垃圾渗滤液及膜滤浓缩液处理技术探讨与分析

徐昌文，王声东

(上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232)

随着我国社会经济的快速发展以及城市人口的增加和城区面积的扩大，城市生活垃圾的产量也同步快速增加。城市垃圾的处理已经成为城市环境安全中的一个重要问题。据原环境保护部的统计资料，2016年我国垃圾无害化处理量已达到1.965亿吨，在运行的垃圾处理卫生填埋场和焚烧厂分别有1766座和299座。以25%的渗滤液平均产率计，2016年度，全国渗滤液产量已超过0.8亿吨，约合21.92万吨/天。但是卫生填埋处置方式由于降雨、填埋体内微生物降解等因素易产生垃圾渗滤液，其约占垃圾填埋总量的15%～30%[1]。垃圾渗滤液具有污染物浓度较高、成分复杂、水质水量波动大、氨氮含量高、营养元素比例失衡、重金属含量高、色度深、有臭味等特征，不经妥善处理直接排放到环境中会对周边区域的土壤、地表水以及地下水等带来严重的污染。因此控制或缓解垃圾渗滤液对周边环境的污染，一直是城市固废处理技术发展的一个重大挑战，也是当前我国无废城市建设的难题之一。长期以来，由于技术、资金、场地等原因，绝大多数垃圾填埋场的渗滤液问题一直没有得到妥善解决，渗滤液的高效低耗处理已成为提升垃圾填埋场管理水平的瓶颈所在。

从20世纪90年代初开始，我国就陆续展开关于垃圾填埋的相关研究，随之渗滤液的处理处置也日益受到关注。随着国家标准《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008)的颁布，渗滤液的排放标准愈加严格。从2011年7月1日开始，已建成生活垃圾填埋场产生的渗滤液均需自行处理达标后排放，对渗滤液处理后的出水要求控制CODCr、氨氮浓度值分别低于100mg/L和25mg/L。针对渗滤液的简约高效且低成本处理技术的研发需求已经十分迫切。

1 垃圾渗滤液及膜滤浓缩液的特点

1.1 垃圾渗滤液的特征

垃圾渗滤液有机物浓度高、波动大、成分复杂。滤液含有的有机污染物和无机污染物均较高，其中包括氨氮、腐殖酸、无机盐、重金属等。由于我国生活垃圾中餐厨垃圾含量较高，约占生活垃圾的40%～60%，导致垃圾渗滤液中有机和无机污染物浓度很高。通常随填埋时间不同填埋场渗滤液中化学需氧量(CODCr)在2000mg/L～62000mg/L 的范围内波动，最高达到90000mg/L；生化需氧量(BOD5)浓度范围为60mg/L～10000mg/L，最高达到45000mg/L。渗滤液中已测出的有机污染物有99种之多，还含有磷酸醋，氯化芳香族化合物，萘、菲等非氯化芳香族化合物，苯胺类化合物和酚类化合物等难以生物降解的物质。

以上分析表明，垃圾渗滤液具有污染物浓度较高、成分复杂、水质水量波动大、氨氮含量高、营养元素比例失衡、重金属含量高、色度深、有臭味等特征，不经妥善处理直接排放到环境中将对周边区域的土壤、地表水以及地下水等造成严重的污染。

1.2 垃圾渗滤液膜滤浓缩液的基本性状

垃圾渗滤液成分复杂，一般按照“预处理→生化法→膜处理”的工艺流程进行处理。该工艺具有普适性，其中预处理主要在调节池中完成，生化主要在厌氧罐和MBR池中完成，渗滤液经过生化处理后，废水中易降解有机物基本被全部去除，膜处理包括纳滤和反渗透两个过程。经膜处理后的废水达标排放，但同时产生了膜滤浓缩液。和垃圾渗滤液不同，膜滤浓缩液中残留的污染物通常是难以被生物降解的腐殖质类物质，而且含盐量很高，且含有大量的金属离子，营养物质比例失调，所以一般膜滤浓缩液的可生化性很低，难以直接进行生化处理。膜滤浓缩液一般呈深棕色，色度可高达3000以上，并含有大量的腐殖酸、富里酸等难降解有机物[2]，其基本性质如表1所示。

表1 膜滤浓缩液基本性质[3]

