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    垃圾滲濾液處理技術現狀及研究進展

    更新時間:2022-10-31 10:47 來源:中國給水排水 作者: 朱成博 蔣寶軍等 閱讀:111 網友評論0

    谷騰環保網訊近十幾年來,隨著我國城市化速度的加快和居民生活消費水平的不斷提高,城市垃圾的增長非常迅速,垃圾的排放量迅速增加,每年新增垃圾約1億噸,增長率高達10%左右。全國歷年城市生活垃圾的堆存量達到60多億噸,占地5萬公頃,致使我國200多個城市陷入垃圾的包圍中。城市生活垃圾的大量增加和堆存已成為我國城市可持續發展的嚴峻挑戰。目前我國解決垃圾問題的方法主要有填埋、堆肥及焚燒處理三種處理方法,垃圾填埋因具有技術成熟、處理和管理費用低,運輸方便等優點,在我國得到了廣泛應用。在垃圾填埋和堆放過程中,產生的大量廢水,統稱為垃圾滲濾液,未經處理的垃圾滲濾液流經地表或滲入地下水后,會對環境造成嚴重的二次污染,因此,垃圾滲濾液安全且無害化處理是一直是一個世界性的環保難題。

    01 垃圾滲濾液來源

    垃圾滲濾液是由垃圾本身所含的游離水、自然降水和有機物分解產生的水以及滲入填埋場中的地表水和地下水通過淋浴作用產生的大量廢水所形成,垃圾滲濾液的水量、水質受垃圾組成、填埋時間、填埋工藝、降雨滲透量等因素影響。尤其受降雨量影響較大,降雨量少時,垃圾滲濾液主要為垃圾本身所含游離水,大部分被蒸發,而降雨量大時,雨水流進垃圾堆體,產生大量滲濾液,滲濾液產生量與降雨量成正比。垃圾滲濾液具有污染物質成分復雜,有機污染物濃度高,水質變化大等特點,因此滲濾液處理起來較為困難。

    02 垃圾滲濾液的水質特征

    (1)色度與嗅味

    滲濾液通常有很高的色度,其顏色多呈黑色和深褐色,色度可達2000-4000倍(稀釋倍數),與此同時,滲濾液有很濃重的垃圾腐化臭味。

    (2)pH值

    在垃圾場服務周期內,滲濾液pH值在6-7之間呈弱酸性,隨著垃圾場服務年限的增長,填埋場也趨向穩定,pH值可提高到7-8,呈弱堿性。

    (3)有機物

    垃圾滲濾液中的有機物可分為三大類,分別為相對分子質量低的脂肪酸類;腐殖質類、高分子的碳水化合物;相對分子質量中等的灰黃霉酸類物質。

    (4)氨氮

    由于垃圾在堆體中的厭氧發酵和水解,導致垃圾滲濾液中的氨氮濃度高。滲濾液中的氨氮主要是以NH3-N的形式存在。中老年填埋場滲濾液中重要的水質特點之一是NH3-N很高。

    (5)磷元素

    垃圾滲濾液的含磷量通常較低,尤其是溶解性的磷酸鹽濃度更低。滲濾液中的溶解性磷酸鹽含量受到Ca離子濃度和堿度的影響,導致滲濾液生物處理的缺磷嚴重。

    (6)重金屬

    生活垃圾中的微量重金屬溶出率很低。由于垃圾本身對重金屬有較強的吸附能力,故若將工業垃圾與生活垃圾混合填埋,滲濾液中重金屬離子的溶出量將會明顯增加。垃圾滲濾液中含有的常見重金屬為Cu、Pb、Cr、Cd、Zn、As、Mn等。

    (7)微生物

    垃圾滲濾液中含有大量微生物,其中許多微生物對滲濾液的降解起著重要作用,主要有亞硝化細菌、硝化細菌、反硝化細菌、脫硫桿菌、脫氮硫桿菌、鐵細菌、硫酸鹽還原菌以及產甲烷菌8類細菌。此外,滲濾液中還有大量的病原菌和致病微生物。

    (8)溶解性固體

    垃圾滲濾液中含有較高濃度的總溶解性固體。這些溶解性固體在滲濾液中的濃度通常隨填埋場時間的增加而變化,一般在填埋0.5~2.5年間達到高峰,此后,隨填埋時間的增加,這些無機性鹽類的濃度將逐漸下降,直至達到最終穩定。

