基于光電化學(xué)技術(shù)處理垃圾滲濾液

孫 悅，劉 彤，戚樹強(qiáng)，高 輝

（哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

垃圾滲濾液預(yù)處理已成為一項(xiàng)難題。傳統(tǒng)處理垃圾滲濾液的方式很多，最常見的方案是填埋、堆肥等。本項(xiàng)目對(duì)傳統(tǒng)垃圾滲濾液處理裝置進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合光電技術(shù)對(duì)垃圾滲濾液處理裝置進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，可大大提高垃圾滲濾液的生化率，對(duì)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

1 產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研

1.1 垃圾滲透液處理不當(dāng)問題

市政建設(shè)弊端已成為現(xiàn)代科學(xué)實(shí)體化的重要部分，如何提升生活垃圾純凈化、無污染化、可回收化成為垃圾滲濾液處理行業(yè)的重要問題。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的監(jiān)管力度越來越強(qiáng)，居民生活水平逐漸提高，對(duì)水質(zhì)要求也越來越高。但生活垃圾中的滲透液對(duì)水質(zhì)問題的影響也越來越大，顯現(xiàn)出了很多問題。例如很多地方垃圾滲濾液處理設(shè)施不妥當(dāng)，處理廠裝置老化，甚至有的地方出現(xiàn)垃圾滲濾液隨意偷排的現(xiàn)象，使得附近居民難以正常生活，甚至造成了河流污染，產(chǎn)生了巨大的環(huán)境問題。垃圾填埋滲透液是一種高濃度、高污染的有機(jī)廢水，在處理的過程中難度巨大，一般采用氨吹脫法、絮凝沉淀法、高級(jí)氧化法等不同的方法進(jìn)行處理[1]。

1.2 生活垃圾處理量的變化

2011 年至2019 年，我國(guó)生活垃圾處理量呈現(xiàn)出增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2019 年為24013 萬噸，比2018 年增長(zhǎng)6.4%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)總計(jì)以及廢棄物資源化控管能力變化趨勢(shì)初步估計(jì)，2021年我國(guó)生活垃圾處理量為28590萬噸。由于國(guó)家環(huán)保政策的變化，2011 年至今，垃圾焚化處理逐漸代替廢棄物回填已成首要做法。2019 年，垃圾填埋量占比45.59%，垃圾焚燒量占比50.70%，綜合處理量占比3.71%。2020 年，前瞻估計(jì)垃圾焚燒量占比將繼續(xù)增加到57.05%，垃圾填埋量占比將減少至38.30%。

由于目前我國(guó)垃圾分類還不健全，日常生活垃圾相對(duì)濕度通常都大于50%，所以垃圾處理廠形成的滲濾液一般來說占垃圾填埋量的35%～50%，少部分區(qū)域受地理環(huán)境、降雨量等負(fù)面影響，垃圾處理廠的出口量占垃圾回填量甚至可以達(dá)到50%左右，而我國(guó)的垃圾處理廠形成的滲濾液則大多來源于新鮮廢棄物在垃圾儲(chǔ)坑中發(fā)酵熟化時(shí)瀝出的水份。

現(xiàn)階段，我國(guó)垃圾焚燒廠產(chǎn)出的滲濾液通常占垃圾焚燒量35%以下(重量比)，個(gè)別省份高達(dá)35%以上。綜上所述，根據(jù)垃圾填埋廠產(chǎn)出的滲濾液占垃圾填埋量的37%，垃圾焚燒廠產(chǎn)出的滲濾液占垃圾焚化量的28%，垃圾處理廠產(chǎn)出的滲濾液占垃圾處理量的36%。我國(guó)垃圾焚燒廠產(chǎn)生的滲濾液一般占垃圾焚燒量25%～35%（重量比），部分地區(qū)超過35%以上。

1.3 垃圾滲濾液處理情況

2011 年至2019 年全國(guó)生活垃圾滲濾液產(chǎn)出量年年增長(zhǎng)，2019 年，我國(guó)生活垃圾產(chǎn)出量高達(dá)8349.36 萬噸，同比增長(zhǎng)4.63%，預(yù)計(jì)2020 年我國(guó)城市無害化處理生活垃圾滲濾液產(chǎn)出量將達(dá)到8716.50 萬噸。