2 垃圾渗滤液处理技术的发展现状

垃圾渗滤液的水质水量受填埋垃圾自身的成分、填埋时间的长短、气候条件等多种因素影响，变化范围较大。针对不同地区的垃圾渗滤液，应采用最适合的工艺对其进行处理处置。目前，垃圾渗滤液的处理方式主要有回灌、厌氧和好氧等生化处理、膜滤处理、Fenton(芬顿)试剂处理和电化学处理等高级氧化法以及矿化垃圾床处理等，还有相关的组合工艺。其中，A/O生化处理是渗滤液处理的主导且成熟的工艺，然而，渗滤液中含有大量难降解物质和有毒有害物质，且C/N比失调，从而导致渗滤液采用生化处理难以达标排放。针对回灌法处理渗滤液的研究目前已有很多，但南方降雨量大而蒸发量小导致渗滤液产量多的地区采用回灌法难以实际有效，并且易导致难降解物质及重金属的积累。矿化垃圾生物反应床处理渗滤液可以使出水CODCr达到300mg/L～600mg/L，但不能达标排放，且占地面积较大，推广应用有限。电化学、Fenton等处理渗滤液已有一定的应用基础，但仍存在由于较高的还原性物质和含盐量对反应过程造成干扰等问题，且实际运行期限短、成本高，不易推广应用。膜处理渗滤液能够实现出水达标排放，但严重的膜污染将导致检修和更换成本大，膜处理后浓缩液的处理也成为一大难题(膜处理过程产生的浓缩液体积为原液的40%左右)，长期运行比较困难。

目前我国最常用的垃圾渗滤液处理工艺是先将垃圾渗滤液进行生化处理，再通过纳滤(NF)或者反渗透技术(RO)等对其进行进一步的深度处理。生化—纳滤/反渗透处理工艺的优点是可以稳定地使得经过处理的垃圾渗滤液出水达到国家的排放标准。但是采用膜分离技术处理废水最大的问题是产生20%～30%的膜滤浓缩液需要进一步处理。

3 垃圾渗滤液膜滤浓缩液处理技术发展现状

垃圾渗滤液膜滤浓缩液指的是垃圾渗滤液在经过膜生物反应器(MBR)生物降解后，再通过纳滤(NF)膜或反渗透(RO)膜截留下的浓缩液。膜滤浓缩液的体积一般约占垃圾渗滤液原液体积的20%～30%。与垃圾渗滤液不同，膜滤浓缩液中残留的污染物通常是难以被生物降解的腐殖质类物质，而且含盐量很高、含有大量的金属离子、营养物质比例失调，所以一般膜滤浓缩液的可生化性很低，难以直接进行生化处理。

3.1 回灌法

垃圾填埋场中含有大量的微生物，是一座大型的生物滤床。当膜滤浓缩液回灌至垃圾填埋场后，部分有机物会在微生物作用下被降解[4]，部分有机物则被填埋场中矿化垃圾通过吸附、螯合等作用截留在填埋场中[5]。该方法具有投资和运行成本低、操作简便等优点，但由于膜滤浓缩液含钙镁离子，且被截留的有机物基本不会降解，因此经常性的回灌会提高垃圾填埋场的渗滤液硬度并降低可生化性，不仅会使后续的膜处理设备结垢，增加其更换频率，而且还会影响渗滤液生化处理单元[6]，导致出水不达标。从可持续发展的角度考虑，回灌法处理膜滤浓缩液既不科学也不经济，膜滤浓缩液长时间的回灌会给垃圾填埋场造成盐分、污染物的累积，进而给整个垃圾填埋系统带来不可逆转的损伤，导致填埋场系统的崩溃。

3.2 高级氧化法

高级氧化法是指利用具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)将大分子难降解有机物氧化成低毒或无毒的小分子物质的方法。目前，普遍应用的高级氧化技术主要是Fenton反应法和电化学氧化。

(1)Fenton反应

在pH值为2～4的水体中，Fe2+和Fe3+与过氧化氢可发生一系列反应而产生羟基自由基(·OH)[7]，其氧化电位高达2.8V，仅次于氟。羟基自由基可与废水中有机物发生氧化还原反应，使得大分子难降解的有机物被降解成小分子有机物或者完全矿化。在废水处理中，羟基自由基的产生量与初始pH值、H2O2及Fe2+投加量密切相关。Deng[8]采用Fenton法处理垃圾渗滤液，结果表明在初始条件为pH=3，H2O2与Fe2+的摩尔比等于3时，有机物的去除率可达61%。 而Yoon等[9]研究表明，在采用Fenton法处理垃圾渗滤液时，H2O2与Fe2+的最佳摩尔比为1.25。Fenton试剂具有价廉、无毒、投加简便等优点，但渗滤液水质波动较大，为达到最佳处理效果，需要经常调整Fenton试剂中的Fe2+与H2O2的投加比例。此外，在终止Fenton反应时，大量Fe(OH)3沉淀絮体需要脱水和后续处理，增加了实际操作难度。

