垃圾滲濾液的特點和處理技術探討
摘要：對我國國內垃圾填埋場滲濾液的成分、性質、危害及垃圾滲濾液處理方式、處理技術的研究和應用進展進行了綜述。重點闡述了垃圾滲濾液的就地循環處理、生物處理、反滲透處理、高級氧化處理技術及部分工程實例,并且對垃圾滲濾液處理技術的發展進行了展望。
關鍵詞：垃圾滲濾液 填埋
1 垃圾滲濾液的成分和性質
填埋作為一種城市固體廢棄物（垃圾）處理方式已被國內外廣泛應用，在我國目前有90%左右的城市固體廢棄物是用填埋法處理的[1]。由于壓實和微生物的分解作用，垃圾中所含的污染物將隨水分溶出，并與降雨、徑流等一起形成垃圾滲濾液。
1.1 垃圾滲濾液的來源和產生量
垃圾滲濾液的產生受諸多因素影響，不僅水量變化大，而且變化無規律性。其主要來自以下五個方面：①降水的滲入②外部地表水的流入③地下水的滲入④垃圾本身含有的水份⑤微生物厭氧分解產生的水。
所以降水量、蒸發量、地面流失、地下水流入、垃圾的特性、地下層結構、表面覆土和下層面排水設施情況對滲濾液的產生量都有影響。雖然滲濾液產生量波動較大，但對與同一地區填埋場，其單位面積的年平均產生量是在一定范圍內變化的[2]。
1.2 垃圾滲濾液的成分和特性
通常，垃圾滲濾液中的有機物可分為3種：①低分子量的脂肪酸②中等分子量的灰黃霉酸類物質③高分子量的碳水化合物類物質、腐殖質類。 滲濾液中的有機成分隨填埋時間而變化。填埋初期，滲濾液中的有機物的可溶性有機碳約90%是短鏈的可揮發性脂肪酸，其中以乙酸、丙酸和丁酸濃度最大。其次的成分是帶有相對高密度的羥基和芳香族羥基的灰黃霉酸。隨著填埋時間的增加，填埋場逐步趨于相對穩定，此時，滲濾液中揮發性脂肪酸含量減少，而灰黃霉酸和腐殖質類成分則增加。
垃圾滲濾液的特性如下：
① 有機污染物種類繁多，水質復雜。
② 污染物濃度高，變化范圍大。
滲濾液中污染物濃度及其變化范圍見表1所示。
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表1 滲濾液中污染物濃度及其變化范圍[4]
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③ 水質水量變化大。產量隨季節變化大，雨季明顯大于旱季。
④ 金屬含量高。
垃圾滲濾液中含有10多種金屬離子，由于國內垃圾不像國外某些城市那樣經過嚴格的分類和篩選，所以國內外垃圾滲濾液中金屬離子濃度有差異。其中鐵濃度可高達2050mg/L,鉛的濃度可達12.3 mg/L，鋅的濃度可達130mg/L，鈣的濃度可達4300 mg/L[3]。
⑤ 氨氮含量高。
高氨氮濃度是城市垃圾滲濾液的重要水質特征之一，隨著垃圾填埋年數而增加，可以高達1700mg/L,滲濾液中的氮多以氨氮形式存在，約占TN的70%～80%。
⑥營養元素比例失調。
對于生化處理，污水中適宜的營養元素比例是BOD5:N:P=100:5:1,而一般的垃圾滲濾液中的BOD5:P大都大于300,與微生物所需的磷元素相差較大。
1.3 垃圾滲濾液的特性與埋齡的關系
垃圾填埋后，隨著填埋年齡的增長，垃圾中有機物的降解速率、垃圾的持水能力和水的透過性能均發生變化。所產生的滲濾液性質在填埋場的不同年齡中也會有不同的性質。隨著時間的增長，垃圾中難降解的高分子有機物逐漸取代了可生物降解的有機物。如表２所示。
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表2 滲濾液特性與填埋場年齡關系[5]
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1.4 我國不同城市垃圾填埋場滲濾液成分
滲濾液中的有機污染負荷主要由于城市垃圾中剩余廢棄物的含量決定，因人們的生活水平、生活習慣及環保意識不同而異。表３總結了國內不同城市部分垃圾滲濾液中主要污染物的成分和含量，供科研人員參考。
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表3 國內不同城市垃圾滲濾液主要成分對比
