垃圾渗滤液处理工艺研究及应用现状浅析
慧聪水工业网 随着中国城市化的加快和居民生活水平的提高,城市生活垃圾的产量与日俱增.2013年,中国的生活垃圾总产量已经达到了1.73亿kg.由于处理成本低,采用垃圾卫生填埋处理的垃圾占总垃圾产量的80%以上.在垃圾填埋的过程中以及填埋完成后会产生垃圾渗滤液.垃圾渗滤液的来源主要是垃圾自身含水和大气降水降雪等.目前中国的垃圾渗滤液产量已经达到了每年3000万t以上.由于垃圾的成分十分复杂,因此所产生的垃圾渗滤液是一种成分复杂,高有机物高氨氮高盐分的特种废水,而1t渗滤液约相当于100t城市污水所含污染物的浓度.渗滤液如果直接排放,会对周围的环境,尤其是地下水产生不可逆的危害.
中国十分重视对垃圾渗滤液的处置安全问题.为了有效地保护填埋场周边的环境,国家在1997年颁布了垃圾渗滤液的排放标准《GB16889—1997》.标准对渗滤液的悬浮物、BOD5、COD、氨氮和大肠杆菌值做了明确的规定.2008年,国家对原来的渗滤液排放标准进行了修订,实行新的排放标准《GB16889—2008》.新的排放标准相比旧的排放标准,明确增加了总氮、总磷和6个重金属指标,严格了氨氮的排放标准.新标准的提出,尤其是总氮排放标准的加入,对垃圾渗滤液处理来说既是挑战也是机遇.挑战在于新标准内容更丰富,要求更严格,这增加了渗滤液的处理难度.但另一方面,新标准的提出会加快新方法新技术的开发和推广,对进一步减小渗滤液对环境的危害有巨大的推动作用.
1垃圾渗滤液的水质特点
垃圾渗滤液是一种黑色或者黄褐色的带有恶臭气味的液体.渗滤液含有大量的有机物和无机物,包括各种难降解有机物(如各种芳香族化合物和腐殖质等)、无机盐(如氨根、碳酸根和硫酸根等)和金属离子(如铬、铅和铜等).由于垃圾中的成分复杂,垃圾渗滤液水质的特点之一就是污染物含量很高,而且往往含有生物毒性.其中COD的质量浓度最高可高达20000mg/L以上,包含苯及其多种衍生物,氨氮的质量浓度可达2000mg/L.这种含有有毒有机物和高氨氮的废水给其处理,尤其是生物处理带来了极大的困难.除了有毒的芳香族化合物外,渗滤液还含有大量的腐殖质和腐殖酸等大分子有机物.这些有机物虽然没有生物毒性,但由于分子量大,具有很好的化学稳定性,微生物无法实现有效的降解,因此,只采用活性污泥法不能实现对渗滤液COD的有效去除,必须增加深度处理工艺.垃圾渗滤液的另一个特点是水质水量变化大.地域对渗滤液的水质有很大的影响.相对来说,欧美国家的渗滤液污染物浓度尤其是氨氮要低于亚洲国家.欧美国家渗滤液中的氨氮的质量浓度一般在1000mg/L以内甚至更低,而亚洲国家的渗滤液氨氮的质量浓度一般都在1000mg/L,甚至可以达到5000mg/L.这可能与不同地区不同的文化和生活习惯有关.同一地点不同时间产生的渗滤液水质差别也很.根据垃圾填场的场龄不同,垃圾渗滤液可以分为早期垃圾渗滤液(填埋场场龄5a以内)、中期垃圾渗滤液(填埋场场龄5~10a)和晚期垃圾渗滤液(填埋场场龄10a以上).不同时期渗滤液的水质特点如表1所示,其中括号中的数值代表了该项的典型值.
由表1可知,早期垃圾渗滤液的水质特点就是有机物含量很高,可生化性强,但氨氮浓度相对较低;晚期垃圾渗滤液的水质特点就是氨氮含量高,可生化性变差且碳氮比大幅度降低,中期渗滤液的水质介于早期和晚期渗滤液之间.同时,对于同一地区的雨季来说,渗滤液往往产量大,且有机物含量高,而旱季则产量小,具有较高的氨氮浓度.渗滤液水质的第3个特点是营养比例失调.渗滤液中有机物和氨氮浓度非常高,但磷元素的含量却很低,同时,重金属的含量往往较高.较低的磷含量和较高的重金属含量增加了渗滤液生物处理的难度,这对渗滤液的有效处理是个挑战.