    03 垃圾滲濾液的處理技術

    由于垃圾滲濾液的嚴重危害性,因此必須對其進行有效對處理,使其達標排放,同時由于垃圾滲濾液對水質特點,其處理難度和處理成本遠超一般生活污水和工業廢水,迄今為止還沒有發展出完善的適合垃圾滲濾液處理的經濟有效的工藝。

    現今常用的垃圾滲濾液處理技術可分為生物處理技術和物理化學處理技術,其中生物處理技術由于處理成本低,二次污染小,可作為垃圾滲濾液處理的核心工藝,但經此法處理后的垃圾滲濾液出水一般無法直接達到國家的相關排放標準,需要進行后續的深度處理?,F有的深度處理技術主要有膜處理技術和高級氧化技術(Advanced Oxidation Process,簡稱AOPs)

    3.1 垃圾滲濾液的生物處理技術

    生物法處理滲濾液是利用微生物降解滲濾液中的有機污染物凈化廢水的方法。垃圾滲濾液的生物處理是目前垃圾滲濾液的主要處理方式之一。根據生物處理過程中,其主要作用的微生物的呼吸類型,滲濾液的生物處理可分為好氧處理、厭氧處理、厭氧-好氧聯合處理。

    3.1.1 好氧生物處理

    好氧生物處理好氧生物處理是利用微生物的好氧反應來降解滲濾液中的有機物,主要有活性污泥法、膜生物法等工藝。

    活性污泥法是一種好氧生物處理技術,主要通過向污水通入氧氣來強化污水中微生物的生理活動,利用微生物降解污水中的污染物質。目前用于垃圾滲濾液處理的活性污泥法的運行方式有傳統活性污泥法、序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor,簡稱SBR)、膜生物法(Membrane Bioreactor,簡稱MBR)。

    胡勤海等采用吹脫-SBR-吸附混凝法對杭州市天子嶺垃圾填埋場滲濾液進行了處理試驗研究。結果表明,該復合處理系統對滲濾液中高濃度對COD、氨氮及色度均有較好對處理效果,平均去除率分別達91%、81%、和95%,除氨氮外,其余指標均達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889-1997)中滲濾液二級排放標注限值。

    由此可見活性污泥法可以對垃圾滲濾液有較好的處理效果,但活性污泥法處理滲濾液的出水效果受溫度影響很大,在溫度較低時對滲濾液的COD去除率較低,而且對中老齡垃圾場滲濾液中的污染物質去除效果不理想,因而采用活性污泥法處理垃圾滲濾液會受到一定的限制。

    膜生物法污水處理技術是通過向污水中加入表面適于微生物生長的填料,經過一段時間后,在填料上就會附著一層由各種微生物構成的生物膜,污水流經填料時,填料上的微生物以污水中的有機物為養料,對其進行降解,從而達到凈化污水的目的。膜生物法具有代表性的處理形式有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化等。

    王庭等采用UASB-AO-MBR工藝對低碳氮比垃圾滲濾液進行短程硝化反硝化脫氮的實驗研究。結果表明:在溶解氧濃度為0.5~1.0mg/L條件下,好氧池微氧區可實現穩定的短程硝化反應,亞硝態氮累積率可達 90%以上;當碳源(甲醇)投加量4gCOD/L時,UASB 反應器可實現穩定高效的短程反硝化,出水COD低于500mg/L,氨氮低于5mg/L,總氮低于70mg/L,滿足《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962-2015)的要求。

    膜生物法處理垃圾滲濾液具有抗水量水質沖擊負荷、有利于水中需要較長停留時間才能去除的氨氮的去除優點;而且由于微生物生長在填料上,因而不需要污泥回流;同時由于生物鏈長,產生的剩余污泥量較少,有助于減少污水處理設施的基礎建設資金。但維持生物膜運行需要較高但條件。

    3.1.2 厭氧生物處理法

    厭氧生物處理是在厭氧條件下,形成厭氧微生物所需要的營養條件和環境條件,通過厭氧菌和兼性菌代謝作用,對有機物進行生化降解過程。垃圾滲濾液對厭氧生物處理形式上主要有上流式厭氧過濾器(Anaerobic Up-flow Filter,簡稱AF)、上流式厭氧污泥床反應器(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket,簡稱UASB)、厭氧復合床反應器(Up-flow Blanket Filter,簡稱UBF)、厭氧折流板反應器(Anaerobic Baffled Reactor簡稱ABR)等。

