垃圾滲濾液及膜濾濃縮液處理技術(shù)探討與分析

徐昌文，王聲東

(上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市人口的增加和城區(qū)面積的擴(kuò)大，城市生活垃圾的產(chǎn)量也同步快速增加。城市垃圾的處理已經(jīng)成為城市環(huán)境安全中的一個(gè)重要問題。據(jù)原環(huán)境保護(hù)部的統(tǒng)計(jì)資料，2016年我國垃圾無害化處理量已達(dá)到1.965億噸，在運(yùn)行的垃圾處理衛(wèi)生填埋場(chǎng)和焚燒廠分別有1766座和299座。以25%的滲濾液平均產(chǎn)率計(jì)，2016年度，全國滲濾液產(chǎn)量已超過0.8億噸，約合21.92萬噸/天。但是衛(wèi)生填埋處置方式由于降雨、填埋體內(nèi)微生物降解等因素易產(chǎn)生垃圾滲濾液，其約占垃圾填埋總量的15%～30%[1]。垃圾滲濾液具有污染物濃度較高、成分復(fù)雜、水質(zhì)水量波動(dòng)大、氨氮含量高、營養(yǎng)元素比例失衡、重金屬含量高、色度深、有臭味等特征，不經(jīng)妥善處理直接排放到環(huán)境中會(huì)對(duì)周邊區(qū)域的土壤、地表水以及地下水等帶來嚴(yán)重的污染。因此控制或緩解垃圾滲濾液對(duì)周邊環(huán)境的污染，一直是城市固廢處理技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，也是當(dāng)前我國無廢城市建設(shè)的難題之一。長期以來，由于技術(shù)、資金、場(chǎng)地等原因，絕大多數(shù)垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液問題一直沒有得到妥善解決，滲濾液的高效低耗處理已成為提升垃圾填埋場(chǎng)管理水平的瓶頸所在。

從20世紀(jì)90年代初開始，我國就陸續(xù)展開關(guān)于垃圾填埋的相關(guān)研究，隨之滲濾液的處理處置也日益受到關(guān)注。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)的頒布，滲濾液的排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格。從2011年7月1日開始，已建成生活垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液均需自行處理達(dá)標(biāo)后排放，對(duì)滲濾液處理后的出水要求控制CODCr、氨氮濃度值分別低于100mg/L和25mg/L。針對(duì)滲濾液的簡約高效且低成本處理技術(shù)的研發(fā)需求已經(jīng)十分迫切。

1 垃圾滲濾液及膜濾濃縮液的特點(diǎn)

1.1 垃圾滲濾液的特征

垃圾滲濾液有機(jī)物濃度高、波動(dòng)大、成分復(fù)雜。濾液含有的有機(jī)污染物和無機(jī)污染物均較高，其中包括氨氮、腐殖酸、無機(jī)鹽、重金屬等。由于我國生活垃圾中餐廚垃圾含量較高，約占生活垃圾的40%～60%，導(dǎo)致垃圾滲濾液中有機(jī)和無機(jī)污染物濃度很高。通常隨填埋時(shí)間不同填埋場(chǎng)滲濾液中化學(xué)需氧量(CODCr)在2000mg/L～62000mg/L 的范圍內(nèi)波動(dòng)，最高達(dá)到90000mg/L；生化需氧量(BOD5)濃度范圍為60mg/L～10000mg/L，最高達(dá)到45000mg/L。滲濾液中已測(cè)出的有機(jī)污染物有99種之多，還含有磷酸醋，氯化芳香族化合物，萘、菲等非氯化芳香族化合物，苯胺類化合物和酚類化合物等難以生物降解的物質(zhì)。

以上分析表明，垃圾滲濾液具有污染物濃度較高、成分復(fù)雜、水質(zhì)水量波動(dòng)大、氨氮含量高、營養(yǎng)元素比例失衡、重金屬含量高、色度深、有臭味等特征，不經(jīng)妥善處理直接排放到環(huán)境中將對(duì)周邊區(qū)域的土壤、地表水以及地下水等造成嚴(yán)重的污染。

