垃圾渗滤液处理技术特点及发展趋势
垃圾渗滤液是城市生活垃圾卫生填埋后产生的二次污染。在大气降水和垃圾自身降解等作用下,直接或间接地污染地表径流,以及污染地下水体,极大地影响了人们对自然水体的利用。为保护自然环境,切实保证人们正常的生产、生活,对垃圾渗滤液进行有效、合理地污染治理成为一项势在必行并且异常艰巨的任务。
1、垃圾渗滤液的性质
垃圾渗滤液的产生受众多因素影响,根据几个主要的产生来源(降水、地下水侵入、垃圾组成结构、填埋场顶部的地表径流和水分蒸发等)分析,渗滤液不仅水量变化大,而且不呈周期性变化,由此引起了水质的较大变化。污染物种类繁多,渗滤液中可检出几十种有机污染物,包括单环芳烃类、多环芳烃类、杂环类、烷烃及烯烃类、醇及酚类、酮类、羧酸及酯类、胺等,污染物浓度高,浓度变化范围大。不仅如此,垃圾渗滤液水质也会由垃圾填埋场场龄的不同,各有特点,生物难降解有机物的比重呈直线上升趋势。Chian和Scott等人对渗滤液水质与垃圾填埋场场龄规律进行了研究并得出结论:场龄小于5a的垃圾渗滤液水质特点是pH值较低,CODcr和BOD5浓度较高,且BOD5/CODcr的比值较高,且BOD5/CODcr的比值较高,同时各类重金属离子的浓度也较高;场龄大于5a以上的渗滤液的主要水质特点是pH值接近中性,CODcr和BOD5浓度相对较低,且BOD5/CODcr的比值较低,而NH3-N浓度较高,重金属离子浓度则开始下降。
2、垃圾渗滤液处理工艺
垃圾渗滤液的处理方法主要包括物理化学法、生物法两大类。
2.1物理化学法
主要有化学沉淀、膜分离技术、化学氧化、光电催化氧化等多种方法。
2.1.1化学沉淀法
以水玻璃、硫酸、硫酸铝和废铁屑为原料制出的聚硅酸硫酸铝铁类混凝剂(PSAFCA)处理垃圾渗滤液,结果表明:沉淀处理后垃圾渗滤液CODcr去除率达58%,如果结合臭氧氧化渗滤液,CODcr去除率可达70.6%,BOD5去除率达75.4%,色度去除率为94%。A.A.Tatsi等使用铁系、铝系混凝剂对不同场龄的垃圾渗滤液进行了研究,研究表明,在pH为10的条件下,投加2g/L的铁系混凝剂,垃圾渗滤液CODcr去除率可达80%。
化学沉淀对于重金属离子的去除是比较有效的,但该法对于去除渗滤液中的其它有机污染物是不完全的,处理后废水的CODcr值仍然远远高于国家有关的排放标准。为此,该法不能作为单一工艺来处理垃圾渗滤液,同时沉淀物的后处理仍将带来新的问题。
2.1.2膜分离技术
国外正逐渐采用新型的膜分离技术处理和净化垃圾渗滤液,其中反渗透(RO)分离技术的应用最为广泛,并取得了很好的效果。1977年,Chian和Krug相继肯定了反渗透技术处理渗滤液是最有效方法之一。Hurd等选用3种低压聚酰胺RO膜处理TrailRoad垃圾填埋场渗滤液的试验结果表明,透过液的流量取决于操作压力大小及TOC的浓度,当操作压力小于1.03×106Pa时,透过液的流量为26L/(m2•h)～54L/(m2•h),TOC和Cl-的去除率>96%,NH3-N的去除率>88%。
膜分离污染物的效果是显而易见的,经分离后的出水能够达到国家相应的排放标准,该法能连续化操作,机械化程度高,易于管理,水质的不稳定性对膜处理效果的影响较小。但该技术在国内迟迟不能被用于实际工程,究其原因为膜材料成本高,且膜在处理这种受污染较严重的水体时,膜极易被污染,较难清洗,难以再次利用。开发一种成本低廉的膜产品以及相应的膜清洗技术对该法的实际工程应用价值的提高具有深远意义。
2.1.3化学氧化法
化学氧化法是利用强氧化剂将废水中的有机物氧化成小分子的碳氢化合物或完全矿化成CO2和H2O,H2O2和O3是最常用的两种氧化剂。
以活性炭作催化剂、H2O2作氧化剂处理垃圾渗滤液。结果表明,在H2O2/CODcr=1.5,活性炭/H2O2=0.6,pH值为2的条件下反应可以在180min内结束,其中CODcr及色度的去除率分别为82.8%和85.5%。国外也有人以Fenton’s试剂对处于成熟期的垃圾填埋场的渗滤液的预处理效果进行了研究。研究表明:CODcr初始浓度为10540mg/L,经Fenton’s试剂预处理后,CODcr的去除率达到60%,B/C也由原来的0.2变为0.5,大大提高了渗滤液的可生化性。
