生物炭材料在垃圾滲濾液處理工藝中的應用進展

馬祥 閆婷婷 胡恒宇

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司江蘇分公司 江蘇南京 210019)

隨著城鎮工業化的進行，人民生活水平不斷提高提高，我國生活垃圾的產量迅速增長。垃圾已經成為中國城市面臨的緊迫問題，垃圾造成的環境污染日益嚴重。在我國當前的經濟技術條件下，生活垃圾處理的方式主要采用衛生填埋、焚燒、堆肥等[1]。生活垃圾處理過程中，由于垃圾含水量高、有機質量大，經后期微生物分解以及自然降水，將產生具有惡臭廢氣的、含揮發性有機化合物的黑褐色污水——垃圾滲濾液。垃圾滲濾液通常含有高濃度、難降解的有機污水，嚴重威脅生態環境以及人類健康。目前，吸附法具有操作簡單、成本可控等特點，是垃圾滲濾液處理工藝中的關鍵組成部分。常用吸附劑主要采用沸石、樹脂和活性炭等，但價格昂貴，易造成二次污染，亟須開發更經濟、高效的新型環保吸附材料。生物炭是一類比表面積大、孔隙發達、富含碳素等優點的高芳香烴材料，吸附性能優異，性價比高，能有效去除廢水中的化學需氧量（COD）。同時，生物炭由農林廢棄物、城市垃圾等熱解生成，是一類環保經濟型材料，其原料價格低廉、來源廣泛，是一種經濟高效的吸附劑[2]。

迄今為止，我國在垃圾滲濾液這方面的技術研究已經取得了一定成果，基于傳統處理技術之上，研究出了多種新型技術。這些技術有各自的優缺點，該文擬對垃圾滲濾液處理技術尤其是生物炭在垃圾滲濾液處理過程中的應用進行針對性闡述。

1 垃圾滲濾液的特點及危害

垃圾滲濾液主要包括4 個部分：（1）垃圾自身水分；（2）垃圾中微生物分解有機物產生的水分；（3）自然降水；（4）地表徑流等滲入填埋場區的水。研究發現，垃圾滲濾液水質會受到填埋時間、垃圾自身性質和垃圾處理技術等影響，表現為水質成分復雜，含有大量的重金屬，有機污染物和氨氮含量高，惡臭且色度高，微生物營養元素比例失衡，難于處理[3]。

2 垃圾滲濾液的處理方法

經過長期研究與實踐，現階段垃圾滲濾液處理工藝較為成熟。目前根據滲濾液性質，主流處理工藝主要包含生化法和物化法。實踐表明，采用厭氧或好氧生化處理可水解的滲濾液或可生物降解的溶解性滲濾液性價比最高。而吸附、混凝沉淀過濾、膜分離、化學氧化等物化法則主要用于不可生物降解或難于生物降解滲濾液。此外，對于氨氮含量很高的滲濾液，也可分為物化法（如吹脫、汽提、離子交換等）和生化法（如厭氧氨氧化、短程硝化反硝化等）去除。物化法的優缺點較為明顯，通常需要調節溶液pH值或反應時需加熱升溫，能耗相對較高，一般用在小水量、高濃度（一般大于5 000 mg/L）的廢水。去除滲濾液中重金屬則一般常用離子交換、蒸發濃縮后回收法、化學法以及膜分離技術[4]。

2.1 物理化學處理技術

垃圾滲濾液中含有大量主要成分是膠體的非沉積懸浮物。通常這些膠體是無機的，組成成分是碳酸鹽和粘土。目前，用于處理垃圾滲濾液的物化處理主要包括：吸附法、混凝沉淀法、氣提法、高級氧化法以及膜分離技術等。

2.1.1 吸附法

吸附法是將某些特定的，具有高表面能的多孔材料與垃圾滲濾液混合，吸附其中一種或數種組分（難降解有機物、多種金屬離子），達到分離和富集的處理目的。市面上常用的吸附劑主要包括硅藻土、碳化樹脂、活性炭和離子型吸附劑等，其中活性炭應用最廣泛，效果較好。然而活性炭存在價格高，性價比不理想，再生技術不成熟的問題。

2.1.2 混凝沉淀法

針對垃圾滲濾液中膠體性污染物，混凝劑通過破壞膠體物質的穩定性，將廢水中膠體和懸浮物聚集成絮凝體后沉淀分離，對濁度、色度、大分子污染物、重金屬離子以及營養元素等可溶性無機鹽，都有一定的去除作用。常用混凝劑主要有硫酸鋁和聚合氯化鋁（PAC）。然而混凝沉淀法對滲濾液中氨氮的去除效果較差，且會生成大量絮凝污泥對環境造成二次污染。

