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膜技术对垃圾渗滤液处理的研究
发布人:源创环境 分布时间:2020-3-17 点击:873
 

北极星水处理网讯:摘要: 阐述了垃圾渗滤液的现有处理方法,以及膜分离组合处理工艺、其他新型生物组合处理工艺的最新研究进展,并针对膜技术处理的优缺点提出了相应的建议及展望。

 

关键词: 垃圾渗滤液; 膜分离; 生物组合工艺

 

随着我国城市人口的增加,相应产生的生活垃圾量也在急剧增加。据预算,到2030 年我国城市生活垃圾量将超过4 亿t[1]。由于垃圾在堆放和填埋过程中压实、发酵等生物化学降解作用,同时在降水和地下水的渗流作用下产生了一种高浓度的有机或无机成分的液体—垃圾渗滤液,它具有: 有机物浓度高,成分复杂,氨氮浓度、金属离子浓度含量高,色度高,水质变化大等特点。将会对地表水、地下水、土壤、大气和生物造成严重的生态环境污染。

 

目前,由于我国生活垃圾填埋场污染控制标准( GB 16889 - 2008) 的颁布,对垃圾渗滤液的排放标准更加严格,同时,对垃圾渗滤液的处理技术也提出了更高的要求,不断改进、优化处理技术是垃圾渗滤液处理的新的研究方向。

 

1 垃圾渗滤液的传统处理工艺

 

传统常用的垃圾渗滤液处理技术主要有: 生物处理技术、物化处理技术、膜分离技术、循环回灌技术、土地处理技术、蒸发处理技术、矿化垃圾处理技术以及上述技术的各种组合形式等[2]。

 

物化处理不受水质水量变化的影响,出水水质较稳定,尤其是对BOD5 /COD 比值较低( 0. 07 ~0. 20) 难以生物处理的垃圾渗滤液,有较好的处理效果。但其处理成本较高,不适于大水量垃圾渗滤液的处理; 生化处理技术相对成熟,且成本相对较低、效率高,消除了化学污泥等造成的二次污染,被广泛运用。土地处理投资低,易于管理,但受气候条件和地域限制[3]。循环回灌法简单经济,方便易行,综合利用性强; 合并处理费用低廉,但易造成冲击负荷,只适用于城市污水处理厂附近的垃圾填埋场渗滤液处理。

 

对渗滤液的处理工艺,多采用生物处理- 物化法作为预处理或者后处理工艺,而土地法作为后处理工艺的系统或者作为单独的处理系统。但这些组合工艺在实际运行中也都存在一定的问题,为了尽可能地对渗滤液进行较为全面、有效地处理,在生物处理的基础上,必然需要对渗滤液进行一定的预处理。同时,为了提高处理效果,还必须增加部分后处理工艺。

 

传统的生物处理和物化处理技术非常适合高浓度污水( 垃圾渗滤液) 的处理和管理。生物处理技术可作为预处理工艺,降低或消除COD、氨氮和重金属离子; 物化处理技术可作为“稳定的处理工艺” ( 即有很少的生物降解过程) ,以去除难降解的有机物质。物化- 生物组合工艺避免了单个工艺的缺陷,处理效果好、经济有效,是目前垃圾渗滤液中应用较为广泛的方法之一。但是,随着垃圾填埋场的增多和垃圾渗滤液的趋于稳定化,常规处理工艺( 如生物或物化) 很难达到不断严格的排放标准,近几年来,基于膜处理的相关新型组合工艺在垃圾渗滤液处理上得到了广泛的应用。

 

2 新型处理工艺

 

2. 1 膜分离处理组合工艺

 

在垃圾渗滤液处理中,主要的膜处理工艺有微滤( MF) 、超滤( UF) 、纳滤( NF) 及反渗透( RO) 等。它们都是以压力差( 也称透膜压差)为推动力的膜分离过程,在膜两侧施加一定的压差时,可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜,而微粒、大分子、盐等被膜截留下来,从而达到分离的目的。其主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能[4,5]。

 

生物组合工艺在垃圾渗滤液的处理上的应用很广泛,但对于可生化性低、有机物浓度高的垃圾渗滤液来说,生物法处理效果往往不够理想,对其进一步深度处理是达到其出水要求的关键。与其他深度处理相比,膜分离技术以其出水效果好、不产生副产物、操作简单等优势,在垃圾渗滤液处理中得到越来越广泛应用。

