城市生活垃圾的主要处理方式是卫生填埋，由此产生大量的垃圾渗滤液^〔1-2〕。垃圾渗滤液成分复杂、污染物含量高、危害性大^〔3-5〕，单一处理工艺往往无法获得较好的净化效果。国内外处理垃圾渗滤液的主要技术路线是：预处理—深度处理—后处理^〔6〕，常用的深度处理方法有高级氧化法、膜分离法、生物处理法及活性炭吸附法等^〔7-10〕。我国大部分垃圾填埋场深度处理是采用膜分离，该法存在高浓度浓缩液回灌降低处理效果和膜寿命、材料易损耗、成本高等问题^〔11〕。研制成本低、效果好的处理方法成为垃圾渗滤液污染治理技术的研发方向。

离子交换纤维是一种有效比表面积大、交换速率高、再生性能好、适用性广的新型功能性纤维材料^〔12-13〕，主要分强酸性、弱酸性阳离子交换纤维和强碱性、弱碱性阴离子交换纤维。本研究利用强酸性H型阳离子交换纤维的吸附和离子交换功能去除垃圾渗滤液中的NH₃-N，以及利用纤维骨架上的憎水部分的范德华力吸附垃圾渗滤液中的有机碱去除COD_Cr。离子交换体系中主要发生的反应如下：

(1)

(2)

其中，R代表离子交换纤维的骨架部分。

利用强酸性H型阳离子交换纤维深度处理垃圾渗滤液，从对污水中NH₃-N、COD_Cr去除效果的角度探讨主要影响因素以及纤维再生特性，为离子交换纤维深度处理垃圾渗滤液的应用技术研究以及离子交换设备和工艺的设计和运行提供参考。

实验采用的水样为广西某生活垃圾填埋场提供的经磁种混凝^〔14〕和MAP沉淀法^〔15〕预处理后的垃圾渗滤液，其NH₃-N 192.3 mg/L，COD_Cr 235.0 mg/L，pH=9.0。

纤维：强酸性H型阳离子交换纤维，广西某公司提供。

仪器设备：722s型可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；微波密封消解COD速测仪，汕头市环海工程总公司；EL20型实验室pH计，梅特勒-维利多仪器（上海）有限公司；PL203型电子天平，梅特勒-维利多仪器（上海）有限公司；超级恒温水槽，上海精宏实验设备有限公司。

用去离子水彻底清洗纤维，再用质量分数5%~10%的盐酸浸泡纤维3 h或反复淋洗纤维10 min，自然晾干、待用。取待处理水样，分别在不同pH、反应温度、振荡强度、离子交换纤维投加量的情况下，进行离子交换实验，考察离子交换纤维对主要污染物的去除效果和纤维交换容量。反应完成后，用定性滤纸过滤反应液，计算NH₃-N、COD_Cr的去除率。以处理后水样上清液的NH₃-N、COD_Cr去除率表征处理效果。

氨氮采用纳氏试剂比色法（HJ 535—2009）检测，COD_Cr采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）检测。

取待处理水样200 mL，在反应时间为30 min，反应温度为30 ℃，初始pH=9.0，振荡强度为200 r/min的条件下进行静态吸附实验，纤维投加质量浓度分别为2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5 g/L。不同纤维投加量对垃圾渗滤液处理效果的影响如图1所示。

由图1可知，在待处理垃圾渗滤液量一定的情况下，阳离子交换纤维对NH₃-N、COD_Cr均有一定的处理效果，且对NH₃-N的去除效果更佳。这是因为不同纤维所带功能基、骨架结构、交联度等不同，对不同离子的交换亲和吸附性能不同，具有一定的选择性。强酸性H型阳离子交换纤维骨架上的—SO₃H在水中可离解出H+，而水中的NH₃、NH4+能从水中扩散到纤维，以浓度差为推动力与纤维上的H+发生离子交换；浓度差越大，交换速度越快；而且，离子交换纤维所具有的能吸附氨气的特点也有助于对氨氮的去除。在强酸性H型阳离子交换纤维环境中，COD_Cr的去除主要是依赖纤维骨架上憎水部分的范德华力吸附，处理效果因此不佳。