2垃圾渗滤液的处理方法及处理难点
2.1垃圾渗滤液的处理方法:垃圾渗滤液的处理方法主要有4种方法.第1种方法是直接排往城市污水厂合并处理.这种方法的优点是无需再另建处理厂,缺点主要有2个.一个是管网的投资费用大.填埋场一般远离市区,因此需要铺设较长的输送管网.另一个是增加了城市污水厂的不稳定因素.由于渗滤液水质复杂且不稳定,城市污水厂长期接受渗滤液会给其稳定运行带来极大的隐患,很容易使活性污泥出现中毒等不良症状.第2种方法是向填埋场的循环喷洒处理.这种方法的优点是操作简便,处理成本最低.这种方法的缺点是并没有解决渗滤液的污染问题,渗滤液的产量会越来越大,处理会越来越困难.第3种方法是预处理后汇入城市污水处理厂合并处理.这种方法的优点是处理工艺相对简单,同时降低了城市污水厂的风险,但缺点是投资较大,且城市污水厂的安全隐患依然存在.第4种方法是单独建设污水站,渗滤液经污水站处理达标后排放.这种方法的优点是出水水质有保证,真正实现了渗滤液的有效处理,对环境的危害最小,缺点是对工艺的要求较高,运行和管理费用较高.综合以上因素,目前垃圾填埋场主要采用第4种单独建设污水站的方法进行处理.这些渗滤液处理厂一般采用物化(预处理)+生化(包括厌氧和好样)+物化(深度处理)的组合工艺实现达标排放.其中,预处理阶段的主要作用是降解部分有机物和氨氮,降低渗滤液的生物毒性,提高渗滤液的可生化性,主要工艺有絮凝沉淀、臭氧氧化和氨吹脱等;生化阶段的主要作用是去除渗滤液中的可生化有机物和氨氮主要工艺有A/O、A/A/O、SBR、UASB、MBR等;深度处理的主要作用是进一步去除渗滤液中的有机物和总氮,保证其达标排放,主要工艺有Fenton氧化、电化学、活性炭吸附和膜处理工艺等.
2.2垃圾渗滤液的处理难点:目前中国垃圾渗滤液处理的主要难点有:1)有机物含量高,且含有大量有毒和大分子有机物,采用单一的物化或者生化工艺无法实现达标排放,必须采用物化联合生化的组合处理工艺进行处理.如何选择合理、经济、有效的组合工艺是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第1道难题.2)氨氮含量高,实现有效彻底的脱氮困难.由于国家增加了对渗滤液总氮的排放标准,这对渗滤液的处理提出了更高的要求.传统的处理工艺尤其是核心的生物处理工艺一般能够有效去除渗滤液中的氨氮,但对于总氮的去除并不理想.如何提高生物处理工艺的总氮去除率是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第2道难题.3)水质水量的巨大变化增加了稳定达标排放的难度.不同季节不同场龄的渗滤液水质水量相差巨大,这对处理工艺的选择和运行带来了挑战.在既定的组合工艺下,如何充分发挥现有工艺的最大处理能力和保证稳定的运行是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第3道难题.4)处理工艺复杂,处理成本高.目前的渗滤液处理厂,为了实现达标排放,除了采用组合工艺外,往往采用以纳滤或反渗透为主的膜处理工艺作为最后的深度处理,造成渗滤液处理成本长期居高不下.如何在保证处理效果的前提下,降低渗滤液的处理成本是摆在垃圾渗滤液处理工作者面前的第4道难题.
3物化法处理垃圾渗滤液
物化处理一般用于垃圾渗滤液处理的预处理和深度处理,主要有氨吹脱法、絮凝沉淀法、高级氧化法、吸附剂吸附法、膜过滤法等.
3.1氨吹脱法处理垃圾渗滤液:垃圾渗滤液是一种高氨氮废水,高浓度的氨氮会给生物处理带来极大的困难,如果能将渗滤液的氨氮浓度降至一个较低的范围,则会极大的提高后续生化处理的效率和效果.氨吹脱工艺特比适合作为垃圾渗滤液的前处理工艺来去除渗滤液中高浓度的氨氮.氨吹脱的主要原理在碱性条件下,通过曝气将渗滤液中的氨氮以氨气的形式吹出并通过吸附剂进行回收.沈阳建筑大学的傅金祥等研究了一定进水氨氮质量浓度和流量的情况下,不同pH值、吹脱时间、气液体积比和温度对氨氮去除效果的影响.研究结果表明,当pH为11、吹脱60min,气液体积比为360：1,温度为40℃条件下,吹脱法对垃圾渗滤液中氨氮去除效果最佳,对氨氮的去除率可以达到85%以上.Marttinen等在pH为11,温度为20℃的条件下对渗滤液吹脱24h,氨氮的去除率可以稳定在89%以上.Cheung等和Silva等的研究表明,采用长时间的停留时间,对渗滤液中的氨氮去除率可以达到93%以上,甚至可以达到99.5%.氨吹脱法的优点是处理效果稳定,对氨氮的去除效果很高.氨吹脱法的缺点主要有:需要大量的碱进行pH的调节,因此成本高,调节剂的运输管理和储存困难;吹脱出来的氨气必须通过酸性液体回收,防止污染大气;吹脱塔容易出现结垢和泡沫的问题,处理十分棘手.
