隨著中國城市化的加快和居民生活水平的提高,城市生活垃圾的產(chǎn)量與日俱增. 2013 年,中國的生活垃圾總產(chǎn)量已經(jīng)達到了1.73億kg. 由于處理成本低,采用垃圾衛(wèi)生填埋處理的垃圾占總垃圾產(chǎn)量的80%以上. 在垃圾填埋的過程中以及填埋完成后會產(chǎn)生垃圾滲濾液. 垃圾滲濾液的來源主要是垃圾自身含水和大氣降水降雪等. 目前中國的垃圾滲濾液產(chǎn)量已經(jīng)達到了每年3 000 萬t 以上. 由于垃圾的成分十分復(fù)雜,因此所產(chǎn)生的垃圾滲濾液是一種成分復(fù)雜,高有機物高氨氮高鹽分的特種廢水,而1 t 滲濾液約相當于100 t 城市污水所含污染物的濃度. 滲濾液如果直接排放,會對周圍的環(huán)境,尤其是地下水產(chǎn)生不可逆的危害.

中國十分重視對垃圾滲濾液的處置安全問題.為了有效地保護填埋場周邊的環(huán)境,國家在1997 年頒布了垃圾滲濾液的排放標準《GB16889—1997》.標準對滲濾液的懸浮物、BOD5、COD、氨氮和大腸桿菌值做了明確的規(guī)定. 2008 年,國家對原來的滲濾液排放標準進行了修訂, 實行新的排放標準《GB16889—2008》. 新的排放標準相比舊的排放標準,明確增加了總氮、總磷和6 個重金屬指標,嚴格了氨氮的排放標準. 新標準的提出,尤其是總氮排放標準的加入,對垃圾滲濾液處理來說既是挑戰(zhàn)也是機遇. 挑戰(zhàn)在于新標準內(nèi)容更豐富,要求更嚴格,這增加了滲濾液的處理難度. 但另一方面,新標準的提出會加快新方法新技術(shù)的開發(fā)和推廣,對進一步減小滲濾液對環(huán)境的危害有巨大的推動作用.

1 垃圾滲濾液的水質(zhì)特點

垃圾滲濾液是一種黑色或者黃褐色的帶有惡臭氣味的液體.滲濾液含有大量的有機物和無機物,包括各種難降解有機物(如各種芳香族化合物和腐殖質(zhì)等)、無機鹽(如氨根、碳酸根和硫酸根等)和金屬離子(如鉻、鉛和銅等). 由于垃圾中的成分復(fù)雜,垃圾滲濾液水質(zhì)的特點之一就是污染物含量很高,而且往往含有生物毒性. 其中COD 的質(zhì)量濃度最高可高達20 000 mg/ L 以上,包含苯及其多種衍生物,氨氮的質(zhì)量濃度可達2 000mg/ L. 這種含有有毒有機物和高氨氮的廢水給其處理,尤其是生物處理帶來了極大的困難. 除了有毒的芳香族化合物外,滲濾液還含有大量的腐殖質(zhì)和腐殖酸等大分子有機物. 這些有機物雖然沒有生物毒性,但由于分子量大,具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性,微生物無法實現(xiàn)有效的降解,因此,只采用活性污泥法不能實現(xiàn)對滲濾液COD 的有效去除,必須增加深度處理工藝.垃圾滲濾液的另一個特點是水質(zhì)水量變化大. 地域?qū)B濾液的水質(zhì)有很大的影響. 相對來說,歐美國家的滲濾液污染物濃度尤其是氨氮要低于亞洲國家. 歐美國家滲濾液中的氨氮的質(zhì)量濃度一般在1 000 mg/ L 以內(nèi)甚至更低,而亞洲國家的滲濾液氨氮的質(zhì)量濃度一般都在1 000 mg/ L,甚至可以達到5 000 mg/ L.這可能與不同地區(qū)不同的文化和生活習(xí)慣有關(guān).同一地點不同時間產(chǎn)生的滲濾液水質(zhì)差別也很.根據(jù)垃圾填場的場齡不同,垃圾滲濾液可以分為早期垃圾滲濾液(填埋場場齡5 a 以內(nèi))、中期垃圾滲濾液(填埋場場齡5 ~ 10 a)和晚期垃圾滲濾液(填埋場場齡10 a 以上). 不同時期滲濾液的水質(zhì)特點如表1 所示,其中括號中的數(shù)值代表了該項的典型值.

由表1 可知,早期垃圾滲濾液的水質(zhì)特點就是有機物含量很高,可生化性強,但氨氮濃度相對較低;晚期垃圾滲濾液的水質(zhì)特點就是氨氮含量高,可生化性變差且碳氮比大幅度降低,中期滲濾液的水質(zhì)介于早期和晚期滲濾液之間. 同時,對于同一地區(qū)的雨季來說,滲濾液往往產(chǎn)量大,且有機物含量高,而旱季則產(chǎn)量小,具有較高的氨氮濃度. 滲濾液水質(zhì)的第3 個特點是營養(yǎng)比例失調(diào). 滲濾液中有機物和氨氮濃度非常高,但磷元素的含量卻很低,同時,重金屬的含量往往較高. 較低的磷含量和較高的重金屬含量增加了滲濾液生物處理的難度,這對滲濾液的有效處理是個挑戰(zhàn).

