摘要:城市垃圾滲濾液是一種成分復雜 ,有機物、氨氮濃度高的難處理廢水。介紹了國內外垃圾滲濾液處理技術應用現狀 ,并結合工程實例以及處理效果予以簡要分析、評價 ,在此基礎上提出了國內垃圾滲濾液處理的發展趨勢。
關鍵詞:垃圾滲濾液,垃圾填埋場,處理技術
垃圾滲濾液是城市生活垃圾衛生填埋后產生的二次污染。在大氣降水和垃圾自身降解等作用下 ,直接或間接地污染地表徑流 ,以及污染地下水體 ,極大地影響了人們對自然水體的利用。為保護自然環境 ,切實保證人們正常的生產、生活 ,對垃圾滲濾液進行有效、合理地污染治理成為一項勢在必行并且異常艱巨的任務。
1垃圾滲濾液的性質
垃圾滲濾液的產生受眾多因素影響 ,根據幾個主要的產生來源 (降水、地下水侵入、垃圾組成結構、填埋場頂部的地表徑流和水分蒸發等 )分析 ,滲濾液不僅水量變化大 ,而且不呈周期性變化 ,由此引起了水質的較大變化。污染物種類繁多 ,滲濾液中可檢出幾十種有機污染物 ,包括單環芳烴類、多環芳烴類、雜環類、烷烴及烯烴類、醇及酚類、酮類、羧酸及酯類、胺等 ,污染物濃度高 ,濃度變化范圍大。不僅如此 ,垃圾滲濾液水質也會由垃圾填埋場場齡的不同 ,各有特點 ,生物難降解有機物的比重呈直線上升趨勢。Chian和Scott等人對滲濾液水質與垃圾填埋場場齡規律進行了研究并得出結論 :場齡小于5a的垃圾滲濾液水質特點是pH值較低 ,CODcr和BOD5濃度較高 ,且BOD5/CODcr的比值較高,且BOD5/ CODcr 的比值較高,同時各類重金屬離子的濃度也較高;場齡大于5 a 以上的滲濾液的主要水質特點是pH值接近中性, CODcr 和BOD5 濃度相對較低, 且BOD5/ CODcr 的比值較低,而NH3 - N濃度較高,重金屬離子濃度則開始下降。
2 垃圾滲濾液處理工藝
垃圾滲濾液的處理方法主要包括物理化學法、生物法兩大類。
2. 1 物理化學法
主要有化學沉淀、膜分離技術、化學氧化、光電催化氧化等多種方法。
2. 1. 1 化學沉淀法
傅青平以水玻璃、硫酸、硫酸鋁和廢鐵屑為原料研制出的聚硅酸硫酸鋁鐵類混凝劑(PSAFCA) 處理垃圾滲濾液, 結果表明: 沉淀處理后垃圾滲濾液CODcr 去除率達58%, 如果結合臭氧氧化滲濾液,CODcr 去除率可達70. 6%,BOD5 去除率達75. 4%,色度去除率為94%。A. A. Tatsi 等使用鐵系、鋁系混凝劑對不同場齡的垃圾滲濾液進行了研究,研究表明, 在pH為10 的條件下, 投加2 g/ L 的鐵系混凝劑,垃圾滲濾液CODcr 去除率可達80%。
化學沉淀對于重金屬離子的去除是比較有效的, 但該法對于去除滲濾液中的其它有機污染物是不完全的, 處理后廢水的CODcr 值仍然遠遠高于國家有關的排放標準。為此,該法不能作為單一工藝來處理垃圾滲濾液, 同時沉淀物的后處理仍將帶來新的問題。
2. 1. 2 膜分離技術
國外正逐漸采用新型的膜分離技術處理和凈化垃圾滲濾液, 其中反滲透(RO) 分離技術的應用最為廣泛,并取得了很好的效果。1977 年,Chian 和Krug 相繼肯定了反滲透技術處理滲濾液是最有效方法之一。Hurd 等選用3 種低壓聚酰胺RO膜處理TrailRoad 垃圾填埋場滲濾液的試驗結果表明, 透過液的流量取決于操作壓力大小及TOC 的濃度,當操作壓力小于1. 03 ×106 Pa 時,透過液的流量為26 L/ (m2 •h) ～54 L/ (m2 •h) , TOC和Cl -的去除率> 96% ,NH3 - N的去除率> 88%。
膜分離污染物的效果是顯而易見的, 經分離后的出水能夠達到國家相應的排放標準, 該法能連續化操作, 機械化程度高, 易于管理, 水質的不穩定性對膜處理效果的影響較小。但該技術在國內遲遲不能被用于實際工程, 究其原因為膜材料成本高,且膜在處理這種受污染較嚴重的水體時,膜極易被污染,較難清洗,難以再次利用。開發一種成本低廉的膜產品以及相應的膜清洗技術對該法的實際工程應用價值的提高具有深遠意義。
