垃圾滲濾液處理技術(shù)研究進展

王 慶，金 晶，王殿二，馮 旭，胡開亮

(1.光大環(huán)境修復(fù)(江蘇)有限公司，江蘇 南京 211100；2.上田環(huán)境修復(fù)有限公司，江蘇 常州 213000)

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，人均生活垃圾已達(dá)到450～500 kg/年，并以年增長量10%的速度繼續(xù)增長[1]。其中，垃圾填埋場技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，占垃圾總處理量的80%以上。垃圾填埋技術(shù)具有操作管理簡單、處理費用低等優(yōu)勢，但也存在填埋氣和滲濾液等二次污染現(xiàn)象[2，3]。此外，有研究顯示填埋場封場后30～50年仍然會產(chǎn)生垃圾滲濾液[4]。

垃圾滲濾液水質(zhì)受填埋的垃圾種類、填埋方式以及水文地質(zhì)等條件影響，一般而言，具有水質(zhì)復(fù)雜、含有多種污染物、營養(yǎng)元素比例失調(diào)、重金屬含量高等污染特征，若處理不當(dāng)會造成地下水、土壤等造成嚴(yán)重的污染[5～9]。此外，滲濾液是否達(dá)標(biāo)排放已成為衡量填埋場是否衛(wèi)生的重要標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)垃圾滲濾液處理技術(shù)起步較晚，但隨著技術(shù)經(jīng)濟的快速發(fā)展，滲濾液處理技術(shù)已有較大革新，我國滲濾液處理技術(shù)發(fā)展可總結(jié)為3個階段[10～12]。

第一階段： 20世紀(jì)90 年代初期處于滲濾液處理技術(shù)匱乏期，滲濾液處理工藝基本參照市政污水處理工藝，其中代表性工程為杭州天子嶺垃圾滲濾液處理工程，采用活性污泥法工藝。該工藝針對垃圾填埋場初期滲濾液可生化性好的特點，但隨著填埋時間延長，垃圾滲濾液BOD/COD值越低，可生化性越差，因此處理難度越來越大。

第二階段： 21世紀(jì)初期，充分認(rèn)識滲濾液水質(zhì)特性，考慮到滲濾液水質(zhì)高總氮、高有機物等特性，提出采用厭氧處理和 MBR 處理技術(shù)，工藝一般采用預(yù)處理+調(diào)節(jié)池+厭氧處理+MBR 處理。該工藝可實現(xiàn)較低的氨氮排放，其中代表性工程有光大環(huán)保蘇州項目一期工程等。

第三階段： 2010年后，城市化進程加快，用地緊張，此外排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，甚至要求達(dá)到中水回用的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)有效推動滲濾液技術(shù)快速發(fā)展。目前，滲濾液處理工藝以生物法處理和膜法深度處理為主，即預(yù)處理+厭氧+膜生物反應(yīng)器(MBR)+納濾(NF)+反滲透(RO)處理工藝，出水水質(zhì)最終可達(dá)到《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923-2005)中敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水標(biāo)準(zhǔn)[13]，其中代表性工程有深圳老虎坑垃圾焚燒廠等項目。

然而近年來，隨著生物法和膜法深度處理工藝的廣泛應(yīng)用，在工程實例中也存在很多問題，比如膜濃縮液處理、總氮不達(dá)標(biāo)等問題[14～17]。針對這些問題，也出現(xiàn)了一些新工藝路線和解決思路。如氨吹脫及膜法脫氮，降低滲濾液氨氮濃度[18]；深度處理采用化學(xué)軟化+微濾+RO 處理工藝，減少了濃縮液產(chǎn)生量，提供產(chǎn)水回收率[19,20]。

在當(dāng)前嚴(yán)格的環(huán)保立法，以及對滲濾液出水水質(zhì)的嚴(yán)格要求的環(huán)境下，有必要對滲濾液處理技術(shù)進行比較和歸納，使之適用于處理不同種類滲濾液。本文對滲濾液處理工藝技術(shù)進行總結(jié)，并結(jié)合工程實踐中滲濾液處理存在的問題及解決方法進行闡述，為工程實踐提供借鑒。

2 國內(nèi)外研究進展

2.1 國外滲濾液處理技術(shù)