1.2 垃圾滲濾液膜濾濃縮液的基本性狀

垃圾滲濾液成分復(fù)雜，一般按照“預(yù)處理→生化法→膜處理”的工藝流程進(jìn)行處理。該工藝具有普適性，其中預(yù)處理主要在調(diào)節(jié)池中完成，生化主要在厭氧罐和MBR池中完成，滲濾液經(jīng)過生化處理后，廢水中易降解有機(jī)物基本被全部去除，膜處理包括納濾和反滲透兩個(gè)過程。經(jīng)膜處理后的廢水達(dá)標(biāo)排放，但同時(shí)產(chǎn)生了膜濾濃縮液。和垃圾滲濾液不同，膜濾濃縮液中殘留的污染物通常是難以被生物降解的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，而且含鹽量很高，且含有大量的金屬離子，營養(yǎng)物質(zhì)比例失調(diào)，所以一般膜濾濃縮液的可生化性很低，難以直接進(jìn)行生化處理。膜濾濃縮液一般呈深棕色，色度可高達(dá)3000以上，并含有大量的腐殖酸、富里酸等難降解有機(jī)物[2]，其基本性質(zhì)如表1所示。

表1 膜濾濃縮液基本性質(zhì)[3]

2 垃圾滲濾液處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

垃圾滲濾液的水質(zhì)水量受填埋垃圾自身的成分、填埋時(shí)間的長短、氣候條件等多種因素影響，變化范圍較大。針對(duì)不同地區(qū)的垃圾滲濾液，應(yīng)采用最適合的工藝對(duì)其進(jìn)行處理處置。目前，垃圾滲濾液的處理方式主要有回灌、厭氧和好氧等生化處理、膜濾處理、Fenton(芬頓)試劑處理和電化學(xué)處理等高級(jí)氧化法以及礦化垃圾床處理等，還有相關(guān)的組合工藝。其中，A/O生化處理是滲濾液處理的主導(dǎo)且成熟的工藝，然而，滲濾液中含有大量難降解物質(zhì)和有毒有害物質(zhì)，且C/N比失調(diào)，從而導(dǎo)致滲濾液采用生化處理難以達(dá)標(biāo)排放。針對(duì)回灌法處理滲濾液的研究目前已有很多，但南方降雨量大而蒸發(fā)量小導(dǎo)致滲濾液產(chǎn)量多的地區(qū)采用回灌法難以實(shí)際有效，并且易導(dǎo)致難降解物質(zhì)及重金屬的積累。礦化垃圾生物反應(yīng)床處理滲濾液可以使出水CODCr達(dá)到300mg/L～600mg/L，但不能達(dá)標(biāo)排放，且占地面積較大，推廣應(yīng)用有限。電化學(xué)、Fenton等處理滲濾液已有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，但仍存在由于較高的還原性物質(zhì)和含鹽量對(duì)反應(yīng)過程造成干擾等問題，且實(shí)際運(yùn)行期限短、成本高，不易推廣應(yīng)用。膜處理滲濾液能夠?qū)崿F(xiàn)出水達(dá)標(biāo)排放，但嚴(yán)重的膜污染將導(dǎo)致檢修和更換成本大，膜處理后濃縮液的處理也成為一大難題(膜處理過程產(chǎn)生的濃縮液體積為原液的40%左右)，長期運(yùn)行比較困難。

目前我國最常用的垃圾滲濾液處理工藝是先將垃圾滲濾液進(jìn)行生化處理，再通過納濾(NF)或者反滲透技術(shù)(RO)等對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的深度處理。生化—納濾/反滲透處理工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以穩(wěn)定地使得經(jīng)過處理的垃圾滲濾液出水達(dá)到國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。但是采用膜分離技術(shù)處理廢水最大的問題是產(chǎn)生20%～30%的膜濾濃縮液需要進(jìn)一步處理。

3 垃圾滲濾液膜濾濃縮液處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

垃圾滲濾液膜濾濃縮液指的是垃圾滲濾液在經(jīng)過膜生物反應(yīng)器(MBR)生物降解后，再通過納濾(NF)膜或反滲透(RO)膜截留下的濃縮液。膜濾濃縮液的體積一般約占垃圾滲濾液原液體積的20%～30%。與垃圾滲濾液不同，膜濾濃縮液中殘留的污染物通常是難以被生物降解的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，而且含鹽量很高、含有大量的金屬離子、營養(yǎng)物質(zhì)比例失調(diào)，所以一般膜濾濃縮液的可生化性很低，難以直接進(jìn)行生化處理。