2垃圾滲濾液的處理方法及處理難點

2.1 垃圾滲濾液的處理方法:垃圾滲濾液的處理方法主要有4種方法. 第1種方法是直接排往城市污水廠合并處理. 這種方法的優(yōu)點是無需再另建處理廠,缺點主要有2 個.一個是管網(wǎng)的投資費用大.填埋場一般遠離市區(qū),因此需要鋪設(shè)較長的輸送管網(wǎng). 另一個是增加了城市污水廠的不穩(wěn)定因素. 由于滲濾液水質(zhì)復(fù)雜且不穩(wěn)定,城市污水廠長期接受滲濾液會給其穩(wěn)定運行帶來極大的隱患,很容易使活性污泥出現(xiàn)中毒等不良癥狀 . 第2 種方法是向填埋場的循環(huán)噴灑處理 . 這種方法的優(yōu)點是操作簡便,處理成本最低. 這種方法的缺點是并沒有解決滲濾液的污染問題,滲濾液的產(chǎn)量會越來越大,處理會越來越困難. 第3 種方法是預(yù)處理后匯入城市污水處理廠合并處理. 這種方法的優(yōu)點是處理工藝相對簡單,同時降低了城市污水廠的風(fēng)險,但缺點是投資較大,且城市污水廠的安全隱患依然存在. 第4種方法是單獨建設(shè)污水站,滲濾液經(jīng)污水站處理達標后排放. 這種方法的優(yōu)點是出水水質(zhì)有保證,真正實現(xiàn)了滲濾液的有效處理,對環(huán)境的危害最小,缺點是對工藝的要求較高,運行和管理費用較高. 綜合以上因素,目前垃圾填埋場主要采用第4 種單獨建設(shè)污水站的方法進行處理. 這些滲濾液處理廠一般采用物化(預(yù)處理) + 生化(包括厭氧和好樣) + 物化(深度處理)的組合工藝實現(xiàn)達標排放. 其中,預(yù)處理階段的主要作用是降解部分有機物和氨氮,降低滲濾液的生物毒性,提高滲濾液的可生化性,主要工藝有絮凝沉淀、臭氧氧化和氨吹脫等;生化階段的主要作用是去除滲濾液中的可生化有機物和氨氮主要工藝有A/ O、A/ A/ O、SBR、UASB、MBR 等;深度處理的主要作用是進一步去除滲濾液中的有機物和總氮,保證其達標排放,主要工藝有Fenton 氧化、電化學(xué)、活性炭吸附和膜處理工藝等.

2.2垃圾滲濾液的處理難點:目前中國垃圾滲濾液處理的主要難點有:1) 有機物含量高,且含有大量有毒和大分子有機物,采用單一的物化或者生化工藝無法實現(xiàn)達標排放,必須采用物化聯(lián)合生化的組合處理工藝進行處理. 如何選擇合理、經(jīng)濟、有效的組合工藝是擺在垃圾滲濾液處理工作者面前的第1 道難題. 2) 氨氮含量高,實現(xiàn)有效徹底的脫氮困難. 由于國家增加了對滲濾液總氮的排放標準,這對滲濾液的處理提出了更高的要求. 傳統(tǒng)的處理工藝尤其是核心的生物處理工藝一般能夠有效去除滲濾液中的氨氮,但對于總氮的去除并不理想. 如何提高生物處理工藝的總氮去除率是擺在垃圾滲濾液處理工作者面前的第2 道難題. 3) 水質(zhì)水量的巨大變化增加了穩(wěn)定達標排放的難度. 不同季節(jié)不同場齡的滲濾液水質(zhì)水量相差巨大,這對處理工藝的選擇和運行帶來了挑戰(zhàn). 在既定的組合工藝下,如何充分發(fā)揮現(xiàn)有工藝的最大處理能力和保證穩(wěn)定的運行是擺在垃圾滲濾液處理工作者面前的第3 道難題. 4) 處理工藝復(fù)雜,處理成本高. 目前的滲濾液處理廠,為了實現(xiàn)達標排放,除了采用組合工藝外,往往采用以納濾或反滲透為主的膜處理工藝作為最后的深度處理,造成滲濾液處理成本長期居高不下. 如何在保證處理效果的前提下,降低滲濾液的處理成本是擺在垃圾滲濾液處理工作者面前的第4 道難題.

3物化法處理垃圾滲濾液

物化處理一般用于垃圾滲濾液處理的預(yù)處理和深度處理,主要有氨吹脫法、絮凝沉淀法、高級氧化法、吸附劑吸附法、膜過濾法等.

3.1 氨吹脫法處理垃圾滲濾液:垃圾滲濾液是一種高氨氮廢水,高濃度的氨氮會給生物處理帶來極大的困難,因此,如果能將滲濾液的氨氮濃度降至一個較低的范圍,則會極大的提高后續(xù)生化處理的效率和效果. 氨吹脫工藝特比適合作為垃圾滲濾液的前處理工藝來去除滲濾液中高濃度的氨氮. 氨吹脫的主要原理在堿性條件下,通過曝氣將滲濾液中的氨氮以氨氣的形式吹出并通過吸附劑進行回收. 沈陽建筑大學(xué)的傅金祥等研究了一定進水氨氮質(zhì)量濃度和流量的情況下,不同pH 值、吹脫時間、氣液體積比和溫度對氨氮去除效果的影響. 研究結(jié)果表明,當pH 為11、吹脫60 min,氣液體積比為360：1,溫度為40℃ 條件下,吹脫法對垃圾滲濾液中氨氮去除效果最佳,對氨氮的去除率可以達到85% 以上. Marttinen 等在pH為11,溫度為20 ℃的條件下對滲濾液吹脫24 h,氨氮的去除率可以穩(wěn)定在89% 以上. Cheung 等和Silva 等的研究表明,采用長時間的停留時間,對滲濾液中的氨氮去除率可以達到93% 以上,甚至可以達到99.5%.氨吹脫法的優(yōu)點是處理效果穩(wěn)定,對氨氮的去除效果很高.氨吹脫法的缺點主要有:需要大量的堿進行pH 的調(diào)節(jié),因此成本高,調(diào)節(jié)劑的運輸管理和儲存困難;吹脫出來的氨氣必須通過酸性液體回收,防止污染大氣;吹脫塔容易出現(xiàn)結(jié)垢和泡沫的問題,處理十分棘手.