20世紀(jì)70年代，歐盟國家開始研究滲濾液處理技術(shù)，滲濾液作為一種高濃度的有機和無機混合污染物，在相當(dāng)長一段時間困擾著研究者。隨后的研究發(fā)現(xiàn)垃圾滲濾液水質(zhì)組成十分復(fù)雜，包括腐殖質(zhì)、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、無機鹽、高濃度總氮以及重金屬等污染物[21]。這些污染物的濃度主要受填埋場的年齡、氣候條件以及廢物類型影響[22,23]。國外學(xué)者對滲濾液水質(zhì)十分關(guān)注，并將填埋場年齡分成3個階段：“青年”“中年”“老年”?！扒嗄辍碧盥駡鲋泻写罅靠缮锝到獾挠袡C物質(zhì)，此時的BOD、COD含量很高；“中年”填埋場在厭氧環(huán)境中開始產(chǎn)生二氧化碳和甲烷；“老年”填埋場水質(zhì)穩(wěn)定，COD濃度相對較低，氨氮及甲烷含量大幅提升[24～26]，3種類型滲濾液的水質(zhì)比較見表1[27]。

表1 垃圾填埋場三種類型滲濾液水質(zhì)

針對滲濾液的有機物質(zhì)、氨氮、無機鹽的高含量以及水質(zhì)隨時間變化的特征，國外研究者注重通過多種技術(shù)組合的方式處理滲濾液，多種技術(shù)組合具有協(xié)同作用，可以克服技術(shù)本身的局限性[28，29]，主要包括物理-化學(xué)處理技術(shù)、物理化學(xué)-生物處理技術(shù)、高級氧化-生物處理技術(shù)。

2.1.1 物理-化學(xué)處理技術(shù)

物理-化學(xué)技術(shù)對 “老年”滲濾液的處理效果遠(yuǎn)優(yōu)于“青年”滲濾液，主要用于去除滲濾液中的難降解物質(zhì)、COD以及作為生物法的后處理。物理-化學(xué)處理技術(shù)對滲濾液的處理效果見表2[30,31]。

表2 國外物理-化學(xué)法工藝的處理效果

2.1.2 物理化學(xué)-生物處理技術(shù)

國外學(xué)者對使用不同類型的物理化學(xué)和生物處理方法處理滲濾液進行了大量研究，表3顯示了一部分物理化學(xué)聯(lián)合生物處理法對滲濾液的處理效果。

石灰混凝能夠去除滲濾液中的膠體顆粒以及有機大分子，是一種良好的生物法預(yù)處理技術(shù)。生物法對滲濾液中的污染物的去除具有優(yōu)良效果，從而降低后續(xù)工藝的處理成本，常被用作反滲透的預(yù)處理工藝，能夠延長反滲透膜單元的使用壽命?；钚蕴课侥軌蚝芎玫娜コ锓ǔ鏊袣埓娴碾y降解性有機污染物。

表3 國外物理化學(xué)-生物法工藝的處理效果

2.1.3 高級氧化-生物處理技術(shù)

高級氧化技術(shù)的強氧化性能夠去除和轉(zhuǎn)化滲濾液中頑固的有機和無機污染物，提高滲濾液的可生化性。Di Laconi[37]、Asha[39]等人研究發(fā)現(xiàn)，氨氮在高鹽分以及其他限制因子存在的滲濾液中采用生物法去除，效率僅為20%，但是使用芬頓或者臭氧作為前處理技術(shù)，能夠達(dá)到80%以上的去除率。另外，從節(jié)約成本角度出發(fā)，高級氧化-生物處理技術(shù)比其他技術(shù)組合更占優(yōu)勢。表4中列出了一部分高級氧化聯(lián)合生物法處理滲濾液的工藝[40,41]。

2.2 國內(nèi)滲濾液處理技術(shù)

目前，國內(nèi)生活垃圾滲濾液處理技術(shù)應(yīng)用日趨成熟，應(yīng)用最廣泛的工藝路線為“厭氧+生化+膜深度處理”，最終出水可滿足《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)表 2 標(biāo)準(zhǔn)，以及《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T19923-2005)中表 1 敞開式循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。典型滲濾液處理工藝路線有以下幾種。

表4 國外高級氧化-生物法工藝的處理效果

2.2.1 “高效厭氧+氨吹脫+A/O 接觸氧化+NF”工藝

該工藝下，通過生化和物化過程相結(jié)合，三段法的 CODCr去除率大于 85%，氨氮去除效率大于95%，增加的納濾技術(shù)用于去除生化難以降解的溶解性有機物，從而保證出水 CODCr達(dá)標(biāo)。該技術(shù)路線成功應(yīng)用于北京六里屯填埋場垃圾滲濾液處理工程的改造中，處理量為 350 m3/d，其中回用水處理量為 50 m3/d，運行費用為 25.7 元/ m3[42]。

