垃圾渗滤液阻垢预处理技术的研究进展

冯凌宇

(广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010)

垃圾在填埋过程中，所含的污染物质在降雨淋溶作用下溶出，并与径流、自身降解等产生的水分一起形成的高浓度废水，称为垃圾渗滤液[1]。垃圾渗滤液具有水量水质变化大、有毒有害物质种类多、污染物浓度高、氨氮含量高等特点，是一种难处理的高浓度废水。垃圾渗滤液成分复杂，存在Ca2+、Mg2+等成垢物质，同时含有大量的有机污染物，容易在输送和处理过程中出现多种污垢，造成管道和处理装置的堵塞、泄露或损坏。一方面，会影响厂区设施的运行和处理系统的稳定出水；另一方面，甚至会造成渗滤液外泄，影响填埋区使用寿命和坝体稳定性，引发环境和安全事故。近年来，国内与垃圾渗滤液相关的安全事故频发，如何有效降低渗滤液处理过程的环境和安全风险应当引起重视。渗滤液的结垢问题对厌氧处理[2]、机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发[3]和碟管式反渗透(DTRO)[4]等常见的渗滤液处理系统均会造成较大影响，导致运行不稳定、处理量下降和出水不达标等问题。然而，目前实践中对污垢的清除主要依赖于物理清除或化学清洗，无法实现处理系统的连续运行，大大增加了人工和时间成本。因此，通过一定的阻垢预处理手段来减轻垃圾渗滤液的结垢，对实现后续处理工艺的稳定和高效运行，保证垃圾填埋场的安全生产具有重要的意义，亟需科研人员进行深入的研究探讨。

1 垃圾渗滤液的结垢特性

垃圾渗滤液的水质和水量随垃圾的成分、填埋方法、填埋时间及其季节等因素的变化而变化，且地区差异大，总体上COD、NH3-N等污染物的浓度高，有机物种类多，重金属含量高，容易形成垢物。典型的垃圾渗滤液水质如表1所示。研究认为，渗滤液在收集过程中的结垢主要与挥发性脂肪酸的发酵产物(碳酸)和Ca2+的反应有关[5]。陈石等[6]对深圳市下坪垃圾填埋场渗滤液管道结垢原因进行了研究，发现结垢物主要组成为CaCO3，高硬度和高碱度是造成结垢的主要原因。薛丹丹等[7]研究了成都长安垃圾填埋场渗滤液输送管道的结垢现象。通过对渗滤液水质、水流状态、环境条件等方面的分析，发现结垢量随着渗滤液温度的升高，以及pH、碱度和硬度的增大而增大。

表1 典型的垃圾渗滤液水质情况[8-9]Tab.1 Water Quality of Typical Landfill Leachate[8-9]

2 阻垢预处理方法

2.1 加药软化

加药软化是常用的软化、阻垢方法。一般通过投加药剂，利用化学沉淀，使成垢离子形成沉淀除去，从而达到阻垢的目的。其中，石灰软化法在水处理中的应用最为广泛。加药软化的阻垢原理清晰，简便易行，处理效果佳，但投加石灰会产生较多的沉渣，需要进行后续处理。

加药软化在实施中需根据水质情况选取合适的药剂，当水的硬度和碱度均较高时，采用石灰软化法；当水的硬度较高而碱度较低时，一般采用石灰-纯碱软化法；当水为碱度大于硬度的负硬水时，一般采用石灰-石膏软化法。由于垃圾渗滤液水质复杂，存在大量有机物和酸性物质，采用石灰软化的投药量大且不易控制，因此，实践中出现了一些新的方法。高用贵[10]对经膜生物反应器(MBR)处理的渗滤液进行化学软化，采用石灰和氢氧化钠组合投加的方式，MBR出水中总硬度去除率高达99.5%，而电导率有一定的增加，最高上升20.7%；应用中发现，由于石灰在水中的溶解度很低，易出现延迟溶解的现象，造成投加过量，而采用石灰和氢氧化钠组合投加可精确调节pH。针对渗滤液中以钙垢为主的特点，陈流通等[2]以磷酸钠为沉淀剂，结合硫酸调节pH，分步沉淀对垃圾渗滤液进行预处理；结果表明，磷酸钠对渗滤液中Ca2+有很好的去除效果，去除率约为53.6%，能有效缓解厌氧处理系统的结垢问题。

2.2 离子交换法

离子交换法利用的是离子交换树脂中的可交换离子与溶液中同种电荷离子发生交换反应，如式(1)，从而将溶液中的成垢离子去除。离子交换树脂根据其活性基团的不同可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，水处理软化采用的是阳离子树脂。离子交换法的特点是运行简便，且交换树脂床的工作寿命长、处理量大，但会产生再生废液排放的问题。邓悦等[11]采用732型阳离子交换树脂对垃圾渗滤液进行软化处理，探究了其对Ca2+和Mg2+的吸附效果；结果表明，732型阳离子交换树脂对实际渗滤液中Ca2+和Mg2+的去除率分别为69.9%和70.9%，能有效减轻MVC处理过程中的结垢问题。