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2 垃圾滲濾液的處理技術
垃圾滲濾液作為一種高濃度有機廢水，如不及時對其進行收集、處理，將造成對地下水，地表水及垃圾填埋場周圍環境的污染和影響。目前國內外主要的垃圾滲濾液處理技術有以下幾種。
就地循環處理技術
滲濾液循環處理就是在有防滲襯層的垃圾填埋場中，設置垃圾滲濾液的收集系統，將產生滲濾液回流至垃圾填埋場進行循環。對垃圾降解影響主要的環境因素包括pH、營養成分、毒素含量、水分含量、顆粒大小以及氧化還原電位等，而其中最關鍵的參數是水分含量。一般垃圾含水率平均為28%,使微生物最活躍需要維持55％的含水率，所以通過噴灌器向垃圾堆頂層或通過專有管道打回流，使滲濾液回到垃圾堆層，使有機物在微生物的分解下盡快形成生物膜，使濾液中的水得到凈化；同時也加速了垃圾中有機物成分的快速降解。
垃圾滲濾液循環處理技術有如下的優點：
① 促進垃圾加速降解
② 減少滲濾液流量
③ 有效固結重金屬
④ 有利于垃圾中有機物的氣化
⑤ 促進垃圾填埋場的穩定化
但是受到填埋場特性的限制，回灌并不能完全消除滲濾液，而且回灌后的滲濾液氨氮含量高，仍需要進一步處理后才能排放。故該方法不能獨立作為滲濾液的處理后排放工藝，還需其他后續處理設施配合。
生物處理技術
目前國內外滲濾液的處理工藝，總體上采用以生物處理為主體工藝。針對我國國內滲濾液高氨氮、高有機物的特點，厭氧＋好氧組合的滲濾液處理工藝一直是國內外研究的熱點。
厭氧－好氧處理工藝與單獨的厭氧或好氧工藝相比，具有以下特點：
① 由于在厭氧階段可大幅度去除水中的懸浮物和有機物，其后續好氧處理工藝的污泥量可得到有效的減少，從而設備容積也可縮小，有報道，在實踐中厭氧－好氧處理工藝的總容積不到單獨好氧工藝的一半。
② 厭氧工藝可對進水負荷的變化起緩沖作用，從而為好氧處理創造較為穩定的進水條件。
③ 厭氧處理能耗低和費用地，且其對廢水中有機物的去除亦可節省好氧段的需氧量和相應的能耗，從而節省整體工藝的運行費用。
④ 單獨用厭氧系統其出水往往不能達到處理要求和排放標準；單獨用好氧工藝對高濃度且水質水量不穩定的廢水的抗沖擊能力不如厭氧法。
對于高氨氮垃圾滲濾液而言，2000～3000mg/L的NH3-N含量對生化反應有很大的沖擊力。一般在進行生化處理前，需要進行氨氮的吹脫和氣提。根據后續采用的生化處理工藝，NH3-N含量預處理后需降至200～800mg/L。
2.2.1 國內外應用實例
紹興市大塢岱垃圾填埋場[5]采用兩級厭氧（HRT分別為18.76d和20d）+兩級活性污泥法（HRT分別為0.17d和0.33d）+混凝沉淀+生物氧化塘（HRT分別為12d）工藝處理進水COD、BOD5和NH3-N濃度分別為5800mg/L、3000mg/L、800mg/L的滲濾液后，出水COD、BOD5和NH3-N濃度分別低于150 mg/L、60mg/L、250mg/L。
Hoilijoki[6]對無填料活性污泥反應器和投加塑料填料的反應器對厭氧處理后城市垃圾滲濾液（出水COD、NH3-N濃度分別為270～1000mg/L、53～270 mg/L）的硝化效果。反應器分別在10℃、7℃、5℃下運行了149d、2d、16d。在0.027gNH3-N/(gMLVSS.d)的負荷率、約3d的停留時間及10℃條件下運行，兩個反應器均實現了完全硝化。但在5℃，在0.010gNH3-N/(gMLVSS.d)的負荷率下運行，在投加塑料填料的反應器實現了完全硝化，但在無填料活性污泥反應器中的去除率不到61%。實驗表明在低溫時和不同負荷條件下，有填料比沒填料的好氧反應器硝化效果好。