3.2 絮凝沉淀法處理垃圾滲濾液:通過向滲濾液中添加絮凝劑可以有效地去除滲濾液中的有機物、懸浮物和氨氮. 這種方法簡單易行,特別適合晚期垃圾滲濾液,一般用于滲濾液的預(yù)處理階段. 用于處理垃圾滲濾液的絮凝劑主要有鐵鹽、鋁鹽、PAM 等. 李志偉等研究了PAC 聯(lián)合PAM 對滲濾液的處理效果. 研究結(jié)果表明,在PAC 的質(zhì)量濃度為750 mg/ L、PAM 的質(zhì)量濃度為15 mg/ L 的條件下,垃圾滲濾液中COD 和濁度的去除率分別為27.45% 和65.80%.商平等研究了PAC 與PFS 復(fù)合混凝對滲濾液的預(yù)處理效果. 試驗結(jié)果表明,PAC 和PFS 的聯(lián)合投加具有明顯的交互作用,可以提高混凝效果. 在最佳條件下,COD、SS和濁度的去除率分別可以達到59.2%、87.19% 和97.12% . Yoo 等采用氯化鐵作為絮凝劑處理COD 的質(zhì)量濃度在1 200 ~1 500 mg/ L 的滲濾液,絮凝劑用量在0.2 ~ 12.0 g/ L 的條件下,COD 的去除率可以達到39%左右. Wang 等采用硫酸鐵作為絮凝劑,處理COD 的質(zhì)量濃度在15 700 mg/ L 的滲濾液,當絮凝劑用量在0.3 g/ L 時,處理效果最好,COD 的去除效果可以達到70%. 除了使用單種的絮凝劑,很多研究者采用復(fù)合絮凝劑處理垃圾滲濾液. Tatsi 等 采用氯化鐵聯(lián)合硫酸鋁的復(fù)合絮凝劑處理垃圾滲濾液,COD 的最大去除率可以達到75%. Welander 等也采用氯化鐵聯(lián)合硫酸鋁的復(fù)合絮凝劑處理經(jīng)過生物處理的滲濾液,COD 的去除率也可以達到53%. 在一般情況下,復(fù)合絮凝劑的處理效果好于單一絮凝劑,原水的COD 越高,絮凝劑的處理效果越好.絮凝沉淀法的優(yōu)點是處理效果穩(wěn)定,可操作性強,處理方式靈活. 缺點主要有:會產(chǎn)生大量污泥,需要進行二次處理;會增加滲濾液中的金屬離子含量,對環(huán)境不利.

3.3 高級氧化法處理垃圾滲濾液:滲濾液中往往含有大量的大分子有機物,這些有機物采用傳統(tǒng)方法難以得到有效的去除,采用高級氧化技術(shù)可以有效分解和去除這些大分子有機物. 通過高級氧化的技術(shù),小分子有機物直接被氧化成CO2 和H2 O,大分子有機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機物. 由此可見,無論是預(yù)處理還是深度處理,都可以使用高級氧化技術(shù)處理垃圾滲濾液. 目前常用的高級氧化技術(shù)主要有Fenton 氧化、臭氧氧化、臭氧和雙氧水聯(lián)合氧化、濕式氧化等.

3.3.1 Fenton 氧化處理垃圾滲濾液:Fenton 氧化技術(shù)是在亞鐵離子做催化劑的添加下,通過雙氧水產(chǎn)生的羥基自由基對水中的有機物進行氧化. 趙冰清等采用Fenton 工藝處理垃圾滲濾液中的難降解有機物,在最佳的條件下,COD和TOC 的去除率分別可以達到63.4% 和80.58%.李軍等采用Fenton 法處理UASB 處理后的滲濾液,處理后的濁度、COD 和氨氮的去除效率分別可以達到62%、54%、35%. Kang 等采用Fenton 法處理初始COD 的質(zhì)量濃度在1 500 mg/ L 的滲濾液,COD 的去除率可以達到75% 以上. Fenton除了可以去除滲濾液中的COD 以外,還可以提高其可生化性. Kim 等 采用Fenton 處理B/ C 小于0.1 的晚期滲濾液,不僅COD 的去除率可以達到69%,處理后滲濾液的B/ C 達到了0.58,可生化性大大提高.Fenton 氧化技術(shù)具有氧化效果好,去除效果穩(wěn)定的優(yōu)點,但缺點是流程相對復(fù)雜,需要多種構(gòu)筑物,會產(chǎn)生大量的污泥,需要二次處理.3.3.2 臭氧氧化處理垃圾滲濾液