2.2.2 “氨吹脫+ UBF+ SBR+深度處理”工藝

該工藝為物理化學(xué)-生物-高級氧化組合技術(shù)，主要設(shè)備包括：調(diào)節(jié)池、沉淀池、氨吹脫系統(tǒng)、UBF反應(yīng)器、SBR反應(yīng)器、臭氧系統(tǒng)以及膜處理系統(tǒng)。調(diào)節(jié)池、沉淀池、氨吹脫系統(tǒng)作為預(yù)處理系統(tǒng)，可為后續(xù)工藝提供穩(wěn)定水質(zhì)，并可去除COD 35%、氨氮60%，降低后續(xù)處理負(fù)荷。厭氧UBF分解滲濾液中有機大分子物質(zhì)，為SBR反應(yīng)池提供可生化性高的污水，提高處理效率。臭氧系統(tǒng)進一步去除滲濾液中難降解污染物，為后續(xù)膜處理工藝穩(wěn)定運行提供保障，經(jīng)過超濾及納濾膜過濾，出水可達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)的一級標(biāo)準(zhǔn)，最終出水COD去除率可達(dá)99%，氨氮去除率可達(dá)99%。該工藝成功應(yīng)用于光大宜興垃圾滲濾液處理工程中，處理量為150 m3/d[43]。

2.2.3 “預(yù)處理+IOC+MBR+化軟+RO+ 碟管式反滲透(DTRO)”工藝

該工藝為物理化學(xué)-生物法處理技術(shù)，初沉池、調(diào)節(jié)池作為預(yù)處理工序，本工藝主要設(shè)備包括厭氧內(nèi)外循環(huán)反應(yīng)器(IOC)、膜生物反應(yīng)器、化學(xué)軟化系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)(包括RO及DTRO)。

垃圾滲濾液進入初沉池，去除懸浮物后溢流進入調(diào)節(jié)池，經(jīng)厭氧進水泵，進入?yún)捬豕?，去除大部分有機污染物，厭氧出水后滲濾液進入 A/O 系統(tǒng)，厭氧出水首先進入 A 池(缺氧池)，在缺氧條件下反硝化菌利用污水中的有機碳將硝態(tài)氮還原為氮氣，在脫氮的同時降低了容積負(fù)荷，并補充了后續(xù)硝化反應(yīng)的堿度，同時部分懸浮污染物被吸附并分解，提高了污水的可生化性，隨后污水進入 O 池(好氧池)，在好氧條件下殘余的有機物被進一步降解，同時硝化菌將污水中的氨氮氧化為硝態(tài)氮，再回流至 A池進行反硝化脫氮。經(jīng) A/O 處理后出水進入浸沒式超濾系統(tǒng)進一步去除大分子有機物、懸浮物等污染物，經(jīng)超濾處理后出水進入化學(xué)軟化系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)，去除懸浮物、溶解性固體、硬度、色度、氨氮、氯離子等污染指標(biāo)，最終出水COD去除率可達(dá)97%，氨氮去除率可達(dá)89%，同時產(chǎn)水回收率可達(dá) 85%以上[44]。

3 滲濾液處理過程中存在的問題及現(xiàn)有措施

3.1 滲濾液處理過程中存在的問題

在實際工程中，大多數(shù)滲濾液處理工程中仍存在許多問題，比如膜濃縮液處理和處置問題、總氮不達(dá)標(biāo)問題等。此外，較高的運行成本和二次污染等問題，也制約著生活垃圾處理可持續(xù)性發(fā)展進程?？傮w來說，滲濾液處理過程中存在以下幾個亟需解決的問題。

3.1.1 膜濃縮液問題

膜處理滲濾液過程中會不斷產(chǎn)生濃縮液，膜過濾濃縮液呈棕黑色，其體積約占垃圾滲濾液水量的13%～30%，并具有以下特征：①有機污染物濃度高，成分復(fù)雜；②可溶性無機鹽組分含量高，可生化性差；③水質(zhì)水量隨時間變化大；④重金屬含量高。這些含有大量污染物的膜過濾濃縮液對地表水、地下水、土壤環(huán)境等都存在嚴(yán)重威脅，不能直接排放到環(huán)境中，對其合理的處理處置也是應(yīng)用反滲透、納濾技術(shù)的垃圾滲濾液處理工程中必須解決的一個難題。膜濃縮液問題直接關(guān)系到垃圾滲濾液全量處理以及“零排放”的目標(biāo)，因此必須采取切實可行的辦法對膜濃縮液進行有效處理和處置[45,46]。

