垃圾渗滤液处理工艺研究及应用现状浅析

随着中国城市化的加快和居民生活水平的提高,城市生活垃圾的产量与日俱增. 2013 年,中国的生活垃圾总产量已经达到了1.73亿kg. 由于处理成本低,采用垃圾卫生填埋处理的垃圾占总垃圾产量的80%以上. 在垃圾填埋的过程中以及填埋完成后会产生垃圾渗滤液. 垃圾渗滤液的来源主要是垃圾自身含水和大气降水降雪等. 目前中国的垃圾渗滤液产量已经达到了每年3 000 万t 以上. 由于垃圾的成分十分复杂,因此所产生的垃圾渗滤液是一种成分复杂,高有机物高氨氮高盐分的特种废水,而1 t 渗滤液约相当于100 t 城市污水所含污染物的浓度. 渗滤液如果直接排放,会对周围的环境,尤其是地下水产生不可逆的危害.

中国十分重视对垃圾渗滤液的处置安全问题.为了有效地保护填埋场周边的环境,国家在1997 年颁布了垃圾渗滤液的排放标准《GB16889—1997》.标准对渗滤液的悬浮物、BOD5、COD、氨氮和大肠杆菌值做了明确的规定. 2008 年,国家对原来的渗滤液排放标准进行了修订, 实行新的排放标准《GB16889—2008》. 新的排放标准相比旧的排放标准,明确增加了总氮、总磷和6 个重金属指标,严格了氨氮的排放标准. 新标准的提出,尤其是总氮排放标准的加入,对垃圾渗滤液处理来说既是挑战也是机遇. 挑战在于新标准内容更丰富,要求更严格,这增加了渗滤液的处理难度. 但另一方面,新标准的提出会加快新方法新技术的开发和推广,对进一步减小渗滤液对环境的危害有巨大的推动作用.

1 垃圾渗滤液的水质特点

垃圾渗滤液是一种黑色或者黄褐色的带有恶臭气味的液体.渗滤液含有大量的有机物和无机物,包括各种难降解有机物(如各种芳香族化合物和腐殖质等)、无机盐(如氨根、碳酸根和硫酸根等)和金属离子(如铬、铅和铜等). 由于垃圾中的成分复杂,垃圾渗滤液水质的特点之一就是污染物含量很高,而且往往含有生物毒性. 其中COD 的质量浓度最高可高达20 000 mg/ L 以上,包含苯及其多种衍生物,氨氮的质量浓度可达2 000mg/ L. 这种含有有毒有机物和高氨氮的废水给其处理,尤其是生物处理带来了极大的困难. 除了有毒的芳香族化合物外,渗滤液还含有大量的腐殖质和腐殖酸等大分子有机物. 这些有机物虽然没有生物毒性,但由于分子量大,具有很好的化学稳定性,微生物无法实现有效的降解,因此,只采用活性污泥法不能实现对渗滤液COD 的有效去除,必须增加深度处理工艺.垃圾渗滤液的另一个特点是水质水量变化大. 地域对渗滤液的水质有很大的影响. 相对来说,欧美国家的渗滤液污染物浓度尤其是氨氮要低于亚洲国家. 欧美国家渗滤液中的氨氮的质量浓度一般在1 000 mg/ L 以内甚至更低,而亚洲国家的渗滤液氨氮的质量浓度一般都在1 000 mg/ L,甚至可以达到5 000 mg/ L.这可能与不同地区不同的文化和生活习惯有关.同一地点不同时间产生的渗滤液水质差别也很.根据垃圾填场的场龄不同,垃圾渗滤液可以分为早期垃圾渗滤液(填埋场场龄5 a 以内)、中期垃圾渗滤液(填埋场场龄5 ~ 10 a)和晚期垃圾渗滤液(填埋场场龄10 a 以上). 不同时期渗滤液的水质特点如表1 所示,其中括号中的数值代表了该项的典型值.