臭氧氧化技術(shù)是利用臭氧的強氧化性,直接將水中的有機物進行氧化. 這種方法操作簡單,無二次污染. Steensen 等采用臭氧氧化處理垃圾滲濾液,COD 的去除率可以高達80%,1 gCOD 消耗的臭氧量為3 g . 鄭可等采用臭氧氧化法處理反滲透濃縮垃圾滲濾液,在pH =8.0,臭氧投量5 g/ h,反應(yīng)時間90 min 的條件下,濃縮液的COD、色度以及濃縮液中腐殖酸的去除率分別達到67.6%、98.0%和86.1%,B/ C 從0.008 提升到0.26,生化性有很大提高. Karrer等采用臭氧處理滲濾液,原水COD 的質(zhì)量濃度為500 mg/ L,BOD5 的質(zhì)量濃度為30 mg/ L,在O3 / COD 僅為0.11 g/ g 的條件下,出水BOD5的質(zhì)量濃度可以達到140 mg/ L,可生化性大大提高. Qureshi等采用臭氧處理COD 的質(zhì)量濃度為14 600 mg/ L 的滲濾液,COD 的去除率可以達到56%,但同時O3 / COD 達到了3.1 g/ g.臭氧氧化的優(yōu)點是沒有二次污染,處理效果好.缺點是投資費用大,能耗高,設(shè)備維護管理困難.

3.3.3 濕式氧化處理垃圾滲濾液

濕式氧化是采用高溫高壓的方式,在催化劑的作用下將污水中的有機物轉(zhuǎn)化成CO2 和H2 O 的方法. 蔡先明等 采用以亞鐵離子為催化劑,雙氧水為氧化劑的濕式氧化技術(shù)處理垃圾滲濾液,當反應(yīng)溫度達到120 ℃,反應(yīng)60min 時,反應(yīng)出水的COD去除率達到91%. 李魚等采用以Mn/ Ce 為復(fù)合氧化物催化劑濕式氧化技術(shù)處理老齡垃圾滲濾液.研究結(jié)果表明,該技術(shù)可以降解垃圾滲濾液中正己酸、正丁酸、乙酸,反應(yīng)進行120 min 時TOC去除率均達90%以上.濕式氧化的優(yōu)點是對難降解有機物去除效果很好,缺點是需要高溫高壓, 且能耗較高.

3.3.4 高級氧化強化工藝:除了采用單一的氧化技術(shù)以外,還可以將多種工藝復(fù)合,強化高級氧化工藝的處理效果. 例如臭氧+紫外、雙氧水+ 紫外、紫外+ Fenton 和臭氧+Fenton 等,可能會取得更好的處理效果. Ince 等采用紫外線強化臭氧工藝處理垃圾滲濾液,在紫外燈功率為100 W 的條件下,COD 的去除率可以達到54%. Kim等采用紫外強化Fenton 的工藝處理滲濾液,紫外燈的功率為500 ~ 1 000 W,COD 的去除率可以達到70%以上. Asaithambi 等采用臭氧+ 超聲波+ Fenton 的組合工藝處理垃圾滲濾液,COD 和色度的去除率可以達到95%和100%. 這些組合工藝一方面增強了處理效果,另一方面也使處理工藝更加復(fù)雜,處理成本更高.

3.4 吸附劑吸附法處理:垃圾滲濾液:以活性炭為代表的吸附法是污水處理中常用的方法. 利用吸附劑的巨大比表面積和吸附特性,可以將污水中的污染物截留在吸附劑中從而實現(xiàn)污染物的去除. Morawe 等采用活性炭處理滲濾液,COD 的去除率可以達到90%. 活性炭對滲濾液的色度有較好的去除效果. Zamora 等 采用粉末活性炭處理垃圾滲濾液,當活性炭的用量在2 g/ L 時,可以去除滲濾液55% ~ 70% 的色度. Rodriguez 等對比了活性炭和交換樹脂對滲濾液中不可降解有機物的去除情況. 研究結(jié)果表明,采用活性炭吸附,可以去除85%以上的不可降解有機物,而對應(yīng)交換樹脂的去除率只有59% .沸石由于具有巨大的比表面積也會被用于吸附劑處理各種廢水. Tiago等 采用斜發(fā)沸石處理垃圾滲濾液,考察其對滲濾液氨氮的去除能力. 研究結(jié)果表明,斜發(fā)沸石對滲濾液氨氮的吸附能力為(10.8±2.14) mgNH+4 -N/ g zeo. 通過生物法可以實現(xiàn)沸石吸附能力的有效再生,再生后吸附量僅減少了4.55%.吸附劑吸附法流程簡單,操作方便,處理效果穩(wěn)定,但缺點是處理成本較高,吸附劑再生困難.

3.5 膜過濾法處理垃圾滲濾液:近幾十年來,各種各樣的膜材料發(fā)展異常迅速,不同孔徑不同規(guī)格的膜材料在污水處理方面起到越來越重要的作用. 由于滲濾液成分復(fù)雜,生化處理難度大,目前流行的工藝是將膜工藝放在最后. 一方面可以有效的去除滲濾液中的大分子難降解有機物和總氮,保證出水水質(zhì),另一方面也是作為整個工藝的保險而存在. 膜過濾法相比其他工藝具有出水水質(zhì)穩(wěn)定,出水水質(zhì)好的特點. 膜過濾法根據(jù)膜材料孔徑的不同分為微濾、超濾、納濾和反滲透4 種.被廣泛用于垃圾滲濾液處理是后3 種. 微濾由于孔徑過大,處理效果不佳,在滲濾液處理中應(yīng)用的很少.

