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浅析垃圾渗滤液处理技术

2010年第3期(总第136期)
聂 旭,赵非超(桂林理工大学环境科学与工程学院,广西桂林 541004)
 
  【摘 要】 垃圾渗滤液是垃圾填埋过程中产生的高浓度有机废水,是国内外污水处理的一大难题。综述了垃圾渗滤液的水质特性,并总结了近年来在垃圾渗滤液的处理方法及深度处理技术上的研究进展,对垃圾渗滤液处理技术提出研究方向。
  【关键词】 垃圾渗滤液;处理方法;深度处理
 
1 前言
  随着我国城市的发展,垃圾排放量大量增加,环境污染也日益严重。卫生填埋是我国主要的垃圾处理方式之一。垃圾填埋过程中,由于厌氧发酵、有机物分解、雨水冲淋等产生多种代谢物质,形成高浓度的有机废液,即垃圾渗滤液。垃圾渗滤液污染物浓度高,必须加以收集并处理。垃圾渗滤液是垃圾填埋过程中产生二次污染的主要因素之一,对水体、土壤、大气和生物都有不同程度的影响。垃圾渗滤液若不经妥善处理而直接进入环境,将会对环境造成严重污染。
 
2 垃圾渗滤液的特征及其影响
  垃圾渗滤液是液体在填埋场受重力流动的产物,主要有4个来源:垃圾自身含水、垃圾生化反应产生的水、地下潜水的反渗和大气降水,其中大气降水具有集中性、短时性和反复性,占渗滤液总量的大部分,是工程设计的主要依据。垃圾渗滤液是由垃圾分解后产生的内源水和外来水分(包括大气降水,地表水、地下水入侵等)所形成的液体,垃圾渗滤液的水质相当复杂,一般含有高浓度有机物、重金属盐、SS及氨氮,垃圾渗滤液不仅污染土壤及地表水源,还会对地下水造成污染。渗滤液水量及水质随垃圾组成、填埋方式及不同季节和气候的变化而变化。垃圾渗滤液水量变化大,而且其变化呈明显的无周期性。影响水量的因素主要有填埋土质、降雨、蒸发、径流、地下水的渗入、垃圾自身分解水、下层排放设施等。
  由于垃圾数量逐年增多,成分日趋复杂,以及气候、水文、设计、施工等因素的影响,在垃圾填埋过程中,会从垃圾层渗出高浓度的废水―渗滤液。其特点如下:
  (1)污染物种类繁多,成分复杂
研究显示,渗滤液中含有70多种有机物和各种重金属元素。渗滤液中含量较多的有烃类及其衍生物、酸酯类、醇酚类、酮醛类和酰胺类等物质。
  (2)水质水量变化大
渗滤液的水质水量会随着外界水文地质、降雨量、堆积高度及方式、填埋规模、填埋工艺、填埋时间、垃圾本身成分的变化而变化,随机性很大。
  (3)COD和BOD5浓度高
  在新的垃圾填埋场里,挥发性酸的存在可能会提高COD和BOD5浓度,COD最高可达80g/L,BOD5最高可达35g/L。填埋时间小于5年时,所产生的渗滤液pH值较低,COD和BOD5浓度较高,且BOD5/COD的值较高,一般为0.5~0.7,表现出良好的可生化性,混合器同时各类重金属离子的浓度也较高。当填埋时间在5年以上时,所产生的渗滤液接近中性,COD和BOD5浓度较低,BOD5/COD的值降到0.1~0.2,NH3-N浓度较高,重金属离子浓度则开始下降。
  (4)金属含量高
  垃圾渗滤液中含有10多种金属离子,其中铁、铅、锌和钙的浓度可分别高达2050mg/L,12.3mg/L,130mg/L和4300mg/L。
  (5)营养比例失调,氨氮含量高
  由于垃圾渗滤液的影响因素很多,其可生化性和C/N值存在差异。在不同场龄填埋场产生的垃圾渗滤液中,C/N值的失调和BOD5/CODcr值的较大变化常给生化处理带来一定难度。随着填埋场年限的增加,垃圾渗滤液中的氨氮浓度相应增加,最后浓度可高达10g/L。
  城市垃圾渗滤液对周围地下水造成严重污染,若不采取措施对其进行控制将产生二次污染,使卫生填埋场失去应有的价值和意义。要解决渗滤液污染问题,除了对垃圾填埋场进行控制,尽量减少渗滤液的产生外排,关键是要对渗滤液进行必要的处理,使其达到排放标准。垃圾渗滤液呈现浓度高、污染强、成分复杂多变等特点,因此国内外都非常重视对其进行控制和处理。
 
