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垃圾渗滤液资源化技术研究进展

北极星水处理网  来源:《广东化工》  作者:莫汝松  2019/7/11 14:49:32  我要投稿  

北极星水处理网讯:垃圾渗滤液产生于生活垃圾的收集及处理过程,垃圾自身所带水分、发酵分解产生的水分及大气降水是其主要水分来源。目前,我国垃圾分类收集处理的普及程度仍然较低,垃圾中所含污染物质不仅含量高且成分复杂。在微生物及水的作用下污染物慢慢从固体转移到垃圾渗滤液中,使其 COD、氨氮、重金属、难降解有机物、盐分等物质的浓度均远远高于城市生活污水。因此,垃圾渗滤液的处理难度极大,通常需要多种工艺的联合处理才能使之达标排放,致使其工程投资及运营成本高企。

事实上正因为垃圾渗滤液中某些物质含量较高,不少研究人员尝试对其进行资源化利用。较早开展的垃圾渗滤液资源化研究方向有厌氧发酵生产沼气、回收氨氮、生产腐殖酸肥料等,显示出渗滤液资源化具备一定的可行性。虽然当前渗滤液资源化技术尚未成熟,未得到大规模推广应用,但随着国家环保政策的日益严格及水处理成本的不断上涨,相关技术将越来越受到重视。因此,本文将对近年兴起的一些渗滤液资源化技术的研究进展情况进行介绍,以期为垃圾渗滤液资源化方向的研究提供参考。

1 回收化学物质

垃圾渗滤液中某些物质含量较高,具有一定的回收价值,且回收有用物质后渗滤液的后续处理难度也相对更低。例如,应用吹脱法、汽提法或磷酸铵镁沉淀法回收氨氮;利用膜分离法或混凝法提取腐殖酸肥料。但是,目前相关技术仍存在能耗高、二次污染大、设备结垢严重或产品纯度低等问题,限制其实际应用。因此,寻求更加高效易行的方式提取渗滤液中的有价值物质成为渗滤液资源化领域研究的重点。

1.1 膜吸收法回收氨氮

李海庆等[1]应用支撑气膜法回收垃圾渗滤液中的氨氮,其原理是利用微孔疏水性聚丙烯中空纤维膜将渗滤液与酸吸收液分隔于膜两侧,游离态氨气化扩散进入微孔,并通过微孔扩散到膜的另一侧被酸吸收液快速、不可逆吸收生成不挥发的铵根离子,使氨氮得以回收。该研究试验结果显示对于氨氮浓度为 1000~3000mg/L 的垃圾渗滤液,该技术可脱除 99 %以上的氨氮,同时得到硫酸铵含量为 10 %~15 %的水溶液副产品。Amaral 等[2]采用一种Liqui-Cel 脱气膜组件提取垃圾渗滤液中的氨氮,结果表明该膜组件可将渗滤液中 99.9 %的氨氮脱除,同时获得质量分数高达41.2 %的硫酸铵溶液,可以用作肥料。与传统的氨氮回收工艺相比,膜吸收法具有氨氮脱除率高、能耗低、二次污染少等优点,随着技术的改进及相关膜设备成本的降低,该技术将得到更多的关注。

1.2 回收金属元素

Li 等[3]的研究尝试从垃圾渗滤液纳滤浓缩液中回收钾元素,先以离子交换膜电解法将钾离子富集在电解池阴极室,再用磷酸镁钾结晶法将溶液中的钾元素以沉淀的形式回收,处理钾离子浓度为 2761 mg/L 的浓缩液时,钾离子回收率可达 56 %。Wu 等[4]先以投加碳酸钠的方式对垃圾渗滤液进行除钙预处理,再以浸没式正渗透膜将垃圾渗滤液浓缩,最后投加磷酸将镁离子以鸟粪石沉淀的形式进行回收。经除钙及正渗透预处理后,在(Mg +Ca)∶P为 1∶1.5、pH 为 9.5 的处理条件下,渗滤液中镁离子回收率可达98.6 %。区别于直接向渗滤液投加药剂,膜分离技术的引入可使物质回收效率更高且费用更低,无疑更具发展前景。目前,该处理技术仍处在发展阶段,如何降低渗滤液前处理及金属离子结晶回收成本、提高回收产物纯度、应用新型膜材料及提高膜运行效率等是其研究重点。