3.5 .1 膜過濾法對滲濾液的處理效果:Pirbazari 等采用超濾膜處理垃圾滲濾液,在進水COD 的質(zhì)量濃度為8 300 ~9 500 mg/ L 的條件下, COD 的去除率可以達到95% ~ 98%.Bohdziewicz 等采用超濾膜處理生物處理后的出水,COD 的去除率在50%左右.Rautenbach 等 采用活性污泥法聯(lián)合納濾膜處理垃圾滲濾液,最終COD 的去除率可以達到97%以上. Trebouet 采用納濾膜處理垃圾滲濾液,出水流量可以達到80 L/ h˙m2,COD 的去除率可以達到74%以上.Linde 等采用反滲透技術(shù)處理3 種滲濾液,去除率可以達到98%以上. 由于反滲透對進水的要求較高,一般和生物處理進行連用,以保證達到最優(yōu)的處理效果. Baumgarten 等和Ahn 等采用生物預(yù)處理聯(lián)合反滲透后處理的方式處理垃圾滲濾液,出水COD 去除率可以達到97%以上.膜過濾法處理垃圾滲濾液具有處理效果好,出水水質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點,對于絕大多數(shù)污染物可以實現(xiàn)有效的截留與分離,是目前垃圾滲濾液處理的主流深度處理工藝. 膜過濾法的缺點是能耗較高,膜容易堵塞,影響出水量,同時, 會產(chǎn)生大量的濃縮液,如不妥善處理,會形成二次污染.

3.5.2 膜過濾后濃縮液的處理:膜過濾后濃縮液是采用膜過濾法處理滲濾液的副產(chǎn)物. 根絕膜的不同,濃縮液的產(chǎn)量也各有不同.但濃縮液均含有大量的大分子有機物,如不妥善處理,會對環(huán)境造成很大的危害. 由于膜后濃縮的可生化差且含有大量大分子有機物,目前主要采用高級氧化的方法進行處理. Lazhar 等 采用陽極氧化聯(lián)合Fenton 的工藝處理反滲透的膜后濃縮液. 研究結(jié)果表明,在最佳條件下,該工藝對滲濾液COD、氨氮和總氮的去除率分別可以達到60%、33% 和22%. 楊振寧等考察了UV-Fenton、Fenton 和臭氧3 種方法對分滲透膜后濃縮液的處理效果. 研究結(jié)果表明,UV-Fenton 法、Fenton 法和O3 氧化法對垃圾滲濾液反滲透膜濃縮液的COD 去除率分別為72%、60%和68%. 李兆欣等采用摻硼金剛石電極作為陽極對滲濾液進行氧化處理,研究結(jié)果表明摻硼金剛石陽極氧化6 h 后,濃縮液的TOC 去除率達到94%左右,處理效果很好.

3.6 物化法處理垃圾滲濾液小結(jié)

總體來說,物化法的主要優(yōu)點是處理效果穩(wěn)定,出水水質(zhì)有保證,但缺點主要是處理費用較高,存在二次污染的問題. 絕大多數(shù)無法方法只能針對滲濾液中的特定污染物,如氨吹脫只能去除滲濾液中的氨氮,對有機物幾乎沒有去除效果;絮凝沉淀、高級氧化和吸附劑吸附等技術(shù)主要去除垃圾滲濾液中的有機物,對氨氮的去除效果不理想. 膜過濾法可以有效的去除絕大多數(shù)污染物,但存在處理成本高,膜濃縮液較難處理的問題. 由此可見,物化技術(shù)適用于垃圾滲濾液的預(yù)處理和深度處理,輔助和強化生物處理,最終達到達標排放的目的.

4生物法處理垃圾滲濾液

生物法是目前污水處理的主流工藝. 它具有操作簡單,可靠性強,處理成本低和二次污染小的優(yōu)點. 滲濾液中最主要的污染物是有機物和氨氮. 通過微生物的作用,可以將滲濾液中的可生化有機物轉(zhuǎn)化成CO2、CH4 和H2 O,可以將氨氮轉(zhuǎn)化成無害的氮氣排入大氣. 因此,生物法是垃圾滲濾液的核心處理工藝.

4.1 厭氧生物法處理垃圾滲濾液:滲濾液水質(zhì)的一個特點就是含有大量的有機物. 盡管滲濾液具有一定的生物毒性,通過合理的馴化,采用生物法可以經(jīng)濟高效的去除滲濾液中絕大多數(shù)的BOD5和大部分的COD. 如果滲濾液的COD 很高,一般先通過厭氧工藝進行預(yù)處理后再進入好氧工藝. 這樣不僅可以降低后續(xù)好氧工藝的負荷,減少曝氣量,還可以回收部分能源. 常用的處理滲濾液有機物的厭氧生物工藝主要有厭氧消化、ASBR 和UASB 等.