    (1)上流式厭氧過濾器

    上流式厭氧過濾器是一種厭氧生物濾池,該反應器具有啟動周期短、耐沖擊性好等特點。徐竺等對AF處理垃圾填埋場滲濾液進行了動態連續試驗,結果表明:AF處理垃圾滲濾液的效果良好。在中溫(35~40℃)消化時高濃度(3000~8000mg/L)進水的COD的去除率達95%左右,常溫消化的COD去除率也可達90%左右;反應器的容積負荷可達5kgCOD·m-3d-1以上。

    (2)上流式厭氧污泥床反應器

    上流式厭氧污泥床反應器是一種厭氧污水生物處理裝置。在該反應器中,污水以一定流速從下部進入反應器,通過污泥層向上流動,在料液與污泥的接觸中進行生物降解,并產生甲烷等氣體,然后通過三相分離器進行泥-水-氣分離,從而實現去除污水中污染物的目的,上流式厭氧污泥床的負荷要比上流式厭氧濾器大得多。

    (3)厭氧復合床反應器

    厭氧復合床反應器是上流式厭氧污泥床反應器和上流式厭氧過濾器復合而成的上流式厭氧污泥床過濾器,復合床的上部為厭氧濾池。下部為上流式厭氧污泥床,這種設計可以集厭氧過濾器和厭氧污泥床反應器的優點于一體。

    潘駿等在(38±2)℃條件下分別采用UASB和UBF厭氧反應器技術對生活垃圾滲濾液進行處理。結果表明:在厭氧運行過程中,有機負荷提升至15kg COD( m3·d),HRT為5 d,UASB 厭氧反應器原料產氣率為 25.4 ~ 29.6m3/t,COD去除率高于94%,容積產氣率為 5.77~6.02m3/m3,CH4 含量70%以上,pH值為7.21~8.25;UBF厭氧反應器原料產氣率為22.7~25.4m3/t,COD去除率高于90%,容積產氣率為4.99~5.60 m3/m3,CH4含量66%左右,pH值為7.29~8.01,UASB厭氧反應器處理生活垃圾滲濾液效果優于UBF厭氧反應器。

    (4)厭氧折流板反應器

    厭氧折流板反應器是一個由多隔室組成的高效新型厭氧反應器。運行中的厭氧折流板反應器是一個整體為推流,而各隔室為全混合的反應器,因而可獲得穩定的處理效果。研究結果發現,ABR可有效地改善混合廢水的可生化性。

    沈耀良等用ABR處理蘇州七子山生活垃圾填埋場滲濾液和城市污水混合液,結果表明,進水BOD5/COD為0.2~0.3時、出水BOD5/COD可提高至0.4~0.6;當容積負荷為4.71kg COD/(m3•d)時,可形成沉降性能良好、粒徑為1~5mm的棒狀顆粒污泥。

    厭氧生物處理技術適合處理溶解性有機物,而且在提高滲濾液可生化性方面表現出明顯的優勢,但經厭氧生物處理后的滲濾液出水COD和氨氮濃度仍比較高,溶解氧很低,很難達到國家規定的排放標準。因此目前而言,滲濾液的厭氧生物處理一般不作為單獨使用的處理方式。

    3.1.3 厭氧-好氧結合處理法

    為了充分發揮垃圾滲濾液好氧處理和厭氧處理技術各自的優勢,彌補這兩種處理技術各自的不足,高濃度滲濾液的生物處理一般都采用厭氧-好氧兩者結合處理工藝。實踐證明,該工藝對滲濾液的處理效果遠好于單純的好氧工藝或厭氧工藝。

    孫廷岳等在處理泉州某生活垃圾焚燒廠滲濾液時,采用UASB+MBR+RO工藝,系統穩定運行的數據顯示,當進水COD、BOD5為21410±2838mg/L、10527±1262mg/L時,出水COD、BOD5為76.6±19mg/L、28.3±8.6mg/L;進水NH3-N與SS質量濃度分別為1295±192mg/L和3336±210mg/L時,出水分別為2.95±1.14mg/L和1.59±0.45mg/L,滿足水質排放標準。通過污染物降解過程分析可知,UASB與MBR可去除97.7%的COD,MBR可去除89.5%的NH3-N與87.1%的TN。