3.2絮凝沉淀法处理垃圾渗滤液:通过向渗滤液中添加絮凝剂可以有效地去除渗滤液中的有机物、悬浮物和氨氮.这种方法简单易行,特别适合晚期垃圾渗滤液,一般用于渗滤液的预处理阶段.用于处理垃圾渗滤液的絮凝剂主要有铁盐、铝盐、PAM等.李志伟等研究了PAC联合PAM对渗滤液的处理效果.研究结果表明,在PAC的质量浓度为750mg/L、PAM的质量浓度为15mg/L的条件下,垃圾渗滤液中COD和浊度的去除率分别为27.45%和65.80%.商平等研究了PAC与PFS复合混凝对渗滤液的预处理效果.试验结果表明,PAC和PFS的联合投加具有明显的交互作用,可以提高混凝效果.在最佳条件下,COD、SS和浊度的去除率分别可以达到59.2%、87.19%和97.12%.Yoo等采用氯化铁作为絮凝剂处理COD的质量浓度在1200~1500mg/L的渗滤液,絮凝剂用量在0.2~12.0g/L的条件下,COD的去除率可以达到39%左右.Wang等采用硫酸铁作为絮凝剂,处理COD的质量浓度在15700mg/L的渗滤液,当絮凝剂用量在0.3g/L时,处理效果最好,COD的去除效果可以达到70%.除了使用单种的絮凝剂,很多研究者采用复合絮凝剂处理垃圾渗滤液.Tatsi等采用氯化铁联合硫酸铝的复合絮凝剂处理垃圾渗滤液,COD的最大去除率可以达到75%.Welander等也采用氯化铁联合硫酸铝的复合絮凝剂处理经过生物处理的渗滤液,COD的去除率也可以达到53%.在一般情况下,复合絮凝剂的处理效果好于单一絮凝剂,原水的COD越高,絮凝剂的处理效果越好.絮凝沉淀法的优点是处理效果稳定,可操作性强,处理方式灵活.缺点主要有:会产生大量污泥,需要进行二次处理;会增加渗滤液中的金属离子含量,对环境不利.
3.3高级氧化法处理垃圾渗滤液:渗滤液中往往含有大量的大分子有机物,这些有机物采用传统方法难以得到有效的去除,采用高级氧化技术可以有效分解和去除这些大分子有机物.通过高级氧化的技术,小分子有机物直接被氧化成CO2和H2O,大分子有机物或者被直接氧化成CO2和H2O,或者被氧化成容易降解的小分子有机物.由此可见,无论是预处理还是深度处理,都可以使用高级氧化技术处理垃圾渗滤液.目前常用的高级氧化技术主要有Fenton氧化、臭氧氧化、臭氧和双氧水联合氧化、湿式氧化等.
3.3.1Fenton氧化处理垃圾渗滤液:Fenton氧化技术是在亚铁离子做催化剂的添加下,通过双氧水产生的羟基自由基对水中的有机物进行氧化.赵冰清等采用Fenton工艺处理垃圾渗滤液中的难降解有机物,在最佳的条件下,COD和TOC的去除率分别可以达到63.4%和80.58%.李军等采用Fenton法处理UASB处理后的渗滤液,处理后的浊度、COD和氨氮的去除效率分别可以达到62%、54%、35%.Kang等采用Fenton法处理初始COD的质量浓度在1500mg/L的渗滤液,COD的去除率可以达到75%以上.Fenton除了可以去除渗滤液中的COD以外,还可以提高其可生化性.Kim等采用Fenton处理B/C小于0.1的晚期渗滤液,不仅COD的去除率可以达到69%,处理后渗滤液的B/C达到了0.58,可生化性大大提高.Fenton氧化技术具有氧化效果好,去除效果稳定的优点,但缺点是流程相对复杂,需要多种构筑物,会产生大量的污泥,需要二次处理.3.3.2臭氧氧化处理垃圾渗滤液
臭氧氧化技术是利用臭氧的强氧化性,直接将水中的有机物进行氧化.这种方法操作简单,无二次污染.Steensen等采用臭氧氧化处理垃圾渗滤液,COD的去除率可以高达80%,1gCOD消耗的臭氧量为3g.郑可等采用臭氧氧化法处理反渗透浓缩垃圾渗滤液,在pH=8.0,臭氧投量5g/h,反应时间90min的条件下,浓缩液的COD、色度以及浓缩液中腐殖酸的去除率分别达到67.6%、98.0%和86.1%,B/C从0.008提升到0.26,生化性有很大提高.Karrer等采用臭氧处理渗滤液,原水COD的质量浓度为500mg/L,BOD5的质量浓度为30mg/L,在O3/COD仅为0.11g/g的条件下,出水BOD5的质量浓度可以达到140mg/L,可生化性大大提高.Qureshi等采用臭氧处理COD的质量浓度为14600mg/L的渗滤液,COD的去除率可以达到56%,但同时O3/COD达到了3.1g/g.臭氧氧化的优点是没有二次污染,处理效果好.缺点是投资费用大,能耗高,设备维护管理困难.