2 与固废联合处理

对于有机物含量较高的垃圾渗滤液,厌氧发酵处理既可生产甲烷,还能降低有机物含量,有利于其后续处理,是一种兼具经济及环境效益的处理方式。但是,由于垃圾渗滤液氨氮、重金属、有毒物质含量高的特性,垃圾渗滤液在发酵产甲烷过程容易出现反应条件不稳及甲烷产率偏低的问题。因此,有研究人员尝试将垃圾渗滤液与某些固体废物联合处理,通过两者所含物质的互补,达到优化处理效率且同时处理两种污染物的目的。

2.1 与餐厨垃圾联合处理

Zhang 等[5]研究了新鲜渗滤液与餐厨垃圾共消化以提高沼气产率和工艺稳定性的可行性。结果表明,在长时间的运行过程中,与单纯的餐厨垃圾消化容易失败相反,餐厨垃圾与渗滤液厌氧共消化表现出更好的性能和稳定性,获得更高的甲烷产量(375.9~506.3 mL/gVS)及 VS 去除率(66.9 %~81.7 %),pH 更稳定(7.2~7.8),且无挥发性脂肪酸(VFA)抑制现象。张竣[6]以垃圾渗滤液浓缩液作为餐厨垃圾消化调节液,发现其水解酸化速度、产气速率、总产气量及甲烷含量都明显高于以水为调节液的消化试验组,累积甲烷产量可达餐厨垃圾单相厌氧消化理论值的 165 %,表明适量垃圾渗滤液的加入有利于餐厨垃圾的厌氧消化。

2.2 与农业及养殖业固废联合处理

厌氧消化是一种极具潜力的农业及养殖业固废处理技术,可避免粗放式处理带来的环境污染且能回收清洁能源。尹世军等[7]探究了碱处理后的水稻秸秆与垃圾渗滤液进行混合厌氧消化的可行性,结果显示高浓度渗滤液的添加可使秸秆消化过程产生相对更多的 VFA,加入渗滤液的秸秆厌氧消化系统的甲烷产气率及产气量分别比对照组高 60.15 mL/gVS 和 1868 mL,表明垃圾渗滤液与碱处理后秸秆的混合消化效果良好。耿晓丽[8]在中温条件下以猪粪为底物,以批次进料方式处理焚烧厂垃圾渗滤液,当以 20 %、25 %的体积负荷填料时可得到较高的产气量,同时消化液的 pH值、碱度、氨氮水平均可保持稳定。

上述研究表明将渗滤液与餐厨垃圾或农业及养殖业废弃物进行联合厌氧消化具有一定的优势,但若要将该处理方式应用于实际工程,一方面需要进一步优化联合消化的运行参数,另一方面也需要相关政策的引导和支持使之便于实施。

3 微生物燃料电池产电

微生物燃料电池(MFC)是一种通过微生物的代谢作用将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。对于 MFC 的运行来说,垃圾渗滤液不仅碳源氮源丰富,而且盐分含量较高使之具有较高的电导率,可以作为其潜在的基质来源。

3.1 双室微生物燃料电池

双室 MFC 一般以质子交换膜分隔电池的阴阳极室,在阳极室中产电微生物氧化分解有机物并产生电子和质子,两者分别通过外电路和质子交换膜到达阴极室并与其中的电子受体结合,最终产生电流。由于双室 MFC 存在输出功率偏低的问题,谢淼等[9]尝试以二氧化锰与石墨烯(MnO2/rGO)复合催化剂修饰双室 MFC阴极电极材料,并将该 MFC 用于老龄垃圾渗滤液的处理,可获得 194 mW/m3的功率密度(是未经催化剂修饰 MFC 的两倍),COD和氨氮去除率分别为 58.68 %和 76.64 %。黄丽等[10]采用正透膜为中间隔膜,构建双室正渗透微生物燃料电池(OsMFC)处理垃圾渗滤液,结果表明 OsMFC 与普通 MFC 相比产电性能更好,其最大面积功率密度及相应电流密度分别为 0.406 W/m2和 1.594 A/m2

