基于光电化学技术处理垃圾渗滤液

孙 悦，刘 彤，戚树强，高 辉

（哈尔滨石油学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

垃圾渗滤液预处理已成为一项难题。传统处理垃圾渗滤液的方式很多，最常见的方案是填埋、堆肥等。本项目对传统垃圾渗滤液处理装置进行改进，结合光电技术对垃圾渗滤液处理装置进行技术创新，可大大提高垃圾渗滤液的生化率，对绿色可持续发展具有重大意义。

1 产品市场调研

1.1 垃圾渗透液处理不当问题

市政建设弊端已成为现代科学实体化的重要部分，如何提升生活垃圾纯净化、无污染化、可回收化成为垃圾渗滤液处理行业的重要问题。随着我国对环境保护的监管力度越来越强，居民生活水平逐渐提高，对水质要求也越来越高。但生活垃圾中的渗透液对水质问题的影响也越来越大，显现出了很多问题。例如很多地方垃圾渗滤液处理设施不妥当，处理厂装置老化，甚至有的地方出现垃圾渗滤液随意偷排的现象，使得附近居民难以正常生活，甚至造成了河流污染，产生了巨大的环境问题。垃圾填埋渗透液是一种高浓度、高污染的有机废水，在处理的过程中难度巨大，一般采用氨吹脱法、絮凝沉淀法、高级氧化法等不同的方法进行处理[1]。

1.2 生活垃圾处理量的变化

2011 年至2019 年，我国生活垃圾处理量呈现出增长态势，2019 年为24013 万吨，比2018 年增长6.4%。根据相关数据总计以及废弃物资源化控管能力变化趋势初步估计，2021年我国生活垃圾处理量为28590万吨。由于国家环保政策的变化，2011 年至今，垃圾焚化处理逐渐代替废弃物回填已成首要做法。2019 年，垃圾填埋量占比45.59%，垃圾焚烧量占比50.70%，综合处理量占比3.71%。2020 年，前瞻估计垃圾焚烧量占比将继续增加到57.05%，垃圾填埋量占比将减少至38.30%。

由于目前我国垃圾分类还不健全，日常生活垃圾相对湿度通常都大于50%，所以垃圾处理厂形成的渗滤液一般来说占垃圾填埋量的35%～50%，少部分区域受地理环境、降雨量等负面影响，垃圾处理厂的出口量占垃圾回填量甚至可以达到50%左右，而我国的垃圾处理厂形成的渗滤液则大多来源于新鲜废弃物在垃圾储坑中发酵熟化时沥出的水份。

现阶段，我国垃圾焚烧厂产出的渗滤液通常占垃圾焚烧量35%以下(重量比)，个别省份高达35%以上。综上所述，根据垃圾填埋厂产出的渗滤液占垃圾填埋量的37%，垃圾焚烧厂产出的渗滤液占垃圾焚化量的28%，垃圾处理厂产出的渗滤液占垃圾处理量的36%。我国垃圾焚烧厂产生的渗滤液一般占垃圾焚烧量25%～35%（重量比），部分地区超过35%以上。

1.3 垃圾渗滤液处理情况

2011 年至2019 年全国生活垃圾渗滤液产出量年年增长，2019 年，我国生活垃圾产出量高达8349.36 万吨，同比增长4.63%，预计2020 年我国城市无害化处理生活垃圾渗滤液产出量将达到8716.50 万吨。

2 项目研究现状及分析

2.1 国内垃圾渗滤液研究情况

目前我国科学家陆续开展了光电氧化法处理渗透液方向的研究。以国内某科技公司臭氧高级氧化旋流溶气气浮一体化装置为核心技术的专利工艺对垃圾渗滤液进行处理，该技术是科力迩公司自主开发的专利技术，能够对生活垃圾渗滤液进行高效、综合的处理，可降快速降低COD、氨氮、脱色、除臭、杀菌等。该技术整体处于国际先进技术水平，目前已经得到逐步的发展和应用。

广州的FCM 自电解+SAO3臭氧催化氧化+BAF 工艺改造前垃圾渗滤液没有经过预处理直接进入生化系统，可能引发生化系统受阻，更新改造后通过自电解进行预处理，可去除50%以上的COD 和95%以上的重金属，保证生化系统稳定运行。