Timur 等 采用厭氧消化技術(shù)處理處理早期垃圾滲濾液,其B/ C在0.4 ~0.6 之間,在反應(yīng)溫度35益的條件下, COD 的去除率可以達到92.5%.Agdag 等[采用UASB 處理垃圾滲濾液,水力停留時間在1.25 d,COD 的去除率可以達到96% ~98% . Kettunen 等也采用UASB 處理COD 的質(zhì)量濃度在1 500 ~3 200 的滲濾液,COD 的去除率為65% ~75%. Wang 等采用ASBR 工藝處理早期垃圾滲濾液,COD的去除率可以達到80%以上.綜上所述,采用厭氧生物法去除滲濾液中的有機物可以取得良好的效果,但出水COD 濃度和去除效率由滲濾液的水質(zhì)決定. 在一般的情況下,出水COD 無法實現(xiàn)達標排放,還需要進一步處理才能達標排放. 此外,厭氧生物法無法去除垃圾滲濾液中的氨氮,因此它一般作為好氧生物處理工藝的預(yù)處理工藝.

4.2 好氧生物法處理垃圾滲濾液

好氧生物法是目前我國垃圾滲濾液處理的核心和主要工藝,它具有能耗低,二次污染小,可循環(huán)利用的特點. 通過好氧生物法,可以去除垃圾滲濾液中絕大多數(shù)的可生化有機物和氨氮,對于總氮也有一定的去除效果.

4.2.1 好氧生物法去除滲濾液中的有機物:在曝氣的條件下,通過微生物的呼吸作用,可以有效的將垃圾滲濾液中的可生化有機物降解為CO2和H2O,實現(xiàn)污染物真正的無害. Zaloum 等 采用SBR 工藝處理厭氧反應(yīng)后的垃圾滲濾液,COD 的去除率可以達到91%. Loukidou 等 采用移動床生物濾池處理滲濾液,在B/ C 為0.2的條件下,COD去除率達到了81%. Mehdi 等 采用SMBR 聯(lián)合高級氧化處理垃圾滲濾液,SMBR 對垃圾滲濾液COD的去除率可以達到63%以上.采用好氧生物法處理垃圾滲濾液以后,滲濾液中絕大多數(shù)的可生化有機物均可以實現(xiàn)有效去除,但由于垃圾滲濾液中還含有大量腐殖質(zhì)、腐殖酸和富里酸等大分子難降解物質(zhì),所以,出水的COD 一般無法直接達到排放標準,還需進一步處理.

4.2.2 傳統(tǒng)的生物去除滲濾液中的氨氮:氨氮是滲濾液的主要污染物. 由于氨氮相對的穩(wěn)定性,采用物理化學(xué)的方法將其徹底去除十分困難. 生物法是去除氨氮的最佳選擇. 通過硝化作用和反硝化作用,可以將滲濾液中的氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定無害的氮氣,從而實現(xiàn)了真正的脫氮 . 生物脫氮的過程如式(1)(2)所示.

傳統(tǒng)生物脫氮的難點和矛盾主要集中在反硝化碳源的問題上. 由于硝化菌是自養(yǎng)細菌,而降解有機物的細菌是異養(yǎng)菌. 兩者相比硝化菌的活性較差. 因此,在硝化結(jié)束時,無水中的有機物早已消耗殆盡. 這給需要有機物進行反硝化的異養(yǎng)菌帶來了困難. 傳統(tǒng)解決反硝化問題的方法主要有2 種. 一種是在連續(xù)流中采用回流硝化液的方式利用原水碳源進行反硝化,缺點是反硝化不徹底;另一種在間歇反應(yīng)器中采用后置反硝化的方式進行. 優(yōu)點是反硝化十分徹底,但缺點是成本昂貴. Lo 等采用SBR 的方式處理垃圾滲濾液,氨氮的去除率達到了99%以上. Loukidou 等采用移動床生物濾池處理滲濾液處理滲濾液,氨氮的去除率為85% 以上. 這些研究并沒有實現(xiàn)真正的脫氮,而只是實現(xiàn)了去除氨氮. 滲濾液中的氮素依然存在,依然會對環(huán)境產(chǎn)生較大的危害.

4.2.3 短程硝化反硝化去除滲濾液中的氨氮:為了提高對垃圾滲濾液的脫氮效率,研究者開發(fā)了垃圾滲濾液的短程硝化反硝化技術(shù). 相比于傳統(tǒng)的硝化反硝化,短程硝化反硝化技術(shù)是將硝化作用控制在生成亞硝態(tài)氮階段. 這種工藝的主要優(yōu)點是減少25%曝氣量和40% 的反硝化碳源. 其原理主要是通過FA(游離氨)和FNA(游離亞硝酸)對氨氧化細菌和亞硝酸氧化細菌的抑制來實現(xiàn)的.氨氧化細菌相對亞硝酸氧化細菌來說,對這些抑制更不敏感,因此可以逐漸成為優(yōu)勢菌群,實現(xiàn)對滲濾液的短程硝化作用. 孫洪偉等通過采用FA 抑制和過程控制的雙重作用,在70 天內(nèi)實現(xiàn)了對滲濾液的短程硝化. 氨氮的去除率達到99% 以上,亞硝態(tài)氮積累率達到了90% 以上. 時曉寧等 在SBR 中采用過程控制,將反應(yīng)中pH 與ORP 曲線分別出現(xiàn)的“氨谷冶和“亞硝酸鹽膝冶2 個特征點作為在線控制點,可以精確控制硝化和反硝化的終點. 滲濾液的氨氮的質(zhì)量濃度為2 114 mg/ L,出水氨氮的質(zhì)量濃度<10 mg/ L,對氨氮的去除率達到99%.劉牡等研究了FA 和FNA 對處理滲濾液短程硝化的影響.研究結(jié)果表明,當最小FA 控制在3.1 mg/ L 以上時,系統(tǒng)可維持穩(wěn)定的短程硝化, 氨氮去除率、亞硝積累率、TN 去除率分別可達到99%、95% 和86%.當FA 小于0.6 mg/ L 時,在原水堿度充足且過曝氣的條件下,僅依靠FA 對NOB 的抑制作用,難于維持短程硝化. 在FA 濃度維持在較低濃度下,通過降低pH 值而大幅度提高FNA 可迅速恢復(fù)并維持短程硝化, 亞硝積累率升高到92%. 可見FA 與FNA 是實現(xiàn)并維持城市生活垃圾滲濾液短程硝化的重要影響因素. 彭永臻采用2 級UASB-A/ O 的組合工藝處理垃圾滲濾液,最大氨氮去除速率可以達到0.68 kg NH+4 N/ m3˙d,氨氮的去除率可以達到99%,同時可以實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化. 通過將A/ O的硝化液回流到UASB,總氮的去除率可以達到81% ~93%. Sun 等 研究了低溫下短程硝化反硝化處理垃圾滲濾液的啟動與穩(wěn)定. 研究結(jié)果表明,在低溫的條件下(14 ~18.2 ℃),通過FA 的抑制和過程控制的聯(lián)合作用,在SBR 中成功實現(xiàn)了短程硝化并且可以穩(wěn)定維持.