深圳填埋場的滲濾液COD、BOD5和NH3-N濃度(見表3示)遠遠高于國內其他城市填埋場。當地污水處理要求填埋場滲濾液經處理后必須達到COD<600 mg/L、 NH3-N<25 mg/L的標準后才能外排城市市政污水處理廠。王寶貞[7采用厭氧復合式反應器+氨吹脫+AO淹沒式生物膜曝氣池+化學沉淀工藝對其進行處理。厭氧反應器：MLSS=3389 mg/L;AO池缺氧段：MLSS=2828 mg/L;氨吹脫塔：MLSS=2157mg/L。UASB厭氧反應器（HRT為2.0d，T=20～34℃,COD容積負荷率為9.5kgCOD /m3.d）,氨吹脫塔（pH為9.1，HRT為5h,水循環比為25:1,氣水比為280:1）,A/O淹沒式生物膜曝氣池（HRT為22.1h,缺氧池為6.5h,好氧池為15.6h;出水回流比R=3），后續混凝深度處理投加PAC 200～300 mg/L；出水COD低于600 mg/L，NH3-N<25 mg/L,達到當地城市下水管道的排放標準。
反滲透處理技術
對于老化的填埋場滲濾液，是極其難以生物降解的，其BOD5/COD比值<0.1，有的甚至<0.01，此時采用生物處理方法處理收效甚微。因此，一些運行了數十年的老填埋場，其原有的滲濾液生物處理設施大都棄置不用，而改用以膜分離法為主（尤其是反滲透膜法）的處理系統。
反滲透的分離原理主要是使水溶液能夠順利地通過膜，而其他的化合物則或多或少被膜截留。反滲透的操作壓力一般為1.5～10.5MPa,截留組分為（1～10）x10-10m的小分子。反滲透裝置有如下優點：①自動化程度高②場地利用率高③幾乎與進水的種類和濃度無關④發生故障時，啟閉和關閉時間短⑤由于采用膜組件結構，容易改建和擴建。
反滲透膜（RO）的滲透流量的主要是進水溫度和凈推動力（NDP）的函數。凈推壓（NDP）是作用于半透膜兩邊的施加壓和滲透壓的差值。在給定的溫度下，滲透流量與NDP成比例關系。當溫度上升，水的黏度降低，推動一定容量的水通過膜的NDP將減少。NDP方程可寫為：
NDP=Pfeed+Posmotic(permeate)-Ppermeate-Posmotic(feed)
Pfeed:進水側的施加壓；
Posmotic(permeate)：：滲透側的滲透壓（很小可省略）；
Ppermeate：滲透側的施加壓；
Posmotic(feed)：進水側的滲透壓。
注意：①如果存在結垢或者淤塞，需要更大的NDP以克服結垢和淤塞物質的阻力。②如果膜被化學物質攻擊或者機械撕破，需要更小的NDP來推動一給定數量的滲透量通過膜。
2.3.1反滲透膜組件的類型
膜組件的類型主要有管式膜組件、盤式膜組件、螺旋卷式膜組件以及其他改進的膜組件形式（如盤管式，DT-RO式等），它們主要不同點是組件密度（膜面積／膜組件）不同。最近開發的螺旋卷式膜組件以大大改進了反滲透處理技術，它具有較好的水力特性，而且因為液體進入螺旋卷式膜組件時是徑直流入而不發生偏移，不像盤式膜組件那樣容易結垢。
從膜污染概率上看，從管式膜組件到寬間隔膜組件再到盤式膜組件依次增加，因此廢水處理前后必須進行深度處理。
在后續的深度處理階段，由于進水具有較高的純度，所以采用高密度的膜組件如螺旋卷式膜組件更經濟一些。
2.3.2滲透膜技術在垃圾滲濾液處理中應用
德國Ihlenberg填埋場采用DT-RO（盤管式反滲透膜件）二級反滲透處理垃圾滲濾液。進水COD=4142 mg/L、 NH3-N=577 mg/L、電導率=19.07ms/cm;出水進水COD<20 mg/L、 NH3-N<8 mg/L、電導率<0.38ms/cm;運行中滲透通量平均可達11L/(m2.h);平均能耗約為10kw.h/m3。
北京天地人科技公司采用DT-RO技術對北京阿蘇衛、六里屯及北神村垃圾填埋場的滲濾液進行了處理。結果如表4所示。從表中數據可以看出經過二級DT-RO后，COD、NH3-N的去除率均超過99%。而且該設備能夠適應滲濾液水質變化，出水相當穩定，可以達到國家垃圾填埋場污染物控制標準（GB16889-1997）中的一級排放標準的限定值的要求。
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表4 DT-RO技術對北京地區垃圾滲濾液處理效果
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2.3.3反滲透膜濃縮液的處理
