探討垃圾滲濾液處理技術(shù)以及資源化利用
【www.fvqao.cn南京純水設(shè)備】垃圾滲濾液產(chǎn)生于生活垃圾的收集及處理過(guò)程，垃圾自身所帶水分、發(fā)酵分解產(chǎn)生的水分及大氣降水是其主要水分來(lái)源。目前，我國(guó)垃圾分類(lèi)收集處理的普及程度仍然較低，垃圾中所含污染物質(zhì)不僅含量高且成分復(fù)雜。在微生物及水的作用下污染物慢慢從固體轉(zhuǎn)移到垃圾滲濾液中，使其 COD、氨氮、重金屬、難降解有機(jī)物、鹽分等物質(zhì)的濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于城市生活污水。因此，垃圾滲濾液的處理難度極大，通常需要多種工藝的聯(lián)合處理才能使之達(dá)標(biāo)排放，致使其工程投資及運(yùn)營(yíng)成本高企。
事實(shí)上正因?yàn)槔鴿B濾液中某些物質(zhì)含量較高，不少研究人員嘗試對(duì)其進(jìn)行資源化利用。較早開(kāi)展的垃圾滲濾液資源化研究方向有厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣、回收氨氮、生產(chǎn)腐殖酸肥料等，顯示出滲濾液資源化具備一定的可行性。南京工業(yè)純水處理設(shè)備雖然當(dāng)前滲濾液資源化技術(shù)尚未成熟，未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，但隨著國(guó)家環(huán)保政策的日益嚴(yán)格及水處理成本的不斷上漲，相關(guān)技術(shù)將越來(lái)越受到重視。因此，本文將對(duì)近年興起的一些滲濾液資源化技術(shù)的研究進(jìn)展情況進(jìn)行介紹，以期為垃圾滲濾液資源化方向的研究提供參考。
1 回收化學(xué)物質(zhì)
垃圾滲濾液中某些物質(zhì)含量較高，具有一定的回收價(jià)值，且回收有用物質(zhì)后滲濾液的后續(xù)處理難度也相對(duì)更低。例如，應(yīng)用吹脫法、汽提法或磷酸銨鎂沉淀法回收氨氮;利用膜分離法或混凝法提取腐殖酸肥料。但是，目前相關(guān)技術(shù)仍存在能耗高、二次污染大、設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重或產(chǎn)品純度低等問(wèn)題，限制其實(shí)際應(yīng)用。因此，尋求更加高效易行的方式提取滲濾液中的有價(jià)值物質(zhì)成為滲濾液資源化領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
1.1 回收金屬元素
從垃圾滲濾液納濾濃縮液中回收鉀元素，先以離子交換膜電解法將鉀離子富集在電解池陰極室，再用磷酸鎂鉀結(jié)晶法將溶液中的鉀元素以沉淀的形式回收，處理鉀離子濃度為 2761 mg/L 的濃縮液時(shí)，鉀離子回收率可達(dá) 56 %。以投加碳酸鈉的方式對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行除鈣預(yù)處理，再以浸沒(méi)式正滲透膜將垃圾滲濾液濃縮，最后投加磷酸將鎂離子以鳥(niǎo)糞石沉淀的形式進(jìn)行回收。經(jīng)除鈣及正滲透預(yù)處理后，在(Mg +Ca)∶P為 1∶1.5、pH 為 9.5 的處理?xiàng)l件下，滲濾液中鎂離子回收率可達(dá)98.6 %。區(qū)別于直接向滲濾液投加藥劑，膜分離技術(shù)的引入可使物質(zhì)回收效率更高且費(fèi)用更低，無(wú)疑更具發(fā)展前景。目前，該處理技術(shù)仍處在發(fā)展階段，如何降低滲濾液前處理及金屬離子結(jié)晶回收成本、提高回收產(chǎn)物純度、應(yīng)用新型膜材料及提高膜運(yùn)行效率等是其研究重點(diǎn)。
1.2 膜吸收法回收氨氮
應(yīng)用支撐氣膜法回收垃圾滲濾液中的氨氮，其原理是利用微孔疏水性聚丙烯中空纖維膜將滲濾液與酸吸收液分隔于膜兩側(cè)，游離態(tài)氨氣化擴(kuò)散進(jìn)入微孔，并通過(guò)微孔擴(kuò)散到膜的另一側(cè)被酸吸收液快速、不可逆吸收生成不揮發(fā)的銨根離子，使氨氮得以回收。該研究試驗(yàn)結(jié)果顯示對(duì)于氨氮濃度為 1000~3000mg/L 的垃圾滲濾液，該技術(shù)可脫除 99 %以上的氨氮，同時(shí)得到硫酸銨含量為 10 %~15 %的水溶液副產(chǎn)品。采用Liqui-Cel 脫氣膜組件提取垃圾滲濾液中的氨氮，該膜組件可將滲濾液中 99.9 %的氨氮脫除，同時(shí)獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)41.2 %的硫酸銨溶液，可以用作肥料。與傳統(tǒng)的氨氮回收工藝相比，膜吸收法具有氨氮脫除率高、能耗低、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)的改進(jìn)及相關(guān)膜設(shè)備成本的降低，該技術(shù)將得到更多的關(guān)注。
2 與固廢聯(lián)合處理