3.1.2 總氮問題

目前垃圾滲濾液處理的瓶頸是總氮難以達(dá)標(biāo)的問題[47]。垃圾滲濾液中高氨氮非常難以處理，過高濃度的氨氮會對微生物的新陳代謝產(chǎn)生抑制效果，并且污染物營養(yǎng)比例失調(diào)，總氮含量較COD及磷含量高的多，因而脫氮效果不佳，若額外投加碳源，將會大大增加處理成本。

垃圾滲濾液目前垃圾滲濾液處理常用的脫氮工藝有生物脫氮、氨吹脫及膜法脫氮等工藝，不同脫氮工藝在實際應(yīng)用中均取得了較好的效果，為滲濾液處理達(dá)標(biāo)排放創(chuàng)造了有利條件，但上述各種工藝也存在著許多問題。比如，生化脫氮工藝硝化作用可以使氨氮達(dá)標(biāo)排放，但反硝化作用無法使總氮達(dá)標(biāo)排放，并且生化脫氮操作復(fù)雜、運行不穩(wěn)定、占地面積大以及環(huán)境較差；氨吹脫可以保證氨氮絕大部分去除，但要使氨氮達(dá)標(biāo)排放，還要增加生化處理措施，同時氨吹脫需要投加大量堿性物質(zhì)，易導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)垢，且在生化處理過程中又需要投加酸調(diào)節(jié)pH值至中性，導(dǎo)致處理成本過高，另外氨外溢會形成二次污染。綜上所述，高濃度的總氮不但使運行成本劇增，而且也會影響出水水質(zhì)，因而，找到一種行之有效的去除滲濾液中高濃度總氮的方法是當(dāng)務(wù)之急。

3.2 現(xiàn)有措施

3.2.1 膜濃縮液

目前垃圾滲濾液膜過濾濃縮液的處理處置方式可分為三種類型：一是轉(zhuǎn)移處置，包括外運和回灌；二是進一步減量，包括納濾、高壓反滲透、蒸發(fā)、膜蒸餾等；三是無害化處理，包括混凝沉淀、電絮凝、高級氧化等技術(shù)和干燥、焚燒、固化/穩(wěn)定化等手段[48]。

3.2.2 總氮問題

(1)蒸氨法[49]。蒸氨工藝按塔底蒸汽的加熱方式可分為直接蒸氨工藝和間接蒸氨工藝。 直接蒸氨工藝的設(shè)備簡單、無再沸器和蒸汽冷凝裝置，前期的設(shè)備投資低。在相同的蒸氨效率下，兩種蒸氨工藝的蒸汽消耗量基本相同。

垃圾滲濾液成分復(fù)雜，除了高濃度的氨氮外，還有3000～7000 mg/L的CODCr、8000～10000 mg/L的堿度、1000～3000 mg/L的總硬度，還有大量的SS。因此在蒸氨過程中，常常由于堿度、硬度高，造成塔板和換熱器堵塞，進而影響設(shè)備的正常運行。同時，由于蒸氨的出水溫度較高，必須使用換熱器進行換熱降溫，也增加了投資和運行成本，但是蒸氨塔具備停留時間短、占地面積小，自動化程度高的特點，蒸氨系統(tǒng)回收的氨水也可以用作垃圾焚燒廠的煙氣脫硝，實現(xiàn)了資源的回收利用，優(yōu)勢較大。未來研發(fā)具有抗堵塞、抗結(jié)垢、低能耗等性能的蒸氨技術(shù)在垃圾滲濾液處理方面，具有廣闊的前景。

(2)短程硝化反硝化[50]。不同于傳統(tǒng)的硝化過程，程硝化反硝化是將硝化過程控制在NO2-階段，使其不能進一步氧化成NO3-，實現(xiàn)NO2-的積累，并用NO2-作為電子的最終受氫體，直接實現(xiàn)NH4+和NO2-向N2的過程。相對于傳統(tǒng)的硝化反硝化，短程硝化反硝化具有以下優(yōu)點：在硝化階段可以節(jié)約25%左右的耗氧量，極大的節(jié)約了能耗；在反硝化階段可以節(jié)約 40%左右的有機碳源，降低了運行費用；反硝化速率快，反應(yīng)時間縮短，反應(yīng)器的體積可以減少30%～40%，節(jié)約了設(shè)備投資；硝化階段可以減少34%左右的污泥產(chǎn)量，在反硝化階段可以減少污泥55%左右；減少了反應(yīng)過程對堿的需求量；在C/N比一定的情況下可以提高過程對TN的去除率；可以減少有害氣體N2O的產(chǎn)量約50%。該工藝相對于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，不僅在耗氧量上大大減少，同時污泥產(chǎn)量只相當(dāng)于傳統(tǒng)工藝的1/10。最終實現(xiàn)耗氧量低、污泥產(chǎn)量少、無需外加碳源等優(yōu)點，大大縮短了脫氮的反應(yīng)過程，具有廣泛的應(yīng)用前景。