2. 1. 3 化學氧化法
化學氧化法是利用強氧化劑將廢水中的有機物氧化成小分子的碳氫化合物或完全礦化成CO2和H2O ,H2O2 和O3 是最常用的兩種氧化劑。
張躍升等以活性炭作催化劑、H2O2 作氧化劑處理垃圾滲濾液。結果表明,在H2O2/ CODcr = 1. 5 ,活性炭/ H2O2 = 0. 6 , pH值為2 的條件下反應可以在180 min 內結束,其中CODcr 及色度的去除率分別為82. 8 %和85. 5 %。國外也有人以Fenton’ s 試劑對處于成熟期的垃圾填埋場的滲濾液的預處理效果進行了研究。研究表明:CODcr 初始濃度為10540 mg/ L , 經Fenton’ s 試劑預處理后, CODcr 的去除率達到60 % ,B/ C也由原來的0. 2 變為0. 5 , 大大提高了滲濾液的可生化性。
O3 的氧化能力比氯強,能迅速而廣泛地氧化分解水中大部分有機物。但是O3極易分解,且它只能將大分子有機物質氧化成小分子有機物質, 而不能將大分子有機物質氧化成CO2和H2O。垃圾滲濾液中Cl -濃度較高, 如用H2O2和O3 化學氧化處理, 極有可能在氧化有機物的同時, 產生具有較大毒性的氯代有機物, 非但不能徹底去除滲濾液中有機物污染,更大程度上加重了對水體的污染。
2. 1. 4 光、電催化氧化法
光催化氧化反應是利用光催化半導體TiO2在紫外光照下, 使得TiO2 產生電子空穴, 在吸附H2O 后, 形成吸附態的•OH, •OH基團是一種具有強氧化活性的自由基,它與有機物結合后,能夠很快發生氧化- 還原反應, 達到降解有機物的目的。電催化氧化反應的基本原理也與光催化氧化反應類似,不同之處就是能量的來源是電能,并且能量的大小可以通過電流密度的調節實現。
譚小萍等采用光催化氧化法對垃圾滲濾液的深度處理做了實驗研究。研究表明:投加一定量的TiO2 后,反應時間控制在1. 5 ～2 h ,具有較好的處理效果,一般CODcr 去除率可達40 %～50 % ,脫色率可達70 %～80 %。國外采用TiO2 作光催化半導體處理垃圾滲濾液也有類似的報道, 有人分別使用H2O2、O3 和紫外/ 可見光3 種光增強氧化法對滲濾液的作用,經處理后,滲濾液CODcr 的去除率為40 %～50 % ,脫色率70 %～80 %。
李小明等采用電解氧化法對垃圾滲濾液進行深度處理的研究結果表明, 電解氧化過程中,NH3 - N優先于CODcr 被氧化去除, CODcr 去除率為90. 6 % ,NH3 - N的去除率為100 %。同樣,CossuR 以Ti/ PbO2 和Ti/ SnO2 作為陽極材料, CODcr 值從1 200 mg/ L 降到150 mg/ L , 去除率達到87. 5 % ,NH3 - N基本能夠完全地被去除。
光、電催化氧化反應同樣也存在著運行費用高這一主要缺點,有機物降解的快慢與•OH基團產生的數量、快慢有直接的關系, 有資料表明, •OH基團與有機物的反應為一級反應,其反應速度與•OH基團以及有機污染物的濃度都直接相關,在工程處理中, 為達到一定的光、電催化氧化效果,提高•OH基團的濃度,勢必加大電能的消耗,根據Cossu R 的電解實驗,電流的有效利用率僅為30 %。欲采用該方法處理滲濾液,其首要問題是提高電流的利用效率, 所以選擇優良的電極材料以及設計•OH基團時空產率高的光、電催化反應器已經成為該法處理滲濾液的兩大主要研究方向。
2. 2 生物法
生物法處理垃圾滲濾液是最常用的方法, 國內幾大主要垃圾填埋場污水處理技術多采用生物技術,包括好氧生物處理、厭氧生物處理和厭氧好氧相結合的處理方式。
2. 2. 1 好氧生物處理
好氧生物處理包括活性污泥法、曝氣氧化塘、生物膜法、生物轉盤和生物滴濾池。其中活性污泥法是城市垃圾滲濾液好氧生物處理最為常用的方法。
