垃圾渗滤液的特点和处理技术探讨

1　垃圾渗滤液的成分和性质

    填埋作为一种城市固体废弃物（垃圾）处理方式已被国内外广泛应用，在我国目前有90%左右的城市固体废弃物是用填埋法处理的^[1]。由于压实和微生物的分解作用，垃圾中所含的污染物将随水分溶出，并与降雨、径流等一起形成垃圾渗滤液。

1.1　垃圾渗滤液的来源和产生量

    垃圾渗滤液的产生受诸多因素影响，不仅水量变化大，而且变化无规律性。其主要来自以下五个方面：①降水的渗入②外部地表水的流入③地下水的渗入④垃圾本身含有的水份⑤微生物厌氧分解产生的水。

　　所以降水量、蒸发量、地面流失、地下水流入、垃圾的特性、地下层结构、表面覆土和下层面排水设施情况对渗滤液的产生量都有影响。虽然渗滤液产生量波动较大，但对与同一地区填埋场，其单位面积的年平均产生量是在一定范围内变化的^[2]。

1.2　垃圾渗滤液的成分和特性

    通常，垃圾渗滤液中的有机物可分为3种：①低分子量的脂肪酸②中等分子量的灰黄霉酸类物质③高分子量的碳水化合物类物质、腐殖质类。 渗滤液中的有机成分随填埋时间而变化。填埋初期，渗滤液中的有机物的可溶性有机碳约90%是短链的可挥发性脂肪酸，其中以乙酸、丙酸和丁酸浓度最大。其次的成分是带有相对高密度的羟基和芳香族羟基的灰黄霉酸。随着填埋时间的增加，填埋场逐步趋于相对稳定，此时，渗滤液中挥发性脂肪酸含量减少，而灰黄霉酸和腐殖质类成分则增加。

   垃圾渗滤液的特性如下：

　　① 有机污染物种类繁多，水质复杂。

　　② 污染物浓度高，变化范围大。

　　渗滤液中污染物浓度及其变化范围见表１所示。

表１　渗滤液中污染物浓度及其变化范围^[4]

     Tab. 1　The Pollutant Density of Landfill Leachate

　　③ 水质水量变化大。产量随季节变化大，雨季明显大于旱季。
　　④ 金属含量高。

    垃圾渗滤液中含有10多种金属离子，由于国内垃圾不像国外某些城市那样经过严格的分类和筛选，所以国内外垃圾渗滤液中金属离子浓度有差异。其中铁浓度可高达2050mg/L,铅的浓度可达12.3 mg/L，锌的浓度可达130mg/L，钙的浓度可达4300 mg/L^[3]。

　　⑤ 氨氮含量高。

    高氨氮浓度是城市垃圾渗滤液的重要水质特征之一，随着垃圾填埋年数而增加，可以高达1700mg/L,渗滤液中的氮多以氨氮形式存在，约占TN的70%～80%。

　　⑥营养元素比例失调。

    对于生化处理，污水中适宜的营养元素比例是BOD₅:N:P=100:5:1,而一般的垃圾渗滤液中的BOD₅:P大都大于300,与微生物所需的磷元素相差较大。

　　1.3　垃圾渗滤液的特性与埋龄的关系

    垃圾填埋后，随着填埋年龄的增长，垃圾中有机物的降解速率、垃圾的持水能力和水的透过性能均发生变化。所产生的渗滤液性质在填埋场的不同年龄中也会有不同的性质。随着时间的增长，垃圾中难降解的高分子有机物逐渐取代了可生物降解的有机物。如表２所示。

    表２　渗滤液特性与填埋场年龄关系^[５]

Tab. 2　The Relationship Between Characteristic and age of landfill leachate

　　1.4　我国不同城市垃圾填埋场渗滤液成分

    渗滤液中的有机污染负荷主要由于城市垃圾中剩余废弃物的含量决定，因人们的生活水平、生活习惯及环保意识不同而异。表３总结了国内不同城市部分垃圾渗滤液中主要污染物的成分和含量，供科研人员参考。

表３　国内不同城市垃圾渗滤液主要成分对比

Tab. 3　the Contrasting Among Diffirent Cities Landfill Leachate

2 垃圾渗滤液的处理技术

    垃圾渗滤液作为一种高浓度有机废水，如不及时对其进行收集、处理，将造成对地下水，地表水及垃圾填埋场周围环境的污染和影响。目前国内外主要的垃圾渗滤液处理技术有以下几种。