2 項(xiàng)目研究現(xiàn)狀及分析

2.1 國(guó)內(nèi)垃圾滲濾液研究情況

目前我國(guó)科學(xué)家陸續(xù)開展了光電氧化法處理滲透液方向的研究。以國(guó)內(nèi)某科技公司臭氧高級(jí)氧化旋流溶氣氣浮一體化裝置為核心技術(shù)的專利工藝對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行處理，該技術(shù)是科力邇公司自主開發(fā)的專利技術(shù)，能夠?qū)ι罾鴿B濾液進(jìn)行高效、綜合的處理，可降快速降低COD、氨氮、脫色、除臭、殺菌等。該技術(shù)整體處于國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平，目前已經(jīng)得到逐步的發(fā)展和應(yīng)用。

廣州的FCM 自電解+SAO3臭氧催化氧化+BAF 工藝改造前垃圾滲濾液沒有經(jīng)過預(yù)處理直接進(jìn)入生化系統(tǒng)，可能引發(fā)生化系統(tǒng)受阻，更新改造后通過自電解進(jìn)行預(yù)處理，可去除50%以上的COD 和95%以上的重金屬，保證生化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

北京市化工企業(yè)選用光電催化氧化技術(shù)對(duì)滲濾液展開處理。經(jīng)光催化，高分子化學(xué)及光電催化氧化反應(yīng)后多元酸出水的COD、需氧量以及飽和度去除率展開了對(duì)照研究組。

結(jié)果表明，光電催化技術(shù)可將滲濾液中大量大分子有機(jī)物內(nèi)部組成破壞，使其降解為小分子物質(zhì)，進(jìn)而進(jìn)行下一步處理。

2.2 國(guó)外垃圾滲濾液處理情況

1894 年，比利時(shí)充分利用Fenton 氧化法在預(yù)處理難水解日常生活的無機(jī)污水上，有著大多電化學(xué)氧化法無可比擬的特點(diǎn)，迄今為止已熟練運(yùn)用若干種處理滲濾液的方法，但H2O2價(jià)格昂貴，生產(chǎn)量過高，所以在實(shí)際操作中，通常與其他操作過程一起使用，將其用作城市污水的提純或最后根本性處理。Fenton 試劑主要用于污水的處理或最后根本性處理，用少部分Fenton 試劑對(duì)城市污水進(jìn)行處理，使污水中難分解腐蝕性的物質(zhì)出現(xiàn)部分分解，改變其可再生性、可溶性和混凝性能，有助于后續(xù)處理。[2]

瑞士的英瑞水處理法方案則是通過采用瑞士進(jìn)口的AFM 濾料作為過濾介質(zhì)，大大改善了物理過濾系統(tǒng)，使過濾效果高達(dá)到4 微米級(jí)別，能有效地減少細(xì)菌繁殖所需的物質(zhì)，讓細(xì)菌無法生長(zhǎng)。采用的是抑制細(xì)菌生長(zhǎng)方式，從而消滅細(xì)菌，而不是通過傳統(tǒng)的方式直接殺死細(xì)菌，處理過后的水質(zhì)穩(wěn)定、清澈、無異味，可回用，可食用。

2.3 國(guó)內(nèi)外垃圾滲濾液處理缺陷

國(guó)內(nèi)臭氧氧化反應(yīng)分為直接反應(yīng)和間接反應(yīng)，直接反應(yīng)氧化電位為2.08V，氧化電位低且反應(yīng)具有選擇性，無法完全氧化各種污染物；間接反應(yīng)是利用指導(dǎo)作用促使臭氧分解并產(chǎn)生大量羥基自由基，該自由基不但氧化電位高(僅次于氟)，氧化性強(qiáng)，而且無選擇性能夠氧化各種污染物。

國(guó)外本身的一些瓶頸問題如能耗大，雖然氧傳質(zhì)效率高，但曝氣不僅需要生物降解提供溶氧，還必須保持載體流化狀態(tài)；硫化床內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流態(tài)化特征非常復(fù)雜，對(duì)其流體力學(xué)特性研究課題匱乏，給設(shè)計(jì)模塊化造成了麻煩，泥水分離靠重力場(chǎng)作用，載體已散失，出水口水體質(zhì)量極差。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 電化學(xué)法處理異味

垃圾滲濾液中包含大部分氫化物和氯化物，把垃圾滲濾液加入電解池（電極為惰性材料）進(jìn)行電解除去NH3。凈化垃圾滲濾液凈化過程分為兩步：第一步是電解產(chǎn)生氧化劑，第二步是氧化劑氧化氨氮物質(zhì)生成氮?dú)庖赃_(dá)到消除異味的效果。