國內外活性污泥法污水處理廠的運行結果表明,通過提高污泥濃度來降低污泥有機負荷,活性污泥法可以獲得令人滿意的垃圾滲濾液處理效果。徐迪民等采用低氧- 好氧兩段活性污泥法處理滲濾液, 研究結果表明進水濃度CODcr 為6 446 mg/ L ,BOD5 為3 502 mg/ L ,經處理后CODcr、BOD5 的去除率分別達到96. 5 %和99. 6 %。
好氧生物(活性污泥法) 處理垃圾滲濾液具有良好效果的報道已有多篇, 但能夠長期運行的工程實例卻少之又少。某垃圾填埋場采用的滲濾液處理系統就是典型的活性污泥法, 在垃圾填埋場運行之初,其處理的確取得了良好的效果,但垃圾填埋場在運行幾年后, 處理后的滲濾液越來越不能達到預期的效果, 水質變化是該系統不能正常運行最直接的因素。
2. 2. 2 厭氧生物處理
目前, 國內外使用厭氧生物處理最多的形式是上流式厭氧污泥床(UASB) 上流式厭氧過濾器啟動期短,耐沖擊性好等特點。徐竺等采用上流式厭氧過濾器對垃圾滲濾液進行處理,結果表明,上流式厭氧過濾器處理垃圾滲濾液的效果良好, 在中溫(35～40 ℃) 消化時高濃度(3 000～8 000 mg/L) 進水CODcr 的去除率達95 %左右, 常溫消化的CODcr 去除率也可達90 %左右; 反應器的容積負荷可達5 kgCODcr/ (m3 •d) 以上。Kennedy , K. J . 運用連續上流式厭氧污泥床處理技術, CODcr 的去除率能夠達到77 %～91 %。有人也嘗試使用厭氧折流板反應器(ABR) 處理城市污水與垃圾滲濾液混合廢水過程中的水解酸化作用及污泥特性進行了研究。經研究,ABR 可有效地改善混合廢水的可生化性。進水BOD5/CODcr 為0. 2～0. 3 時,出水BOD5/ CODcr 可提高至0. 4～0. 6。
厭氧生物處理技術適于處理溶解性有機物,在處理高濃度(BOD5 ≥2 000 mg/ L) 有機廢水方面取得了良好效果。在提高滲濾液可生化性方面,表現明顯的優勢, 但該法處理滲濾液后, CODcr 濃度依然比較高,故目前而言,該法一般不作為單獨使用的處理方式。
2. 2. 3 厭氧- 好氧生物氧化工藝
國內許多垃圾填埋場廢水處理采用厭氧- 好氧相結合的生物氧化處理工藝。對高濃度的垃圾滲濾液采用該法經濟合理,處理效率高,厭氧工藝能夠彌補好氧處理較難處理生化性較差這一特點, 而好氧工藝同時也能滿足厭氧工藝需后續處理的工藝要求。
李坑垃圾填埋場污水處理廠采用厭氧- 氧化溝- 兼性塘工藝, 進水BOD5 為2 500 mg/ L、CODcr為4 000 mg/ L、NH3 - N為1 000 mg/ L、經該法處理后出水BOD5 為30 mg/ L、CODcr 為80 mg/ L、NH3 -N為10 mg/ L。大田山垃圾衛生填埋場滲濾液處理采用的是厭氧- 氣浮- 好氧工藝,進水水質BOD5 為5000 mg/ L、CODcr 為8 000 mg/ L , 經該法處理后出水BOD5 為60 mg/ L、CODcr 為100 mg/ L、NH3 - N為10 mg/ L。王寶貞等采用A/B(A/ O) 淹沒式生物膜復合系統處理蘇州七子山城市垃圾填埋場滲濾液, 進水CODcr 為1 693. 9 mg/ L , 處理后CODcr 為97. 9mg/ L ,去除率達94. 2%。
2. 3 對去除氨氮的研究
垃圾滲濾液之所以難處理, 不僅因為它所含不可生化性的有機物濃度高, 而且高濃度NH3 - N
(包括NH4+ - N) 的去除也同樣成為一個比較棘手的問題。為此,滲濾液脫除NH3 - N的研究也已成為目前垃圾滲濾液治理研究的另一方向。水體中過剩NH3 - N 的污染, 是加速水體富營養化進程的主要因素之一。高濃度游離NH3 - N 對微生物具有一定的毒性, 同時也會影響微生物正常的生理代謝, 抑制微生物對有機物的進一步降解, 所以, 滲濾液中的有機物在進行生物處理前, 對NH3 - N的預處理就顯得尤為重要了。