 

2. 1. 1 微滤/超滤组合工艺

 

微滤( MF) /超滤( UF) 是用来去除0. 002~ 0. 1μm 或0. 1 ~ 10μm 范围内的大分子有机物、胶体、SS 以及经沉淀后的重金属的一种有效方法。二者的共同点是作为其他膜处理( UF,NF 或RO)的预处理,不能单独使用。

 

MF 作为预过滤阶段时,COD 的去除率在25%~ 35%[6]。Krug 和McDougall[7]实验研究用管式微滤膜和螺旋卷式反渗透膜联合处理垃圾渗滤液可行性,结果表明,MF 能去除渗滤液中SS 和金属离子,RO 几乎去除掉所有有机物和难溶性固体颗粒。Zenon[8]用MF 和RO 膜组合工艺处理Muskokalakes 垃圾填埋场渗滤液。

 

K. W. Pi[9]等利用超滤( UF ) - 水解酸化( HAR) - 好氧生物接触氧化( ABOR) 组合工艺对垃圾渗滤液进行处理,试验以进水流量20L /d、COD 负荷为0. 75 ~ 1. 5kg /m·d - 1 连续进行44d,经UF 预处理后,COD 浓度从20015mg /L 降到3000mg /L,氨氮从368. 6mg /L 降到259. 3mg /L。最终COD、氨氮的去除率分别达到99. 6%、93. 2%,其中UF 和HAR 对提高垃圾渗滤液的生物降解起到了重要的作用。

 

董卫平[10]采用高效MBR + 膜深度技术处理生活垃圾渗滤液,高效MBR 系统由生化反应器和超滤( UF) 组成,纳滤采用浓水二循环系统,通过增加系统的硝化液回流比、投加甲醇、纯碱等物质补充和调节的有机碳源和碱性物质等措施来均衡水质的各种变化,出水效果良好。

 

此外,活性污泥法- 超滤- 化学氧化法、活性污泥法- 超滤- 反渗透等组合工艺都已得到了检测,结果显示仅在超滤阶段有机物质就已去除50%。Pirbazari 等[11]采用超滤- 生物活性炭( UF- BAC) 工艺处理垃圾渗滤液,TOC 去除率达到95% ~ 98%,有机污染物的去除率超过了97%。李宝新等[12]对某生活垃圾填埋场渗滤液采用物化/三级生化/物化/超滤纳滤组合工艺进行处理,工艺对COD 的去除率可达95%,出水COD < 100mg /L,符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》( GB 16889- 2008) 。

 

2. 1. 2 纳滤组合工艺

 

纳滤是一种新型分子级膜分离技术。其膜孔径在1nm 以上,一般在1 ~ 2nm; 对溶质的截留性能介于RO 与UF 膜之间,对有机分子的截留率高于超滤膜[13],能够去除二价、三价离子,Mn≥200的有机物,以及微生物、胶体、病毒等,且具有操作压力低( 350 ~ 1000kPa) 、成本低、浓缩液易于处理等特点[14],经研究表明,纳滤可去除60% ~70%的COD 和50%的NH +4 - N。纳滤与物理方法相结合对去除渗滤液中的COD 非常有效,其去除率为70% ~ 80%[15]。在垃圾渗滤液处理中往往利用主体工艺与物化预处理结合的工艺。

 

Jakopovic[16]通过NF - UF - 臭氧- MBR 对垃圾渗滤液的COD 去除研究,得出: MBR 的去除率仅为23%; 通过对不同孔径的UF 膜的选择,经UF 处理后,COD 去除率为23%; 臭氧( 1. 24mgO3 /mg COD) 对其去除率可达56%; NF 对COD的去除率达到91%,纳滤对垃圾渗滤液的处理是很理想的。而杨宪平[17] 等采用厌氧反应器( UASB) - 膜生物反应器( MBR) - 纳滤( NF)工艺处理垃圾填埋场废水,经处理后,出水CODCr和BOD5去除率分别为99. 4% 和99. 6%,且出水稳定,超滤膜采用陶瓷膜,具有清洗维护方便、耐酸、耐碱和耐高温等优点,较好地解决了膜污染等问题。