3.1 回灌法

垃圾填埋場(chǎng)中含有大量的微生物，是一座大型的生物濾床。當(dāng)膜濾濃縮液回灌至垃圾填埋場(chǎng)后，部分有機(jī)物會(huì)在微生物作用下被降解[4]，部分有機(jī)物則被填埋場(chǎng)中礦化垃圾通過吸附、螯合等作用截留在填埋場(chǎng)中[5]。該方法具有投資和運(yùn)行成本低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，但由于膜濾濃縮液含鈣鎂離子，且被截留的有機(jī)物基本不會(huì)降解，因此經(jīng)常性的回灌會(huì)提高垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液硬度并降低可生化性，不僅會(huì)使后續(xù)的膜處理設(shè)備結(jié)垢，增加其更換頻率，而且還會(huì)影響滲濾液生化處理單元[6]，導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)。從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，回灌法處理膜濾濃縮液既不科學(xué)也不經(jīng)濟(jì)，膜濾濃縮液長時(shí)間的回灌會(huì)給垃圾填埋場(chǎng)造成鹽分、污染物的累積，進(jìn)而給整個(gè)垃圾填埋系統(tǒng)帶來不可逆轉(zhuǎn)的損傷，導(dǎo)致填埋場(chǎng)系統(tǒng)的崩潰。

3.2 高級(jí)氧化法

高級(jí)氧化法是指利用具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(·OH)將大分子難降解有機(jī)物氧化成低毒或無毒的小分子物質(zhì)的方法。目前，普遍應(yīng)用的高級(jí)氧化技術(shù)主要是Fenton反應(yīng)法和電化學(xué)氧化。

(1)Fenton反應(yīng)

在pH值為2～4的水體中，F(xiàn)e2+和Fe3+與過氧化氫可發(fā)生一系列反應(yīng)而產(chǎn)生羥基自由基(·OH)[7]，其氧化電位高達(dá)2.8V，僅次于氟。羥基自由基可與廢水中有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使得大分子難降解的有機(jī)物被降解成小分子有機(jī)物或者完全礦化。在廢水處理中，羥基自由基的產(chǎn)生量與初始pH值、H2O2及Fe2+投加量密切相關(guān)。Deng[8]采用Fenton法處理垃圾滲濾液，結(jié)果表明在初始條件為pH=3，H2O2與Fe2+的摩爾比等于3時(shí)，有機(jī)物的去除率可達(dá)61%。 而Yoon等[9]研究表明，在采用Fenton法處理垃圾滲濾液時(shí)，H2O2與Fe2+的最佳摩爾比為1.25。Fenton試劑具有價(jià)廉、無毒、投加簡便等優(yōu)點(diǎn)，但滲濾液水質(zhì)波動(dòng)較大，為達(dá)到最佳處理效果，需要經(jīng)常調(diào)整Fenton試劑中的Fe2+與H2O2的投加比例。此外，在終止Fenton反應(yīng)時(shí)，大量Fe(OH)3沉淀絮體需要脫水和后續(xù)處理，增加了實(shí)際操作難度。

(2)電化學(xué)氧化

一般地，電化學(xué)氧化過程中同時(shí)發(fā)生間接氧化和直接氧化[10]。直接氧化指的是有機(jī)污染物被吸附到陽極上直接被礦化的過程，間接氧化指的是廢水中的一些基團(tuán)在陽極處轉(zhuǎn)化為強(qiáng)氧化性物質(zhì)，從而去除廢水中的有機(jī)污染物的過程。影響電化學(xué)氧化效果的因素主要有電流密度、電極材料、極板間距及廢水pH等。