O3的氧化能力比氯强,能迅速而广泛地氧化分解水中大部分有机物。但是O3极易分解,且它只能将大分子有机物质氧化成小分子有机物质,而不能将大分子有机物质氧化成CO2和H2O。垃圾渗滤液中Cl-浓度较高,如用H2O2和O3化学氧化处理,极有可能在氧化有机物的同时,产生具有较大毒性的氯代有机物,非但不能彻底去除渗滤液中有机物污染,更大程度上加重了对水体的污染。
2.1.4光、电催化氧化法
光催化氧化反应是利用光催化半导体TiO2在紫外光照下,使得TiO2产生电子空穴,在吸附H2O后,形成吸附态的•OH,•OH基团是一种具有强氧化活性的自由基,它与有机物结合后,能够很快发生氧化-还原反应,达到降解有机物的目的。电催化氧化反应的基本原理也与光催化氧化反应类似,不同之处就是能量的来源是电能,并且能量的大小可以通过电流密度的调节实现。
采用光催化氧化法对垃圾渗滤液深度处理的研究表明:投加一定量的TiO2后,反应时间控制在1.5～2h,具有较好的处理效果,一般CODcr去除率可达40%～50%,脱色率可达70%～80%。国外采用TiO2作光催化半导体处理垃圾渗滤液也有类似的报道,有人分别使用H2O2、O3和紫外/可见光3种光增强氧化法对渗滤液的作用,经处理后,渗滤液CODcr的去除率为40%～50%,脱色率70%～80%。
采用电解氧化法对垃圾渗滤液进行深度处理的研究结果表明,电解氧化过程中,NH3-N优先于CODcr被氧化去除,CODcr去除率为90.6%,NH3-N的去除率为100%。同样,CossuR以Ti/PbO2和Ti/SnO2作为阳极材料,CODcr值从1200mg/L降到150mg/L,去除率达到87.5%,NH3-N基本能够完全地被去除。
光、电催化氧化反应同样也存在着运行费用高这一主要缺点,有机物降解的快慢与•OH基团产生的数量、快慢有直接的关系,有资料表明,•OH基团与有机物的反应为一级反应,其反应速度与•OH基团以及有机污染物的浓度都直接相关,在工程处理中,为达到一定的光、电催化氧化效果,提高•OH基团的浓度,势必加大电能的消耗,根据CossuR的电解实验,电流的有效利用率仅为30%。欲采用该方法处理渗滤液,其首要问题是提高电流的利用效率,所以选择优良的电极材料以及设计•OH基团时空产率高的光、电催化反应器已经成为该法处理渗滤液的两大主要研究方向。
2.2生物法
生物法处理垃圾渗滤液是最常用的方法,国内几大主要垃圾填埋场污水处理技术多采用生物技术,包括好氧生物处理、厌氧生物处理和厌氧好氧相结合的处理方式。
2.2.1好氧生物处理
好氧生物处理包括活性污泥法、曝气氧化塘、生物膜法、生物转盘和生物滴滤池。其中活性污泥法是城市垃圾渗滤液好氧生物处理最为常用的方法。
国内外活性污泥法污水处理厂的运行结果表明,通过提高污泥浓度来降低污泥有机负荷,活性污泥法可以获得令人满意的垃圾渗滤液处理效果。采用低氧-好氧两段活性污泥法处理渗滤液,研究结果表明进水浓度CODcr为6446mg/L,BOD5为3502mg/L,经处理后CODcr、BOD5的去除率分别达到96.5%和99.6%。
好氧生物(活性污泥法)处理垃圾渗滤液具有良好效果的报道已有多篇,但能够长期运行的工程实例却少之又少。某垃圾填埋场采用的渗滤液处理系统就是典型的活性污泥法,在垃圾填埋场运行之初,其处理的确取得了良好的效果,但垃圾填埋场在运行几年后,处理后的渗滤液越来越不能达到预期的效果,水质变化是该系统不能正常运行最直接的因素。
2.2.2厌氧生物处理
目前,国内外使用厌氧生物处理最多的形式是上流式厌氧污泥床(UASB)上流式厌氧过滤器启动期短,耐冲击性好等特点。采用上流式厌氧过滤器对垃圾渗滤液进行处理的结果表明,上流式厌氧过滤器处理垃圾渗滤液的效果良好,在中温(35～40℃)消化时高浓度(3000～8000mg/L)进水CODcr的去除率达95%左右,常温消化的CODcr去除率也可达90%左右;反应器的容积负荷可达5kgCODcr/(m3•d)以上。Kennedy,K.J.运用连续上流式厌氧污泥床处理技术,CODcr的去除率能够达到77%～91%。有人也尝试使用厌氧折流板反应器(ABR)处理城市污水与垃圾渗滤液混合废水过程中的水解酸化作用及污泥特性进行了研究。经研究,ABR可有效地改善混合废水的可生化性。进水BOD5/CODcr为0.2～0.3时,出水BOD5/CODcr可提高至0.4～0.6。