 

何红根[18]采用超滤( UF) - 碟管式反渗透膜方法( DTRO) 处理垃圾填埋场渗滤液,其中采用混凝- 超滤预处理垃圾渗滤液,DTRO 系统就是利用反渗透技术的原理,利用压力使渗滤液中的水分子透过反渗透膜,把所有污染物质包括小分子溶质,如氨氮等分子及离子截留,从而达到净化渗滤液的目的。主要利用DTRO 处理晚期渗滤液,系统对COD 总去除率> 98%,且具有很高的稳定脱盐率,NH +4 - N 去除率虽然高达88%,但仍不能满足NH +4 - N 的达标排放。某生活垃圾填埋场采用UBF - MBR - 纳滤工艺处理,COD、BOD5、NH +4- N、SS 的平均去除率分别达到97. 6%、98. 7%、98. 6%、98. 1%,各项指标均可达标排放,工艺处理效果好、运行稳定[19]。

 

赵群英等[20]采用UASB - 吹脱塔- SBR - 纳滤( NF) 工艺处理垃圾渗滤液,经过UASB、吹脱塔进行部分脱氮、SBR 反应后,NH +4 - N 去除率为98. 5%,且SS、NH +4 - N 等能达到标准排放要求,部分难降解大分子有机物经纳滤处理后,清水产率为85%,COD 的平均去除率达90%,系统总体COD 去除率达99. 8%。

 

2. 1. 3 反渗透组合工艺

 

反渗透在垃圾渗滤液处理的新型工艺中是最有效的技术之一,它是利用反渗透膜的选择透过性和膜两侧的静压差为原理,实现对混合物分离的膜过程。RO 膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率,而NF 膜只对特定的溶质具有高脱除率。对垃圾渗滤液中COD 与重金属离子的去除率分别超过了98%、99%。

 

郭健等[21]利用多孔陶瓷微滤- 两级反渗透工艺处理垃圾渗滤液。经过陶瓷微滤预处理后,COD、NH +4 - N 的去除率、脱盐率分别在50. 3%、30. 2%、30. 1% 以上; 经一级反渗透后,COD、NH +4 - N 去除率、脱盐率分别维持在94. 8%、91. 3%、81. 6% 以上; 再经二级反渗透处理后,COD、NH +4 - N 去除率、脱盐率分别维持在80. 1%、81. 3%、85. 1% 以上。最终出水的COD< 30mg /L,NH +4 - N < 25mg /L,电导率< 180μm/cm,符合《生活垃圾填埋污染控制标准》( GB16889 - 2008) 。

 

Ohsung Kwon 等[22]利用纳滤- 旋转盘膜( NF- RDM) - 反渗透( RO) 工艺处理高有机浓度的垃圾渗滤液,最佳转速控制在400rpm,经NF -RDM 系统处理后,CODCr、色度、TP 都有很高的去除率,但是NH +4 - N 的去除效果仅仅为25%。通过RO 处理后,NH +4 - N 的去除率达到了92%。Ahn [23]等利用化学沉淀- 接触氧化- 旋转生物反应器- 粒状活性炭组合工艺处理垃圾渗滤液,其处理后COD、NH +4 - N 的去除率分别仅为66%、81%。而NF - RDM - RO 工艺对垃圾渗滤液的COD、氨氮有很好处理效果,其去除率分别为97%、91%。

 

国内某垃圾填埋场的渗滤液采用外置式膜生物反应器( MBR) - 反渗透( RO) 工艺进行处理,在碳源充足条件下,出水COD < 20mg /L、NH +4 -N < 20mg /L,满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》( GB16889 - 2008) 中水质要求。并且该组合工艺具有投资少、占地小、运行成本低等优点[24]。

 

