危險廢物填埋場滲濾液固化處置效果評估*

顧 婭 王麗佳 戚水法 阮金木 呂賽君 沈東升 龍於洋#

(1.浙江省固體廢物處理與資源化重點實驗室，浙江工商大學環(huán)境科學與工程學院，浙江 杭州 310012；2.浙江省紹興市上虞眾聯(lián)環(huán)保有限公司，浙江 紹興 312000)

安全填埋具有操作簡單、耗費低等優(yōu)點，是工業(yè)危險廢物處置的常用方法，該技術應用的關鍵是滲濾液的處理處置問題。與一般城市生活垃圾填埋場滲濾液相比，危險廢物安全填埋產生的滲濾液鹽度更高，還含有大量有機物和重金屬等有毒物質，對環(huán)境污染風險更高，亟需安全處置[1-3]。

對于高鹽廢水，常用的處理手段有馴養(yǎng)活性污泥、蒸汽機械再壓縮結晶、膜過濾等。有研究發(fā)現，添加活性污泥可以處理含有一定濃度氯化鈉和硫酸鈉的廢水，但當廢水含鹽量超過50 g/L時，單純添加活性污泥的處理效果迅速下降[4]；蒸汽機械再壓縮技術可從高鹽廢水中結晶出大量廢鹽[5-6]，但這種工藝也存在一定缺陷，設備機器壁上的結晶物需要定期清理，并且滲濾液對設備具有腐蝕作用；膜過濾處理看似能克服上述兩種技術的缺陷[7]，如納濾膜技術可以實現將廢水中大部分的鹽分與其他污染物分離[8-9]，但該技術費用較高且不可避免地存在結垢問題[10]。由此可見，針對高鹽滲濾液的處理，現有各種技術不盡完善，仍有較大改進空間。

偏高嶺土經激發(fā)后帶有凝膠性，并且具有一定耐鹽、耐腐蝕性[11]，向水泥中加入偏高嶺土可以進一步提高混凝土的抗鹽性[12]。基于此，本研究嘗試通過構建硅酸鹽水泥、偏高嶺土基的固化體系對危險廢物填埋場滲濾液(以下簡稱為滲濾液)進行固化處理，考慮到硅藻土對有機物和氨氮的吸附能力[13-14]、活性炭對痕量金屬和惰性COD的吸附性能[15]以及玻璃纖維[16]對固化材料抗裂性的影響，對固化配方進行優(yōu)化，并對固化塊在模擬降雨環(huán)境下污染物的淋溶特征進行長期評估，為高鹽、高有機物滲濾液的處理提供新的方法選擇。

表1 供試滲濾液特征

1 材料與方法

1.1 實驗材料及裝置

1.1.1 實驗材料

滲濾液取自浙江省某危險廢物填埋場，滲濾液的水質特性見表1。固化材料選擇42.5R型普通硅酸鹽水泥、工業(yè)用偏高嶺土(800目)、工業(yè)用硅藻土(400目)、活性炭(CAS 7440-44-0)、工業(yè)用CaO、工業(yè)用玻璃纖維(短切)，包裝材料為帶內膜中號編織袋。

1.1.2 測定儀器

儀器有S210 pH計(瑞士梅特勒-托利多)、FE30電導率儀(瑞士梅特勒-托利多)、萬通882離子色譜儀(瑞士萬通)、DR/2800型COD測定儀(美國哈希)、V-5800型紫外分光光度計。

1.1.3 實驗裝置

建立兩套內徑38 cm、高200 cm的圓柱形模擬填埋反應器(以下簡稱反應器)。反應器頂部設有密封蓋，密封蓋內部設置一個接連外部抽水裝置的布水圓環(huán)，用于模擬降雨對填埋固化塊的淋溶作用；反應器內部上層沒有覆蓋層，頂空空置約45 cm；中間約110 cm用于填裝固化塊；底部設置帶孔的鋼板承重，鋼板下留有高45 cm的儲液空間用于收集固化塊的浸出液和一個控制排水的三通閥，反應器結構見圖1。

1.2 固化實驗

在室溫下進行固化實驗和固化塊養(yǎng)護，首先采用CaO將滲濾液的pH調節(jié)至9～10。之后，分別調節(jié)水泥與偏高嶺土質量比以及硅藻土、活性炭、玻璃纖維的添加量，多批次混合形成固化基料，在不同液固比下加入已調節(jié)pH的滲濾液，攪拌均勻形成黏稠糊狀物平攤在一次性培養(yǎng)皿中，室溫下養(yǎng)護5 d。對養(yǎng)護后的固化塊按《固體廢物浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》(HJ 557—2010)進行浸出實驗。