3 垃圾渗滤液处理现状
  垃圾渗滤液的主要处理工艺有生物处理法、物化法、土地法以及几种方法的综合[1]
3.1  场外与城市污水合并处理
  合并处理包括渗滤液直接进入污水处理厂和经预处理后进入城市污水处理厂,两类处理方案都是利用城市污水对渗滤液的缓冲、稀释和营养均衡作用,通过污水处理厂实现两者的同时处理。其中预处理方案考虑了渗滤液直接排放对城市污水处理厂运行的冲击问题[2]
3.2  直接回灌方式进行处理
  渗滤液回灌是用适当的方法,将在填埋场底部收集到的滤渗液从其覆盖表面或覆盖层下部重新灌入填埋场。通过填埋场覆盖层的土壤净化作用、垃圾填埋层的降解作用和最终覆盖后垃圾填埋场地表植物的吸收作用对其进行净化处理。采用回灌方式进行处理不但节省占地,而且可将填埋场作为一个大的生物滤池,渗滤液经多次回流处理后其流量及有机物含量会越来越少。同时渗滤液的回流又可加速垃圾中有机物的分解稳定,起到缩短填埋场稳定过程的作用。但是渗滤液回灌不但产生恶臭,易受冰冻影响,容易污染地表水,而且长期回灌使渗滤液中某些无法生物降解的污染物浓度极高,最终仍需定期单独处理后排放。
3.3  收集后单独处理
  单独处理主要包括物化处理、生化处理以及物化与生化相结合的处理方法。目前单独处理系统的工艺一般为;预处理+厌氧+好氧+深度处理。单独处理系统存在以下问题;(1)系统适应水质变化,特别是适应填埋场整个填埋期的能力差。(2)流程过长,管理复杂,运行费用高,且出水COD一般在500~1200mg/L,不易达标。(3)与合并处理方案相比,单独设置小规模处理系统在运转费用上缺乏优越性。
 