北京市化工企业选用光电催化氧化技术对渗滤液展开处理。经光催化，高分子化学及光电催化氧化反应后多元酸出水的COD、需氧量以及饱和度去除率展开了对照研究组。

结果表明，光电催化技术可将渗滤液中大量大分子有机物内部组成破坏，使其降解为小分子物质，进而进行下一步处理。

2.2 国外垃圾渗滤液处理情况

1894 年，比利时充分利用Fenton 氧化法在预处理难水解日常生活的无机污水上，有着大多电化学氧化法无可比拟的特点，迄今为止已熟练运用若干种处理渗滤液的方法，但H2O2价格昂贵，生产量过高，所以在实际操作中，通常与其他操作过程一起使用，将其用作城市污水的提纯或最后根本性处理。Fenton 试剂主要用于污水的处理或最后根本性处理，用少部分Fenton 试剂对城市污水进行处理，使污水中难分解腐蚀性的物质出现部分分解，改变其可再生性、可溶性和混凝性能，有助于后续处理。[2]

瑞士的英瑞水处理法方案则是通过采用瑞士进口的AFM 滤料作为过滤介质，大大改善了物理过滤系统，使过滤效果高达到4 微米级别，能有效地减少细菌繁殖所需的物质，让细菌无法生长。采用的是抑制细菌生长方式，从而消灭细菌，而不是通过传统的方式直接杀死细菌，处理过后的水质稳定、清澈、无异味，可回用，可食用。

2.3 国内外垃圾渗滤液处理缺陷

国内臭氧氧化反应分为直接反应和间接反应，直接反应氧化电位为2.08V，氧化电位低且反应具有选择性，无法完全氧化各种污染物；间接反应是利用指导作用促使臭氧分解并产生大量羟基自由基，该自由基不但氧化电位高(仅次于氟)，氧化性强，而且无选择性能够氧化各种污染物。

国外本身的一些瓶颈问题如能耗大，虽然氧传质效率高，但曝气不仅需要生物降解提供溶氧，还必须保持载体流化状态；硫化床内部结构的流态化特征非常复杂，对其流体力学特性研究课题匮乏，给设计模块化造成了麻烦，泥水分离靠重力场作用，载体已散失，出水口水体质量极差。

3 创新点

3.1 电化学法处理异味

垃圾渗滤液中包含大部分氢化物和氯化物，把垃圾渗滤液加入电解池（电极为惰性材料）进行电解除去NH3。净化垃圾渗滤液净化过程分为两步：第一步是电解产生氧化剂，第二步是氧化剂氧化氨氮物质生成氮气以达到消除异味的效果。

3.2 光电浓度测量器

为了提高装置自动化程度，我们设计出了测量渗滤液浓度自动控制渗滤液量的装置。整个电路图由光耦继电器和渗透液浓度控制装置组成。光耦继电器是一种固相继电器，它用光偶催化静电感应通过中央处理器传送适量的电信号。以光为介质传递电信号整个过程中实现电光电的转换，从而驱动三极管导通，最后连接一个浓度控制装置，渗透液底部安有阀门。最右端安有控制器，控制器上有小灯，当渗透液浓度达到具体要求标准时，灯就会亮起，进而启动开关控制阀门控制渗透液流出。

3.3 运用高级氧化技术增加渗滤液可生化率

运用高级氧化技术对各种有机物降解具有无选择性、不会产生二次污染、反应速度快等优点。对于渗滤液，利用高分子化学水解法可以将其中的氨氮、COD 和各种复杂的有机物合理去除，最高去除率超过70%。设计中使用SnO2/Ti 材质的板材作为阳极以及不锈钢材质的板材作为阴极，极板间距设置为5 毫米，电流密度为7.5A/dm2，投入的氯化钠量为每100 毫升2 克，处理时间控制在120 分钟之内。氨氮进水浓度和出水浓度分别应控制在4085mg/L 和1209mg/L[3]。从有害物质的氧化结构预测，在阳极的高分子氧化包含直接阳极氧化和间接阳极氧化两种氧化作用，在有机体兼容有机物和无机物的预处理过程中，直接阳极氧化充分发挥着极其有效的分解作用，如对苯酚、可溶性有机染料、氰化物的直接分解。在电极直接氧化反应过程中，底物浓度的大小会使高分子表面反应受到分子热约束。除了直接氧化，在阳极还会产生氧化物的异相氧化、强氧化性的活性物质、氧化还原电子对等[4]，并且对环境污染有机物作出间接阳极氧化作用。但需注意的是，COD的进水和出水浓度分别为44100mg/L 和1369mg/L 时，去除率有所下降，为68.94%[5]。借助GCMS 法对渗滤液处理过程前后的有机、无机氨氮化物做出科学分析可知，原水中结果显示出60 多种非常复杂的化学物质，处理后有机化学物质减少，总计还有40 余种。之前有数十种化学物质被列入自然环境优先污染物黑名单，之后已经降低到只有8 种化学物质被列入自然环境优先污染物黑名单，因而在某种程度上减低了这些化学物质的毒性。通过GCMS 法对渗滤液处理前后的有机污染物进行进定性分析可以发现，垃圾渗滤液可生化率得到了大幅度提高。电流密度为7.5A/dm2、温度为40℃，不同极板间距时COD和NH3-N的实验结果很明显[6]。

