[文章]：垃圾渗滤液的浓缩及处理工艺研究综述

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这个是最近写的一篇综述……


摘要：我国城市化建设步伐的加快，生活垃圾及垃圾渗滤液总量的不断增加严重破坏生态环境。本论文主要对城市生活垃圾渗滤液的特征、产生原因进行研究，总结出处理生活垃圾渗滤液的一般化学、物理、生物方法，并且详细介绍了膜分离技术处理垃圾渗滤液工艺和UASB-CASS处理工艺。
关键词：渗滤液，浓缩，蒸发，反渗透，纳滤，超滤，微滤
Key words: Leachate, solid wastewater, landfill, condense, evaporation, reverse osmosis (RO), nanofiltration (NF), ultrafiltration (UF), microfiltration (MF)

0前言
随着我国城市化建设步伐的加快，城市人口的急剧增加，城市生活垃圾也在不断的增加。目前，我国把城市生活垃圾无害化处理作为一项重要的城市基础设施建设来抓，努力消除生活垃圾的污染，提高可持续发展的能力。
但是，如果垃圾处理厂的建设和管理不当，也会产生较为严重的二次污染，危及当地环境安全。目前城市垃圾的主要处理方式有垃圾堆肥、垃圾卫生填埋、垃圾焚烧等，垃圾处理过程中产生的恶臭、废水和废渣污染也越来越被人们所重视。垃圾废水是垃圾处理和处置过程中广泛存在的二次污染问题，也是建设和运行垃圾填埋场、垃圾焚烧厂等亟待解决的问题之一。

1 垃圾废水
1.1 我国城市垃圾的组分
城市生活垃圾的主要组分可分为三大类：可腐有机物(以厨余为主)、可燃有机物(塑料、废纸、橡胶、皮革、竹木、布类等)、无机物(煤渣、砖瓦、地灰、玻璃、金属等)。在以煤为主要民用燃料的地区，垃圾中无机物的含量就比较高，最高甚至可以达到80%。在气化燃料普及的城市中，不论是南方城市还是北方城市，可腐有机物占的比例最高，超过50%。可燃有机物的比例在20%-40%之间，无机物的比例通常低于20%，含水率在40%-60%之间，低位热值在4000-6000kJ/kg范围内。
1.2 垃圾废水的产生
从垃圾的收集、转运、运输，一直到最终的处理和处置的每一个环节中都可以产生垃圾废水。在压装机车间压缩垃圾时挤压出的污水,其组成成分复杂，CODcr在4～6万mg/L，一般将其先集中储存，再定期集中运至下游垃圾处理工艺。垃圾填埋场垃圾废水的主要来源有垃圾自身携带的水分、垃圾填埋过程中发酵产生的水分、垃圾填埋场天然降水以及喷洒用水。垃圾堆肥场的垃圾废水来源与垃圾填埋场类似。而垃圾焚烧厂的垃圾废水则主要来自垃圾本身携带的废水，这部分废水在垃圾贮存坑中从垃圾中沥出，经系统收集后集中处理。
目前国内外对垃圾污水的研究主要集中在对垃圾填埋场渗滤（沥）液的研究上。它具有污染物浓度高、可生化性好、水量大、成分复杂等特点。