当纤维投加质量浓度大于10.0 g/L时，COD_Cr去除率有所减缓，而NH₃-N去除率继续上升。当投加质量浓度为12.5 g/L时，NH₃-N、COD_Cr去除率分别达到了92.72%、38.64%，水样中剩余NH₃-N为14.0 mg/L，已达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，此时纤维对NH₃-N的平衡交换容量为14.3 mg/g。可见，纤维投加量越大，NH₃-N、COD_Cr去除率越高；达到一定投加量后，随着纤维投加量的增加，去除率趋于稳定，不再增加。这是因为离子交换反应是可逆反应，当交换反应进行到一定程度时，就建立了离子交换平衡状态，达到了反应的限度。由此可知，纤维投加量是影响渗滤液处理效果的一个主要因素。

从实验结果和生产成本来考虑，选取12.5 g/L作为离子交换纤维实验的最佳投加质量浓度。

取待处理水样200 mL，在纤维投加质量浓度为12.5 g/L，反应温度为30 ℃，初始pH=9.0，振荡强度为200 r/min的条件下进行静态吸附实验，反应时间分别为2、5、10、15、20、25、30、60 min，不同反应时间对垃圾渗滤液处理效果的影响如图2所示。

由图2可知，在待处理垃圾渗滤液量一定的情况下，离子交换纤维的反应速率很快，整个反应体系中的NH₃-N、COD_Cr去除率在15 min内迅速升高，NH₃-N、COD_Cr的去除率均达到总去除率的80%。这是因为离子交换纤维由均匀的单丝构成，孔结构均一，具有较大的比表面积、吸附速率和交换容量，能在反应开始的较短时间内让纤维与渗滤液充分接触进行离子吸附交换反应，并达到平衡状态。当反应时间为30 min时，NH₃-N、COD_Cr的去除率分别达到了93.24%、37.91%，此时水样中剩余NH₃-N为13.0 mg/L，已达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，纤维对NH₃-N的平衡交换容量为14.3 mg/g。综上考虑，选取30 min为最佳反应时间。

取待处理水样200 mL，在纤维投加质量浓度为12.5 g/L，反应时间为30 min，初始pH=9.0，振荡强度为200 r/min的条件下进行静态吸附实验，反应温度分别为10、20、30、40、50、60 ℃，不同反应温度对垃圾渗滤液处理效果的影响如图3所示。

由图3可知，在待处理垃圾渗滤液量一定的情况下，总体上看，渗滤液中的COD_Cr去除率随着温度的升高而增大，但增加幅度不大，而温度对NH₃-N去除率的影响较小。这是因为离子交换纤维的交换反应多为放热、可逆反应，水体温度过高会抑制反应速率，而水温过低时，水体黏度增加，污染物难以与纤维充分接触完成交换。当反应温度在10~60 ℃时，NH₃-N均能达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，而且当反应温度为30 ℃时，NH₃-N、COD_Cr去除率分别达到了93.29%、37.83%，此时，水样中剩余NH₃-N为12.9 mg/L，已达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，纤维对NH₃-N的平衡交换量为14.4 mg/g。考虑到经济效益及能耗，选取30 ℃为最佳反应温度。

取待处理水样200 mL，在纤维投加质量浓度为12.5 g/L，反应时间为30 min，反应温度为30 ℃，振荡强度为200 r/min的条件下进行静态吸附实验，初始pH分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，不同初始pH对垃圾渗滤液处理效果的影响如图4所示。