3.2 光電濃度測(cè)量器

為了提高裝置自動(dòng)化程度，我們?cè)O(shè)計(jì)出了測(cè)量滲濾液濃度自動(dòng)控制滲濾液量的裝置。整個(gè)電路圖由光耦繼電器和滲透液濃度控制裝置組成。光耦繼電器是一種固相繼電器，它用光偶催化靜電感應(yīng)通過中央處理器傳送適量的電信號(hào)。以光為介質(zhì)傳遞電信號(hào)整個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)電光電的轉(zhuǎn)換，從而驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，最后連接一個(gè)濃度控制裝置，滲透液底部安有閥門。最右端安有控制器，控制器上有小燈，當(dāng)滲透液濃度達(dá)到具體要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，燈就會(huì)亮起，進(jìn)而啟動(dòng)開關(guān)控制閥門控制滲透液流出。

3.3 運(yùn)用高級(jí)氧化技術(shù)增加滲濾液可生化率

運(yùn)用高級(jí)氧化技術(shù)對(duì)各種有機(jī)物降解具有無選擇性、不會(huì)產(chǎn)生二次污染、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于滲濾液，利用高分子化學(xué)水解法可以將其中的氨氮、COD 和各種復(fù)雜的有機(jī)物合理去除，最高去除率超過70%。設(shè)計(jì)中使用SnO2/Ti 材質(zhì)的板材作為陽極以及不銹鋼材質(zhì)的板材作為陰極，極板間距設(shè)置為5 毫米，電流密度為7.5A/dm2，投入的氯化鈉量為每100 毫升2 克，處理時(shí)間控制在120 分鐘之內(nèi)。氨氮進(jìn)水濃度和出水濃度分別應(yīng)控制在4085mg/L 和1209mg/L[3]。從有害物質(zhì)的氧化結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，在陽極的高分子氧化包含直接陽極氧化和間接陽極氧化兩種氧化作用，在有機(jī)體兼容有機(jī)物和無機(jī)物的預(yù)處理過程中，直接陽極氧化充分發(fā)揮著極其有效的分解作用，如對(duì)苯酚、可溶性有機(jī)染料、氰化物的直接分解。在電極直接氧化反應(yīng)過程中，底物濃度的大小會(huì)使高分子表面反應(yīng)受到分子熱約束。除了直接氧化，在陽極還會(huì)產(chǎn)生氧化物的異相氧化、強(qiáng)氧化性的活性物質(zhì)、氧化還原電子對(duì)等[4]，并且對(duì)環(huán)境污染有機(jī)物作出間接陽極氧化作用。但需注意的是，COD的進(jìn)水和出水濃度分別為44100mg/L 和1369mg/L 時(shí)，去除率有所下降，為68.94%[5]。借助GCMS 法對(duì)滲濾液處理過程前后的有機(jī)、無機(jī)氨氮化物做出科學(xué)分析可知，原水中結(jié)果顯示出60 多種非常復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，處理后有機(jī)化學(xué)物質(zhì)減少，總計(jì)還有40 余種。之前有數(shù)十種化學(xué)物質(zhì)被列入自然環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單，之后已經(jīng)降低到只有8 種化學(xué)物質(zhì)被列入自然環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單，因而在某種程度上減低了這些化學(xué)物質(zhì)的毒性。通過GCMS 法對(duì)滲濾液處理前后的有機(jī)污染物進(jìn)行進(jìn)定性分析可以發(fā)現(xiàn)，垃圾滲濾液可生化率得到了大幅度提高。電流密度為7.5A/dm2、溫度為40℃，不同極板間距時(shí)COD和NH3-N的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很明顯[6]。

經(jīng)過電化學(xué)處理，垃圾滲濾液ρ(BOD5)/ρ(COD)的值由原來的0.22 提高到0.71[7]，表明處理后出水，若經(jīng)過生物工程處理后可達(dá)污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)路線設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

1.有效降低垃圾滲濾液排放出的異味。

2.智能化，可按照滲濾液濃度自動(dòng)改變滲濾液用量。

3.高級(jí)氧化方式增加滲濾液生化率。

4.2 技術(shù)路線設(shè)計(jì)

