨＴＭＡＢ＋Ｃ１８Ｈ２９ＮａＯ３Ｓ＋Ａｌ２（ＳＯ４）３＋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅａｒｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｆｏｒｌｅａｃｈａｔｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｐｈｅｎｏｌ；ＣＯＤ；ＮＨ＋４Ｎ；ｌｅａｃｈａｔｅ基金项目：北京市科学技术委员会重大课题（Ｄ０９０４０９００３８００００）收稿日期：２０１０－０９－２９；修订日期：２０１０－１２－２４作者简介：纪华（１９７８～），男，硕士，高级工程师，主要从事垃圾填埋场和工业污染场地的评价和治理方面的研究。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　膨润土属于粘土类矿物，我国膨润土的储量仅次于美国，现开采量为２００万ｔ。在土木工程领域，由于膨润土是高粘度泥浆土，具有良好的触变性，适用于地下连续墙、屋面的防水材料、岩土裂隙灌浆材料等［１］。在环境领域中，因其具有较高的阳离子交换容量及良好的吸附性能，作为工业废水处理剂已受到国内外环保工作者的重视［２４］，近年来对改性膨润土水处理吸附剂的研究已成为废水处理研究领域的热门课题之一，国内研究较多、技术比较成熟的是以季铵盐型阳离子表面活性剂作为改性剂对膨润土进行有机化改性［５１０］，有机膨润土对水溶液中多种有机物均具有较好的吸附效果［１１１４］。渗滤液污染以有机污染为主［１５］，目前采用ＧＣＭＳ技术已在垃圾渗滤液中检出主要有机物有萘、蒽、芘、荧蒽、苊、茚、氯苯、二氯苯、ＰＣＢｓ和苯乙酸等［１６］。采用高效液相色谱法对垃圾渗滤液中的４种有机物进行定量测定，结果为：苯酚含量３２ｍｇ／Ｌ，对甲苯酚１９８ｍｇ／Ｌ，苯胺０１１ｍｇ／Ｌ，蒽０３７ｍｇ／Ｌ［１７］。考虑到渗滤液复杂性，本实验制备不同组分改性膨润土分别吸附处理单一组分渗滤液（苯酚模拟表征）和真实复杂组分渗滤液（ＣＯＤ和ＮＨ＋４第３期纪　华等：改性膨润土对垃圾填埋场渗滤液吸附效果Ｎ表征），研究其对渗滤液的吸附效果。通过单一组分吸附效果研究，从微观的角度剖析其吸附机理；通过复杂组分的吸附研究，为改性膨润土工程应用和探索垃圾填埋场渗滤液处理新方法做出有益尝试。１　实验材料与方法１．１　改性膨润土的制备１．１．１　主要材料钠基膨润土（原土）：阳离子交换量６０ｍｏｌ／ｋｇ，含水量９８８％；十六烷基三甲基溴化铵（ＨＴＭＡＢ），阳离子表面活性剂，分子式：Ｃ１９Ｈ４２ＢｒＮ，分子量为：３６４４６，含量大于或等于９９％；十二烷基磺酸钠，阴离子表面活性剂，分子式：Ｃ１８Ｈ２９ＮａＯ３Ｓ，分子量为：３４８４８，含量大于等于９０％，为化学纯；苯酚为分析纯；硫酸铝为化学纯。１．１．２　改性膨润土的制备流程分别以十六烷基三甲基溴化铵、硫酸铝、十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠＋硫酸铝的单一或组合形式与膨润土作用制得改性膨润土。具体制作方法为：将干燥、过１００目筛４０ｇ的膨润土，倒进２５０ｍＬ的三角瓶中，随后分别加入２００ｍＬ一定浓度的改性剂水溶液，恒定一定的温度（５０℃）振荡２ｈ，振荡速度为１００ｒ／ｍｉｎ；产物经洗涤、过滤后放到烘箱烘干（８０～９０℃），部分进行活化，活化（１０５℃）６０ｍｉｎ，研磨过１００目筛，即制得改性膨润土。改性膨润土组成及其代号见表１。表１　各种改性膨润土组成及其代号Ｔａｂｌｅ１　ＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄＮＯ．ｏｆｖａｒｉｏｕｓｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓ序号改性膨润土的成分改性剂名称改性剂含量（％）制备的温度（℃）代号备　注１膨润土＋十六烷基三甲基溴化铵十六烷基三甲基溴化铵１３５０５０①１①３阳离子表面活性剂改性２膨润土＋十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠１３５０５０②１②３阴阳离子表面活性剂改性３膨润土＋十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠＋硫酸铝十六烷基三甲基溴化铵＋十二烷基磺酸钠＋硫酸铝１３５０５０③１③３阴阳离子表面活性剂＋絮凝剂改性４膨润土＋硫酸铝硫酸铝１３５０５０④１④３絮凝剂改性５膨润土＋十二烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠１３５０５０⑤１⑤３阴离子表面活性剂改性６膨润土＋活性炭活性炭１３５０５０⑥１⑥３吸附剂改性　　注：１％是指溶质与溶剂的质量百分比，如①１％是指在改性时，倒进２５０ｍＬ的三角瓶的改性剂是由２ｇ的十六烷基三甲基溴化铵和２００ｍＬ的去离子水组成。