2 垃圾填埋场垃圾渗滤液液处理
2.1 垃圾渗滤液的特性
渗滤液成分取决于垃圾成分、填埋时间、气候条件、填埋场设计等多种因素（见表1）。一般来说,垃圾渗滤液具有如下特性：
1）水质复杂，危害性大。张兰英等人采用G-MS-DS联用技术鉴定出垃圾渗滤液中有93种有机化合物（大多为腐殖类高分子碳水化合物和中等分子量的灰黄霉酸类物质），其中22种被列入我国和美国EPA环境优先控制污染物的黑名单中。此外，渗滤液中还含有10多种金属和植物营养素(氨氮等)，水质成分十分复杂。挥发出的气体带有强烈恶臭，对人体有危害，能使人产生恶心、尿血、头晕等症状。
2）CODCr和BOD5浓度高。特别是在垃圾填埋场运行初期，垃圾渗滤液中的CODCr最高达到90000mg/L，BOD5最高达到38000mg/L，和城市污水相比，浓度极高。显然这就要求其处理构筑物的有机负荷率高，水力停留时间长构筑物容积大。
3）金属含量高。垃圾渗滤液中含有10多种金属离子，其中铁2050mg/L，铅12.3mg/L，锌370mg/L，钾、钠2500mg/L，钙甚至高达4300mg/L。生物处理系统中如金属离子含量过高，对微生物有强烈抑制作用，长时间运行，会导致污泥中的无机物含量增加，影响系统正常运行，故须先调pH值使重金属离子沉淀。
4）氨氮含量高、含盐量高。氨氮浓度随填埋时间的增加而相应增加，最高可达1700mg/L，渗滤液中的氮多以氨氮形式存在，约占TKN40%~50%。如此高浓度的氨氮，使微生物营养元素比例严重失调，仅靠硝化细菌和反硝化细菌脱氮不仅不能去除，反而会影响处理系统的正常运行，因此，在渗滤液进入生化处理前常需用物化法脱氮，渗滤液中的盐主要为氯化物(100~4000mg/L)和磷酸盐(9~1600mg/L)，若在缺水地区需对渗滤液回收利用时，应对其脱盐处理。
5）色度深且有恶臭，需考虑脱色处理，臭味给运行操作带来困难。
6）微生物营养元素比例失调。垃圾渗滤液通常有机物和氨氮含量高，而磷元素较为缺乏，其C/P比较大，C/N比较小，NH3-N含量过高。加上碱度高，对厌氧消化不利。磷元素的缺乏也影响系统的稳定。因此，处理工艺中需在生化前进行脱氮处理，并往往需向系统投加磷等营养元素。
7）水质变化大。填埋时间是影响渗滤液水质的主要因素。渗滤液BOD/COD一般在0.4~0.75，采用生物处理可达到良好的去除效果。但随着填埋时间的增加，垃圾层日趋稳定，垃圾渗滤液中的有机物浓度降低，可生化性差的相对分子质量大的有机化合物占优势，其BOD/COD值甚至可低于0.1。这表明生物法处理垃圾渗滤液的效率随填埋龄的增加越来越低，后序处理构筑物负荷逐渐加大，可见在设计中应留有余地，渗滤液的水质受季节降雨影响而波动较大，其变化规律很难确定。渗滤液水质如此不稳定，这就要求其处理系统要有很强的抗冲击负荷能力。
表1 2001年南方某垃圾填埋场渗滤液全分析数据（单位：mg/L）
项目        pH        SS        油脂        COD        BOD        Cu        Pb        Zn        Cd        Fe
值        6.4        1120        8        49800        19200        0.12        <0.2        1.37        0.05        28.6
项目        Mn        Ca        Mg        总汞        总磷        氨氮        磷酸盐        氯化物        总硬度       
值        2.23        100        135        2.24        48        1200        22        2940        2340       