3.3.3湿式氧化处理垃圾渗滤液
湿式氧化是采用高温高压的方式,在催化剂的作用下将污水中的有机物转化成CO2和H2O的方法.蔡先明等采用以亚铁离子为催化剂,双氧水为氧化剂的湿式氧化技术处理垃圾渗滤液,当反应温度达到120℃,反应60min时,反应出水的COD去除率达到91%.李鱼等采用以Mn/Ce为复合氧化物催化剂湿式氧化技术处理老龄垃圾渗滤液.研究结果表明,该技术可以降解垃圾渗滤液中正己酸、正丁酸、乙酸,反应进行120min时TOC去除率均达90%以上.湿式氧化的优点是对难降解有机物去除效果很好,缺点是需要高温高压,且能耗较高.
3.3.4高级氧化强化工艺:除了采用单一的氧化技术以外,还可以将多种工艺复合,强化高级氧化工艺的处理效果.例如臭氧+紫外、双氧水+紫外、紫外+Fenton和臭氧+Fenton等,可能会取得更好的处理效果.Ince等采用紫外线强化臭氧工艺处理垃圾渗滤液,在紫外灯功率为100W的条件下,COD的去除率可以达到54%.Kim等采用紫外强化Fenton的工艺处理渗滤液,紫外灯的功率为500~1000W,COD的去除率可以达到70%以上.Asaithambi等采用臭氧+超声波+Fenton的组合工艺处理垃圾渗滤液,COD和色度的去除率可以达到95%和100%.这些组合工艺一方面增强了处理效果,另一方面也使处理工艺更加复杂,处理成本更高.
3.4吸附剂吸附法处理:垃圾渗滤液:以活性炭为代表的吸附法是污水处理中常用的方法.利用吸附剂的巨大比表面积和吸附特性,可以将污水中的污染物截留在吸附剂中从而实现污染物的去除.Morawe等采用活性炭处理渗滤液,COD的去除率可以达到90%.活性炭对渗滤液的色度有较好的去除效果.Zamora等采用粉末活性炭处理垃圾渗滤液,当活性炭的用量在2g/L时,可以去除渗滤液55%~70%的色度.Rodriguez等对比了活性炭和交换树脂对渗滤液中不可降解有机物的去除情况.研究结果表明,采用活性炭吸附,可以去除85%以上的不可降解有机物,而对应交换树脂的去除率只有59%.沸石由于具有巨大的比表面积也会被用于吸附剂处理各种废水.Tiago等采用斜发沸石处理垃圾渗滤液,考察其对渗滤液氨氮的去除能力.研究结果表明,斜发沸石对渗滤液氨氮的吸附能力为(10.8±2.14)mgNH+4-N/gzeo.通过生物法可以实现沸石吸附能力的有效再生,再生后吸附量仅减少了4.55%.吸附剂吸附法流程简单,操作方便,处理效果稳定,但缺点是处理成本较高,吸附剂再生困难.
3.5膜过滤法处理垃圾渗滤液:近几十年来,各种各样的膜材料发展异常迅速,不同孔径不同规格的膜材料在污水处理方面起到越来越重要的作用.由于渗滤液成分复杂,生化处理难度大,目前流行的工艺是将膜工艺放在最后.一方面可以有效的去除渗滤液中的大分子难降解有机物和总氮,保证出水水质,另一方面也是作为整个工艺的保险而存在.膜过滤法相比其他工艺具有出水水质稳定,出水水质好的特点.膜过滤法根据膜材料孔径的不同分为微滤、超滤、纳滤和反渗透4种.被广泛用于垃圾渗滤液处理是后3种.微滤由于孔径过大,处理效果不佳,在渗滤液处理中应用的很少.
