垃圾渗滤液处理与清洁焚烧技术

2022-03-12马岚婷屈撑囤

石油化工应用 2022年12期

梅懿，马岚婷，2，屈撑囤，2，3

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室，陕西西安 710065；3.石油石化污染控制与处理国家重点实验室，北京 102206）

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，城市生活产生的生活垃圾年均增长率达到8%～10%。2020年，全国生活垃圾清运量达到2.35×108t。预计2030 年生活垃圾清运量将突破4×108t，2050 年将突破5×108t。生活垃圾处理处置问题日益突出[1]。与堆肥法与焚烧处理法相比，卫生填埋具有处理量大、投资成本和运营成本相对较低，还可以对垃圾二次污染进行有效控制的特征，因此被广泛应用。生活垃圾填埋率在中国、英国和美国城市分别为95%、88%、75%，因此垃圾渗滤液产生量逐年增大[2-3]。垃圾渗滤液色度深、有难闻气味和难降解有机物、水质组分复杂、氨氮和重金属含量偏高、生物降解性能差，若未经过有效的处理外排环境，将会对地表水、地下水、土壤产生污染[4]。因此国内的研究院所和相关企业对其开展了深入研究，形成了Fenton 法、IOC-A/O-UF/NF/RO 组合工艺等五种垃圾渗滤液的处理方法，并在多个城市得到成功应用。

垃圾渗滤液又被称作渗沥水或者浸出液，主要来源有从降雨、降雪、灌溉水、地表水流动以及地下水浸入等是垃圾堆放或填埋过程中经过地下水或地表水浸泡、发酵后被雨水冲刷后滤出的污水[5]。垃圾渗滤液成分复杂且水质变化大，其中含有大量的细菌、病毒、寄生虫、有机物和氨氮等有害物质，其降解能力随填埋时间的增加而降低，金属离子含量相对较低，流量小且不均匀，污染浓度高，对环境污染严重，甚至危害人体健康。

1 垃圾渗滤液处理方法

1.1 Fenton 法处理工艺

高级氧化技术是通过物理化学过程（声、光、电、磁）与化学氧化剂相互反应，产生羟基自由基（·OH）并使浓缩液中的有机物分解为CO2和H2O 的过程。Fenton 法是在酸性条件下，H2O2与Fe2+混合产生氧化强的·OH（式1），使难降解的有机物被快速氧化[6]（式2）。该方法环境友好、成本低、操作简单[7]，被广泛应用于高浓度有机废水的处理过程。

在Fenton 反应中有Fe（OH）3胶体生成，使Fenton反应具有吸附和絮凝等功能[8]。Fenton 试剂还具有除去污染物的氧化作用。

Fenton 方法可分为均相法和非均相法。均相法处理有机污染物最佳pH 值在2～4，其主要影响因素是pH 和Fenton 试剂的比例和用量。DANTAS 等[9]发现当H2O2/Fe2+摩尔比和氧化Fe2+分别为9 g/L、12 g/L，沉淀、氧化和絮凝时间分别为15 min、30 min 和10 min时，垃圾渗滤液处理后COD 由16.3 g/L 降低至6.0 g/L。

为了克服均相Fenton 法pH 过低的局限性，可以加入零价铁并将其负载于载体上，避免含铁污泥的产生。LIAO 等[10]以垃圾渗滤液及双酚A（BPA）作为目标污染物进行处理研究，采用FeMgAl 层状双水滑石的非均相Fenton 法，处理后双酚A 由1 mg/L 降低至0.1 mg/L，降解率达到90%以上。

除传统Fenton 法外，还开发了将超声波、紫外光、电能等能源联合使用的复合式拓展Fenton 法，辅助Fenton 法处理垃圾渗滤液[11]。ZHA 等[12]用光-Fenton 法处理垃圾渗滤液后再经超声波处理时，发现当在Fe2+存在时，处理后的垃圾渗滤液TOC 去除率更高。初始浓度为600 mg/L 的垃圾渗滤液，经过处理后COD、BOD5、TOC 的去除率分别为79.6%、58.2%、68.3%。

1.2 IOC-A/O-UF/NF/RO 组合工艺处理工艺

目前，采用传统单一的渗滤液工艺难以满足污水的排放，需要在废水预处理+生物处理后添加深度处理装置。经综合处理后，其水质达到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》中的敞开式循环冷却水系统的相关补水水质要求，并且处理费用只有28.08 元/立方米[13]。本工艺主要包括IOC 厌氧反应器、好氧和缺氧（A/O）系统、超滤（UF）系统、纳滤（NF）系统、反渗透（RO）系统，属于一种综合处理工艺，MBR 工艺是一种很好的去除有机物和总氮的工艺，出水后需要经过NF 和RO 两种工艺，以确保最终出水的质量达到要求。通过实际应用，发现处理后的废水TP 去除率为99.98%，TN 为99.24%，NH3-N 为99.98%，COD 为99.99%，TP、TN、NH3-N、COD 出水相应的各项指标为0.014 mg/L、12.4 mg/L、0.24 mg/L 及4.6 mg/L[14]。

