生物炭材料在垃圾渗滤液处理工艺中的应用进展

马祥 闫婷婷 胡恒宇

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司江苏分公司 江苏南京 210019)

随着城镇工业化的进行，人民生活水平不断提高提高，我国生活垃圾的产量迅速增长。垃圾已经成为中国城市面临的紧迫问题，垃圾造成的环境污染日益严重。在我国当前的经济技术条件下，生活垃圾处理的方式主要采用卫生填埋、焚烧、堆肥等[1]。生活垃圾处理过程中，由于垃圾含水量高、有机质量大，经后期微生物分解以及自然降水，将产生具有恶臭废气的、含挥发性有机化合物的黑褐色污水——垃圾渗滤液。垃圾渗滤液通常含有高浓度、难降解的有机污水，严重威胁生态环境以及人类健康。目前，吸附法具有操作简单、成本可控等特点，是垃圾渗滤液处理工艺中的关键组成部分。常用吸附剂主要采用沸石、树脂和活性炭等，但价格昂贵，易造成二次污染，亟须开发更经济、高效的新型环保吸附材料。生物炭是一类比表面积大、孔隙发达、富含碳素等优点的高芳香烃材料，吸附性能优异，性价比高，能有效去除废水中的化学需氧量（COD）。同时，生物炭由农林废弃物、城市垃圾等热解生成，是一类环保经济型材料，其原料价格低廉、来源广泛，是一种经济高效的吸附剂[2]。

迄今为止，我国在垃圾渗滤液这方面的技术研究已经取得了一定成果，基于传统处理技术之上，研究出了多种新型技术。这些技术有各自的优缺点，该文拟对垃圾渗滤液处理技术尤其是生物炭在垃圾渗滤液处理过程中的应用进行针对性阐述。

1 垃圾渗滤液的特点及危害

垃圾渗滤液主要包括4 个部分：（1）垃圾自身水分；（2）垃圾中微生物分解有机物产生的水分；（3）自然降水；（4）地表径流等渗入填埋场区的水。研究发现，垃圾渗滤液水质会受到填埋时间、垃圾自身性质和垃圾处理技术等影响，表现为水质成分复杂，含有大量的重金属，有机污染物和氨氮含量高，恶臭且色度高，微生物营养元素比例失衡，难于处理[3]。

2 垃圾渗滤液的处理方法

经过长期研究与实践，现阶段垃圾渗滤液处理工艺较为成熟。目前根据渗滤液性质，主流处理工艺主要包含生化法和物化法。实践表明，采用厌氧或好氧生化处理可水解的渗滤液或可生物降解的溶解性渗滤液性价比最高。而吸附、混凝沉淀过滤、膜分离、化学氧化等物化法则主要用于不可生物降解或难于生物降解渗滤液。此外，对于氨氮含量很高的渗滤液，也可分为物化法（如吹脱、汽提、离子交换等）和生化法（如厌氧氨氧化、短程硝化反硝化等）去除。物化法的优缺点较为明显，通常需要调节溶液pH值或反应时需加热升温，能耗相对较高，一般用在小水量、高浓度（一般大于5 000 mg/L）的废水。去除渗滤液中重金属则一般常用离子交换、蒸发浓缩后回收法、化学法以及膜分离技术[4]。

2.1 物理化学处理技术

垃圾渗滤液中含有大量主要成分是胶体的非沉积悬浮物。通常这些胶体是无机的，组成成分是碳酸盐和粘土。目前，用于处理垃圾渗滤液的物化处理主要包括：吸附法、混凝沉淀法、气提法、高级氧化法以及膜分离技术等。

2.1.1 吸附法

吸附法是将某些特定的，具有高表面能的多孔材料与垃圾渗滤液混合，吸附其中一种或数种组分（难降解有机物、多种金属离子），达到分离和富集的处理目的。市面上常用的吸附剂主要包括硅藻土、碳化树脂、活性炭和离子型吸附剂等，其中活性炭应用最广泛，效果较好。然而活性炭存在价格高，性价比不理想，再生技术不成熟的问题。

2.1.2 混凝沉淀法

针对垃圾渗滤液中胶体性污染物，混凝剂通过破坏胶体物质的稳定性，将废水中胶体和悬浮物聚集成絮凝体后沉淀分离，对浊度、色度、大分子污染物、重金属离子以及营养元素等可溶性无机盐，都有一定的去除作用。常用混凝剂主要有硫酸铝和聚合氯化铝（PAC）。然而混凝沉淀法对渗滤液中氨氮的去除效果较差，且会生成大量絮凝污泥对环境造成二次污染。