3.5.1膜过滤法对渗滤液的处理效果:Pirbazari等采用超滤膜处理垃圾渗滤液,在进水COD的质量浓度为8300~9500mg/L的条件下,COD的去除率可以达到95%~98%.Bohdziewicz等采用超滤膜处理生物处理后的出水,COD的去除率在50%左右.Rautenbach等采用活性污泥法联合纳滤膜处理垃圾渗滤液,最终COD的去除率可以达到97%以上.Trebouet采用纳滤膜处理垃圾渗滤液,出水流量可以达到80L/h˙m2,COD的去除率可以达到74%以上.Linde等采用反渗透技术处理3种渗滤液,去除率可以达到98%以上.由于反渗透对进水的要求较高,一般和生物处理进行连用,以保证达到最优的处理效果.Baumgarten等和Ahn等采用生物预处理联合反渗透后处理的方式处理垃圾渗滤液,出水COD去除率可以达到97%以上.膜过滤法处理垃圾渗滤液具有处理效果好,出水水质稳定的优点,对于绝大多数污染物可以实现有效的截留与分离,是目前垃圾渗滤液处理的主流深度处理工艺.膜过滤法的缺点是能耗较高,膜容易堵塞,影响出水量,会产生大量的浓缩液,如不妥善处理,会形成二次污染.
3.5.2膜过滤后浓缩液的处理:膜过滤后浓缩液是采用膜过滤法处理渗滤液的副产物.根绝膜的不同,浓缩液的产量也各有不同.但浓缩液均含有大量的大分子有机物,会对环境造成很大的危害.由于膜后浓缩的可生化差且含有大量大分子有机物,目前主要采用高级氧化的方法进行处理.Lazhar等采用阳极氧化联合Fenton的工艺处理反渗透的膜后浓缩液.研究结果表明,在最佳条件下,该工艺对渗滤液COD、氨氮和总氮的去除率分别可以达到60%、33%和22%.杨振宁等考察了UV-Fenton、Fenton和臭氧3种方法对分渗透膜后浓缩液的处理效果.研究结果表明,UV-Fenton法、Fenton法和O3氧化法对垃圾渗滤液反渗透膜浓缩液的COD去除率分别为72%、60%和68%.李兆欣等采用掺硼金刚石电极作为阳极对渗滤液进行氧化处理,研究结果表明掺硼金刚石阳极氧化6h后,浓缩液的TOC去除率达到94%左右,处理效果很好.
3.6物化法处理垃圾渗滤液小结
总体来说,物化法的主要优点是处理效果稳定,出水水质有保证,但缺点主要是处理费用较高,存在二次污染的问题.绝大多数无法方法只能针对渗滤液中的特定污染物,如氨吹脱只能去除渗滤液中的氨氮,对有机物几乎没有去除效果;絮凝沉淀、高级氧化和吸附剂吸附等技术主要去除垃圾渗滤液中的有机物,对氨氮的去除效果不理想.膜过滤法可以有效的去除绝大多数污染物,但存在处理成本高,膜浓缩液较难处理的问题.由此可见,物化技术适用于垃圾渗滤液的预处理和深度处理,辅助和强化生物处理,最终达到达标排放的目的.
4生物法处理垃圾渗滤液
生物法是目前污水处理的主流工艺.它具有操作简单,可靠性强,处理成本低和二次污染小的优点.渗滤液中最主要的污染物是有机物和氨氮.通过微生物的作用,可以将渗滤液中的可生化有机物转化成CO2、CH4和H2O,可以将氨氮转化成无害的氮气排入大气.因此,生物法是垃圾渗滤液的核心处理工艺.
4.1厌氧生物法处理垃圾渗滤液:渗滤液水质的一个特点就是含有大量的有机物.尽管渗滤液具有一定的生物毒性,通过合理的驯化,采用生物法可以经济高效的去除渗滤液中绝大多数的BOD5和大部分的COD.如果渗滤液的COD很高,一般先通过厌氧工艺进行预处理后再进入好氧工艺.这样不仅可以降低后续好氧工艺的负荷,减少曝气量,还可以回收部分能源.常用的处理渗滤液有机物的厌氧生物工艺主要有厌氧消化、ASBR和UASB等.