首先，滲濾液經(jīng)過電化學(xué)法而降低異味，降低異味的滲濾液進(jìn)入儀器內(nèi)部。儀器內(nèi)部通過控制濃度裝置控制滲濾液的進(jìn)入量，接下來通過電化學(xué)氧化法處理滲透液，使?jié)B透液的可生化率得到了大幅度提升，產(chǎn)生更多的可生化物質(zhì)。

5 商業(yè)價(jià)值

5.1 現(xiàn)狀

當(dāng)前，一些城市在處理日常生活垃圾的過程中，一般來說都會(huì)采用安全衛(wèi)生填埋的處理方法，如此就很容易產(chǎn)生垃圾滲濾液，而且日常生活垃圾滲濾液的水體特性會(huì)因?yàn)樘盥駮r(shí)段不同而出現(xiàn)顯著差別。

5.2 可行性分析

在過去垃圾滲濾液的處理方法大多是填埋、堆肥等方法，對(duì)環(huán)境污染極大，現(xiàn)在處理垃圾滲濾液的方式雖然得到了提升，但在垃圾滲濾液分配方面沒有較好的處理方法，而我們的方案解決了這個(gè)問題，根據(jù)垃圾滲濾液濃度自動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了高低濃度的區(qū)分，使?jié)B濾液處理更加完善。而且光耦繼電器的優(yōu)點(diǎn)很多且使用壽命長(zhǎng)，節(jié)約了大量成本。

垃圾滲濾液處理中氮氧含量還在增加，而氮氧含量的增多則會(huì)導(dǎo)致地面水體缺氧、水質(zhì)惡化等嚴(yán)重問題，而光電化學(xué)技術(shù)可以有效去除滲濾液中的氮氧，也可使垃圾滲濾液生化需氧量和化學(xué)需氧量的比值得到明顯提升，使可生化性變高，進(jìn)而再行再生處置可達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而排放。

由此可見，光電濃度自動(dòng)檢測(cè)器的可行性很高。

5.3 先進(jìn)性分析

1.相對(duì)于傳統(tǒng)的填埋和堆肥的處理方法有很對(duì)的弊端，對(duì)環(huán)境、對(duì)土地多少都有污染和破壞。現(xiàn)在高級(jí)氧化法的普及使得環(huán)境問題得到了很大改善。

2.根據(jù)垃圾滲濾液濃度自動(dòng)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了高低濃度的區(qū)分，使?jié)B濾液處理更加完善。

3.引進(jìn)光耦繼電器的使用有很多的優(yōu)點(diǎn)且使用壽命長(zhǎng)，節(jié)約了大量成本，由此可見，光電濃度自動(dòng)檢測(cè)器的可行性很高。

4.垃圾滲濾液處理中氮氧含量還在增加，而氮氧含量的增多會(huì)導(dǎo)致地面水體缺氧、水質(zhì)惡化等嚴(yán)重問題，而光電化學(xué)技術(shù)可以有效去除滲濾液中的氮氧，也可使垃圾滲濾液生化需氧量和化學(xué)需氧量的比值得到明顯提升，使其可生化性變高，從而經(jīng)過生化處理可達(dá)標(biāo)排放。

6 營(yíng)銷策略

我國(guó)垃圾處理是一個(gè)十分棘手的問題，隨著垃圾的增多，垃圾滲濾液也隨之增多。對(duì)此，我們制訂了下述市場(chǎng)營(yíng)銷設(shè)計(jì)方案：

1.利用互聯(lián)網(wǎng)推廣，設(shè)置專門網(wǎng)頁用于推廣本產(chǎn)品，向賣家介紹使用方式和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。

2.通過關(guān)鍵詞營(yíng)銷，比如客戶在搜索“垃圾”時(shí)就會(huì)定向推送我們商品的廣告。

3.采用業(yè)務(wù)捆綁方式，例如購(gòu)買本產(chǎn)品終身保修等對(duì)買家有利的推廣方式。

4.以舊換新，舊設(shè)備返回廠里維修，新設(shè)備根據(jù)舊設(shè)備損壞程度收取少量維修費(fèi)用。

5.免費(fèi)給有需求的企業(yè)進(jìn)行技術(shù)宣傳，對(duì)有關(guān)企業(yè)的員工進(jìn)行培訓(xùn)指導(dǎo)。

6.向商家介紹此裝置的創(chuàng)新點(diǎn)，介紹升級(jí)后裝置的優(yōu)勢(shì)，并提供上門安裝等服務(wù)。