4 垃圾渗滤液主要处理方法
4.1  物理化学法
  物化处理的目的主要是去除渗滤液中的有毒有害重金属离子及氨氮,为渗滤液的达标排放和生物处理系统有效运行创造良好的条件。
4.2  活性炭吸附法
  在渗滤液的处理中,该方法主要用于去除水中难降解的有机物(酚、苯、胺类化合物等)、金属离子(汞、铅、铬)和色度,一般情况下,对COD和NH3-N的去除率为50%~70%[3]。活性炭吸附法处理可适应水量和有机负荷的变化,设备紧凑,管理方便。但活性炭的价格较为昂贵,而且再生较为困难[4]
4.3  吹脱法
  氨吹脱作为渗滤液的预处理,能够有效地降低NH3-N浓度并调整C/N的值。吹脱分为曝气吹脱与吹脱塔吹脱。吴方同等人的试验结果表明对于氨氮浓度高达1500~2500mg/L的渗滤液,在温度为25℃,pH值为10.15~11.10,气液比为2900~3600时,氨吹脱效率达95%以上[5]。氨吹脱工艺运行费用较高,且空气污染现象严重。
4.4  化学沉淀法
  化学沉淀中的一种主要方法是混凝。常用的混凝剂有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁等,对使用时间不长的填埋场产生的渗滤液COD和总碳的去除率一般为10%~25%,而对时间较长的填埋场产生的渗滤液COD和总碳的去除率可达50%~65%。
4.5  化学氧化法
  化学氧化法主要去除渗滤液中的色度和硫化物,对COD的去除率通常为20%~50%。氯、臭氧、过氧化氢、Fenton、高锰酸钾和次氯酸钙等是常用的氧化剂。在德国目前约有100座填埋场渗滤液处理厂,其中15座以化学氧化为深度处理工艺[6]。但在国外化学氧化法处理垃圾渗滤液也基本处于试验阶段,其缺点是耗电量大,成本费用高。
4.6  生物法
  作为传统的污水生物处理方法,生物膜法和活性污泥法均可以应用于垃圾渗滤液的处理中。这两种方法的优势是有较为成熟的理论依据和较丰富的运行经验,但应用于渗滤液处理中的主要问题是很难适应渗滤液的冲击负荷,而且渗滤液所含成分的复杂程度对能否保持系统的稳定运行有很大的影响。目前渗滤液生物处理采用较多的工艺流程为厌氧+好氧工艺。
  (1)好氧处理
  从脱氮考虑,好氧一般采用活性污泥法、氧化塘、SBR等工艺。近几年,SBR因其工艺优势,被国内外众多渗滤液处理研究者采用[7-10]。研究表明:经过SBR工艺处理的渗滤液出水NH3-N可以降到较低水平,但出水COD很难达标,这是由于渗滤液中难降解物质含量高造成的[11]。与活性污泥法相比,曝气稳定塘体积大,有机负荷低,降解进度较慢,但由于其工程简单,在土地不贵的地区,是最经济的垃圾渗滤液好氧生物处理方法。在美国、加拿大、英国、澳大利亚和德国等国家进行的小试、中试及生产规模的研究都表明,采用曝气稳定塘能获得较好的垃圾渗滤液处理效果。
  (2)厌氧处理
  目前厌氧生物处理采用厌氧生物滤池、厌氧接触法、上流式厌氧污泥床反应器及分段厌氧消化等。上向流式厌氧污泥床(UASB)是一种较新型的厌氧处理反应器,高浓度(60~80g/L)颗粒污泥床使其具有比其他厌氧处理设备更强的处理能力。英国的水研究中心报道用UASB处理COD>10000mg/L的渗滤液,当负荷为3.6~19.7kg COD/(m3·d),平均泥龄为1.0~4.3d,温度为30℃时,COD和BOD5的去除率各为82%和85%,它们的负荷比厌氧滤池要大得多。厌氧滤池适于处理溶解性有机物,加拿大某垃圾填埋场渗滤液平均COD为12850mg/L,BOD5/COD为0.7,pH为5.6。将此渗滤液先经石灰水调节至pH=7.8,沉淀1h后进厌氧滤池(此工序还起到去除Zn等重金属的作用),当负荷为4kg COD/(m3·d)时,COD去除率可达92%以上;当负荷再增加时,其去除率急剧下降。赵健良等人[11]采用厌氧折流板反应器(ABR)处理城市污水与垃圾渗滤液的混合废水,结果表明,ABR可有效改善混合废水的可生化性。进水BOD5/COD为0.2~0.3时,出水BOD5/COD可提高至0.4~0.6,处理效果比单独采用好氧工艺时有明显改善。
 