由表1 可知,早期垃圾渗滤液的水质特点就是有机物含量很高,可生化性强,但氨氮浓度相对较低;晚期垃圾渗滤液的水质特点就是氨氮含量高,可生化性变差且碳氮比大幅度降低,中期渗滤液的水质介于早期和晚期渗滤液之间. 同时,对于同一地区的雨季来说,渗滤液往往产量大,且有机物含量高,而旱季则产量小,具有较高的氨氮浓度. 渗滤液水质的第3 个特点是营养比例失调. 渗滤液中有机物和氨氮浓度非常高,但磷元素的含量却很低,同时,重金属的含量往往较高. 较低的磷含量和较高的重金属含量增加了渗滤液生物处理的难度,这对渗滤液的有效处理是个挑战.

2垃圾渗滤液的处理方法及处理难点

2.1 垃圾渗滤液的处理方法:垃圾渗滤液的处理方法主要有4种方法. 第1种方法是直接排往城市污水厂合并处理. 这种方法的优点是无需再另建处理厂,缺点主要有2 个.一个是管网的投资费用大.填埋场一般远离市区,因此需要铺设较长的输送管网. 另一个是增加了城市污水厂的不稳定因素. 由于渗滤液水质复杂且不稳定,城市污水厂长期接受渗滤液会给其稳定运行带来极大的隐患,很容易使活性污泥出现中毒等不良症状 . 第2 种方法是向填埋场的循环喷洒处理 . 这种方法的优点是操作简便,处理成本最低. 这种方法的缺点是并没有解决渗滤液的污染问题,渗滤液的产量会越来越大,处理会越来越困难. 第3 种方法是预处理后汇入城市污水处理厂合并处理. 这种方法的优点是处理工艺相对简单,同时降低了城市污水厂的风险,但缺点是投资较大,且城市污水厂的安全隐患依然存在. 第4种方法是单独建设污水站,渗滤液经污水站处理达标后排放. 这种方法的优点是出水水质有保证,真正实现了渗滤液的有效处理,对环境的危害最小,缺点是对工艺的要求较高,运行和管理费用较高. 综合以上因素,目前垃圾填埋场主要采用第4 种单独建设污水站的方法进行处理. 这些渗滤液处理厂一般采用物化(预处理) + 生化(包括厌氧和好样) + 物化(深度处理)的组合工艺实现达标排放. 其中,预处理阶段的主要作用是降解部分有机物和氨氮,降低渗滤液的生物毒性,提高渗滤液的可生化性,主要工艺有絮凝沉淀、臭氧氧化和氨吹脱等;生化阶段的主要作用是去除渗滤液中的可生化有机物和氨氮主要工艺有A/ O、A/ A/ O、SBR、UASB、MBR 等;深度处理的主要作用是进一步去除渗滤液中的有机物和总氮,保证其达标排放,主要工艺有Fenton 氧化、电化学、活性炭吸附和膜处理工艺等.

2.2垃圾渗滤液的处理难点:目前中国垃圾渗滤液处理的主要难点有:1) 有机物含量高,且含有大量有毒和大分子有机物,采用单一的物化或者生化工艺无法实现达标排放,必须采用物化联合生化的组合处理工艺进行处理. 如何选择合理、经济、有效的组合工艺是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第1 道难题. 2) 氨氮含量高,实现有效彻底的脱氮困难. 由于国家增加了对渗滤液总氮的排放标准,这对渗滤液的处理提出了更高的要求. 传统的处理工艺尤其是核心的生物处理工艺一般能够有效去除渗滤液中的氨氮,但对于总氮的去除并不理想. 如何提高生物处理工艺的总氮去除率是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第2 道难题. 3) 水质水量的巨大变化增加了稳定达标排放的难度. 不同季节不同场龄的渗滤液水质水量相差巨大,这对处理工艺的选择和运行带来了挑战. 在既定的组合工艺下,如何充分发挥现有工艺的最大处理能力和保证稳定的运行是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第3 道难题. 4) 处理工艺复杂,处理成本高. 目前的渗滤液处理厂,为了实现达标排放,除了采用组合工艺外,往往采用以纳滤或反渗透为主的膜处理工艺作为最后的深度处理,造成渗滤液处理成本长期居高不下. 如何在保证处理效果的前提下,降低渗滤液的处理成本是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第4 道难题.