2.1.3 吹脱、气提法

吹脱气提法是脱除垃圾渗滤液中污染物的常用方法。将气体通入垃圾渗滤液中，废水和气体充分接触后，其挥发性物质和溶解性气体可以从气液界面穿透，从而进入气相中。吹脱一般指用空气作为载气，而气提则指水蒸汽作为载气。此方法能有效降低垃圾渗滤液中的氨氮，然而在这个过程中产生的NH3需用吹脱塔加酸去除。同时吹脱塔内有生成碳酸盐结垢处理，因此这个方法使用成本较高。

2.1.4 高级氧化法

高级氧化法是通过产生非特异性和高度氧化的物质各类自由基来氧化分解渗滤液中各类污染物的方法，具有反应速率快、氧化降解能力强、可提高渗滤液的可生化性、与其他工艺耦合强度高、不引入或少引入新的污染物等优点。常规的高级氧化技术主要包括电解氧化法、光催化氧化法、臭氧氧化法、催化湿式氧化法以及Fenton 氧化法。但是，高级氧化技术不能有效去除含氮化合物，因此高级氧化技术可以与其他工艺进行联用来去除渗滤液含氮化合物。此外，高级氧化技术操作较复杂，工艺不成熟，价格较高。

2.1.5 膜分离技术

膜分离技术是通过将膜内外的压力差转为推动力，通过膜的筛选进行固液分离的污水处理工艺。膜分离技术工艺具有占地面积小、操作时间短、能耗相对降低、处理高效、安全性好等优点。现阶段，国内外用于废水处理的膜技术主要包括电渗析、超滤、纳滤、反渗透、微滤等，其中反渗透的应用范围比较广。同时膜分离技术去除富里酸和腐殖酸的效率较高，因此其在处理老龄垃圾渗滤液时一般是首选。然而膜污染造成污染物在膜表面或孔内沉积，膜渗透通量下降的问题，使膜分离技术的广泛应用受到限制。未来研究主要是集中在易于清洗、抗污染、高机械强度和寿命较高的滤膜，且膜技术一般产生20%～30%的膜浓缩液（浓水），而无论是反渗透膜浓缩液或纳滤膜浓缩液，都有较高的COD、氨氮和有机物含量，难降解，同时伴随着色度大，含有一定量的重金属等困难。

2.2 生化处理技术

2.2.1 好氧生物法

好氧微生物的降解效率高，降解彻底，成本低，是最常用的水处理技术。在含有充足氧气的条件下，利用好氧微生物通过自身的生长代谢去除垃圾渗滤液中的有机污染物。最广泛应用的好氧生物法有活性污泥法、好氧稳定塘、曝气氧化池、生物膜法等，在实际水处理过程中最成熟，也可与其他工艺联合成组合工艺使用。好氧生物法工艺能有效降低垃圾渗滤液中的COD、生化需氧量和氨氮浓度等，同时对铁、锰等金属离子也有一定的去除效果，一般选择在高含量有机物污染物的渗滤液处理中使用。但是，好氧生物法产生的污泥近年来日渐成为一个难题，亟须解决。

2.2.2 厌氧生物处理法

厌氧处理法是在厌氧条件下利用厌氧微生物的生长代谢分解垃圾渗滤液有机污染物，是处理垃圾渗滤液的重要手段之一。与好氧生物法相比，厌氧生物工艺能耗较低、有机负荷高、装置简单、可有效提高污水的可生化性、产泥量少、可以实现部分能源回收等优点，一般用于处理污染物浓度较高的垃圾渗滤液预处理阶段。目前，厌氧生物反应器属于第三代产品，能量密度高，处理速度快，主要包括分段厌氧消化、厌氧生物滤池和上流式厌氧污泥床反应器（UASB）等。然而厌氧生物法易受温度和季节性的影响，且对pH值要求高、操作复杂。例如：厌氧甲烷菌的最适生长温度为50 ℃～60 ℃。因此，厌氧工艺处理垃圾渗滤液需要更深入的研究。