圖1 模擬填埋反應器的結構Fig.1 The specific construction of simulated reactor

1.3 模擬填埋實驗

根據最佳固化配方將滲濾液和固化基料攪拌混合均勻形成固化塊，每個固化塊直徑為36～38 cm并且厚度相近，在室溫下養(yǎng)護5 d；養(yǎng)護完的固化塊修整打包填入反應器進行165 d的模擬填埋實驗，采用兩套反應器分別模擬直接填埋(無袋)和帶內膜編織袋包裝填埋(有袋)，兩套反應器填埋的固化塊總量均為150 kg。

1.4 分析方法

1.4.1 固化實驗分析方法

以被固化滲濾液中的污染物總量與固化塊浸出液中的污染物質總量進行對比，計算污染物質的固定率，分別計算固化實驗中COD和鹽度的固定率，以此確定最佳固化配方。

1.4.2 模擬填埋實驗分析方法

根據浙江省某市近3年降雨量，計算得到每周反應器布水量(自來水)為4 L。反應器運行前測量頂空高度，使用卷尺沿柱子橫截面直徑上等距取3點測定頂空高度，取平均值；運行期間每隔7天從反應器下部的儲液空間抽取水樣測定鹽度、COD、氨氮、Pb、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg、As含量，每兩周測1次頂空高度變化。

2 結果與討論

2.1 滲濾液固化配方優(yōu)化

固化配方優(yōu)化實驗中，液固比對滲濾液固化效果具有明顯影響，液固比為1 mL/g時固化效果最佳，滲濾液加入量過大時，固化體系無法適應將導致固化效果變差。適量的偏高嶺土在滲濾液中通過縮聚反應形成聚合物增強固化體系的耐鹽性，固化體系中水泥與偏高嶺土的質量比為3∶2時最合適，即20 mL滲濾液中添加12 g水泥與8 g偏高嶺土混合固化。在此固化基礎上添加硅藻土和活性炭提高固化效果，滲濾液中COD和鹽度的固定效果見表2。可以看出，在添加滲濾液20 mL，水泥12 g，偏高嶺土8 g的固化體系中，混合添加適量的硅藻土和活性炭可以提高污染物固定率，當活性炭添加量為0.05 g時，同時添加硅藻土0.1 g，COD和鹽度固化效果最佳，固定率分別為95.1%、86.1%，當硅藻土與活性炭添加量過多時，兩者可能因為拮抗作用反而導致固化效果下降。在此基礎上，對加入不同含量玻璃纖維的固化塊進行養(yǎng)護觀察，發(fā)現當玻璃纖維的添加量為0.5 g時，養(yǎng)護后的固化塊表面光滑無裂痕，雖然增大玻璃纖維的添加量可以繼續(xù)提高抗裂效果，但是綜合考慮性價比，0.5 g的玻璃纖維添加量最為適宜。綜上，滲濾液的最佳固化配方為：水泥0.6 kg/L、偏高嶺土0.4 kg/L、活性炭2.5 g/L、硅藻土5.0 g/L及玻璃纖維25 g/L。

表2 硅藻土和活性炭聯(lián)合作用下COD和鹽度的固定率

2.2 固化塊填埋后的長期淋溶特征

2.2.1 有機物的淋溶特征

為評估滲濾液固化塊有機物的淋溶特征，連續(xù)監(jiān)測反應器每周出水COD，結果見圖2?？梢钥闯觯瑑商追磻鞒鏊瓹OD相近，變化趨勢總體相同。固化塊經過165 d的淋溶后，只有極少量有機物浸出，反應器出水COD波動不大，平穩(wěn)保持在50 mg/L以下，遠低于《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)一級標準(100 mg/L)；出水COD較原始滲濾液而言濃度極低，說明固化塊在模擬填埋過程中幾乎不會釋放有機物，并且固化塊裝袋與否對有機物的釋放影響不大。由此可見，固化后再填埋能有效抑制滲濾液中有機物向環(huán)境釋放。

圖2 出水COD的變化趨勢Fig.2 Variation trend of effluent COD

2.2.2 鹽度淋溶特征

反應器每周出水鹽度測定結果見圖3。兩套反應器出水鹽度及變化趨勢相近，固化塊經過165 d的淋溶后，只有極少量鹽度浸出，在淋溶的前42天，兩套反應器出水鹽度由0.08 g/L提高到0.15～0.34 g/L，而在淋溶49 d后，反應器出水鹽度總體在0.4 g/L上下浮動，相較于原始滲濾液而言鹽度極低，僅為原始鹽度的約0.5%，說明固化塊在模擬反應器中只有極少的鹽分釋放，且裝袋與否對鹽分的釋放影響不大。由此可見，固化后再填埋也能有效抑制滲濾液中鹽分向環(huán)境釋放。