1.3 Fe/C 微电解－Fenton 氧化联合处理工艺

微电解技术是以废水为电解质，加入铁屑（或铝粉）和碳组成若干微小原电池，再经氧化、絮凝、吸附、置换等化学反应，以实现对水中污染物的有效去除[15-16]。铁质微电解反应机理见（3）～（5）式[17]：

本方法对抗生素废水进行处理后，废水的COD、色度去除率分别为99.73%和99.93%，出水的COD≤50 mg/L[18-19]。

1.4 臭氧氧化-曝气生物滤池联合处理工艺

臭氧氧化技术原理是臭氧在不同催化剂下可以产生羟基自由基（·OH）的一种高级氧化技术，臭氧在水中可以发生以下反应[20-21]：O3→O+O2，O+H2O→2·OH，臭氧（具有很强的氧化性）氧化还原电位为2.07 V，仅次于氟。曝气生物滤池（BAF）原理是在预处理强化的基础上以附着生长的生物膜和颗粒填料为主要介质，利用生物代谢作用、絮凝作用、物理过滤和生物膜物理吸附作用，并利用生物滤池中食物链的分级捕食作用，达到脱除污染物的目的。因此两者联合，在污水预处理中一直受到关注。

采用两种方法联合处理对废水进行深度处理，当水力负荷为0.25 m3/（m3·h）和臭氧投加量为150 mg/L时，联合处理工艺最终出水NH3-N 低于8 mg/L，COD低于80 mg/L，NH3-N 和COD 的去除率分别达到了91.4%和54.9%，与单独使用BAF 处理相比，水质有明显提升[22]，且水质优于GB 16889—2008《生活垃圾填埋污染控制标准》的要求。

1.5 混凝/水力空化强化二氧化氯联合处理工艺

混凝-水力空化（HC）/二氧化氯（ClO2）的组合工艺，首先采用混凝预处理可大幅度减少污水中的COD和有机负荷，然后再采用HC/ClO2对渗滤液中的有机物进行降解，从而在较低的处理费用下实现污染物的高去除率[23]。

混凝预处理过程可通过包裹和吸附等去除部分COD，经絮凝处理后再采用ClO2、水力空化、水力空化联合ClO2三种方式对垃圾渗滤液进行处理。当pH 值在4～8 时，单独使用ClO2能使复杂、难降解的有机分子被氧化为简单的次级链烃分子，提高污水可生化性并降低生物毒性。单独的水力空化装置在孔板的开孔率、布孔方式分别为0.043 9 和环状布孔时，最终出水COD 去除率为83.58%[24]。

2 清洁焚烧

利用焚烧法处理垃圾浓缩液主要思想是在高温环境下对废液进行彻底的无害化及减量化处理，在高温环境下废液蒸发，其中的有机物燃烧放热，水分变成水蒸气，无机盐转变成飞灰，尾气经过净化后达标排放[25-26]。垃圾渗滤液在高温燃烧时，废液中的有机物会释放出热[27]。由于垃圾渗滤液含水率高、热值低，在燃烧前为了提高其热值，应先采取蒸发或萃取的方式进行浓缩处理。焚烧时会产生HX 等酸性气体、NOx和SOx等，应对烟气进行净化，同时可以通过控制燃烧温度、湿法除尘器或添加活性炭吸附剂来减少二噁英的生成[28]。赵晓峰[29]采用空气压缩技术将浓缩的垃圾渗滤液雾化直接喷入炉膛内进行焚烧。利用渗滤液回喷技术处理垃圾渗滤液，此工艺系统运行可靠且操作方便，抗负荷波动能力突出，二次排放的污水减少，运行费用低廉。垃圾焚烧产生的部分余热也可用来发电，或者在冬天进行供暖、制冷或垃圾干燥处理等。晋江市垃圾焚烧发电厂在一期工程建成后，已经安全运作250 d 并累计处理垃圾14.3×104t，且累计发电量为4 128.57×104kW[30]，减少了煤炭等燃料用量。垃圾焚烧后产生的底灰现在也可进行资源化利用，其作用途径主要是沥青路面、混凝土和水泥的替代骨料，马路路堤以及地基填充材料，垃圾天面层覆盖土料以及海洋建筑工程材料等[31]。