代晉國等[11]以電化學(xué)法處理滲濾液，研究表明，控制電化學(xué)處理過程中的電流密度是氧化垃圾滲濾液中有機(jī)物的重要步驟，以銥釕作為電極時(shí)以間接氧化為主。田軍朝[12]研究發(fā)現(xiàn)，膜濾濃縮液經(jīng)過電解氧化后，提高了濃縮液的可生化性。電化學(xué)氧化過程是各種氧化反應(yīng)相互協(xié)同的過程，有機(jī)物一般都徹底分解為CO2和H2O。因此在膜濾濃縮液處理中，電化學(xué)氧化法較為理想，但由于滲濾液成分復(fù)雜，自由基和氧化機(jī)理尚未明確，關(guān)于電化學(xué)氧化過程中的參數(shù)選擇和控制尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

3.3 蒸發(fā)法

蒸發(fā)是液體從液態(tài)到氣態(tài)的相變過程，可以通過外部供熱或者增加蒸發(fā)面積來加快蒸發(fā)過程。在蒸發(fā)過程中，揮發(fā)性有機(jī)物隨水蒸氣排出冷凝后進(jìn)入冷凝液，從而使?jié)饪s液的體積大大減小，因此在用蒸發(fā)工藝處理膜濾濃縮液時(shí)要盡量使易揮發(fā)的有機(jī)物受熱揮發(fā)。岳東北等[13]在實(shí)驗(yàn)室采用電熱套加熱蒸發(fā)法對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)的膜濾濃縮液進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，研究表明，蒸發(fā)初期以有機(jī)物的揮發(fā)為主，而蒸發(fā)后期以氨氮的揮發(fā)為主，且有機(jī)物揮發(fā)能力隨pH的增大而降低。以自然風(fēng)力為動(dòng)力的高效、低耗蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化工藝濃縮液處理中廣泛應(yīng)用，該技術(shù)的原理是將濃縮液噴灑在懸掛著的織物上，借助風(fēng)力蒸發(fā)，大幅削減濃縮液量。該技術(shù)處理成本低、效果好(在干燥地區(qū)，每平方米織物每天能蒸發(fā)2.5升～5.6升濃縮液)，開始逐漸在垃圾滲濾液的濃縮液處理中得到重視。目前，該技術(shù)在以色列、美國、意大利、澳大利亞等國都已有一定的應(yīng)用實(shí)例。

4 結(jié)論與展望

隨著城市生活垃圾產(chǎn)量的快速增加，垃圾滲濾液及膜濾濃縮液的處理越來越成為制約我國無廢城市發(fā)展的難題之一。尤其是膜濾濃縮液，作為垃圾滲濾液膜分離處理生化池出水的必然產(chǎn)物，它的處理是膜處理技術(shù)應(yīng)用過程中必須解決的問題。本文在探討與分析垃圾滲濾液及膜濾濃縮液的產(chǎn)生特性、處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及膜濾濃縮液幾個(gè)主要處理技術(shù)基礎(chǔ)上。研究得出結(jié)論，采用生化—納濾/反滲透處理工藝處理滲濾液能夠使得處理后出水達(dá)標(biāo)排放，但處理過程中產(chǎn)生的膜濾濃縮液需要進(jìn)一步處理。而膜濾濃縮液的幾種主要處理技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)視不同的處置需求選擇處理工藝，其重點(diǎn)工藝包括回灌、高級(jí)氧化、蒸發(fā)三種處理方法。在以上研究基礎(chǔ)上，本文最后對(duì)滲濾液及膜濾濃縮液處理的組合工藝發(fā)展方向進(jìn)行了初步展望。

垃圾滲濾液及膜濾濃縮液成分復(fù)雜、處理難度高，尤其是膜濾濃縮液作為垃圾滲濾液膜處理工藝過程中的必然產(chǎn)物，目前的處理技術(shù)還處于研究和初步應(yīng)用階段，處理過程以多種處理技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用為主，實(shí)際處理成本較高，低成本及簡單高效工藝仍是垃圾滲濾液及膜濾濃縮液處理技術(shù)研究的瓶頸和方向，如風(fēng)力輔助蒸發(fā)等。另外，前期滲濾液處理工藝的選擇對(duì)后期濃縮液的產(chǎn)量和性狀影響較大，在考慮處理成本的基礎(chǔ)上，在實(shí)際處理過程中應(yīng)綜合比對(duì)和選擇最佳的垃圾滲濾液及膜濾濃縮液處理組合工藝。