2.1.3 吹脫、氣提法

吹脫氣提法是脫除垃圾滲濾液中污染物的常用方法。將氣體通入垃圾滲濾液中，廢水和氣體充分接觸后，其揮發性物質和溶解性氣體可以從氣液界面穿透，從而進入氣相中。吹脫一般指用空氣作為載氣，而氣提則指水蒸汽作為載氣。此方法能有效降低垃圾滲濾液中的氨氮，然而在這個過程中產生的NH3需用吹脫塔加酸去除。同時吹脫塔內有生成碳酸鹽結垢處理，因此這個方法使用成本較高。

2.1.4 高級氧化法

高級氧化法是通過產生非特異性和高度氧化的物質各類自由基來氧化分解滲濾液中各類污染物的方法，具有反應速率快、氧化降解能力強、可提高滲濾液的可生化性、與其他工藝耦合強度高、不引入或少引入新的污染物等優點。常規的高級氧化技術主要包括電解氧化法、光催化氧化法、臭氧氧化法、催化濕式氧化法以及Fenton 氧化法。但是，高級氧化技術不能有效去除含氮化合物，因此高級氧化技術可以與其他工藝進行聯用來去除滲濾液含氮化合物。此外，高級氧化技術操作較復雜，工藝不成熟，價格較高。

2.1.5 膜分離技術

膜分離技術是通過將膜內外的壓力差轉為推動力，通過膜的篩選進行固液分離的污水處理工藝。膜分離技術工藝具有占地面積小、操作時間短、能耗相對降低、處理高效、安全性好等優點?，F階段，國內外用于廢水處理的膜技術主要包括電滲析、超濾、納濾、反滲透、微濾等，其中反滲透的應用范圍比較廣。同時膜分離技術去除富里酸和腐殖酸的效率較高，因此其在處理老齡垃圾滲濾液時一般是首選。然而膜污染造成污染物在膜表面或孔內沉積，膜滲透通量下降的問題，使膜分離技術的廣泛應用受到限制。未來研究主要是集中在易于清洗、抗污染、高機械強度和壽命較高的濾膜，且膜技術一般產生20%～30%的膜濃縮液（濃水），而無論是反滲透膜濃縮液或納濾膜濃縮液，都有較高的COD、氨氮和有機物含量，難降解，同時伴隨著色度大，含有一定量的重金屬等困難。

2.2 生化處理技術

2.2.1 好氧生物法

好氧微生物的降解效率高，降解徹底，成本低，是最常用的水處理技術。在含有充足氧氣的條件下，利用好氧微生物通過自身的生長代謝去除垃圾滲濾液中的有機污染物。最廣泛應用的好氧生物法有活性污泥法、好氧穩定塘、曝氣氧化池、生物膜法等，在實際水處理過程中最成熟，也可與其他工藝聯合成組合工藝使用。好氧生物法工藝能有效降低垃圾滲濾液中的COD、生化需氧量和氨氮濃度等，同時對鐵、錳等金屬離子也有一定的去除效果，一般選擇在高含量有機物污染物的滲濾液處理中使用。但是，好氧生物法產生的污泥近年來日漸成為一個難題，亟須解決。

2.2.2 厭氧生物處理法

厭氧處理法是在厭氧條件下利用厭氧微生物的生長代謝分解垃圾滲濾液有機污染物，是處理垃圾滲濾液的重要手段之一。與好氧生物法相比，厭氧生物工藝能耗較低、有機負荷高、裝置簡單、可有效提高污水的可生化性、產泥量少、可以實現部分能源回收等優點，一般用于處理污染物濃度較高的垃圾滲濾液預處理階段。目前，厭氧生物反應器屬于第三代產品，能量密度高，處理速度快，主要包括分段厭氧消化、厭氧生物濾池和上流式厭氧污泥床反應器（UASB）等。然而厭氧生物法易受溫度和季節性的影響，且對pH值要求高、操作復雜。例如：厭氧甲烷菌的最適生長溫度為50 ℃～60 ℃。因此，厭氧工藝處理垃圾滲濾液需要更深入的研究。