R-H + B+→ R-B + H+

(1)

2.3 投加阻垢剂

阻垢剂在水处理中的应用非常广泛，其作用机理相当复杂，主要与吸附、成核及晶体生长等物理化学过程有关。目前，普遍认为的阻垢机理包括螯合增溶、晶格畸变、阔值效应、凝聚-分散作用、双电层作用等[12]。阻垢剂的种类很多，有天然高分子、无机聚磷酸盐，以及有机磷酸类、均聚物、羧酸类共聚物、磺酸类共聚物、绿色新型阻垢剂等多个品种。绿色新型阻垢剂的开发是当前研究的热点，具有高阻垢性能、良好的生物降解性和无毒性等优点，主要包括聚环氧琥珀酸(PESA)、聚天冬氨酸(PASP)等。宋泽民等[13]对聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸、聚丙烯酸(PAA)和水解聚马来酸酐(HPMA)4种绿色阻垢剂的阻垢性能进行研究，在高温下，PASP、PESA和HPMA均对CaCO3和CaSO4垢有较好的阻垢效果，其中PESA在80 ℃对CaCO3的阻垢率高达90.12%，而PAA不适宜在高温下使用。Migahed等[14]合成了一种聚天冬氨酸的衍生物——聚天冬氨酸-甘氨酸加合物(GLY-PASP)，并研究了其阻垢性能；结果表明，在125 mg/L的投加量下，GLY-PASP对CaSO4的阻垢率可达到90.2%，且具有明显的缓蚀作用。

通过不同阻垢剂的复配来提升阻垢效果也成为人们关注的焦点。Al-Shammiri等[15]将有机磷酸盐和聚羧酸盐类进行复配，两者复配后在反渗透膜系统中应用，表现出很好的阻垢效果，具有协同效应。万高杰等[16]研发出一种具有优良阻垢性能的共聚物阻垢剂，该阻垢剂是由羟基乙叉二膦酸(HEDP)、端羧基超支化聚酯(CHBP)、水解聚马来酸酐(HPMA)、聚丙烯酸(PAA)4种化合物通过一定比例的复配而制成；研究表明，当阻垢剂使用量为15 mg/L 时，在模拟海水蒸发中测定的CaCO3垢的阻垢率达到了87.5%。

在阻垢剂的应用方面，目前国内主要集中在工业循环水和油田污水处理领域，技术已较为成熟。应用较为广泛的是有机磷酸类、聚羧酸类等聚合物型的阻垢剂，其具有较高的化学稳定性和热稳定性，较宽的pH应用范围，且投加量很小[17]。

2.4 超声波阻垢

超声波阻垢是一种新兴的阻垢技术。超声波在水中传播所引起的空化效应、剪切效应、活化效应和热效应，使水垢发生物理和化学性能的变化，将垢物分散、松动，避免其附着在管道和设备内壁上。孙双月等[18]研究了超声波的阻垢性能，通过对比超声波处理前后污垢热阻的变化，计算出其对硬度为300 mg/L的冷却水的阻垢率为48.6%；研究发现，在低硬度、常温下，超声波处理的阻垢率较高，经过28 kHz超声波处理后，结垢过程的诱导期延长，且更快进入稳定期。孔德豪[19]采用电磁与超声波协同进行阻垢处理，结果表明，选择适宜的电磁场和声场复合能促进阻垢效果，超声波的频率和功率对阻垢效果影响较大；阻垢机理主要是减小垢样的结晶度和使附着垢晶体的尺寸增大。

目前，国内外学者对超声波阻垢技术进行了广泛的研究，超声阻垢设备也应用到了工业用水、医疗设备放射性阻垢等领域。超声阻垢存在不少缺点，如会产生较强的冲击力，易造成管道、设备配件的损坏，对安装方法和位置有较高的要求，使用过程中会造成声污染，这些都限制了超声波阻垢技术的推广应用[20]。

2.5 磁处理阻垢

自20世纪40年代Vermeriren利用“磁化水”来减少锅炉水垢的生成，磁处理防垢技术得到了广泛的研究发展。磁处理根据磁场来源的不同可以分为永磁式和电磁式。永磁式即利用永磁体产生磁场，优点是无需耗电，设备结构相对简单，但磁场强度较弱，除垢效果受水质影响大；实践中，更多使用的是电磁式，通过对通电线圈施加不同频率的电流来产生不同强度和性质的磁场，更适用于高流量、高硬度的循环水系统。