2.2 垃圾渗滤液的处理方法
由于垃圾填埋场运行初期，大部分垃圾尚未发酵熟化，同时新鲜垃圾携带的水分较多，所以垃圾渗滤液的COD较高，具有较好的可生化性能，可以采用生物法进行垃圾渗滤液的处理，如UASB厌氧工艺、ASBR厌氧工艺、SBR好氧工艺以及A2O工艺等厌氧-好氧组合工艺等。
但是由于垃圾渗滤液中氨氮浓度较高，C/N比较低，导致C、N、P等营养平衡的失调，严重影响了垃圾渗滤液的生化降解性能，所以要保证生物法处理工艺的正常运行，必须降低垃圾渗滤液中氨氮的含量，常用的脱氮工艺有曝气法、氨氮吹脱塔等。
随着垃圾填埋场的运行，已经填埋的垃圾逐渐发酵、熟化，可生物降解的物质被大量消耗，垃圾渗滤液的COD值下降，同时可生化性也降低，生化处理的适用性减弱，甚至不可行。对于“老化”的垃圾填埋场的渗滤液可以采用物理-化学的方法进行处理，如光催化、Fenton试剂高级氧化、膜分离等。
1）UASB厌氧处理工艺。在填埋场投入使用后的前几年内，产生的渗滤液有机污染物含量较高，并且大部分是一些易生物降解的挥发性脂肪酸，UASB厌氧工艺对这种前期渗滤液有较好的处理效果，对COD去除率可大于70%。
由于UASB的COD负荷可高达10kg&#8226;m-3d-1，反应过程中也无需能耗，因此与好氧工艺相比，可大大节约反应器的占地面积及动力消耗。但是，随着填埋年限的增加，填埋堆体中产甲烷的厌氧状态逐渐成熟，渗滤液在填埋堆体及调节池内长期滞留后，UASB的处理效果将变差。
2）SBR好氧处理工艺。
SBR处理工艺是一种通过时间控制，在一个单池内完成进水、厌氧搅拌、充氧曝气、沉淀、排水等过程的序批式反应器，具有较强抗冲击负荷能力，可根据渗滤液水质复杂多变的特点灵活地调整工艺参数，并且厌氧与好氧的交替进行，可以达到较好的脱氮除磷效果。广州市大田山垃圾填埋场曾采用过此种工艺，对渗滤液COD的去除率可高达90%以上。
3）膜法深度处理工艺。
膜法深度处理工艺中的反渗透处理工艺在国外渗滤液处理厂中应用较多，由于投资和运营成本的关系，国内仅有广州兴丰垃圾填埋场渗滤液处理厂采用此工艺，反渗透组件为螺旋卷式膜，现已投入运行，浓缩液产生量为进水量的20%，最大回收率可达80%。由于反渗透膜可以阻挡溶解盐、无机分子及分子量大于100的有机物通过，经过此工艺深度处理后，出水可达到国家《生活垃圾填埋场污染控制标准》中的渗滤液排放一级标准，但是，每吨渗滤液的处理成本将会增加。
4）光催化技术。
光催化法是近年发展起来的一种污(废)水处理新技术。在紫外光的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，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，从而起到降解污染物的作用。
黄本生等人将ZnO/TiO2复合半导体催化剂用于垃圾渗滤液的深度处理，出水水质达到了国家排放标准。弓晓峰等人在利用紫外光氧化法深度处理垃圾渗滤液的研究中发现，当pH=3时对COD的去除率最高，也即在酸性条件下Fenton试剂光照处理渗滤液的效果最好。多相光催化法是近年来日益受到重视的污水治理新技术之一，将其用于垃圾渗滤液的深度处理有利于进一步提高出水水质。
5）回灌处理技术。
采用渗滤液回灌技术不仅能降低渗滤液中的COD浓度，加快垃圾中有机质的降解，提高垃圾的溶解速度，而且有利于减少垃圾中有机质的含量，同时不影响COD浓度的稳定。
徐迪民等详细研究了垃圾填埋场渗滤液回灌的影响因素，发现在试验所用的亚粘土中加入一定比例的细砂可改善覆土层的透水性和透气性，当进水负荷为6.6～115g/(m2&#8226;d)时对COD的去除率可达98%左右。
何厚波等人发现，对回灌渗滤液中有机物的去除效果随垃圾堆体高度的增加而增加，并且进入垃圾堆体的有机负荷不能无限制的增加，否则会毁坏渗滤液回灌系统。

3 垃圾渗滤液的浓缩处理工艺
3.1 膜技术浓缩工艺
膜分离技术具有无相变、能耗低、设备简单、占地少等明显优点，从而受到普遍关注。膜分离技术主要有反渗透、纳滤、超滤和微滤等，膜材料的孔径率依次增大。
一般来说，膜分离技术是在压差推动力作用下进行的液相分离过程。膜分离技术一般都是化学物质的混合物与半透膜相接触，在静压梯度的作用下，某些物质透过，而其他组分基本不透过，从而实现物质分离的目的。
在水处理行业中，膜分离技术的应用是从净水处理开始的，近年来，人们开始研究利用膜分离技术处理废水，而且在膜分离技术在城市污水处理、中水回用中发挥的作用越来越大。
1）膜的分类与性能参数
在污水处理工程中，膜技术一般不单独应用，往往与物理、化学、生物工艺相结合，以提高污水处理系统的技术可行性和经济适用性，常见的有膜生物反应器、物化处理-膜技术组合工艺等工程应用形式。
2）反渗透（RO）及其在垃圾渗滤液处理中的应用
反渗透（Reverse Osmosis，简称RO）是利用反渗透膜选择性的透过溶剂（通常是水）而截留离子物质，以膜两侧静压差为动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。
3.2 几种常见膜技术浓缩工艺
1）1989年德国Schonberg填埋场建立了当时最大的渗滤液RO处理厂。该处理厂采用二级DT-RO（碟管式反渗透）处理，其浓缩液经蒸发进一步浓缩后，最终以发电厂的飞灰固化。工艺流程如图1所示。
第一级RO采用DT-盘式膜组件，膜面积1147m2，在6.0MPa下进行操作，浓缩液送入第二级高压RO进一步浓缩。第二级高压RO采用卷式组件，膜面积768m2，采用3段操作，各段压力为8，12，20MPa。