厌氧生物处理技术适于处理溶解性有机物,在处理高浓度(BOD5≥2000mg/L)有机废水方面取得了良好效果。在提高渗滤液可生化性方面,表现明显的优势,但该法处理渗滤液后,CODcr浓度依然比较高,故目前而言,该法一般不作为单独使用的处理方式。
2.2.3厌氧-好氧生物氧化工艺
国内许多垃圾填埋场废水处理采用厌氧-好氧相结合的生物氧化处理工艺。对高浓度的垃圾渗滤液采用该法经济合理,处理效率高,厌氧工艺能够弥补好氧处理较难处理生化性较差这一特点,而好氧工艺同时也能满足厌氧工艺需后续处理的工艺要求。
2.3对去除氨氮的研究
垃圾渗滤液之所以难处理,不仅因为它所含不可生化性的有机物浓度高,而且高浓度NH3-N(包括NH4+-N)的去除也同样成为一个比较棘手的问题。为此,渗滤液脱除NH3-N的研究也已成为目前垃圾渗滤液治理研究的另一方向。水体中过剩NH3-N的污染,是加速水体富营养化进程的主要因素之一。高浓度游离NH3-N对微生物具有一定的毒性,同时也会影响微生物正常的生理代谢,抑制微生物对有机物的进一步降解,所以,渗滤液中的有机物在进行生物处理前,对NH3-N的预处理就显得尤为重要了。
氨吹脱法是去除渗滤液中氨氮最普遍应用的方法之一。有人采用规整填料塔吹脱去除垃圾渗滤液中的氨氮,对于氨氮浓度高达1500～2500mg/L的渗滤液取得较好的处理效果。在温度为25℃,pH值为10.5～11.0,氨吹脱效率达95%以上。
物理化学方法处理NH3-N的效果是显而易见的,但氨吹脱以及化学沉淀等工艺都要求在渗滤液中投加新的物质,增加了水质的碱度,增加了渗滤液中其它离子的数量,这也为后续的生物处理产生了新的难题。氨的吹脱并不能从本质上真正变为对周围环境无污染的物质,它只是将液相的氨经吹脱后转移至大气环境之中,属于污染物的二次转移。生物法硝化-反硝化技术就解决了这些问题,传统生物脱氮理论认为,生物脱氮是通过好氧条件下的硝化作用以及厌氧(缺氧)条件下的反硝化过程。有人使用EM菌群在静态条件下,研究了EM菌群对高浓度NH3-N转化效果,经23d处理后,NH3-N的去除率达到46%,从675mg/L降至357mg/L。目前,有人也发现某些细菌能够同时吸收氧气和硝酸盐氮,反硝化作用在好氧条件下也成为了可能。生物法脱氨同时也普遍存在着去除率不高的缺陷。
3、垃圾渗滤液处理发展趋势
对垃圾渗滤液的处理,各研究人员众说纷纭,对于不同水质的渗滤液,采用不同处理工艺,均取得了良好的效果。各垃圾填埋场因所处地区气候(降水)、水文特点,也与填埋场运行时间密切相关,渗滤液水质是连续变化的,所以对渗滤液的处理,不仅要考虑工艺方法对渗滤液的处理效果,而且更要考虑该工艺方法对水质、水量变化的适应性。物化法控制条件灵活、调整参数方便可靠,而生物法则对连续变化的渗滤液水质具有较好的适应性,结合两者各自特点,取之所长,补之所短。
采用UASB-AMT工艺(上流式厌氧污泥床-高浓度难降解废水工艺)处理垃圾渗滤液,CODcr、BOD5去除率达到了93%和97%。运用电催化系统-电生物炭接触氧化床处理技术进行中试,当垃圾渗滤液废水中的CODcr和NH3-N浓度分别在3000～5000mg/L以及1100～1780mg/L范围时,CODcr和NH3-N的去除率均可超过90%。
两处理方式配合使用现已经成为国内外渗滤液处理的主流,利用简单的处理设施(大容积污水调节池、沉淀池)在中短期内控制好渗滤液进入污水处理主设备的水质、水量,使得设施能够正常运行。鉴于国内许多垃圾填埋场采用生物处理技术,但随时间的变化,原本运行良好的污水处理设施,现在渗滤液处理效果越来越不能满足排放标准,为此采用物化法与原来生物技术的联合处理技术,避免了设施的重建,节约了费用。
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