2.6 电场阻垢

2.6.1 静电处理

静电处理利用由电极产生的高压静电场对循环水进行处理。对于静电阻垢的机理，主要有2种解释：一种认为，水偶极子在静电作用下发生了定向排列，形成偶极子团；另一种认为，静电作用引起了水垢晶体形态的变化，使方解石型硬垢变为文石型软垢[24]。静电处理在锅炉的给水处理上已经得到应用，但主要的缺点是电场强度有限，需要高达几kV的直流电压，存在安全隐患。目前，主要采用聚四氟乙烯包裹静电防垢器阳极的方法以减少安全隐患。

2.6.2 脉冲电场处理

脉冲电场水处理技术通过向紧密缠绕在管道上的线圈提供脉冲电压信号，进而在设备中产生交变感应磁场，交变磁场又可在水中生成交变电场，交变电磁场作用于水体，使水中离子的物理性质发生变化以及微生物失活来达到防垢效果。脉冲电场因低成本、易于操作、安全无污染等优点在水处理领域得到愈来愈多的关注。Liu等[25]的研究表明，脉冲电磁处理后的CaCO3过饱和溶液中，粒径在10～20 μm的晶体较未处理溶液明显增多，并认为电磁作用促进了CaCO3的成核，晶核随着水流冲走，从而防止其在换热器表面产生水垢。李冠林[20]研究了不同脉冲电源输出频率、线圈缠绕匝数对CaCO3结晶析出、生长速率以及阻垢效果的影响，采用1 000 mg/L的过饱和Ca2+溶液，搭建了动态试验平台。当电源输出频率为2 kHz、线圈缠绕匝数为90时，阻垢效果较好，阻垢率达到90.6%。

2.7 诱导结晶法

诱导结晶法是一种针对蒸发过程的阻垢方法，其原理如图1所示。通过在水中投加特定的晶种，利用同种物质的亲合力大于异种物质亲合力的原理，缓解结晶污垢在换热器上的沉积问题。诱导晶种的选择、晶种投加含量、蒸发料液过饱和度的控制水平是影响诱导结晶过程的重要因素。董宏光等[26]以晶种抑制蒸发液结垢，通过污垢热阻的对比，得到了不同投放密度的晶种抗垢特性曲线，表明投加与垢质成分相同的晶种可以促使垢质的结晶析出过程从加热表面转移到溶液主体中，从而有效减轻换热面的结垢问题。

图1 诱导结晶法阻垢的原理示意图[27]Fig.1 Schematic Diagram of Scale Inhibition through Induced Crystallization Method[27]

目前，国内研发的用于防结垢的诱导结晶工艺多数集中在结晶制盐和海水淡化等领域，诱导晶种的选择以石膏、方解石、霰石为代表[27]。随着高盐废水蒸发处理以及零排放的需求日益增长，诱导结晶工艺的应用也逐步扩展。美国RCC公司在加拿大亚伯塔的采油废水零排放项目中，使用晶种阻垢工艺解决了MVR蒸发处理过程中的结垢问题，大幅延长了蒸发器的清洗周期[28]。

2.8 总结与对比

上述的阻垢预处理方法按原理可分为化学阻垢法和物理阻垢法，如表2所示。化学阻垢法的阻垢机理较清晰，工程投资较低，对大多数处理工艺均能适用，在实际渗滤液处理中也已经得到应用。不过，化学阻垢法在应用中往往存在污泥和二次污染的问题，仍需要针对性地开展研究，如药剂和离子交换树脂的选型和改性、使用绿色可降解材料等，从而优化药剂的使用量和减少二次污染。物理阻垢法的机理大多未充分明晰，工程上投入较大，目前主要在工业水处理领域得到应用，但其几乎不产生二次污染，也具有与主流渗滤液处理工艺的兼容性，对于渗滤液的阻垢预处理具有很好的借鉴作用。

表2 不同的阻垢预处理方法比较Tab.2 Comparison of Different Pretreatment Technologies for Scale Inhibition

3 结论及展望

垃圾渗滤液的结垢现象对处理设施的稳定运行和达标排放十分不利，但目前针对渗滤液阻垢预处理的研究依然较少。现有研究仍以传统的加药软化法为基础，尝试改进药剂的种类或与其他技术相结合，但依旧存在产生污泥和二次污染的问题。探索绿色、高效的阻垢预处理技术是今后研究的方向和趋势。在工业循环水和油井废水等领域，阻垢技术已经得到比较充分的研究和运用，如阻垢剂的使用和电磁处理、超声波等物理阻垢技术的工程应用等，这些技术对渗滤液的阻垢预处理同样具有借鉴作用。同时，针对渗滤液自身的水质特点和成垢特性，对现有阻垢技术进行改进，如开发针对渗滤液蒸发处理的阻垢剂等，使其适应渗滤液的处理工艺情况，也是渗滤液阻垢的重要研究方向。