图1 二级DT-RO（碟管式反渗透）处理工艺
DT-RO对垃圾渗滤液的处理效果见表2。可见反渗透对COD、氨氮等去除率达到99%以上，但是进水COD只有1797mg/L，可见该填埋场是一座运行多年，处于老龄期的填埋场，渗滤液中COD偏低。
表2 二级DT-RO（碟管式反渗透）处理工艺处理效果

2）北京天地人环保科技有限公司在北京阿苏卫、北神树、六里屯垃圾填埋场等地做了DT-RO碟管式反渗透工艺处理垃圾渗滤液的试验。
试验所用DT-RO设备，处理能力为6t/d，水回收率可以设定为60%～90%。系统为两级DT-RO，第一级4个膜柱，第二级1个膜柱，每一级有一个独立的计算机控制系统。由于空间的限值，该设备没有设置砂滤器，而用一个50μm的袋式过滤器代替。在处理方式上属于批处理，即两级RO的浓缩液都回流到渗滤液储罐，当储罐中的浓缩液达到设定的水回收率（一般为80%）时一次排出，然后再次进水。工艺流程如下：

图3 DT-RO碟管式反渗透工艺
把进水泵置入调节池，启动一级RO的计算机控制系统，系统开始进水。渗滤液通过袋式过滤器进入渗滤液储罐，储罐加满渗滤液后自动开始处理。在进水过程中，在线pH仪可以测到渗滤液的pH值，自动加酸将pH值调到设定值（一般为6）。
渗滤液经过第一级RO处理后，净水进入出水储罐，浓缩液进入渗滤液储罐。一级出水储罐为第二级RO的进水，二级出水直接排放，浓缩液再回到渗滤液储罐。
试验结果表明，DT-RO碟管式反渗透工艺对垃圾渗滤液中的COD和氨氮的去除率都达到了99%以上，出水满足GB16889-1997生活垃圾填埋场污染控制标准中规定的一级排放限值。而且反渗透工艺可以适应不同的水质条件，进水COD分别为2400mg/L、14300 mg/L、56000mg/L时，出水水质稳定。
表3 DT-RO碟管式反渗透工艺处理效果表