3物化法处理垃圾渗滤液

物化处理一般用于垃圾渗滤液处理的预处理和深度处理,主要有氨吹脱法、絮凝沉淀法、高级氧化法、吸附剂吸附法、膜过滤法等.

3.1 氨吹脱法处理垃圾渗滤液:垃圾渗滤液是一种高氨氮废水,高浓度的氨氮会给生物处理带来极大的困难,因此,如果能将渗滤液的氨氮浓度降至一个较低的范围,则会极大的提高后续生化处理的效率和效果. 氨吹脱工艺特比适合作为垃圾渗滤液的前处理工艺来去除渗滤液中高浓度的氨氮. 氨吹脱的主要原理在碱性条件下,通过曝气将渗滤液中的氨氮以氨气的形式吹出并通过吸附剂进行回收. 沈阳建筑大学的傅金祥等研究了一定进水氨氮质量浓度和流量的情况下,不同pH 值、吹脱时间、气液体积比和温度对氨氮去除效果的影响. 研究结果表明,当pH 为11、吹脱60 min,气液体积比为360：1,温度为40℃ 条件下,吹脱法对垃圾渗滤液中氨氮去除效果最佳,对氨氮的去除率可以达到85% 以上. Marttinen 等在pH为11,温度为20 ℃的条件下对渗滤液吹脱24 h,氨氮的去除率可以稳定在89% 以上. Cheung 等和Silva 等的研究表明,采用长时间的停留时间,对渗滤液中的氨氮去除率可以达到93% 以上,甚至可以达到99.5%.氨吹脱法的优点是处理效果稳定,对氨氮的去除效果很高.氨吹脱法的缺点主要有:需要大量的碱进行pH 的调节,因此成本高,调节剂的运输管理和储存困难;吹脱出来的氨气必须通过酸性液体回收,防止污染大气;吹脱塔容易出现结垢和泡沫的问题,处理十分棘手.

3.2 絮凝沉淀法处理垃圾渗滤液:通过向渗滤液中添加絮凝剂可以有效地去除渗滤液中的有机物、悬浮物和氨氮. 这种方法简单易行,特别适合晚期垃圾渗滤液,一般用于渗滤液的预处理阶段. 用于处理垃圾渗滤液的絮凝剂主要有铁盐、铝盐、PAM 等. 李志伟等研究了PAC 联合PAM 对渗滤液的处理效果. 研究结果表明,在PAC 的质量浓度为750 mg/ L、PAM 的质量浓度为15 mg/ L 的条件下,垃圾渗滤液中COD 和浊度的去除率分别为27.45% 和65.80%.商平等研究了PAC 与PFS 复合混凝对渗滤液的预处理效果. 试验结果表明,PAC 和PFS 的联合投加具有明显的交互作用,可以提高混凝效果. 在最佳条件下,COD、SS和浊度的去除率分别可以达到59.2%、87.19% 和97.12% . Yoo 等采用氯化铁作为絮凝剂处理COD 的质量浓度在1 200 ~1 500 mg/ L 的渗滤液,絮凝剂用量在0.2 ~ 12.0 g/ L 的条件下,COD 的去除率可以达到39%左右. Wang 等采用硫酸铁作为絮凝剂,处理COD 的质量浓度在15 700 mg/ L 的渗滤液,当絮凝剂用量在0.3 g/ L 时,处理效果最好,COD 的去除效果可以达到70%. 除了使用单种的絮凝剂,很多研究者采用复合絮凝剂处理垃圾渗滤液. Tatsi 等 采用氯化铁联合硫酸铝的复合絮凝剂处理垃圾渗滤液,COD 的最大去除率可以达到75%. Welander 等也采用氯化铁联合硫酸铝的复合絮凝剂处理经过生物处理的渗滤液,COD 的去除率也可以达到53%. 在一般情况下,复合絮凝剂的处理效果好于单一絮凝剂,原水的COD 越高,絮凝剂的处理效果越好.絮凝沉淀法的优点是处理效果稳定,可操作性强,处理方式灵活. 缺点主要有:会产生大量污泥,需要进行二次处理;会增加渗滤液中的金属离子含量,对环境不利.

