垃圾滲濾液及膜濾濃縮液處理技術探討與分析

徐昌文，王聲東

(上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232)

隨著我國社會經濟的快速發展以及城市人口的增加和城區面積的擴大，城市生活垃圾的產量也同步快速增加。城市垃圾的處理已經成為城市環境安全中的一個重要問題。據原環境保護部的統計資料，2016年我國垃圾無害化處理量已達到1.965億噸，在運行的垃圾處理衛生填埋場和焚燒廠分別有1766座和299座。以25%的滲濾液平均產率計，2016年度，全國滲濾液產量已超過0.8億噸，約合21.92萬噸/天。但是衛生填埋處置方式由于降雨、填埋體內微生物降解等因素易產生垃圾滲濾液，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、成分復雜、水質水量波動大、氨氮含量高、營養元素比例失衡、重金屬含量高、色度深、有臭味等特征，不經妥善處理直接排放到環境中會對周邊區域的土壤、地表水以及地下水等帶來嚴重的污染。因此控制或緩解垃圾滲濾液對周邊環境的污染，一直是城市固廢處理技術發展的一個重大挑戰，也是當前我國無廢城市建設的難題之一。長期以來，由于技術、資金、場地等原因，絕大多數垃圾填埋場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管理水平的瓶頸所在。

從20世紀90年代初開始，我國就陸續展開關于垃圾填埋的相關研究，隨之滲濾液的處理處置也日益受到關注。隨著國家標準《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)的頒布，滲濾液的排放標準愈加嚴格。從2011年7月1日開始，已建成生活垃圾填埋場產生的滲濾液均需自行處理達標后排放，對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。針對滲濾液的簡約高效且低成本處理技術的研發需求已經十分迫切。

1 垃圾滲濾液及膜濾濃縮液的特點

1.1 垃圾滲濾液的特征

垃圾滲濾液有機物濃度高、波動大、成分復雜。濾液含有的有機污染物和無機污染物均較高，其中包括氨氮、腐殖酸、無機鹽、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%，導致垃圾滲濾液中有機和無機污染物濃度很高。通常隨填埋時間不同填埋場滲濾液中化學需氧量(CODCr)在2000mg/L～62000mg/L 的范圍內波動，最高達到90000mg/L；生化需氧量(BOD5)濃度范圍為60mg/L～10000mg/L，最高達到45000mg/L。滲濾液中已測出的有機污染物有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。

以上分析表明，垃圾滲濾液具有污染物濃度較高、成分復雜、水質水量波動大、氨氮含量高、營養元素比例失衡、重金屬含量高、色度深、有臭味等特征，不經妥善處理直接排放到環境中將對周邊區域的土壤、地表水以及地下水等造成嚴重的污染。

1.2 垃圾滲濾液膜濾濃縮液的基本性狀

垃圾滲濾液成分復雜，一般按照“預處理→生化法→膜處理”的工藝流程進行處理。該工藝具有普適性，其中預處理主要在調節池中完成，生化主要在厭氧罐和MBR池中完成，滲濾液經過生化處理后，廢水中易降解有機物基本被全部去除，膜處理包括納濾和反滲透兩個過程。經膜處理后的廢水達標排放，但同時產生了膜濾濃縮液。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類物質，而且含鹽量很高，且含有大量的金屬離子，營養物質比例失調，所以一般膜濾濃縮液的可生化性很低，難以直接進行生化處理。膜濾濃縮液一般呈深棕色，色度可高達3000以上，并含有大量的腐殖酸、富里酸等難降解有機物[2]，其基本性質如表1所示。

表1 膜濾濃縮液基本性質[3]

2 垃圾滲濾液處理技術的發展現狀

垃圾滲濾液的水質水量受填埋垃圾自身的成分、填埋時間的長短、氣候條件等多種因素影響，變化范圍較大。針對不同地區的垃圾滲濾液，應采用最適合的工藝對其進行處理處置。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)試劑處理和電化學處理等高級氧化法以及礦化垃圾床處理等，還有相關的組合工藝。其中，A/O生化處理是滲濾液處理的主導且成熟的工藝，然而，滲濾液中含有大量難降解物質和有毒有害物質，且C/N比失調，從而導致滲濾液采用生化處理難以達標排放。針對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量小導致滲濾液產量多的地區采用回灌法難以實際有效，并且易導致難降解物質及重金屬的積累。礦化垃圾生物反應床處理滲濾液可以使出水CODCr達到300mg/L～600mg/L，但不能達標排放，且占地面積較大，推廣應用有限。電化學、Fenton等處理滲濾液已有一定的應用基礎，但仍存在由于較高的還原性物質和含鹽量對反應過程造成干擾等問題，且實際運行期限短、成本高，不易推廣應用。膜處理滲濾液能夠實現出水達標排放，但嚴重的膜污染將導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(膜處理過程產生的濃縮液體積為原液的40%左右)，長期運行比較困難。