圖3 出水鹽度的變化趨勢Fig.3 Variation trend of effluent salinity

2.2.3 重金屬淋溶特征

反應器每周出水重金屬的測定結果見圖4。兩套反應器重金屬浸出濃度變化趨勢相近，且重金屬浸出濃度均極低。經過165 d的淋溶后，浸出液中只有極少重金屬，Pb、Cd、Cu、Cr、Ni、Zn等的浸出質量濃度均低于0.1 mg/L，這表明固化塊在模擬填埋過程中只有極少的重金屬釋放，裝袋與否對重金屬的釋放影響不大，也即固化方法可以有效穩(wěn)定滲濾液中的重金屬。

2.2.4 氨氮淋溶特征

反應器每周出水氨氮的變化趨勢見圖5。兩套反應器的出水氨氮濃度以及變化趨勢相近，固化塊經過165 d的淋溶后，只有極少的氨氮浸出。

圖4 出水重金屬的變化趨勢Fig.4 Variation trend of effluent heavy metals

圖5 出水氨氮的變化趨勢Fig.5 Variation trend of effluent ammonia nitrogen

淋溶過程中，反應器出水氨氮濃度波動總體不大，基本穩(wěn)定在12 mg/L左右，滿足GB 8978—1996一級標準(15 mg/L)。較原始滲濾液而言，反應器出水氨氮僅為原始滲濾液的0.1%左右，固化塊在模擬填埋過程中幾乎沒有氨氮釋放，裝袋與否對氨氮釋放的影響不大，固化后再填埋可有效抑制滲濾液中氨氮向環(huán)境釋放。

2.3 滲濾液固化塊長期淋溶下的沉降性能

經測定，有袋和無袋反應器初始頂空高度分別為45.6、44.0 cm，經過165 d的淋溶后，兩反應器的頂空高度分別為46.3、44.6 cm，這說明長期填埋處理下固化塊基本不會發(fā)生明顯下沉現象，持續(xù)外部降雨淋溶的情況下，固化塊不會發(fā)生變形、破碎等情況。由此可見，滲濾液固化塊在填埋場內能穩(wěn)定長期存在，在保持其機械性能不變形的同時，牢固地束縛滲濾液中的各種污染物，極大降低了處理難度，為當前危險廢物填埋場后續(xù)的滲濾液處理難題提供新的選擇。

為后續(xù)更方便地投入工程運用，對前述最佳固化配方進行初步成本預算，所需要的材料、設備和人工費用均參考適時市場行情，計算得到滲濾液固化處理成本約1 238元/m3。當前，對于此類滲濾液的處理還缺乏有效途徑，各種高級處理技術如膜法等雖然能使部分出水達標，但遺留下的濃縮液成分更復雜，處理難度更大。因此，對滲濾液的處理需要轉換思維，本研究提出的固化處理后回填至危險廢物填埋場的方法相較于常規(guī)污水處理工藝更容易克服高鹽高有機物的處理難點，更為重要的是，通過固化處理，使得污染物能穩(wěn)定、安全地“儲存”于危險廢物填埋場，切斷了鹽和有機物“填埋-溶解”的釋放途徑。此外，固化處理工藝設備簡單、能耗低、占地面積小，投資成本低，相較于其他滲濾液的處理工藝投資成本大大降低[17]。

3 結 論

經過批次固化實驗，得到危險廢物填埋場滲濾液最佳固化方式為CaO調節(jié)pH至9～10，主要固化基料為水泥0.6 kg/L、偏高嶺土0.4 kg/L、活性炭2.5 g/L、硅藻土5.0 g/L及玻璃纖維25 g/L，在此條件下具有最佳的有機物和鹽分固化效果，COD、鹽度固定率分別可達95.1%、86.1%?；谠摴袒Ч麡嫿M固化塊再填埋實驗，在165 d的連續(xù)模擬降雨淋溶下，固化塊能在填埋場內穩(wěn)定長期存在，并牢固束縛其中各種污染物，且固化塊機械性能不變。危險廢物滲濾液固化再填埋為當前高鹽高有機質滲濾液的處理提供了新的技術選擇。