3.3 高级氧化法处理垃圾渗滤液:渗滤液中往往含有大量的大分子有机物,这些有机物采用传统方法难以得到有效的去除,采用高级氧化技术可以有效分解和去除这些大分子有机物. 通过高级氧化的技术,小分子有机物直接被氧化成CO2 和H2 O,大分子有机物或者被直接氧化成CO2和H2O,或者被氧化成容易降解的小分子有机物. 由此可见,无论是预处理还是深度处理,都可以使用高级氧化技术处理垃圾渗滤液. 目前常用的高级氧化技术主要有Fenton 氧化、臭氧氧化、臭氧和双氧水联合氧化、湿式氧化等.

3.3.1 Fenton 氧化处理垃圾渗滤液:Fenton 氧化技术是在亚铁离子做催化剂的添加下,通过双氧水产生的羟基自由基对水中的有机物进行氧化. 赵冰清等采用Fenton 工艺处理垃圾渗滤液中的难降解有机物,在最佳的条件下,COD和TOC 的去除率分别可以达到63.4% 和80.58%.李军等采用Fenton 法处理UASB 处理后的渗滤液,处理后的浊度、COD 和氨氮的去除效率分别可以达到62%、54%、35%. Kang 等采用Fenton 法处理初始COD 的质量浓度在1 500 mg/ L 的渗滤液,COD 的去除率可以达到75% 以上. Fenton除了可以去除渗滤液中的COD 以外,还可以提高其可生化性. Kim 等 采用Fenton 处理B/ C 小于0.1 的晚期渗滤液,不仅COD 的去除率可以达到69%,处理后渗滤液的B/ C 达到了0.58,可生化性大大提高.Fenton 氧化技术具有氧化效果好,去除效果稳定的优点,但缺点是流程相对复杂,需要多种构筑物,会产生大量的污泥,需要二次处理.3.3.2 臭氧氧化处理垃圾渗滤液

臭氧氧化技术是利用臭氧的强氧化性,直接将水中的有机物进行氧化. 这种方法操作简单,无二次污染. Steensen 等采用臭氧氧化处理垃圾渗滤液,COD 的去除率可以高达80%,1 gCOD 消耗的臭氧量为3 g . 郑可等采用臭氧氧化法处理反渗透浓缩垃圾渗滤液,在pH =8.0,臭氧投量5 g/ h,反应时间90 min 的条件下,浓缩液的COD、色度以及浓缩液中腐殖酸的去除率分别达到67.6%、98.0%和86.1%,B/ C 从0.008 提升到0.26,生化性有很大提高. Karrer等采用臭氧处理渗滤液,原水COD 的质量浓度为500 mg/ L,BOD5 的质量浓度为30 mg/ L,在O3 / COD 仅为0.11 g/ g 的条件下,出水BOD5的质量浓度可以达到140 mg/ L,可生化性大大提高. Qureshi等采用臭氧处理COD 的质量浓度为14 600 mg/ L 的渗滤液,COD 的去除率可以达到56%,但同时O3 / COD 达到了3.1 g/ g.臭氧氧化的优点是没有二次污染,处理效果好.缺点是投资费用大,能耗高,设备维护管理困难.

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