１．２　渗滤液选取与制备１．２．１单一组分渗滤液选用苯酚溶液模拟。１．２．２　真实复杂组分渗滤液（１）氧化沟渗滤液：选取北京市海淀区六里屯垃圾卫生填埋场氧化沟内的渗滤液作为第一个实际研究对象（复杂组分研究对象１）。（２）选择厌氧陈腐垃圾模拟柱对渗滤液回灌处理出水，作为第二个实际研究对象（复杂组分研究对象２）。研究对象２制作过程如下。模拟柱为高密度聚乙烯材料。模拟柱高２５ｍ，其中陈腐垃圾填入量２７０ｋｇ，陈腐垃圾填入压实后高度２ｍ，壁厚度２ｃｍ，内径４０ｃｍ温度传感器间距５０ｃｍ，压实密度１０９×１０３ｋｇ／ｍ３。模拟柱内垃圾填料选用北京市阿苏卫垃圾卫生填埋场陈腐垃圾。通过旋转钻机钻取，四分法取样。垃圾组成见图１，模拟柱回灌实验具体情况见表２，回灌实验示意如图２所示。陈腐垃圾的理化性质如下：ｐＨ：８４５，电导率：３６５ｍｓ／ｃｍ，阳离子交换容量：９．８５ｃｍｏｌ／Ｌ，湿重含水率：１８３６％，干重含水率：２３９％，可挥发性组分：１４９７％，灰分：５５１％。９４８环境工程学报第６卷图１　模拟柱陈腐垃圾物理成分组成（干基）Ｆｉｇ．１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄｒｅｆｕｓｅｉｎｓｉｍｕｌａｔｅｃｏｌｕｍｎ（ｄｒｙｂａｓｉｓ）表２　模拟柱回灌实验情况表Ｔａｂｌｅ２　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｓｉｍｕｌａｔｅｃｏｌｕｍｎ项目模拟柱回灌水情况回灌调节池渗滤液ＣＯＤ为９９０～４０７５０ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４Ｎ为３９９～１８９０ｍｇ／Ｌ水力负荷４ｃｍ／次，６ｃｍ／次，８ｃｍ／次，１０ｃｍ／次出水情况ＣＯＤ为７５０～６５３０ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４Ｎ为４１５～７００ｍｇ／Ｌ实验现象描述整个回灌过程无淹水现象出现，密闭状态下顶空部分氧气体积浓度介于０～１．５％，厌氧环境良好，柱内部温度６．５～３５℃图２　回灌实验示意图Ｆｉｇ．２　Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｃｏｌｕｍｎｆｏｒｌｅａｃｈａｔｅｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ１．２．３　主要分析方法（１）钠基膨润土：土壤的水分采用重量法；土壤的ｐＨ采用电位法；土壤的阳离子交换量采用凯氏定氮法。（２）苯酚：紫外可见分光光度法；实际渗滤液：ＣＯＤ采用重铬酸钾法；ＮＨ＋４Ｎ采用滴定法。（３）改性膨润土吸附苯酚的实验方法在１００ｍＬ的磨口三角瓶中，分别加入一定量的改性膨润土，２５ｍＬ苯酚水溶液，盖紧，在２５℃下，以１００ｒ／ｍｉｎ的速度恒温振荡２ｈ后，放到离心机离心５ｍｉｎ，用注射器取上清液过０４５μｍ的滤膜，用紫外可见分光光度计在２６９ｎｍ苯酚最大吸收波长处测定溶液中苯酚的残留量，计算改性膨润土对苯酚的吸附量。２　结果与讨论２．１　单一组分苯酚模拟渗滤液吸附实验研究在应用于实际渗滤液实验前，首先选择几个组分改性膨润土样品进行单一化实验，用于吸附苯酚溶液，对比吸附效果。２．１．１　实验结果本实验选用改性土的用量为１０ｇ／２５ｍＬ，苯酚的浓度为１００ｍｇ／Ｌ。振荡强度、ｐＨ值、振荡时间和温度等反应条件相同。其去除率及每克土的吸附量如表３所示。表３　不同浓度改性膨润土吸附苯酚的性能比较Ｔａｂｌｅ３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｆｏｒｐｈｅｎｏｌｂｙｍｏｄｉｆｉｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓ项目去除率（％）每ｇ土吸附量（ｍｇ／ｇ）备　注膨润土（原土）２２．４１０．５６０２①１％——固液不易分离，无法测定①３％４３．０７１．０７７②１％——固液不易分离，无法测定②３％４４．２８１．１０