庞会从等[25]采用MAP 沉淀- 水解酸化- 生物接触氧化- 反渗透组合工艺处理老龄垃圾渗滤液,化学沉淀法去除NH +4 - N 的最佳条件: pH = 9,n( Mg2 + ) ∶ n ( NH +4) ∶ n ( PO43 - ) = 1. 2 ∶ 1 ∶ 1. 05,搅拌速率170r /min,搅拌时间21 min; 水解酸化反应器内废水停留时间10 h,生物接触氧化反应器内废水停留时间12 h,生化出水经反渗透处理,可使出水主要污染物的去除率分别为: COD 为98. 7%~ 98. 9%、BOD5为91. 6% ~ 95%、NH +4 - N 为99. 1% ~ 99. 4%,出水可达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》( GB16889 - 2008) 中生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值要求。

 

崔锋等[26]对垃圾卫生填埋场渗滤液采用厌氧- BAF - 两级AO - MBR - RO 工艺处理,两级AO可以提高总氮去除率,RO 可进一步降低废水中的污染物浓度,最终使出水COD、BOD5、氨氮的去除率分别达到99. 3%、99. 6%、99. 3%,各项指标均能达标排放,由于费用低廉、运行可靠等优点,已在实践中得到了应用。

 

徐守平等[27]采用反渗透膜处理技术与渗滤液的回灌相结合的方式对填埋场渗滤液进行处理,经预处理后,使pH 控制在6. 5 ~ 6. 8 范围内,最佳温度在25 ~ 35℃ 时,对COD 的去除率为70% ~80%,BOD5去除率为75% ~ 85%; 浓缩液回灌至垃圾填埋场,浓缩液回灌对COD、BOD5、NH +4 -N 均有一定的去除效果,但回灌次数1d 不超过6次。虽然氨氮有一定的去除,但总量仍趋于上升态势,为解决这一问题,Onay 等[28]根据硝化和反硝化原理及渗滤液回灌后的垃圾层中水分流态,将垃圾层至上而下分为缺氧—厌氧—好氧的三组分垃圾填埋系统,由于硝化和反硝化作用,NH +4 - N 的转化率达95%,并且渗滤液中硫化物也得到有效的去除。

 

但膜分离在应用中仍然主要存在以下问题,尤其是反渗透技术:

 

( 1) 膜污染。主要存在有无机污染、有机污染和微生物污染三种形式[29]。由于在处理水的过程中,污染物质在膜表面形成附着层或堵塞膜孔,从而导致膜通量减少、膜及膜孔结构发生变化。因此,应增加膜通量,在膜处理前进行预处理或在使用后对膜进行化学处理,减少膜污染( 或污染程度) ,延长其使用寿命。

 

( 2) 膜技术。为最大程度减少膜污染,降低处理成本,对膜技术的研发主要集中在膜的传质机理以提高分离精度、具有较高膜通量的膜材料,耐热性、耐溶性、抗氧化和抗污染能力等方面。2. 2 其他生物组合工艺

 

由于生物组合工艺处理效果好、运行成本低等优点,在目前的垃圾渗滤液处理中得到了普遍的应用和较快的发展。近年来,在日本、欧美等国家列为国家重点计划,有大规模的应用装置,国内对此也进行很多的研究。

 

Jin - Song Guo 等[30]利用吹脱法- Fenton - SBR- 凝聚组合工艺,吹脱法在pH = 11. 0,曝气时间为18h,可去除96. 6% 的NH +4 - N; Fenton 在pH= 3. 0,20g /L 的FeSO4·7H2O,20mg /L 的H2O2,COD 的去除率达到60. 8%; 生物降解率( BOD5 /COD) 从0. 18 上升到0. 38. ; SBR 在经20h 曝气时间后,BOD5、COD 的去除率分别达到82. 8%、83. 1%; 凝聚采用800 mg /L 的Fe2( SO4)3,pH =5. 0,使COD 减少到280mg /L,此组合工艺具有高效等优点而被广泛应用。

 

Huo - sheng Li 等[31]利用SBR - 聚合硫酸铁( PFS) - Fenton - UBAFs 组合工艺对城市垃圾填埋场的垃圾渗滤液进行处理。SBR 为预处理,PFS与Fenton 整体为二级处理及深度处理,是UBAFs,此组合工艺可去除93. 7%的COD,使出水COD 低于100mg /L; 仅在SBR 预处理阶段,NH +4 - N 的去除率就可达到99% 以上,其出水浓度低于3mg /L ( 标准排放浓度为≤25mg /L) ; CTP≤1mg /L、CSS≤10mg /L。由于组合工艺的运行稳定、易于管理、经济高效等优点,在小规模的垃圾填埋渗滤液处理厂得到推崇。