2.2.3 好氧+厌氧生物法

好氧生物法和厌氧生物法两种工艺具有很好的互补关系。在渗滤液实际处理中，只利用厌氧生物法或好氧生物法存在有机物氧化不彻底，氨氮的去除率较低的问题。为了提高污染物的去除率，往往采用厌氧法和好氧法相结合来处理废水。通常垃圾渗滤液的浓度较高且水质往往不稳定，只采用厌氧-好氧法技术较难达到国家排放标准，因此仍需与其他手段联用达到更好的去除效果。

2.3 生物炭在渗滤液处理中的应用

生物炭主要可由活性污泥、农林废弃物和城镇生物质废弃物等热解产生，是一类环保经济型新材料。此外，生物炭的原材料来源范围广、价格低（甚至有废物处置费收入），有着比表面积大、有发达孔隙结构、富碳等优点，在渗滤液处理工艺中有较好的应用，可提升渗滤液的处理效果。

2.3.1 污泥基生物炭的应用

渗滤液生化处理过程中产生的污泥可作为原料制备生物炭，并用于吸附等物化工艺。污水厂中的脱水污泥中有机质含量较高，因此脱水污泥可作为原料用来制备生物炭对垃圾渗滤液的膜浓缩液进行处理。垃圾渗滤液处理厂膜生物反应器（MBR）工艺的脱水污泥作为生物炭原料。比如：CHEN YL 等人[5]将生活污泥制备成生物炭，并用作吸附剂处理垃圾渗滤液尾水，发现污泥基生物炭能有效去除渗滤液中的大量污染物，对COD 去除效果较好。吴春山等人[6]研究发现，污泥基生物炭对垃圾渗滤液中的重金属离子也有很好的吸附效果。吴善斌等人[7]以垃圾渗滤液处理中源生污泥热解制备生物炭，发现该生物炭可有效处理膜浓缩液，并且具有良好的再生重复利用性能，经3次再生后，其COD的去除率仍然达到80%以上。郭克俭等人[8]设计中孔发达的碳基吸附材料污泥基生物炭进行两级吸附工艺+深度处理工艺，并设计一套处理量为156 m3/d的膜浓缩液处理工艺，并取得了良好的处理效果。

2.3.2 农林废弃物生物炭

农林废弃物也是生物炭的一个重要的来源，可于渗滤液工艺耦合或单独用作吸附剂。王昀晖[9]在添加竹炭和改变C/N对准好氧矿化垃圾床处理老龄渗滤液的影响研究中发现，生物炭添加量是一个重要的影响因素，在生物炭添加比例为3%、C/N=12时，老龄渗滤液处理效果最佳，COD 去除率达到97%，NH4+-N，NO2-N 和TN的去除率也明显提升。此外，生物炭添加后，准好氧矿化垃圾床渗滤液尾水中芳香族及带双键的难降解有机物（UV254）的去除率也得到明显提升（见图1）。王晨[10]研究了芦苇和水稻秸秆制备了改性生物炭，发现其对降低垃圾渗滤液COD 均有一定的效果，是经济、高效的吸附剂。

图1 难降解有机物（UV254）的去除[9]

2.3.3 城镇废弃物生物炭

随着无废城市政策的推进，城镇废弃生物质的问题也亟待解决。因此，可将城镇废弃生物质制备成生物炭，就近用于城市垃圾渗滤液的处理。石笑羽等人[11]在木屑生物炭对垃圾厌氧消化效果的研究中发现，生物炭丰富的孔结构为微生物提供了生长位点，生物炭的表面金属元素（如K、Ca、Mg）和含氧/氮官能团（使其具有较高的碱度，从而提高厌氧消化系统的缓冲能力和产甲烷菌活性，进而提高产甲烷速率。张晓丽[12]利用用高温限氧共热解法制备了天然黄铁矿/树枝条生物炭复合材料对垃圾渗滤液中的邻苯二甲酸酯进行去除，其去除率可达91%，同时重复利用性高。

3 生物炭材料在垃圾渗滤液处理中潜力展望

在处理生活垃圾过程中可产生大量的难降解有毒渗滤液，如何高效、低碳、低成本地处理是一个重要的环保问题，亟须解决。垃圾渗滤液工艺日渐成熟，但成本问题和生态效益有待进一步改善。我国是生物质资源大国，不当生物质利用也会造成环境问题。因此，将生物质废弃物的治理与渗滤液的处理相结合应当有广阔的应用前景和生态意义，值得我们共同努力。