但是相关的材料均没有说明反渗透后浓缩液的处理和处置手段。不过，垃圾填埋场可以采取浓缩液回灌的方法进行处理。
3）高压反渗透（HPRO）工艺近些年得到了迅速发展。
HPRO通常是指在进料端的操作压力>1.0×107Pa，而1.2×107Pa的驱动压差足以在高渗透压的情况下实现盐水分离的垃圾渗滤液处理技术。污水处理的关键是出水回收率，常规RO存在着渗透压现象，限制了出水回收率的提高，基于DT（碟管式）膜组件的HPRO技术的发展，使垃圾渗滤液的出水回收率从80%上升至90%，浓缩系数从5提高至10，浓缩液的电导率从50000μS/cm～60000μS/cm提高至100000μS/cm～120000μS/cm。1998年，国外共有25个采用HPRO系统的垃圾卫生填埋场，由于常规RO存在膜结垢、污染和渗透压等问题，限制了出水回收率的提高，所以RO常需结合高成本、高能耗的蒸发和干燥等过程处理渗滤液。而HPRO由于提高了出水回收率，浓缩液体积大大降低，无需蒸发，直接排入干燥或固化设备即可燃烧，使运行成本明显降低。
3.3 纳滤（NF）膜及其在垃圾渗滤液处理中的应用
纳滤膜分离技术能否应用于实践，关键在于能否有效地控制膜结垢现象，因为膜结垢会严重影响膜的通量和截留等性能。污垢是由于物质在膜表面或孔内积累形成的，能引起纳滤膜结垢的物质主要是溶解态的有机物质、无机物质、胶体及悬浮物质。
试验表明NF法处理硬COD有机物质是很有效的。pH调节和预处理（如混凝、预过滤）并不能显著提高NF膜的透过量和截留率，但渗滤液的物化法调节却对NF膜的性能影响很大。pH值降低，膜的结垢量增大，这是由于静电效应降低了负电荷的膜表面和高分子腐殖质类物质之间的排斥作用，此时，这些物质的斥水性更强，从而更易吸附结垢。混凝能减少腐殖质类物质的量，因而减缓污垢层的形成，使透过量提高。因此，NF处理之前要合理进行物化法预处理。
某垃圾填埋场渗滤液NF处理后各项指标的截留率如下表所示，可见NF对COD的去除率达到95%以上，但是对BOD5和氨氮的去除率均在50%左右，出水水质不能满足国家相关标准，需要进一步深度处理。
表4 某垃圾填埋场渗滤液NF处理效果表

3.4  组合膜工艺
在HPRO处理过程中，由于膜压实、污染和结垢等因素的影响，限制了操作压力的进一步提高。例如在德国的垃圾填埋场中，只有两家的操作压力达到了2×107Pa。如果将UF、NF、RO和HPRO进行组装处理垃圾渗滤液，可以得到更高的出水回收率。
比如，在2×106Pa～4×106Pa操作压力的条件下，NF将RO的截留液分离成2部分，一部分是主要含有2价无机物（如CaSO4）和有机物的截留液，另一部分是主要含有氯化物的渗出水，进而再由HPRO处理，这样可大大降低膜结垢现象的发生。
3.5 膜技术二级混凝沉淀强化处理
垃圾填埋场渗滤液膜浓缩处理工艺流程（如图4所示）：来自垃圾贮存坑的沥滤液所先进入调节池，进行水质和水量的均化，同时进行预沉淀，除去较大的颗粒物质；然后经过细格栅除去部分悬浮颗粒物，进入混凝沉淀池，在添加的化学药品作用下，在合理搅拌混合条件下发生混凝-絮凝-沉淀，进一步除去悬浮物和部分COD；出水经砂滤池过滤后进入膜处理工序，膜组件可根据不同水质条件、排放要求采用RO、UF、MF、NF或者相应的膜组合工艺；出水率应达到80%以上，出水原则上进行回用，可以用于砂滤池的反冲洗、厂区绿化以及垃圾车的清洗等，浓缩液根据实际情况采取直接回喷或添加辅助燃料后回喷的处理方法，实现减量化、无害化的要求。

图4 沥滤液膜技术浓缩工艺流程

昆明理工大学环境工程系对垃圾渗滤液进行了二级混凝沉淀强化预处理，处理效果如表5所示：
表5 二级混凝沉淀强化预处理处理效果
        SS（mg/L）        COD（mg/L）        氨氮（mg/L）        pH值        外观
进水        620        6640        1200        7.5-8.5        黑棕色
出水        87.65        2350.61        888.37        9左右        淡黄色
腐化味淡
去除率（%）        72.7        64.6        25.96               

3.6  综合工艺
将膜技术与其他常规分离技术（如化学处理、吸附处理、生化处理）结合也可以得到很好的处理效果。
一种新型的垃圾渗滤液综合处理技术由回灌填埋场厌氧生物处理及混凝沉淀、生物碳化、膜分离、生物硝化处理组成，其中，混凝沉淀工艺可以根据填埋场的具体布置状况确定其保留或舍弃。
利用反渗透的优异分离性能，不仅使得膜分离的渗透液COD浓度达标，为后续生物硝化提供硝化菌生长的优良环境，而且可以大幅度地降低氨氮浓度，最大限度地降低高浓度氨氮生物硝化的耗碱量，减少生物硝化的电耗，有效地降低运行费用。反渗透的应用还可确保重金属离子的达标排放，使得最终处理后的水质完全符合国家综合一级排放标准要求。