    高艷嬌等采用厭氧復合床/生物接觸氧化反應器(UBF/BCOR)處理垃圾滲濾液。試驗結果表明:經60d微生物培養,UBF/BCOR順利完成啟動;通過負荷試驗,確定UBF/BCOR的COD 容積負荷最大為9.54kg/(m3·d);UBF/BCOR穩定運行后期,COD總去除率平均為87.8%,BOD5總去除率平均為93.5%,NH3-N總去除率平均為72.4%去除效果較好。

    3.2 垃圾滲濾液的物理化學處理技術

    垃圾滲濾液的物理化學處理技術是指利用物理化學原理設計的垃圾滲濾液處理工藝,通過工藝的運行去除垃圾滲濾液中的污染物質,從而達到凈化垃圾滲濾液的滲濾液處理技術。垃圾滲濾液的物理化學處理方法主要有混凝-化學沉淀、吸附、膜處理等。

    3.2.1 混凝-化學沉淀處理技術

    垃圾滲濾液的混凝處理是通過外加混凝劑使滲濾液中不能直接通過重力去除的微小物質和混凝劑一起聚結成較大的顆粒,這些顆??梢栽谥亓Φ淖饔孟卵杆俪两?,分離出滲濾液,從而減少滲濾液中的污染物質?;炷恋淼臋C理主要包括壓縮雙電層、電中和、吸附架橋和網捕沉淀?;瘜W沉淀法是向滲濾液中加入某種化學藥劑,使滲濾液中的污染物質和化學藥劑發生反應生成沉淀物,從而去除滲濾液中污染物質的處理方法。

    3.2.2 吸附處理技術

    在相界面上,物質的濃度自動發生累積或濃集的現象稱為吸附。利用固體物質表面對水中污染物質的吸附作用去除水中污染物質的方法是水處理技術中一種常用的方法。具有吸附能力的多孔性固體物質稱為吸附劑,水處理中常用的吸附劑有活性炭、沸石、木炭等。近年來,采用吸附方法處理垃圾滲濾液的研究日益增多,尤其是活性炭吸附法在垃圾滲濾液處理中得到了廣泛應用,

    沈耀良等采用PAC作混凝劑、焦炭作吸附劑處理杭州天子嶺垃圾填埋場滲濾液,研究表明,采用PAC做混凝劑、焦炭做吸附劑可有效去除滲濾液中COD和各部分重金屬離子。PAC和焦炭投入量分別為400mg/L和8~10g/L時,COD去除率達58.9%,重金屬離子等去除率達60%左右,其中對Cu的去除率近100%;混凝和吸附對各污染物的去除具有互補性,因此工藝具有良好的運行靈活性和穩定性。

    3.2.3 膜處理技術

    膜處理技術是水處理技術中的一種常用技術,該技術主要是使污水在一定的壓力下流過隔膜,在此過程中,由于水分子量較小,可以通過隔膜,而水中的污染物質分子量大于隔膜孔徑,被隔膜所截留,從而分離出水中的污染物質,達到凈化污水的目的。根據膜的孔徑大小可以分為:微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜等。

    (1)微濾膜

    微濾(Microfiltration,簡稱MF)是一種精密過濾技術,利用孔徑為0.1~1.5μm的濾膜對水進行過濾。微濾是一種低壓膜濾,進水壓力一般小于0.2MPa,過濾精度介于常規過濾和超濾之間,可分離水中直徑為0.03~15μm的組分,能去除水中的顆粒物、濁度、細菌、病毒、藻類等。

    (2)超濾膜

    超濾(Ultrafiltration,簡稱UF)是以壓力為推動力,利用孔徑為 0.01~0.lμm的濾膜對水進行過濾的方法。操作壓力在0.5MPa以下,過濾精度介于納濾和超濾之間,可分離水中直徑為0.005~10μm、分子量大于500的大分子化合物和膠體,能有效去除水中的懸浮物、膠體、細菌、病毒和部分有機物。

    (3)納濾膜

    納濾(Nanofiltration,簡稱 NF)過濾精度介于反滲透和超濾之間,早期又稱松散反滲透(Loose RO),操作壓力為3MPa以下。納濾膜早期又稱軟化膜,對鈣、鎂離子具有很高的去除率,能有效去除水中分子量在200以上、分子大小約1nm的可溶性組分。

    (4)反滲透膜

    反滲透(Reverse Osmosis,簡稱RO)是目前最微細的過濾技術。反滲透膜可阻擋所有溶解的無機分子以及任何相對分子質量大于100的有機物,而水分子可通過薄膜成為純水。其對水中二價離子的脫除率最高可達99.5%,對一價離子的脫除率也在95%以上。