滲濾液經過膜過濾后的濃縮液是一種高濃度的有機廢液，其COD和電導率值往往是原液的３～4倍。目前濃縮液的處理主要有：
① 蒸發和烘干處理
濃縮液的處理是僅有的一組不連續運行的膜組件，同時也沒有液體的循環。其流量通過高壓泵進行定量控制，約為實際運行能力的幾倍。優點是濃縮液在膜組件中的停留時間短，只要不超過溶解極限就可以避免膜阻塞的發生。
② 回灌處理
與回灌法相比，其他方法都沒有考慮濃縮液對垃圾場穩定化的促進作用。一般認為，濃縮液回灌到垃圾場中后，經過長期循環可能回導致無機鹽的積累從而使電導率升高，不利于RO系統的正常運行。事實上在垃圾填埋場內的堿性環境下，濃縮液中的重金屬離子會形成氫氧化物沉淀，而且垃圾降解過程中生成的大分子腐殖質會與重金屬離子形成穩定的螯合物。由于局部濃度很高，無機鹽回結晶析出，不會隨著滲濾液再排出垃圾場。
目前，德國有15個RO法滲濾液處理廠使用控制回灌處理濃縮液，經過長期的觀察和監測，滲濾液中的污染物含量和電導率沒有明顯升高，而且氨氮濃度有所降低[8]
③ 其他處理方法。
濃縮液處理的其他方法也有了重要進展。這些新方法不但要在技術上可行，同時也應考慮生態和經濟上的要求，例如：①將濃縮液運到可以焚燒有害廢液的焚燒廠焚燒。②用飛灰或污水處理產生的污泥固化濃縮液，然后將干化的剩余物回填到填埋場。
高級氧化處理技術
對于某些可生物降解性差的滲濾液，生物處理往往難于進行。而采用物化工藝處理則運行成本過高，并且有時會產生難于處理的殘余物。目前，高級氧化技術（AOP），如：臭氧、H2O2/UV、Cl2/UV等對于那些難以生物降解或對生物有毒有害作用的物質的處理，顯示出了它獨特的優勢。
AOP通過化學氧化產生羥基自由基（.OH）,氧化垃圾滲濾液中的烴基、酮、醛官能團，使芳香環裂開、雙鍵加成和礦化等。主要有以下幾種：
① 臭氧氧化技術[9]②Fenton試劑氧化法[10]③光催化氧化法[11]④電子輻射處理法[12、13]⑤活性炭- H2O2催化氧化法[14]。
J.JWu等[15]通過對靠近臺南市的陳氏里城市垃圾填埋場滲濾液（pH>7.5; BOD5/COD<0.1）采用以臭氧為主的高級氧化試驗，得出：①O3劑量達到1.2g/L時，BOD5/COD的比值呈現顯著的提高；②臭氧氧化能使滲濾液脫色達到90%；
Fenton試劑具有反應迅速，溫度、壓力等條件緩和且無二次污染，價格低廉等優點而被廣泛運用。程潔紅，李爾煬等[16]運用Fenton混凝法對重慶市垃圾填埋場的滲濾液進行預處理，COD去除率達到66.9%，可使原水COD從25733mg/L降至8518mg/L，為后續的厭氧-好氧生化處理提供準備。運行條件為：Ph=3.0;FeSO4.7H2O=0.4%; H2O2=4.3ml/L;反應時間為1h。
研究表明光催化氧化法中TiO2投加量要根據不同的水質、不同的光強等因素而定。處理廣州李坑垃圾填埋場中的滲濾液時，當光強為1.522Mw/cm2時，TiO2的最佳投加量為20g/L,當光強為3.044Mw/cm2時，TiO2的最佳投加量為10g/L;反應時間易控制在1.5～2.5h。波長為253.7nm的紫外線用來處理滲濾液效果好；TiO2經過450℃煅燒后，催化活性最好，COD、色度均提高20%左右。
雖然高級氧化技術已展現了良好的處理效果，但由于各種實際操作的原因目前還停留在實驗室階段，還有待廣大科研工作者進一步研究。
3 垃圾滲濾液的排放標準
4 結語
綜上所述，各種垃圾滲濾液的處理技術已經得到廣泛的研究。但具體應用時，還需因地制宜地通過技術經濟比較，合理地選擇滲濾液處理方案。在經濟發達且實際條件許可的情況下,可建設獨立的處理系統;在經濟尚不發達的地區則可采用預處理+合并處理的方案;在無力建設處理設施的情況下則可考慮回灌與合并處理的方案。
國內對垃圾的處理已經日趨重視，目前已有近百家垃圾填埋處理廠，對其產生的垃圾滲濾液進行有效、而又經濟的處理將是我們面臨的主要問題，還有有待廣大科研工作者深入研究。
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