氨吹脫法是去除滲濾液中氨氮最普遍應用的方法之一。有人采用規整填料塔吹脫去除垃圾滲濾液中的氨氮,對于氨氮濃度高達1 500～2 500 mg/ L的滲濾液取得較好的處理效果。在溫度為25 ℃,pH值為10. 5～11. 0 ,氨吹脫效率達95%以上。
趙慶良等運用化學沉淀法去除垃圾滲濾液中的氨氮, 使用MgCl 2 •6H2O 和Na2HPO4 •12H2O 或MgO 和H3PO4 作為沉淀藥劑, 在最佳pH條件下,原滲濾液中的NH3 - N可由5 618 mg/ L 降低到65g/ L。
物理化學方法處理NH3 - N 的效果是顯而易見的, 但氨吹脫以及化學沉淀等工藝都要求在滲濾液中投加新的物質,增加了水質的堿度,增加了滲濾液中其它離子的數量, 這也為后續的生物處理產生了新的難題。氨的吹脫并不能從本質上真正變為對周圍環境無污染的物質, 它只是將液相的氨經吹脫后轉移至大氣環境之中, 屬于污染物的二次轉移。生物法硝化- 反硝化技術就解決了這些問題,傳統生物脫氮理論認為,生物脫氮是通過好氧條件下的硝化作用以及厭氧(缺氧) 條件下的反硝化過程。有人使用EM菌群在靜態條件下,研究了EM菌群對高濃度NH3 - N 轉化效果, 經23 d 處理后, NH3 - N的去除率達到46 % , 從675mg/ L 降至357 mg/ L。目前,有人也發現某些細菌能夠同時吸收氧氣和硝酸鹽氮, 反硝化作用在好氧條件下也成為了可能。生物法脫氨同時也普遍存在著去除率不高的缺陷。
3 垃圾滲濾液處理發展趨勢
對垃圾滲濾液的處理,各研究人員眾說紛紜,對于不同水質的滲濾液,采用不同處理工藝,均取得了良好的效果。各垃圾填埋場因所處地區氣候(降水) 、水文特點, 也與填埋場運行時間密切相關,滲濾液水質是連續變化的,所以對滲濾液的處理,不僅要考慮工藝方法對滲濾液的處理效果,而且更要考慮該工藝方法對水質、水量變化的適應性。物化法控制條件靈活、調整參數方便可靠,而生物法則對連續變化的滲濾液水質具有較好的適應性,結合兩者各自特點,取之所長,補之所短。具體參見http://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
目前, 杭州市天子嶺垃圾填埋場采用UASB - AMT工藝(上流式厭氧污泥床- 高濃度難降解廢水工藝) 處理垃圾滲濾液,CODcr、BOD5 去除率達到了93%和97%。陳衛國等取廣州市李坑垃圾填埋場和大田山垃圾填埋場的滲濾液運用電催化系統- 電生物炭接觸氧化床處理技術進行中試, 當垃圾滲濾液廢水中的CODcr 和NH3 - N濃度分別在3 000～ 5 000 mg/ L 以及1 100～1 780 mg/ L 范圍時, CODcr 和NH3 - N的去除率均可超過90%。方士等人運用回流式兩級SBR - PAC 吸附混凝法處理技術,對杭州某垃圾填埋場滲濾液(CODcr1 500～4 500 mg/ L ,NH3 - N為795～1 550mg/ L) 進行研究,經處理后CODcr < 300 mg/ L ,NH3 - N< 20 mg/ L。
兩處理方式配合使用現已經成為國內外滲濾液處理的主流,利用簡單的處理設施(大容積污水調節池、沉淀池) 在中短期內控制好滲濾液進入污水處理主設備的水質、水量,使得設施能夠正常運行。鑒于國內許多垃圾填埋場采用生物處理技術,但隨時間的變化,原本運行良好的污水處理設施,現在滲濾液處理效果越來越不能滿足排放標準,為此采用物化法與原來生物技術的聯合處理技術,避免了設施的重建,節約了費用。控制垃圾滲濾液的產生量也是一個重要的手段, 回灌技術能夠有效降低滲濾液的產生量, 但目前對該技術的研究還不完善,缺乏工程應用的設計參數,這也將是今后科研工作者研究的重點。（浙江工業大學生物與環境工程學院）