由图4可知，在待处理垃圾渗滤液量一定的情况下，阳离子交换纤维的适用pH范围较广，渗滤液中的NH₃-N、COD_Cr去除率随pH升高而增大，最后趋于平缓。这是因为强酸性H型阳离子交换纤维在溶液中会水解产生H+，当溶液pH增加，碱性增强，促进了纤维的水解，其有效基团增加，能吸附更多水体中的NH₃-N从而提高了对氨氮的去除效果。当反应pH=9.0时，NH₃-N、COD_Cr去除率分别达到93.29%、38.43%，水样中剩余NH₃-N为12.9 mg/L，已达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，此时纤维对NH₃-N的平衡交换容量为14.4 mg/g。考虑到待处理水样的初始pH已经为9.0，为节约成本，选取初始pH=9.0作为阳离子纤维实验的最佳初始pH。

取待处理水样200 mL，在纤维投加质量浓度为12.5 g/L，反应时间为30 min，反应温度为30 ℃，初始pH=9.0的条件下进行静态吸附实验，振荡强度分别为0、50、100、150、200、250、300 r/min，不同振荡强度对垃圾渗滤液处理效果的影响如图5所示。

由图5可知，在待处理垃圾渗滤液量一定的情况下，渗滤液中的NH₃-N、COD_Cr去除率随着振荡强度的增加而增大。这是因为污染物离子从水中扩散到纤维表面后，要穿过纤维表面，在纤维内部扩散、进行交换，被交换的离子由纤维内部扩散到纤维表面再进入到溶液完成交换，整个传质过程都受振荡强度的影响。振荡强度越大，污染物与纤维活性基团接触、交换量越多，直至交换反应达到平衡。可见，振荡强度对离子交换成效的影响较大。当振荡强度为200 r/min时，NH₃-N、COD_Cr去除率分别为92.88%、37.49%，水样中剩余NH₃-N为13.7 mg/L，已达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，此时纤维对NH₃-N的平衡交换量为14.3 mg/g。当振荡强度超过200 r/min后，继续加大振荡强度，NH₃-N、COD_Cr的去除率增加效果不明显。综上，选择200 r/min为最佳振荡强度。

利用强酸性H型阳离子交换纤维处理垃圾渗滤液，通过纤维与渗滤液反应前后的扫描电镜图片对比，可以看出，反应前的纤维表面平整光滑，反应后的纤维表面变得粗糙，并有大量絮状物附着。可见，强酸性H型阳离子交换纤维在处理垃圾渗滤液的过程中吸附了部分污染物。

离子交换纤维的交换反应的可逆性使得离子纤维具有优良的可再生性，能大大降低处理成本。将使用后的离子交换纤维用质量分数为8%的稀盐酸溶液反复淋洗10 min，再用清水洗净、晾干待用。

在本实验确定的最佳工艺条件下，用再生后的离子交换纤维处理垃圾渗滤液，然后按照1 g纤维使用10 mL稀盐酸溶液的比例对纤维进行静态再生，并重复以上反应—再生实验10次。由于强酸性H型阳离子交换纤维对NH₃-N有更好的去除效果，故以其对NH₃-N的平衡交换量和再生前后对NH₃-N交换量的对比率来衡量其再生性能，结果如图6所示。

由图6可知，阳离子交换纤维的再生性能良好，多次再生后纤维对NH₃-N的交换吸附能力仍可达初始吸附能力的93%以上，平衡交换量在13.6 mg/g以上，且再生操作简单，可反复多次再生使用。

（1）强酸性H型阳离子交换纤维对去除垃圾渗滤液中的NH₃-N有良好的效果，处理效果与离子交换纤维投加量、反应时间、反应温度、初始pH和振荡强度有关。

（2）在实验范围内，静态处理的最佳工艺条件为：阳离子交换纤维投加质量浓度12.5 g/L，反应时间30 min,反应温度30 ℃，初始pH=9.0，振荡强度200 r/min。此时，出水NH₃-N、COD_Cr的去除率可达93.29%、38.64%，剩余NH₃-N为12.9 mg/L，已达《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，纤维对NH₃-N的交换量为14.4 mg/g。

（3）实验所用的阳离子交换纤维的静态再生性能良好，经过多次再生后对NH₃-N的交换吸附能力仍可达初始吸附能力的93%以上，平衡交换量在13.6 mg/g以上，且再生过程简单，可反复多次再生使用。