(3)同步硝化反硝化[51]。同步硝化反硝化現(xiàn)象主要是指在有氧條件下的硝化與反硝化作用同時發(fā)生的一種現(xiàn)象。不少研究者通過實驗或者工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，盡管在好氧條件下，反硝化作用依然存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)中，如氧化溝、SBR、生物轉(zhuǎn)盤等常見的污水處理系統(tǒng)中。近些年，不少研究者對同步硝化反硝化現(xiàn)象進行了很多的研究，也取得了一定的進展，同時，該理論的提出，也為生物脫氮技術(shù)提供了新的思路。

(4)短程反硝化-厭氧氨氧化。

4 展望

綜上所述，滲濾液處理過程中面臨著許多問題，這些問題同時也是滲濾液行業(yè)技術(shù)發(fā)展的動力。為了解決上述問題，可以從以下幾個方面進行落實。

4.1 建立滲濾液處理模型

針對滲濾液處理過程，應(yīng)進行更多的模擬研究，包括水質(zhì)對物理、化學(xué)和生物工藝的影響以及各工藝的對不同水質(zhì)的處理效果。最終建立滲濾液處理模型，該模型可根據(jù)出水要求結(jié)合成本造價，設(shè)計滿足要求的組合工藝。

4.2 開發(fā)新運行模式

滲濾液水質(zhì)會隨填埋場年齡增加而發(fā)生較大變化，水質(zhì)變化會影響各個工藝的處理效果，甚至?xí)档驮O(shè)備的使用壽命。因此，急需開發(fā)出具有模塊化、靈活組合特點的新運行模式，該模塊化多級組合工藝能夠適應(yīng)滲濾液水質(zhì)波動，這對滲濾液處理站運營管理而言是質(zhì)的提升。

4.3 優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)

盡可能的對每一種單獨的滲濾液處理工藝進行優(yōu)化改進，以適應(yīng)不同滲濾液處理條件。比如，在MBR 處理系統(tǒng)中采用液氧供氧取代傳統(tǒng)空氣曝氣，可提高好氧處理效率、改善運行和操作環(huán)境；針對膜過濾技術(shù)，采用化學(xué)軟化+微濾取代 NF 和采用 DTRO 取代 RO，可有效提高產(chǎn)水回收率。

4.4 開發(fā)新工藝

基于垃圾滲濾液水質(zhì)變化的特點，開發(fā)出系統(tǒng)運行穩(wěn)定、膜濃縮液產(chǎn)量低、出水水質(zhì)優(yōu)、運行成本低的新型工藝，是未來滲濾液處理技術(shù)發(fā)展的方向。以光大環(huán)保滲濾液處理技術(shù)發(fā)展歷程為例[12]，滲濾液處理技術(shù)發(fā)展從第一代的：“混凝+氨吹脫+UBF+SBR+MBR”，到第四代滲濾液“預(yù)處理+IOC+MF+蒸氨+化軟微濾+DTRO/RO”工藝，最新工藝放棄了缺/好氧生化系統(tǒng)，通過采用蒸氨工藝，實現(xiàn)滲濾液中氨氮的資源化利用；采用化學(xué)軟化微濾技術(shù)取代納濾膜，能夠去除絕大部分硬度；滲濾液經(jīng)化軟微濾后直接進入DTRO膜，既縮短了工藝流程，同時產(chǎn)水回收率可達(dá)85%以上；膜濃縮液再經(jīng)過蝶管式納濾膜(DTNF)進一步提取有機物，產(chǎn)水再經(jīng)浸沒蒸發(fā)處理后，可進一步濃縮10倍以上，最終系統(tǒng)產(chǎn)水率可達(dá)98%以上。

由此可見，研究新型滲濾液處理工藝，不僅有助于解決滲濾液處理過程中產(chǎn)水水質(zhì)差和膜濃縮液產(chǎn)生量大的行業(yè)難題，更能促進滲濾液處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。