Timur等采用厌氧消化技术处理处理早期垃圾渗滤液,其B/C在0.4~0.6之间,在反应温度35益的条件下,COD的去除率可以达到92.5%.Agdag等[采用UASB处理垃圾渗滤液,水力停留时间在1.25d,COD的去除率可以达到96%~98%.Kettunen等也采用UASB处理COD的质量浓度在1500~3200的渗滤液,COD的去除率为65%~75%.Wang等采用ASBR工艺处理早期垃圾渗滤液,COD的去除率可以达到80%以上.综上所述,采用厌氧生物法去除渗滤液中的有机物可以取得良好的效果,但出水COD浓度和去除效率由渗滤液的水质决定.在一般的情况下,出水COD无法实现达标排放,还需要进一步处理才能达标排放.此外,厌氧生物法无法去除垃圾渗滤液中的氨氮,因此它一般作为好氧生物处理工艺的预处理工艺.
4.2好氧生物法处理垃圾渗滤液
好氧生物法是目前我国垃圾渗滤液处理的核心和主要工艺,它具有能耗低,二次污染小,可循环利用的特点.通过好氧生物法,可以去除垃圾渗滤液中绝大多数的可生化有机物和氨氮,对于总氮也有一定的去除效果.
4.2.1好氧生物法去除渗滤液中的有机物:在曝气的条件下,通过微生物的呼吸作用,可以有效的将垃圾渗滤液中的可生化有机物降解为CO2和H2O,实现污染物真正的无害.Zaloum等采用SBR工艺处理厌氧反应后的垃圾渗滤液,COD的去除率可以达到91%.Loukidou等采用移动床生物滤池处理渗滤液,在B/C为0.2的条件下,COD去除率达到了81%.Mehdi等采用SMBR联合高级氧化处理垃圾渗滤液,SMBR对垃圾渗滤液COD的去除率可以达到63%以上.采用好氧生物法处理垃圾渗滤液以后,渗滤液中绝大多数的可生化有机物均可以实现有效去除,但由于垃圾渗滤液中还含有大量腐殖质、腐殖酸和富里酸等大分子难降解物质,所以,出水的COD一般无法直接达到排放标准,还需进一步处理.
4.2.2传统的生物去除渗滤液中的氨氮:氨氮是渗滤液的主要污染物.由于氨氮相对的稳定性,采用物理化学的方法将其彻底去除十分困难.生物法是去除氨氮的最佳选择.通过硝化作用和反硝化作用,可以将渗滤液中的氨氮转变为稳定无害的氮气,从而实现了真正的脱氮.生物脱氮的过程如式(1)(2)所示.
传统生物脱氮的难点和矛盾主要集中在反硝化碳源的问题上.由于硝化菌是自养细菌,而降解有机物的细菌是异养菌.两者相比硝化菌的活性较差.因此,在硝化结束时,无水中的有机物早已消耗殆尽.这给需要有机物进行反硝化的异养菌带来了困难.传统解决反硝化问题的方法主要有2种.一种是在连续流中采用回流硝化液的方式利用原水碳源进行反硝化,缺点是反硝化不彻底;另一种在间歇反应器中采用后置反硝化的方式进行.优点是反硝化十分彻底,但缺点是成本昂贵.Lo等采用SBR的方式处理垃圾渗滤液,氨氮的去除率达到了99%以上.Loukidou等采用移动床生物滤池处理渗滤液处理渗滤液,氨氮的去除率为85%以上.这些研究并没有实现真正的脱氮,而只是实现了去除氨氮.渗滤液中的氮素依然存在,依然会对环境产生较大的危害.