 

夏鹏飞等[32]利用铁锰氧化物+ 聚合氯化铝( PACl) 混凝和光电氧化技术处理已生化处理过的垃圾渗滤液,当投入600mg /L 的铁锰氧化物,投入PACl 量为100mg /L 时,垃圾渗滤液中的COD去除率为32%; 经混凝处理后,再经光电氧化技术可进一步去除渗滤液中的COD 和TOC,光电氧化的电流密度为400A/m2,9W 紫外灯( 主波长254nm) 辐照,反应180min 后,COD 和TOC 的去除率分别为76. 8%和81. 2%,色度和NH +4 - N 的去除率均达到99%,此工艺对生化后的垃圾渗滤液处理有明显的效果。

 

宋海燕等[33]利用电气石/TiO2复合光催化材料对垃圾渗滤液进行深度处理,在pH 为8 ~ 9,投加质量浓度为0. 4g /L 光催化剂,经150min 的反应条件下,垃圾渗滤液中COD、色度、Cu2 + 和Pb2 + 的去除率分别可达89%、100%、98%和99%,说明了高分子材料在难处理污染物上有着很好的应用前景。

 

谢武等[34]采用催化型微电解- BAF 组合工艺对垃圾场的老龄渗滤液进行深度处理。通过静态正交试验确定最佳反应条件: 废铁屑和焦炭体积比为1∶3,调酸pH 值为3,H2O2和COD 的质量比1. 5∶1,调碱pH 值为7. 5,沉淀时间为2. 0h,微电解反应时间为1. 5h,H2O2后沉淀时间为1. 5h,COD和色度去除率分别在85% 和95% 以上,BOD5 /COD 从0. 03 提高到0. 35 左右,改善其可生化性为后续生化处理创造良好的条件,出水效果很好。

 

3 结论与展望

 

由于垃圾渗滤液所具有的成分复杂性、难降解性及水质水量变化性等特点,对其处理时,单一的、常规的物理、化学、生物等方法都难以满足要求。微滤、超滤、纳滤以及反渗透等膜分离过程以有效去除污水中颗粒状物质和微生物,在水处理过程中不产生副产物,膜过滤的单元体积小、组合扩容方便、出水效果好、技术操作简单等优点,以及新型生物组合工艺以其较高的COD 和NH +4 - N 去除率及较低的运行成本等优势而受到国内外学者的关注[35, 36]。

 

但是,两者在垃圾渗滤液的处理处理中分别存在膜污染、处理效果不显著等问题。膜分离过程在水处理尤其在难处理的垃圾渗滤液的处理上是一个多学科交叉的问题,研究具有较高的物理化学稳定性,而且具有较强的抗污染性能的膜是解决膜污染的关键问题。膜分离过程与生物组合工艺的结合既保留了传统生物组合工艺的优点又耦合了膜分离过程技术的优势,在垃圾渗滤液的处理上具有很大的潜力。

000; mso-pagination: widow-orphan" align=justify>由于垃圾渗滤液所具有的成分复杂性、难降解性及水质水量变化性等特点,对其处理时,单一的、常规的物理、化学、生物等方法都难以满足要求。微滤、超滤、纳滤以及反渗透等膜分离过程以有效去除污水中颗粒状物质和微生物,在水处理过程中不产生副产物,膜过滤的单元体积小、组合扩容方便、出水效果好、技术操作简单等优点,以及新型生物组合工艺以其较高的COD 和NH +4 - N 去除率及较低的运行成本等优势而受到国内外学者的关注[35, 36]。 

 

但是,两者在垃圾渗滤液的处理处理中分别存在膜污染、处理效果不显著等问题。膜分离过程在水处理尤其在难处理的垃圾渗滤液的处理上是一个多学科交叉的问题,研究具有较高的物理化学稳定性,而且具有较强的抗污染性能的膜是解决膜污染的关键问题。膜分离过程与生物组合工艺的结合既保留了传统生物组合工艺的优点又耦合了膜分离过程技术的优势,在垃圾渗滤液的处理上具有很大的潜力。

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