2.2.3 好氧+厭氧生物法

好氧生物法和厭氧生物法兩種工藝具有很好的互補關系。在滲濾液實際處理中，只利用厭氧生物法或好氧生物法存在有機物氧化不徹底，氨氮的去除率較低的問題。為了提高污染物的去除率，往往采用厭氧法和好氧法相結合來處理廢水。通常垃圾滲濾液的濃度較高且水質往往不穩定，只采用厭氧-好氧法技術較難達到國家排放標準，因此仍需與其他手段聯用達到更好的去除效果。

2.3 生物炭在滲濾液處理中的應用

生物炭主要可由活性污泥、農林廢棄物和城鎮生物質廢棄物等熱解產生，是一類環保經濟型新材料。此外，生物炭的原材料來源范圍廣、價格低（甚至有廢物處置費收入），有著比表面積大、有發達孔隙結構、富碳等優點，在滲濾液處理工藝中有較好的應用，可提升滲濾液的處理效果。

2.3.1 污泥基生物炭的應用

滲濾液生化處理過程中產生的污泥可作為原料制備生物炭，并用于吸附等物化工藝。污水廠中的脫水污泥中有機質含量較高，因此脫水污泥可作為原料用來制備生物炭對垃圾滲濾液的膜濃縮液進行處理。垃圾滲濾液處理廠膜生物反應器（MBR）工藝的脫水污泥作為生物炭原料。比如：CHEN YL 等人[5]將生活污泥制備成生物炭，并用作吸附劑處理垃圾滲濾液尾水，發現污泥基生物炭能有效去除滲濾液中的大量污染物，對COD 去除效果較好。吳春山等人[6]研究發現，污泥基生物炭對垃圾滲濾液中的重金屬離子也有很好的吸附效果。吳善斌等人[7]以垃圾滲濾液處理中源生污泥熱解制備生物炭，發現該生物炭可有效處理膜濃縮液，并且具有良好的再生重復利用性能，經3次再生后，其COD的去除率仍然達到80%以上。郭克儉等人[8]設計中孔發達的碳基吸附材料污泥基生物炭進行兩級吸附工藝+深度處理工藝，并設計一套處理量為156 m3/d的膜濃縮液處理工藝，并取得了良好的處理效果。

2.3.2 農林廢棄物生物炭

農林廢棄物也是生物炭的一個重要的來源，可于滲濾液工藝耦合或單獨用作吸附劑。王昀暉[9]在添加竹炭和改變C/N對準好氧礦化垃圾床處理老齡滲濾液的影響研究中發現，生物炭添加量是一個重要的影響因素，在生物炭添加比例為3%、C/N=12時，老齡滲濾液處理效果最佳，COD 去除率達到97%，NH4+-N，NO2-N 和TN的去除率也明顯提升。此外，生物炭添加后，準好氧礦化垃圾床滲濾液尾水中芳香族及帶雙鍵的難降解有機物（UV254）的去除率也得到明顯提升（見圖1）。王晨[10]研究了蘆葦和水稻秸稈制備了改性生物炭，發現其對降低垃圾滲濾液COD 均有一定的效果，是經濟、高效的吸附劑。

圖1 難降解有機物（UV254）的去除[9]

2.3.3 城鎮廢棄物生物炭

隨著無廢城市政策的推進，城鎮廢棄生物質的問題也亟待解決。因此，可將城鎮廢棄生物質制備成生物炭，就近用于城市垃圾滲濾液的處理。石笑羽等人[11]在木屑生物炭對垃圾厭氧消化效果的研究中發現，生物炭豐富的孔結構為微生物提供了生長位點，生物炭的表面金屬元素（如K、Ca、Mg）和含氧/氮官能團（使其具有較高的堿度，從而提高厭氧消化系統的緩沖能力和產甲烷菌活性，進而提高產甲烷速率。張曉麗[12]利用用高溫限氧共熱解法制備了天然黃鐵礦/樹枝條生物炭復合材料對垃圾滲濾液中的鄰苯二甲酸酯進行去除，其去除率可達91%，同時重復利用性高。

3 生物炭材料在垃圾滲濾液處理中潛力展望

在處理生活垃圾過程中可產生大量的難降解有毒滲濾液，如何高效、低碳、低成本地處理是一個重要的環保問題，亟須解決。垃圾滲濾液工藝日漸成熟，但成本問題和生態效益有待進一步改善。我國是生物質資源大國，不當生物質利用也會造成環境問題。因此，將生物質廢棄物的治理與滲濾液的處理相結合應當有廣闊的應用前景和生態意義，值得我們共同努力。