(2)电化学氧化

一般地，电化学氧化过程中同时发生间接氧化和直接氧化[10]。直接氧化指的是有机污染物被吸附到阳极上直接被矿化的过程，间接氧化指的是废水中的一些基团在阳极处转化为强氧化性物质，从而去除废水中的有机污染物的过程。影响电化学氧化效果的因素主要有电流密度、电极材料、极板间距及废水pH等。

代晋国等[11]以电化学法处理渗滤液，研究表明，控制电化学处理过程中的电流密度是氧化垃圾渗滤液中有机物的重要步骤，以铱钌作为电极时以间接氧化为主。田军朝[12]研究发现，膜滤浓缩液经过电解氧化后，提高了浓缩液的可生化性。电化学氧化过程是各种氧化反应相互协同的过程，有机物一般都彻底分解为CO2和H2O。因此在膜滤浓缩液处理中，电化学氧化法较为理想，但由于渗滤液成分复杂，自由基和氧化机理尚未明确，关于电化学氧化过程中的参数选择和控制尚处于实验室研究阶段。

3.3 蒸发法

蒸发是液体从液态到气态的相变过程，可以通过外部供热或者增加蒸发面积来加快蒸发过程。在蒸发过程中，挥发性有机物随水蒸气排出冷凝后进入冷凝液，从而使浓缩液的体积大大减小，因此在用蒸发工艺处理膜滤浓缩液时要尽量使易挥发的有机物受热挥发。岳东北等[13]在实验室采用电热套加热蒸发法对某垃圾填埋场的膜滤浓缩液进行蒸发实验，研究表明，蒸发初期以有机物的挥发为主，而蒸发后期以氨氮的挥发为主，且有机物挥发能力随pH的增大而降低。以自然风力为动力的高效、低耗蒸发技术在海水淡化工艺浓缩液处理中广泛应用，该技术的原理是将浓缩液喷洒在悬挂着的织物上，借助风力蒸发，大幅削减浓缩液量。该技术处理成本低、效果好(在干燥地区，每平方米织物每天能蒸发2.5升～5.6升浓缩液)，开始逐渐在垃圾渗滤液的浓缩液处理中得到重视。目前，该技术在以色列、美国、意大利、澳大利亚等国都已有一定的应用实例。

4 结论与展望

随着城市生活垃圾产量的快速增加，垃圾渗滤液及膜滤浓缩液的处理越来越成为制约我国无废城市发展的难题之一。尤其是膜滤浓缩液，作为垃圾渗滤液膜分离处理生化池出水的必然产物，它的处理是膜处理技术应用过程中必须解决的问题。本文在探讨与分析垃圾渗滤液及膜滤浓缩液的产生特性、处理技术的发展现状，以及膜滤浓缩液几个主要处理技术基础上。研究得出结论，采用生化—纳滤/反渗透处理工艺处理渗滤液能够使得处理后出水达标排放，但处理过程中产生的膜滤浓缩液需要进一步处理。而膜滤浓缩液的几种主要处理技术各有优缺点，应视不同的处置需求选择处理工艺，其重点工艺包括回灌、高级氧化、蒸发三种处理方法。在以上研究基础上，本文最后对渗滤液及膜滤浓缩液处理的组合工艺发展方向进行了初步展望。

垃圾渗滤液及膜滤浓缩液成分复杂、处理难度高，尤其是膜滤浓缩液作为垃圾渗滤液膜处理工艺过程中的必然产物，目前的处理技术还处于研究和初步应用阶段，处理过程以多种处理技术联合应用为主，实际处理成本较高，低成本及简单高效工艺仍是垃圾渗滤液及膜滤浓缩液处理技术研究的瓶颈和方向，如风力辅助蒸发等。另外，前期渗滤液处理工艺的选择对后期浓缩液的产量和性状影响较大，在考虑处理成本的基础上，在实际处理过程中应综合比对和选择最佳的垃圾渗滤液及膜滤浓缩液处理组合工艺。