3.2 单室微生物燃料电池

与双室 MFC 相比,单室 MFC 一般只有阳极室并以空气作为阴极,以氧气作为电子受体,因此运行成本更低,具有更好的应用潜力。然而,以空气作为阴极时,由于氧气溶解度低和阴极存在较大过电势的问题,会使电池反应速率偏低。袁浩然等[11]以MnO2 作为阴极催化剂,尝试提高以垃圾渗滤液为阳极液基质的MFC 产电性能。当电池阴极负载 MnO2后,稳定输出电压和最大功率密度分别增大到 0.43 V 和 0.89 W/m3,同时 MFC 运行 7 天后BOD 和氨氮去除率分别达到 72.9 %和 91.6 %。朴明月等[12]将聚四氟乙烯涂抹于碳布层,制成以空气为阴极的单室 MFC,用于垃圾渗滤液产电,获得的最高输出电压和最高功率密度分别为 2.005V 和 3.2 W/m2

微生物燃料电池技术处理垃圾渗滤液可在回收能量的同时去除部分污染物,且运行成本较低,但仍需更好地改善产电效率低、稳定性差、电极制造成本偏高等问题方能使其更接近于实际应用。

4 制取氢气

垃圾渗滤液特别是早期垃圾渗滤液有机物含量较高,因此不少研究人员尝试将其转化成 H2、CH4、CO 等能源形式。其中,利用垃圾渗滤液制取氢气这一清洁能源被认为是一个颇有发展前景的方向。

4.1 生物制氢

在较早期的研究中,研究人员发现某些微生物在特定条件下可以利用垃圾渗滤液中的有机物产出氢气。余丽佳等[13]利用厌氧膨胀颗粒污泥床反应器及初期垃圾渗滤液进行发酵制氢,结果表明在运行条件为中温 35±1 ℃,pH 为 5.0~5.5,水力停留时间为 24h,反应器内液体上升速度为 3.7 m/h 时,系统的 CODCr去除率和氢气产生速率分别为 49.6 %~51.6 %和 1996~2183 mL/(L·d)。

Hassan等[14]构建了一种微生物电解系统从模拟垃圾渗滤液中以较低的成本制氢,当外加驱动电压为 1.0 V 时,测得系统最大电流密度为 1000~1200 mA/m2,制氢速率可达 0.148 L/(L·d)。由于生物制氢往往对运行条件的控制要求较高,难以稳定保持较快的制氢速率,因此有研究人员尝试用超临界水气化技术更加高效快速地从垃圾渗滤液中制取氢气。

4.2 超临界水气化制氢

渗滤液超临界水气化制氢是利用超临界水极强的传质及溶解能力,将渗滤液中的有机物质溶解后,在蒸汽重整及水气转换等作用下使有机物分解和转化成包括氢气在内的小分子物质的技术。龚为进等[15]尝试利用超临界水气化技术从垃圾渗滤液中制取氢气,在温度、压力、反应时间分别为 470 ℃、23.1 Mpa、10 min时,超临界水气化气体产物中 CH4、CO2和 H2分别达到 32.34 %、2.72 %、61.88 %。在该团队后续的研究中[16],以 NaOH、KOH、K2CO3、Na2CO3等碱性物质作为催化剂提高超临界水气化技术从渗滤液中制氢的效率,发现在 450 ℃、28 Mpa、15 min 的反应条件下,加入 5 %(wt)NaOH 时得到的 H2摩尔分数和产率最高,分别为 74.40 %和 70.05 mol/kg。利用超临界水气化技术处理渗滤液可大幅度降低有机物污染物浓度,还可回收清洁能源氢气,是一种前景广阔的处理技术,但该技术尚存在设备昂贵、运行成本较高、反应热效率偏低等问题,故暂时难以得到实际应用。