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行生化處理，再通過納濾(NF)或者反滲透技術(RO)等對其進行進一步的深度處理。生化—納濾/反滲透處理工藝的優點是可以穩定地使得經過處理的垃圾滲濾液出水達到國家的排放標準。但是采用膜分離技術處理廢水最大的問題是產生20%～30%的膜濾濃縮液需要進一步處理。

3 垃圾滲濾液膜濾濃縮液處理技術發展現狀

垃圾滲濾液膜濾濃縮液指的是垃圾滲濾液在經過膜生物反應器(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類物質，而且含鹽量很高、含有大量的金屬離子、營養物質比例失調，所以一般膜濾濃縮液的可生化性很低，難以直接進行生化處理。

3.1 回灌法

垃圾填埋場中含有大量的微生物，是一座大型的生物濾床。當膜濾濃縮液回灌至垃圾填埋場后，部分有機物會在微生物作用下被降解[4]，部分有機物則被填埋場中礦化垃圾通過吸附、螯合等作用截留在填埋場中[5]。該方法具有投資和運行成本低、操作簡便等優點，但由于膜濾濃縮液含鈣鎂離子，且被截留的有機物基本不會降解，因此經常性的回灌會提高垃圾填埋場的滲濾液硬度并降低可生化性，不僅會使后續的膜處理設備結垢，增加其更換頻率，而且還會影響滲濾液生化處理單元[6]，導致出水不達標。從可持續發展的角度考慮，回灌法處理膜濾濃縮液既不科學也不經濟，膜濾濃縮液長時間的回灌會給垃圾填埋場造成鹽分、污染物的累積，進而給整個垃圾填埋系統帶來不可逆轉的損傷，導致填埋場系統的崩潰。

3.2 高級氧化法

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

(1)Fenton反應

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

(2)電化學氧化

一般地，電化學氧化過程中同時發生間接氧化和直接氧化[10]。直接氧化指的是有機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在陽極處轉化為強氧化性物質，從而去除廢水中的有機污染物的過程。影響電化學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]以電化學法處理滲濾液，研究表明，控制電化學處理過程中的電流密度是氧化垃圾滲濾液中有機物的重要步驟，以銥釕作為電極時以間接氧化為主。田軍朝[12]研究發現，膜濾濃縮液經過電解氧化后，提高了濃縮液的可生化性。電化學氧化過程是各種氧化反應相互協同的過程，有機物一般都徹底分解為CO2和H2O。因此在膜濾濃縮液處理中，電化學氧化法較為理想，但由于滲濾液成分復雜，自由基和氧化機理尚未明確，關于電化學氧化過程中的參數選擇和控制尚處于實驗室研究階段。

3.3 蒸發法

蒸發是液體從液態到氣態的相變過程，可以通過外部供熱或者增加蒸發面積來加快蒸發過程。在蒸發過程中，揮發性有機物隨水蒸氣排出冷凝后進入冷凝液，從而使濃縮液的體積大大減小，因此在用蒸發工藝處理膜濾濃縮液時要盡量使易揮發的有機物受熱揮發。岳東北等[13]在實驗室采用電熱套加熱蒸發法對某垃圾填埋場的膜濾濃縮液進行蒸發實驗，研究表明，蒸發初期以有機物的揮發為主，而蒸發后期以氨氮的揮發為主，且有機物揮發能力隨pH的增大而降低。以自然風力為動力的高效、低耗蒸發技術在海水淡化工藝濃縮液處理中廣泛應用，該技術的原理是將濃縮液噴灑在懸掛著的織物上，借助風力蒸發，大幅削減濃縮液量。該技術處理成本低、效果好(在干燥地區，每平方米織物每天能蒸發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，該技術在以色列、美國、意大利、澳大利亞等國都已有一定的應用實例。

4 結論與展望

隨著城市生活垃圾產量的快速增加，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物，它的處理是膜處理技術應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生特性、處理技術的發展現狀，以及膜濾濃縮液幾個主要處理技術基礎上。研究得出結論，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標排放，但處理過程中產生的膜濾濃縮液需要進一步處理。而膜濾濃縮液的幾種主要處理技術各有優缺點，應視不同的處置需求選擇處理工藝，其重點工藝包括回灌、高級氧化、蒸發三種處理方法。在以上研究基礎上，本文最后對滲濾液及膜濾濃縮液處理的組合工藝發展方向進行了初步展望。

垃圾滲濾液及膜濾濃縮液成分復雜、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物，目前的處理技術還處于研究和初步應用階段，處理過程以多種處理技術聯合應用為主，實際處理成本較高，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研究的瓶頸和方向，如風力輔助蒸發等。另外，前期滲濾液處理工藝的選擇對后期濃縮液的產量和性狀影響較大，在考慮處理成本的基礎上，在實際處理過程中應綜合比對和選擇最佳的垃圾滲濾液及膜濾濃縮液處理組合工藝。