4 垃圾渗滤液处理工艺的选择
垃圾渗滤液处理工艺的选择与确定要建立在对垃圾填埋场渗滤液特性的调查基础上，包括水质、水量、排放标准。

表6 垃圾渗滤液处理方法的特性比较
        直接回喷法        生物法        高级氧化法        蒸发法        膜技术浓缩法        物理-生化组合工艺
适用条件        水量小        有毒污染物少，可生化性高的污水        均适用        均适用        均适用        均适用
优点        工艺简单，成本低        运行成本低        处理效率高、效果好        效果好，可利用余热        效果好，出水稳定        效果好、出水稳定
缺点        影响锅炉燃烧性能        抗冲击负荷差，出水不易达标        氧化剂成本高        蒸发器成本高        膜组件成本高        设备多，运行复杂

5 垃圾焚烧厂沥滤液处理工程实例
宁波市布阵岭(枫林)垃圾填埋项目是以宁波市人民政府为主筹资新建的一座重要的环保基础设施。工程占地面积256亩。
其渗滤液中CODCr平均浓度高达10000～20000mg/L，BOD5平均浓度高达3800～5000mg/L。垃圾渗滤液属原生渗滤液，大多是当天的垃圾渗滤液，未经厌氧发酵、水解、酸化过程，内含如苯、萘、菲等杂环芳烃化合物、多环芳烃、酚、醇类化合物、苯胺类化合物等难降解有机物，受雨水影响比填埋场垃圾渗滤液小。BOD5/CODCr为0.38左右，垃圾渗滤液中铁、铅、锌、钙的浓度均较高。

图5 垃圾沥滤液UASB-CASS处理工艺流程

垃圾渗滤液经过细格栅后，除去渗滤液中的悬浮物及漂浮物，进入调节池，经泵提升至UASB上流式厌氧反应器进行厌氧发酵，产生的沼气接至垃圾焚烧炉助燃，污泥脱水后填埋或焚烧，出水加CaO调碱度后自流进入CASS反应器。CASS是一种具有较好的脱氮除磷功能的循环间歇处理工艺，整个系统经历进水期、反应期、沉淀期、排水期和待机期5个阶段，而CASS反应器又分为3个区：生物选择器、兼氧区、和好氧区。出水流经生物选择器区，既可提高系统的稳定性，防止产生污泥膨涨，又可发生比较显著的反硝化作用。出水自生物选择器进入兼氧区和好氧区，该区主要完成降解有机物和硝化P反硝化过程。再经沉淀后外排。
采用UASB厌氧反应器-CASS反应器工艺经试验得到以下最佳运行条件参数：UASB厌氧反应器污泥浓度为7.5g/L，停留时间为48h；CASS反应器反应时间36h，闲置时间6h，pH=8.0，污泥浓度为6.5g/L。在最佳运行条件下，原垃圾渗滤液的CODCr和氨氮分别从10000mg/L和510mg/L降到191.1mg/L和18.88mg/L，CODCr总去除率为98.1%，氨氮总去除率为96.3%。其中UASB处理效果如表9所示。
表7 UASB厌氧反应器出水水质（mg/L）
指标        CODCr        BOD5        氨氮        pH        外观
进水        10000        3350        510        6.4        黄褐色
出水        2450        1457        590        6.3        混浊发黑

可见UASB-CASS厌氧-好氧组合工艺对垃圾焚烧厂沥滤液的处理效果较好，出水水质达到了二级标准。
结论：
在国内，由于垃圾填埋场发展时间还不长，相关环境问题的研究主要集中在烟气的净化、二恶英的去除等方面，对垃圾沥滤液的研究也不丰富。在对垃圾性质的分析的基础上，考察处理和处置工艺的特性，结合一定的技术手段对垃圾处理效果才能取得好的效果。在提高生物处理法的处理效果的同时，要拓展思维，将新工艺新技术应用垃圾渗滤液的处理中。

参考文献
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