5 培养能源微藻

不可再生能源日渐枯竭是人类社会继续发展面临的一大难题,因此开发更多高效新型的可再生能源刻不容缓。其中,培养能源微藻进行无机碳固定和生物燃料生产是目前的研究热点之一。

5.1 光生物反应器养藻

由于能源微藻的培养过程需要消耗大量氮、磷、水等资源,运行成本偏高,因此近年来研究人员尝试利用污水作为营养源,以期达到降低微藻培养成本同时净化污水的目的[17]。垃圾渗滤液中氨氮及总磷含量均远高于普通生活污水,对微藻的培养来说是良好的营养来源,因此利用垃圾渗滤液培养微藻引起了研究人员的关注。Zhao 等[18]以垃圾渗滤液与市政污水混合液作为基质,利用光生物反应器培养高密度微藻菌团,用于固定无机碳及生产生物柴油。当渗滤液占混合液体积比为 10 %时,获得的生物柴油产量和二氧化碳固定率分别为 24.1 和 65.8 mg/(L·d)。

5.2 膜光生物反应器养藻

由于垃圾渗滤液中氨氮、重金属、有机污染物等对微藻细胞有一定的毒性,会抑制藻细胞的光合作用,限制了微藻对垃圾渗滤液营养物质的利用效率[19]。因此,研究人员尝试利用膜光生物反应器(m-PBR)培养微藻,通过光生物反应器与膜过滤组件的结合,将微藻培养液与垃圾渗滤液分隔开,从而降低垃圾渗滤液的毒性作用对微藻细胞的影响,提高微藻生长效率和脂质产量。Chang 等[20]的研究利用 m-PBR 和垃圾渗滤液培养微藻,与使用普通光生物反应器相比,得到的微藻生物量浓度从 0.66 提高到 0.95g/L,氮磷回收效率明显提高。此外,利用 m-PBR 生产的微藻制造的生物柴油十六烷值较高而亚麻酸含量较低,表明以垃圾渗滤液为营养源时,获得的生物柴油具有良好的燃烧性能。

将 m-PBR 技术用于垃圾渗滤液培养能源微藻利用的是膜分离、藻类及光的综合作用,就氮磷回收及碳固定来说成本是极低的,无疑是垃圾渗滤液处理及资源化极具前景的新方向。然而,目前该技术仍需继续提高能源微藻的生产与回收效率以及寻求能低费高效地将生物脂质转化成生物柴油的方法。

6 总结与展望

垃圾渗滤液成分复杂、处理难度大,在目前我国相对严格的排放标准下,其妥善处理需要耗费高昂的费用。然而,垃圾渗滤液中许多污染物质也是可被回收利用的资源。在本文提到的研究中,垃圾渗滤液有回收氨氮、提取金属物质及制造能源等资源化利用方式,不仅可以创造一定的经济价值,还可令渗滤液得到不同程度的净化,无疑可以大幅节省渗滤液最终处理成本,是垃圾渗滤液处理领域非常值得继续加以深入研究的方向。

目前,渗滤液资源化技术往往存在不同程度的不足,使之尚未得到推广应用。首先,相关技术仍需继续提高从垃圾渗滤液中回收资源或能源的效率,提高其经济效益。其次,单靠某一种渗滤液资源化技术往往无法完全净化垃圾渗滤液,因此考虑将多种技术有机结合,在回收多种资源的同时降低渗滤液最终处理成本,无疑更有利于相关技术的发展与应用。最后,垃圾渗滤液资源化技术的应用及其产品的销售使用还需得到国家相关政策的支持,以便回收得到的资源能顺利地转化成经济效益。随着技术的不断改进及国家相关环保政策的推动,垃圾渗滤液的资源化利用将得到更多的关注和实际应用。


原标题:垃圾渗滤液资源化技术研究进展

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