4.2.3短程硝化反硝化去除渗滤液中的氨氮:为了提高对垃圾渗滤液的脱氮效率,研究者开发了垃圾渗滤液的短程硝化反硝化技术.相比于传统的硝化反硝化,短程硝化反硝化技术是将硝化作用控制在生成亚硝态氮阶段.这种工艺的主要优点是减少25%曝气量和40%的反硝化碳源.其原理主要是通过FA(游离氨)和FNA(游离亚硝酸)对氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌的抑制来实现的.氨氧化细菌相对亚硝酸氧化细菌来说,对这些抑制更不敏感,因此可以逐渐成为优势菌群,实现对渗滤液的短程硝化作用.孙洪伟等通过采用FA抑制和过程控制的双重作用,在70天内实现了对渗滤液的短程硝化.氨氮的去除率达到99%以上,亚硝态氮积累率达到了90%以上.时晓宁等在SBR中采用过程控制,将反应中pH与ORP曲线分别出现的“氨谷冶和“亚硝酸盐膝冶2个特征点作为在线控制点,可以精确控制硝化和反硝化的终点.渗滤液的氨氮的质量浓度为2114mg/L,出水氨氮的质量浓度<10mg/L,对氨氮的去除率达到99%.刘牡等研究了FA和FNA对处理渗滤液短程硝化的影响.研究结果表明,当最小FA控制在3.1mg/L以上时,系统可维持稳定的短程硝化,氨氮去除率、亚硝积累率、TN去除率分别可达到99%、95%和86%.当FA小于0.6mg/L时,在原水碱度充足且过曝气的条件下,仅依靠FA对NOB的抑制作用,难于维持短程硝化.在FA浓度维持在较低浓度下,通过降低pH值而大幅度提高FNA可迅速恢复并维持短程硝化,亚硝积累率升高到92%.可见FA与FNA是实现并维持城市生活垃圾渗滤液短程硝化的重要影响因素.彭永臻采用2级UASB-A/O的组合工艺处理垃圾渗滤液,最大氨氮去除速率可以达到0.68kgNH+4N/m3˙d,氨氮的去除率可以达到99%,同时可以实现稳定的短程硝化.通过将A/O的硝化液回流到UASB,总氮的去除率可以达到81%~93%.Sun等研究了低温下短程硝化反硝化处理垃圾渗滤液的启动与稳定.研究结果表明,在低温的条件下(14~18.2℃),通过FA的抑制和过程控制的联合作用,在SBR中成功实现了短程硝化并且可以稳定维持.
4.2.4厌氧氨氧化去除渗滤液中的氨氮:尽管短程硝化反硝化相比传统的脱氮过程有自己的优势,但它依然需要外加碳源实现脱氮.厌氧氨氧化技术是荷兰Delft大学发现的脱氮新途径.它是利用厌氧氨氧化的自养脱氮特性,将污水中的亚硝态氮和氨氮转化成氮气和少量硝态氮的过程.厌氧氨氧化的反应原理如式(3)所示:1NH+4+1.32NO-2+0.066HCO-3+0.13H+→1.02N2+0.26NO-3+0.066CH2O0.N0.15+2.03H2O(3)
相对于传统的生物脱氮工艺,厌氧氨氧化工艺不需要外加碳源,且只需氧化大概一半的氨氮,因此曝气量大大减少.正是因为它有这样的优点,很多研究者对利用厌氧氨氧化技术处理垃圾渗滤液脱氮进行了研究.Wang等采用A/O联合UASB的工艺处理晚期垃圾渗滤液,在A/O工艺中实现了稳定的短程硝化,在UASB中实现了稳定的厌氧氨氧化,在进水氨氮和COD的质量浓度分别为1330和2250mg/L的条件下,总氮和COD的去除率分别达到了94%和62%.PCR分析显示,在UASB中,厌氧氨氧化菌的数量占到了7.78%.Phan等采用IC反应器处理晚期垃圾渗滤液,在进水总氮的质量浓度为1500mg/L的条件下去除率达到了90%以上,总氮负荷可以达到10kgN/m3˙L,污泥的比厌氧氨氧化活性可以达到(0.598：0.026)gN2-Ng/VSS˙d.Miao等采用三级SBR工艺处理晚期垃圾渗滤液,通过除碳、短程硝化和厌氧氨氧化可以实现对渗滤液的深度脱氮.在进水渗滤液氨氮和COD的质量浓度分别在2000mg/L和2200mg/L的条件下,总氮去除率可以90%以上.郑冰玉等采用UASB-除碳-一体化厌氧氨氧化工艺处理COD的质量浓度为6210~16365mg/L,TN的质量浓度为990~2100mg/L的渗滤液,出水COD的质量浓度最低为655mg/L,出水TN的质量浓度最低为39.9mg/L,脱氮效率极高.
4.2.5内源反硝化去除渗滤液中的氨氮:反硝化细菌具有贮存一部分内碳源的特性.通过人为强化这种特性,就可以在不添加碳源的条件下,实现对渗滤液的深度脱氮.内源反硝化技术主要有3个优点.一个是可以在不添加碳源的条件下实现深度脱氮,处理费用低.第2个是通过反硝化菌的吸碳作用,减少了曝气阶段的曝气量,系统几乎在曝气后立刻开始硝化作用.第3个是在这种模式下,绝大部分的碳源被用于反硝化,污泥增长缓慢,极大的减少了污泥处置费用.这种方法适合碳氮比大于4的早中期渗滤液.王凯等通过改变SBR的操作模式,强化了活性污泥内源反硝化的特性,在进水氨氮和COD的质量浓度分别为1100和6000mg/L的条件下,实现了深度脱氮.在没有添加碳源的条件下,总氮的去除率达到了95%以上.同时,他还研究了不同影响因素对内源反硝化脱氮效率的影响.研究结果表明,污泥中PHA的含量是决定系统内源反硝化速率的关键,曝气时较高的溶解氧、曝气前的厌氧搅拌以及尽量减少过曝气将提高系统的脱氮效率.