   就地循环处理技术

    渗滤液循环处理就是在有防渗衬层的垃圾填埋场中，设置垃圾渗滤液的收集系统，将产生渗滤液回流至垃圾填埋场进行循环。对垃圾降解影响主要的环境因素包括pH、营养成分、毒素含量、水分含量、颗粒大小以及氧化还原电位等，而其中最关键的参数是水分含量。一般垃圾含水率平均为28%,使微生物最活跃需要维持55％的含水率，所以通过喷灌器向垃圾堆顶层或通过专有管道打回流，使渗滤液回到垃圾堆层，使有机物在微生物的分解下尽快形成生物膜，使滤液中的水得到净化；同时也加速了垃圾中有机物成分的快速降解。

   垃圾渗滤液循环处理技术有如下的优点：

　　① 促进垃圾加速降解

　　② 减少渗滤液流量

　　③ 有效固结重金属

　　④ 有利于垃圾中有机物的气化

　　⑤ 促进垃圾填埋场的稳定化

    但是受到填埋场特性的限制，回灌并不能完全消除渗滤液，而且回灌后的渗滤液氨氮含量高，仍需要进一步处理后才能排放。故该方法不能独立作为渗滤液的处理后排放工艺，还需其他后续处理设施配合。

    生物处理技术

    目前国内外渗滤液的处理工艺，总体上采用以生物处理为主体工艺。针对我国国内渗滤液高氨氮、高有机物的特点，厌氧＋好氧组合的渗滤液处理工艺一直是国内外研究的热点。

    厌氧－好氧处理工艺与单独的厌氧或好氧工艺相比，具有以下特点：

　　① 由于在厌氧阶段可大幅度去除水中的悬浮物和有机物，其后续好氧处理工艺的污泥量可得到有效的减少，从而设备容积也可缩小，有报道，在实践中厌氧－好氧处理工艺的总容积不到单独好氧工艺的一半。

　　② 厌氧工艺可对进水负荷的变化起缓冲作用，从而为好氧处理创造较为稳定的进水条件。

　　③ 厌氧处理能耗低和费用地，且其对废水中有机物的去除亦可节省好氧段的需氧量和相应的能耗，从而节省整体工艺的运行费用。

　　④ 单独用厌氧系统其出水往往不能达到处理要求和排放标准；单独用好氧工艺对高浓度且水质水量不稳定的废水的抗冲击能力不如厌氧法。

    对于高氨氮垃圾渗滤液而言，2000～3000mg/L的NH₃-N含量对生化反应有很大的冲击力。一般在进行生化处理前，需要进行氨氮的吹脱和气提。根据后续采用的生化处理工艺，NH₃-N含量预处理后需降至200～800mg/L。

2.2.1 国内外应用实例

   绍兴市大坞岱垃圾填埋场^[５]采用两级厌氧（HRT分别为18.76d和20d）+两级活性污泥法（HRT分别为0.17d和0.33d）+混凝沉淀+生物氧化塘（HRT分别为12d）工艺处理进水COD、BOD5和NH3-N浓度分别为5800mg/L、3000mg/L、800mg/L的渗滤液后，出水COD、BOD5和NH3-N浓度分别低于150 mg/L、60mg/L、250mg/L。

   Hoilijoki^[６]对无填料活性污泥反应器和投加塑料填料的反应器对厌氧处理后城市垃圾渗滤液（出水COD、NH3-N浓度分别为270～1000mg/L、53～270 mg/L）的硝化效果。反应器分别在10℃、7℃、５℃下运行了149d、2d、16d。在0.027gNH₃-N/(gMLVSS.d)的负荷率、约3d的停留时间及10℃条件下运行，两个反应器均实现了完全硝化。但在５℃，在0.010gNH₃-N/(gMLVSS.d)的负荷率下运行，在投加塑料填料的反应器实现了完全硝化，但在无填料活性污泥反应器中的去除率不到61%。实验表明在低温时和不同负荷条件下，有填料比没填料的好氧反应器硝化效果好。

    深圳填埋场的渗滤液COD、BOD5和NH3-N浓度(见表３所示)远远高于国内其他城市填埋场。当地污水处理要求填埋场渗滤液经处理后必须达到COD<600 mg/L、 NH3-N<25 mg/L的标准后才能外排城市市政污水处理厂。王宝贞^[７]采用厌氧复合式反应器+氨吹脱+AO淹没式生物膜曝气池+化学沉淀工艺对其进行处理。厌氧反应器：MLSS=3389 mg/L;AO池缺氧段：MLSS=2828 mg/L;氨吹脱塔：MLSS=2157mg/L。UASB厌氧反应器（HRT为2.0d，T=20～34℃,COD容积负荷率为9.5kgCOD /m³.d）,氨吹脱塔（pH为9.1，HRT为5h,水循环比为25:1,气水比为280:1）,A/O淹没式生物膜曝气池（HRT为22.1h,缺氧池为6.5h,好氧池为15.6h;出水回流比R=3），后续混凝深度处理投加PAC 200～300 mg/L；出水COD低于600 mg/L，NH₃-N<25 mg/L,达到当地城市下水管道的排放标准。