5 深度处理技术
  对于可生化性低、毒性高的垃圾渗滤液来说,生物法处理效果不佳,深度处理则是一项迫切需要的技术。
5.1  光催化技术
  在紫外光照射下,一些半导体材料的阶带电子会被激发到导带,从而产生具有很强反应活性的电子—空穴对,空穴具有很强的得电子能力,当它迁移到半导体表面后,在氧化剂或还原剂的作用下参与氧化还原反应,起到降解污染物的作用。
  有研究者用悬浮态半导体催化剂处理城市垃圾渗滤液[12],发现用ZnO/TiO2复合催化剂比单纯的ZnO或TiO2效果好。反应液的pH值对光催化效果影响不大,但偏酸、偏碱环境均有利于光催化反应。另有研究表明[13]:最佳TiO2投量需根据水质、光强等因素确定,光强越大、最佳TiO2投量越小;最佳反应时间略有不同,但宜控制在1.5~2.5h;紫外线杀菌灯亦可用于光催化氧化处理。
5.2  电解处理技术
  电解氧化法是利用阳极的直接氧化和溶液中的间接氧化来去除有机物。阳极氧化是水分子在阳极表面上放电产生·OH,·OH对被吸附在阳极表面上的有机物进行亲电进攻而发生氧化反应;间接氧化是在电解过程中的电化学反应产生了强氧化剂,如ClO-、高价金属离子等,溶液中的污染物被这些氧化剂氧化。试验表明[14]:降低pH值、增大单位体积渗滤液电极面积,加入适量Cl-等,均有利于COD和氨氮的去除,为减少电能耗费,电极间距应尽可能小。
5.3  湿法氧化(WAO)/催化湿法氧化(CWAO)
  WAO是在高温、高压、有氧气或空气存在的条件下降解高浓度、高毒性、生物难降解的有机废水。催化剂的加入,使CWAO对温度、压力的需求大大降低。有试验者[15]将CWAO用于垃圾渗滤液的处理,发现在280℃,氧分压0.5Mpa,催化剂用量0.83g/L的条件下进行反应,垃圾渗滤液中COD从1000mg/L降至94.31mg/L,且反应在全封闭条件下进行,未产生NOx、SO2、HCl、飞灰等二次污染物。
5.4  膜渗析与分离系统
  膜处理一般组合使用或与其他处理方法联用,超滤或微滤常常作为反渗透的预处理。许多垃圾填埋场用反渗透法可将渗滤液的容积减少75%~80%,然后再将浓缩液回灌至填埋场。微孔膜、超滤膜和反渗透膜在渗滤液深度处理中应用研究较多,其对COD和SS的去除率可达95%。但膜分离方法一次性投资费用大,尤其对于浓度较高的渗滤液而言,处理费用很高,且该工艺产生的极高浓度浓缩液的回灌会造成电导率上升等现象,导致处理效果的下降和膜寿命的降低。广州市大田山垃圾填埋场采用反渗透处理渗滤液出水,结果表明,当进水COD为250~620mg/L时,调整进水压力为3.5MPa,则出水COD浓度几乎为零,平均透水量为30~42L/(m2·h)[16]
 
6 展望
  (1)多种方法应用于渗滤液的处理是可行的,应在进行技术经济以及环境效益分析后进行选择。利用土地吸附、土壤生物的降解及垃圾填埋层的厌氧滤床作用使渗滤液降解,具有效果好、无需专门投资水处理设施等优点,而且渗滤液的回灌可使垃圾保持湿润,加速填埋场的稳定。我国北方地区雨季集中,蒸发量远大于降水量,适宜采用回灌法处理渗滤液。
  (2)应当考虑减少渗滤液产生量。宜发展可减少渗滤液产生量的填埋技术,如好氧填埋或准好氧填埋。
  (3)应把渗滤液脱氨与COD去除作为整体进行考虑。探索能同时解决氨氮与COD问题的工艺或技术,并适应渗滤液水质变化的处理工艺和运行方式是今后研究的重点。氨氮的脱除应结合渗滤液的特点,如C/N值较低考虑新的脱氮技术进行研究,如亚硝酸型硝化反硝化,以及结合渗滤液回灌利用填埋场的厌氧环境实现厌氧氨氧化脱氮。
  (4)探索渗滤液中氨氮的回收利用应得到重视。例如在垃圾综合处理系统中,吹脱的氨氮经简单净化后可以引入焚烧炉内,利用NH3与NO、NO-x在高温下反应生成N2以减少NO-x的排放,也减轻了吹脱气对空气环境质量的影响。
  (5)硫酸铵镁化学沉淀法处理晚期渗滤液制造复合肥料也是研究的方向之一。
 
7 结语
  垃圾渗滤液是一种有毒有害的高浓度有机废水,控制不好将产生二次污染,使卫生填埋场失去应有的价值和意义。要解决渗滤液污染问题,除了对垃圾填埋场进行控制,尽量减少渗滤液的产生外,关键是要对渗滤液进行处理,使其达标排放。近年来采用厌氧—好氧工艺处理渗滤液较多,在选择生物处理工艺时,必须详细测定渗滤液的成分,分析其特点,通过小试或中试来获得组合处理工艺,才能达标排放。一般用生物法或土地法作为预处理,物化法作为后处理。生物法与物化法的组合,是今后垃圾渗滤液处理研究的主要方向。
 
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作者简介:聂旭(1984-),男,硕士研究生,环境工程专业。
   
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