    當前應用于垃圾滲濾液處理的膜主要為反滲透膜和超濾膜,這是因為反滲透分離技術相比其他污水處理技術具有這幾處優點:反滲透技術的主動力是分離過程中施加的壓力,不需要經過能量的密集交換,減少了處理過程中的能源消耗;反滲透技術的應用過程中不需要使用過多的吸附劑以及沉淀劑,降低了廢水回用成本;反滲透技術的分離過程操作相對簡單,不需要長時間的工程設計就能夠實現,縮短了處理周期;反滲透技術對廢水的凈化效率較高,具有良好的運行環境。

    膜處理技術具有適應垃圾滲濾液水質水量變化大的特點,而且操作及維護方便,占地面積小,易于實現自動化控制。垃圾滲濾液經膜處理后,出水能夠達到國家相應的排放標準,不會對環境造成任何危害。但是,一般情況下,垃圾滲濾液在進行膜處理之前要先預處理,去除滲濾液的濁度和懸浮固體,以防止膜堵塞。常用的預處理方法有:絮凝過濾、多介質過濾、活性炭吸附、精密過濾器(保安過濾)、氧化處理、殺菌消毒軟化、阻垢劑加藥等。

    現在比較成熟的膜處理工藝有MBR+NF、MBR+單級DTRO、兩級DTRO,基本能夠持續地保證達標排放。其中MBR+NF工藝更依賴于前級膜生物反應器生化處理的效果,即當生化處理效果不好時,NF不能完全保證出水達標(COD、氨氮)。相比較而言 MBR+單級DTRO能持續保證出水達標,即使在生化效果出現偏差時,碟管式反滲透(Disc Tube Reverse Osmosis,簡稱 DTRO)也能做到較強的后續保障。

    而用膜法處理污水,必然存在濃縮液的問題。而工程中追求更高的清水產出率(濃縮比更高),則使產生的濃縮液更難處理。碟管式反滲透技術由于可直接應用于垃圾滲濾液,進行兩級處理后,排放即可持續達到標準要求。雖然解決了生化法工程構筑物多周期長的缺點,但由于其比其他反滲透膜裝置有更高的濃縮比,從而使其濃縮液問題更為突出。為使膜法處理在垃圾滲濾液處理中更為有效和合理,有必要對后續濃縮液的處理展開工程化研究。

    04 總結

    當前我國的垃圾滲濾液處理以生物處理技術為主,這類處理技術的主要特點是:技術成熟、工藝相對簡單,但對處理的污水水質要求較高。特別對于垃圾滲濾液這種高濃度、成分復雜的廢水來說,僅靠生物技術無法將其處理達標排放,需要結合其他工藝共同處理,在實際運行過程中存在著諸多亟待解決的問題。

    好氧處理工藝中的活性污泥法具有投資大、運行管理費用高、處理效果受溫度影響較大的缺點;膜生物反應系統需氧量大、能耗高,難生物降解物質的積累容易造成微生物的毒害和膜污染,并且膜組件價格目前比較昂貴,處理費用昂貴。

    厭氧處理工藝適合高濃度有機廢水,但缺點是停留時間長,污染物的去除率相對較低,對溫度的變化比較敏感。普通厭氧消化池體積較大,需要有足夠的攪拌,所以能耗較高;升流式厭氧污泥床工藝最大的缺點在于其對有毒物質較為敏感,從而影響處理性能;厭氧生物濾池則是布水不均勻、填料昂貴且易堵。

    厭氧-好氧組合工藝在處理早期滲濾液方面優勢較為明顯,但在晚期滲濾液處理上,存在COD去除率不高、脫氮流程復雜、TN去除率低等不足。另外還有投資大、運行管理費用高的缺點。

    為了彌補生物組合工藝的不足,國內外學者提出了更多新型生物組合工藝,它們既保留了傳統生物組合工藝的優點又耦合了短程硝化反硝化、同時硝化反硝化、厭氧氨氧化等新型脫氮技術,在處理中晚期滲濾液上具有很大的潛力。然而目前這些組合工藝大多數處于實驗室研究階段,這些生物組合工藝能否順利應用于實際工程,還需在提高處理效果、獲得最佳運行條件、控制運行成本、高效管理等方面進行深入研究。

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