   反渗透处理技术

   对于老化的填埋场渗滤液，是极其难以生物降解的，其BOD₅/COD比值<0.1，有的甚至<0.01，此时采用生物处理方法处理收效甚微。因此，一些运行了数十年的老填埋场，其原有的渗滤液生物处理设施大都弃置不用，而改用以膜分离法为主（尤其是反渗透膜法）的处理系统。

   反渗透的分离原理主要是使水溶液能够顺利地通过膜，而其他的化合物则或多或少被膜截留。反渗透的操作压力一般为1.5～10.5MPa,截留组分为（1～10）x10^-10m的小分子。反渗透装置有如下优点：①自动化程度高②场地利用率高③几乎与进水的种类和浓度无关④发生故障时，启闭和关闭时间短⑤由于采用膜组件结构，容易改建和扩建。

   反渗透膜（RO）的渗透流量的主要是进水温度和净推动力（NDP）的函数。净推压（NDP）是作用于半透膜两边的施加压和渗透压的差值。在给定的温度下，渗透流量与NDP成比例关系。当温度上升，水的黏度降低，推动一定容量的水通过膜的NDP将减少。NDP方程可写为：

　　NDP=P_feed+P_{osmotic(permeate)}-P_permeate-P_{osmotic(feed)}

　　P_feed:进水侧的施加压；

　　P_{osmotic(permeate)：}：渗透侧的渗透压（很小可省略）；

　　P_permeate：渗透侧的施加压；

　　P_{osmotic(feed)}：进水侧的渗透压。

　　注意：①如果存在结垢或者淤塞，需要更大的NDP以克服结垢和淤塞物质的阻力。②如果膜被化学物质攻击或者机械撕破，需要更小的NDP来推动一给定数量的渗透量通过膜。

2.3.1反渗透膜组件的类型

   膜组件的类型主要有管式膜组件、盘式膜组件、螺旋卷式膜组件以及其他改进的膜组件形式（如盘管式，DT-RO式等），它们主要不同点是组件密度（膜面积／膜组件）不同。最近开发的螺旋卷式膜组件以大大改进了反渗透处理技术，它具有较好的水力特性，而且因为液体进入螺旋卷式膜组件时是径直流入而不发生偏移，不像盘式膜组件那样容易结垢。

   从膜污染概率上看，从管式膜组件到宽间隔膜组件再到盘式膜组件依次增加，因此废水处理前后必须进行深度处理。

   在后续的深度处理阶段，由于进水具有较高的纯度，所以采用高密度的膜组件如螺旋卷式膜组件更经济一些。

2.3.２反渗透膜技术在垃圾渗滤液处理中应用

   德国Ihlenberg填埋场采用DT-RO（盘管式反渗透膜件）二级反渗透处理垃圾渗滤液。进水COD=4142 mg/L、 NH3-N=577 mg/L、电导率=19.07ms/cm;出水进水COD<20 mg/L、 NH₃-N<8 mg/L、电导率<0.38ms/cm;运行中渗透通量平均可达11L/(m².h);平均能耗约为10kw.h/m³。

   北京天地人科技公司采用DT-RO技术对北京阿苏卫、六里屯及北神村垃圾填埋场的渗滤液进行了处理。结果如表４所示。从表中数据可以看出经过二级DT-RO后，COD、NH₃-N的去除率均超过99%。而且该设备能够适应渗滤液水质变化，出水相当稳定，可以达到国家垃圾填埋场污染物控制标准（GB16889-1997）中的一级排放标准的限定值的要求。

表4　DT-RO技术对北京地区垃圾渗滤液处理效果

2.3.３反渗透膜浓缩液的处理

    渗滤液经过膜过滤后的浓缩液是一种高浓度的有机废液，其COD和电导率值往往是原液的３～4倍。目前浓缩液的处理主要有：

　　① 蒸发和烘干处理

    浓缩液的处理是仅有的一组不连续运行的膜组件，同时也没有液体的循环。其流量通过高压泵进行定量控制，约为实际运行能力的几倍。优点是浓缩液在膜组件中的停留时间短，只要不超过溶解极限就可以避免膜阻塞的发生。