经过电化学处理，垃圾渗滤液ρ(BOD5)/ρ(COD)的值由原来的0.22 提高到0.71[7]，表明处理后出水，若经过生物工程处理后可达污水处理排放标准。

4 设计优点及技术路线设计

4.1 设计优点

1.有效降低垃圾渗滤液排放出的异味。

2.智能化，可按照渗滤液浓度自动改变渗滤液用量。

3.高级氧化方式增加渗滤液生化率。

4.2 技术路线设计

首先，渗滤液经过电化学法而降低异味，降低异味的渗滤液进入仪器内部。仪器内部通过控制浓度装置控制渗滤液的进入量，接下来通过电化学氧化法处理渗透液，使渗透液的可生化率得到了大幅度提升，产生更多的可生化物质。

5 商业价值

5.1 现状

当前，一些城市在处理日常生活垃圾的过程中，一般来说都会采用安全卫生填埋的处理方法，如此就很容易产生垃圾渗滤液，而且日常生活垃圾渗滤液的水体特性会因为填埋时段不同而出现显著差别。

5.2 可行性分析

在过去垃圾渗滤液的处理方法大多是填埋、堆肥等方法，对环境污染极大，现在处理垃圾渗滤液的方式虽然得到了提升，但在垃圾渗滤液分配方面没有较好的处理方法，而我们的方案解决了这个问题，根据垃圾渗滤液浓度自动检测装置实现了高低浓度的区分，使渗滤液处理更加完善。而且光耦继电器的优点很多且使用寿命长，节约了大量成本。

垃圾渗滤液处理中氮氧含量还在增加，而氮氧含量的增多则会导致地面水体缺氧、水质恶化等严重问题，而光电化学技术可以有效去除渗滤液中的氮氧，也可使垃圾渗滤液生化需氧量和化学需氧量的比值得到明显提升，使可生化性变高，进而再行再生处置可达到国家排放标准，进而排放。

由此可见，光电浓度自动检测器的可行性很高。

5.3 先进性分析

1.相对于传统的填埋和堆肥的处理方法有很对的弊端，对环境、对土地多少都有污染和破坏。现在高级氧化法的普及使得环境问题得到了很大改善。

2.根据垃圾渗滤液浓度自动检测装置，实现了高低浓度的区分，使渗滤液处理更加完善。

3.引进光耦继电器的使用有很多的优点且使用寿命长，节约了大量成本，由此可见，光电浓度自动检测器的可行性很高。

4.垃圾渗滤液处理中氮氧含量还在增加，而氮氧含量的增多会导致地面水体缺氧、水质恶化等严重问题，而光电化学技术可以有效去除渗滤液中的氮氧，也可使垃圾渗滤液生化需氧量和化学需氧量的比值得到明显提升，使其可生化性变高，从而经过生化处理可达标排放。

6 营销策略

我国垃圾处理是一个十分棘手的问题，随着垃圾的增多，垃圾渗滤液也随之增多。对此，我们制订了下述市场营销设计方案：

1.利用互联网推广，设置专门网页用于推广本产品，向卖家介绍使用方式和产品优势。

2.通过关键词营销，比如客户在搜索“垃圾”时就会定向推送我们商品的广告。

3.采用业务捆绑方式，例如购买本产品终身保修等对买家有利的推广方式。

4.以旧换新，旧设备返回厂里维修，新设备根据旧设备损坏程度收取少量维修费用。

5.免费给有需求的企业进行技术宣传，对有关企业的员工进行培训指导。

6.向商家介绍此装置的创新点，介绍升级后装置的优势，并提供上门安装等服务。