4.2.4 厭氧氨氧化去除滲濾液中的氨氮:盡管短程硝化反硝化相比傳統(tǒng)的脫氮過程有自己的優(yōu)勢,但它依然需要外加碳源實現(xiàn)脫氮. 厭氧氨氧化技術(shù)是荷蘭Delft 大學(xué)發(fā)現(xiàn)的脫氮新途徑.它是利用厭氧氨氧化的自養(yǎng)脫氮特性,將污水中的亞硝態(tài)氮和氨氮轉(zhuǎn)化成氮氣和少量硝態(tài)氮的過程.厭氧氨氧化的反應(yīng)原理如式(3)所示:1NH+4 +1.32NO-2 +0.066HCO-3 +0.13H+ →1.02N2 +0.26NO-3 +0.066CH2O0.N0.15 +2.03H2O(3)

相對于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝,厭氧氨氧化工藝不需要外加碳源,且只需氧化大概一半的氨氮,因此曝氣量大大減少. 正是因為它有這樣的優(yōu)點,很多研究者對利用厭氧氨氧化技術(shù)處理垃圾滲濾液脫氮進行了研究. Wang 等采用A/ O 聯(lián)合UASB 的工藝處理晚期垃圾滲濾液,在A/ O 工藝中實現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化,在UASB 中實現(xiàn)了穩(wěn)定的厭氧氨氧化,在進水氨氮和COD 的質(zhì)量濃度分別為1 330 和2250 mg/ L 的條件下,總氮和COD 的去除率分別達到了94% 和62%. PCR 分析顯示,在UASB 中,厭氧氨氧化菌的數(shù)量占到了7.78%. Phan等 采用IC 反應(yīng)器處理晚期垃圾滲濾液,在進水總氮的質(zhì)量濃度為1 500 mg/ L 的條件下去除率達到了90% 以上,總氮負荷可以達到10 kgN/ m3˙L,污泥的比厭氧氨氧化活性可以達到(0.598 ：0.026) gN2-N g/VSS˙d. Miao 等采用三級SBR 工藝處理晚期垃圾滲濾液,通過除碳、短程硝化和厭氧氨氧化可以實現(xiàn)對滲濾液的深度脫氮.在進水滲濾液氨氮和COD的質(zhì)量濃度分別在2 000 mg/ L 和2 200 mg/ L 的條件下,總氮去除率可以90%以上. 鄭冰玉等采用UASB-除碳-一體化厭氧氨氧化工藝處理COD 的質(zhì)量濃度為6 210 ~ 16 365 mg/ L,TN 的質(zhì)量濃度為990 ~2 100 mg/ L 的滲濾液,出水COD 的質(zhì)量濃度最低為655 mg/ L,出水TN 的質(zhì)量濃度最低為39.9mg/ L,脫氮效率極高.

4.2.5 內(nèi)源反硝化去除滲濾液中的氨氮:反硝化細菌具有貯存一部分內(nèi)碳源的特性. 通過人為強化這種特性,就可以在不添加碳源的條件下,實現(xiàn)對滲濾液的深度脫氮. 內(nèi)源反硝化技術(shù)主要有3個優(yōu)點. 一個是可以在不添加碳源的條件下實現(xiàn)深度脫氮,處理費用低. 第2 個是通過反硝化菌的吸碳作用,減少了曝氣階段的曝氣量,系統(tǒng)幾乎在曝氣后立刻開始硝化作用. 第3 個是在這種模式下,絕大部分的碳源被用于反硝化,污泥增長緩慢,極大的減少了污泥處置費用. 這種方法適合碳氮比大于4 的早中期滲濾液. 王凱等通過改變SBR 的操作模式,強化了活性污泥內(nèi)源反硝化的特性,在進水氨氮和COD 的質(zhì)量濃度分別為1 100 和6 000 mg/ L的條件下,實現(xiàn)了深度脫氮. 在沒有添加碳源的條件下,總氮的去除率達到了95% 以上 . 同時,他還研究了不同影響因素對內(nèi)源反硝化脫氮效率的影響. 研究結(jié)果表明,污泥中PHA 的含量是決定系統(tǒng)內(nèi)源反硝化速率的關(guān)鍵,曝氣時較高的溶解氧、曝氣前的厭氧攪拌以及盡量減少過曝氣將提高系統(tǒng)的脫氮效率.