4.3生物法处理垃圾渗滤液小结:生物法作为处理渗滤液的核心工艺,可以有效的去除渗滤液中的可生化有机物,但出水中依然含有大分子的难降解有机物,需要其他方法做进一步处理以达标排放.目前生物法处理渗滤液研究的热点和难点在于如何对垃圾渗滤液实现经济高效的脱氮.无论短程硝化反硝化、厌氧氨氧化还是内源反硝化,都是生物法处理渗滤液深度脱氮的探索,在渗滤液高效脱氮的方面,还需要进一步的研究和实践.
5生物法联合物化法处理垃圾渗滤液
由于渗滤液水质复杂,污染物含量高,采用单一的办法往往很难实现有效的去除.采用生化联合物化的方法,可以充分发挥每种处理方法的优势,既能降低处理费用,又可以保证处理效果.Zhang等采用Fenton联合SMBR或者反渗透工艺处理渗滤液.Fenton工艺的主要作用是提高渗滤液的可生化性,为后续的处理提供更好的条件.通过预处理,SMBR对渗滤液COD的去除率非常好,但对氨氮的去除率只达到了80%左右.SMBR的出水通过反渗透的处理,最终实现了达标排放.Claudio等采用SBBGR联合臭氧或者Fenton进行处理.研究结果表明,SBBGR可以去除80%的COD.深度处理采用臭氧工艺,COD的去除率仅为33%,而Fenton工艺的去除率可以达到85%.Alkhafaji采用吹脱+絮凝+SBR+过滤的组合工艺处理晚期渗滤液.研究结果表明,通过吹脱工艺,渗滤液中氨氮的去除率可以达到93.9%.随后出水用聚合硫酸铁进行絮凝沉淀,COD的去除率可以达到70.6%.渗滤液经过SBR处理后,COD和氨氮的去除率分别达到了95.5%和98.1%.系统最终出水的COD、SS和氨氮的质量浓度分别达到了72.4、24.2、18.4mg/L.Dia等采用生物滤池联合电絮凝处理可生化性较差的垃圾渗滤液.研究结果表明,通过生物滤池后,氨氮、BOD和浊度的去除率分别可以达到94%、94%和95%.生物滤池的出水采用以镁基作为阳极的电絮凝进行处理,COD和色度的去除率可以达到53%和85%以上.Sherif等考察了Fenton联合被动曝气固定式生物反应器(PAB)处理垃圾渗滤液的效果.研究结果表明,只采用PAB对垃圾渗滤液进行处理,COD和氨氮的去除率可以达到55%和93%;通过Fenton预处理后,COD的去除率可以大幅度提高到83%,表明Fenton工艺可以大幅提高垃圾渗滤液的可生化性.组合工艺相比单一的处理工艺,往往处理效果更好,但同时也存在工艺复杂,处理成本较高的问题.因此,如何合理的安排组合工艺是决定整套工艺是否合理,能否实现达标排放的关键.
6总结及建议
渗滤液如何达标排放是公认的水处理行业的难题.这难点主要体现在处理成本上.由于采用传统的方法很难使渗滤液的COD和总氮达标排放,纳滤甚至反渗透工艺几乎成为了渗滤液处理的标配.这直接拉高了渗滤液的处理成本,导致渗滤液处理厂运行是举步维艰.对于渗滤液的处理,目前有2种观点.一种是排斥膜工艺,认为处理成本过高,不宜采用.另一种是过分依赖膜工艺,忽略了前面处理工艺的重要性.这2种观点都不太合理.膜工艺虽然投资和处理成本高,但的确可以有效保障出水水质.完全依赖膜工艺肯定也是目前经济状况所无法承受的.合理的处理工艺是充分发挥每个工艺的特点尤其是生化工艺的潜力,在保证出水水质的前提下,尽可能的降低处理成本.
目前的主要问题是总氮的处理效率太低,而总氮的分子量很小,必须通过反渗透才能够去除.总氮恰恰是在生化阶段能够解决的.文章中所述的短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺和内源反硝化工艺都是研究者们在去除总氮道路上所做的努力和探索.如果通过生化工艺可以直接实现渗滤液总氮的高效去除,势必会极大的降低后续膜工艺的处理压力,大幅度降低处理成本.由此可见,新型高效生化脱氮工艺将是破解渗滤液处理难题的关键和未来的发展方向.
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