　　② 回灌处理

    与回灌法相比，其他方法都没有考虑浓缩液对垃圾场稳定化的促进作用。一般认为，浓缩液回灌到垃圾场中后，经过长期循环可能回导致无机盐的积累从而使电导率升高，不利于RO系统的正常运行。事实上在垃圾填埋场内的碱性环境下，浓缩液中的重金属离子会形成氢氧化物沉淀，而且垃圾降解过程中生成的大分子腐殖质会与重金属离子形成稳定的螯合物。由于局部浓度很高，无机盐回结晶析出，不会随着渗滤液再排出垃圾场。

   目前，德国有15个RO法渗滤液处理厂使用控制回灌处理浓缩液，经过长期的观察和监测，渗滤液中的污染物含量和电导率没有明显升高，而且氨氮浓度有所降低^[８]。

　　③ 其他处理方法。

    浓缩液处理的其他方法也有了重要进展。这些新方法不但要在技术上可行，同时也应考虑生态和经济上的要求，例如：①将浓缩液运到可以焚烧有害废液的焚烧厂焚烧。②用飞灰或污水处理产生的污泥固化浓缩液，然后将干化的剩余物回填到填埋场。

    高级氧化处理技术

    对于某些可生物降解性差的渗滤液，生物处理往往难于进行。而采用物化工艺处理则运行成本过高，并且有时会产生难于处理的残余物。目前，高级氧化技术（AOP），如：臭氧、H₂O₂/UV、Cl₂/UV等对于那些难以生物降解或对生物有毒有害作用的物质的处理，显示出了它独特的优势。

   AOP通过化学氧化产生羟基自由基（.OH）,氧化垃圾渗滤液中的烃基、酮、醛官能团，使芳香环裂开、双键加成和矿化等。主要有以下几种：

　　① 臭氧氧化技术^[9]②Fenton试剂氧化法^[10]③光催化氧化法^[11]④电子辐射处理法^[12、13]⑤活性炭- H₂O₂催化氧化法^[14]。

    J.JWu等^[15]通过对靠近台南市的陈氏里城市垃圾填埋场渗滤液（pH>7.5; BOD₅/COD<0.1）采用以臭氧为主的高级氧化试验，得出：①O₃剂量达到1.2g/L时，BOD₅/COD的比值呈现显著的提高；②臭氧氧化能使渗滤液脱色达到90%；

    Fenton试剂具有反应迅速，温度、压力等条件缓和且无二次污染，价格低廉等优点而被广泛运用。程洁红，李尔炀等^[16]运用Fenton混凝法对重庆市垃圾填埋场的渗滤液进行预处理，COD去除率达到66.9%，可使原水COD从25733mg/L降至8518mg/L，为后续的厌氧-好氧生化处理提供准备。运行条件为：Ph=3.0;FeSO₄.7H₂O=0.4%; H₂O₂=4.3ml/L;反应时间为1h。

    研究表明光催化氧化法中TiO₂投加量要根据不同的水质、不同的光强等因素而定。处理广州李坑垃圾填埋场中的渗滤液时，当光强为1.522Mw/cm²时，TiO₂的最佳投加量为20g/L,当光强为3.044Mw/cm²时，TiO₂的最佳投加量为10g/L;反应时间易控制在1.5～2.5h。波长为253.7nm的紫外线用来处理渗滤液效果好；TiO₂经过450℃煅烧后，催化活性最好，COD、色度均提高20%左右。

   虽然高级氧化技术已展现了良好的处理效果，但由于各种实际操作的原因目前还停留在实验室阶段，还有待广大科研工作者进一步研究。

　　3 垃圾渗滤液的排放标准

　　4 结语

    综上所述，各种垃圾渗滤液的处理技术已经得到广泛的研究。但具体应用时，还需因地制宜地通过技术经济比较，合理地选择渗滤液处理方案。在经济发达且实际条件许可的情况下,可建设独立的处理系统;在经济尚不发达的地区则可采用预处理+合并处理的方案;在无力建设处理设施的情况下则可考虑回灌与合并处理的方案。

    国内对垃圾的处理已经日趋重视，目前已有近百家垃圾填埋处理厂，对其产生的垃圾渗滤液进行有效、而又经济的处理将是我们面临的主要问题，还有有待广大科研工作者深入研究。

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作者简介

邢佶勇  经理   北京大岳咨询有限公司   主要从事市政基础设施投融资顾问工作

Email: xingjy_002@sina.com   15910808122