4. 3 生物法處理垃圾滲濾液小結(jié):生物法作為處理滲濾液的核心工藝,可以有效的去除滲濾液中的可生化有機物,但出水中依然含有大分子的難降解有機物,需要其他方法做進一步處理以達標排放. 目前生物法處理滲濾液研究的熱點和難點在于如何對垃圾滲濾液實現(xiàn)經(jīng)濟高效的脫氮. 無論短程硝化反硝化、厭氧氨氧化還是內(nèi)源反硝化,都是生物法處理滲濾液深度脫氮的探索,在滲濾液高效脫氮的方面,還需要進一步的研究和實踐.

5 生物法聯(lián)合物化法處理垃圾滲濾液

由于滲濾液水質(zhì)復(fù)雜,污染物含量高,采用單一的辦法往往很難實現(xiàn)有效的去除. 采用生化聯(lián)合物化的方法,可以充分發(fā)揮每種處理方法的優(yōu)勢,既能降低處理費用,又可以保證處理效果. Zhang 等采用Fenton 聯(lián)合SMBR 或者反滲透工藝處理滲濾液. Fenton 工藝的主要作用是提高滲濾液的可生化性,為后續(xù)的處理提供更好的條件.通過預(yù)處理,SMBR 對滲濾液COD 的去除率非常好,但對氨氮的去除率只達到了80% 左右. SMBR 的出水通過反滲透的處理,最終實現(xiàn)了達標排放. Claudio 等 采用SBBGR 聯(lián)合臭氧或者Fenton 進行處理.研究結(jié)果表明,SBBGR 可以去除80%的COD. 深度處理采用臭氧工藝,COD 的去除率僅為33%,而Fenton 工藝的去除率可以達到85%. Alkhafaji 采用吹脫+ 絮凝+ SBR + 過濾的組合工藝處理晚期滲濾液.研究結(jié)果表明,通過吹脫工藝,滲濾液中氨氮的去除率可以達到93.9%. 隨后出水用聚合硫酸鐵進行絮凝沉淀,COD 的去除率可以達到70.6%. 滲濾液經(jīng)過SBR 處理后, COD 和氨氮的去除率分別達到了95.5%和98.1%. 系統(tǒng)最終出水的COD、SS 和氨氮的質(zhì)量濃度分別達到了72.4、24.2、18.4 mg/ L .Dia 等采用生物濾池聯(lián)合電絮凝處理可生化性較差的垃圾滲濾液. 研究結(jié)果表明,通過生物濾池后,氨氮、BOD 和濁度的去除率分別可以達到94%、94%和95%. 生物濾池的出水采用以鎂基作為陽極的電絮凝進行處理,COD和色度的去除率可以達到53%和85%以上. Sherif 等考察了Fenton 聯(lián)合被動曝氣固定式生物反應(yīng)器(PAB)處理垃圾滲濾液的效果. 研究結(jié)果表明,只采用PAB 對垃圾滲濾液進行處理,COD 和氨氮的去除率可以達到55% 和93%;通過Fenton 預(yù)處理后,COD 的去除率可以大幅度提高到83%,表明Fenton 工藝可以大幅提高垃圾滲濾液的可生化性.組合工藝相比單一的處理工藝,往往處理效果更好,但同時也存在工藝復(fù)雜,處理成本較高的問題. 因此,如何合理的安排組合工藝是決定整套工藝是否合理,能否實現(xiàn)達標排放的關(guān)鍵.

6 總結(jié)及建議

滲濾液如何達標排放是公認的水處理行業(yè)的難題. 這難點主要體現(xiàn)在處理成本上. 由于采用傳統(tǒng)的方法很難使?jié)B濾液的COD 和總氮達標排放,納濾甚至反滲透工藝幾乎成為了滲濾液處理的標配.這直接拉高了滲濾液的處理成本,導(dǎo)致滲濾液處理廠運行是舉步維艱. 對于滲濾液的處理,目前有2 種觀點. 一種是排斥膜工藝,認為處理成本過高,不宜采用. 另一種是過分依賴膜工藝,忽略了前面處理工藝的重要性. 這2 種觀點都不太合理. 膜工藝雖然投資和處理成本高,但的確可以有效保障出水水質(zhì). 完全依賴膜工藝肯定也是目前經(jīng)濟狀況所無法承受的. 合理的處理工藝是充分發(fā)揮每個工藝的特點尤其是生化工藝的潛力,在保證出水水質(zhì)的前提下,盡可能的降低處理成本.

目前的主要問題是總氮的處理效率太低,而總氮的分子量很小,必須通過反滲透才能夠去除. 總氮恰恰是在生化階段能夠解決的. 文章中所述的短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝和內(nèi)源反硝化工藝都是研究者們在去除總氮道路上所做的努力和探索. 如果通過生化工藝可以直接實現(xiàn)滲濾液總氮的高效去除,勢必會極大的降低后續(xù)膜工藝的處理壓力,大幅度降低處理成本. 由此可見,新型高效生化脫氮工藝將是破解滲濾液處理難題的關(guān)鍵和未來的發(fā)展方向.

 來源:《北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報》  作者:王凱等

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