對(duì)于有機(jī)物含量較高的垃圾滲濾液，厭氧發(fā)酵處理既可生產(chǎn)甲烷，還能降低有機(jī)物含量，有利于其后續(xù)處理，是一種兼具經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益的處理方式。合肥工業(yè)純水處理設(shè)備但是，由于垃圾滲濾液氨氮、重金屬、有毒物質(zhì)含量高的特性，垃圾滲濾液在發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程容易出現(xiàn)反應(yīng)條件不穩(wěn)及甲烷產(chǎn)率偏低的問(wèn)題。因此，有研究人員嘗試將垃圾滲濾液與某些固體廢物聯(lián)合處理，通過(guò)兩者所含物質(zhì)的互補(bǔ)，達(dá)到優(yōu)化處理效率且同時(shí)處理兩種污染物的目的。
2.1 與農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)固廢聯(lián)合處理
厭氧消化是一種潛力的農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)固廢處理技術(shù)，可避免粗放式處理帶來(lái)的環(huán)境污染且能回收清潔能源。堿處理后的水稻秸稈與垃圾滲濾液進(jìn)行混合厭氧消化，高濃度滲濾液的添加可使秸稈消化過(guò)程產(chǎn)生相對(duì)更多的 VFA，加入滲濾液的秸稈厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)氣率及產(chǎn)氣量分別比對(duì)照組高 60.15 mL/gVS 和 1868 mL，表明垃圾滲濾液與堿處理后秸稈的混合消化效果良好。在中溫條件下以豬糞為底物，以批次進(jìn)料方式處理焚燒廠垃圾滲濾液，當(dāng)以 20 %、25 %的體積負(fù)荷填料時(shí)可得到較高的產(chǎn)氣量，同時(shí)消化液的 pH值、堿度、氨氮水平均可保持穩(wěn)定。
上述研究表明將滲濾液與餐廚垃圾或農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)廢棄物進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化具有一定的優(yōu)勢(shì)，但若要將該處理方式應(yīng)用于實(shí)際工程，一方面需要進(jìn)一步優(yōu)化聯(lián)合消化的運(yùn)行參數(shù)，另一方面也需要相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持使之便于實(shí)施。
2.2 與餐廚垃圾聯(lián)合處理
新鮮滲濾液與餐廚垃圾共消化以提高沼氣產(chǎn)率和工藝穩(wěn)定性。在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，與單純的餐廚垃圾消化容易失敗相反，餐廚垃圾與滲濾液厭氧共消化表現(xiàn)出更好的性能和穩(wěn)定性，獲得更高的甲烷產(chǎn)量(375.9~506.3 mL/gVS)及 VS 去除率(66.9 %~81.7 %)，pH 更穩(wěn)定(7.2~7.8)，且無(wú)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)抑制現(xiàn)象。南京反滲透純水設(shè)備垃圾滲濾液濃縮液作為餐廚垃圾消化調(diào)節(jié)液，其水解酸化速度、產(chǎn)氣速率、總產(chǎn)氣量及甲烷含量都明顯高于以水為調(diào)節(jié)液的消化試驗(yàn)組，累積甲烷產(chǎn)量可達(dá)餐廚垃圾單相厭氧消化理論值的 165 %，表明適量垃圾滲濾液的加入有利于餐廚垃圾的厭氧消化。
3 微生物燃料電池產(chǎn)電
微生物燃料電池(MFC)是一種通過(guò)微生物的代謝作用將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對(duì)于 MFC 的運(yùn)行來(lái)說(shuō)，垃圾滲濾液不僅碳源氮源豐富，而且鹽分含量較高使之具有較高的電導(dǎo)率，可以作為其潛在的基質(zhì)來(lái)源。
3.1 單室微生物燃料電池
與雙室 MFC 相比，單室 MFC 一般只有陽(yáng)極室并以空氣作為陰極，以氧氣作為電子受體，因此運(yùn)行成本更低，具有更好的應(yīng)用潛力。然而，以空氣作為陰極時(shí)，由于氧氣溶解度低和陰極存在較大過(guò)電勢(shì)的問(wèn)題，會(huì)使電池反應(yīng)速率偏低。以MnO2 作為陰極催化劑，提高以垃圾滲濾液為陽(yáng)極液基質(zhì)的MFC 產(chǎn)電性能。當(dāng)電池陰極負(fù)載 MnO2后，穩(wěn)定輸出電壓和最大功率密度分別增大到 0.43 V 和 0.89 W/m3，同時(shí) MFC 運(yùn)行 7 天后BOD 和氨氮去除率分別達(dá)到 72.9 %和 91.6 %。將聚四氟乙烯涂抹于碳布層，制成以空氣為陰極的單室 MFC，用于垃圾滲濾液產(chǎn)電，獲得的高輸出電壓和高功率密度分別為 2.005V 和 3.2 W/m2。
微生物燃料電池技術(shù)處理垃圾滲濾液可在回收能量的同時(shí)去除部分污染物，且運(yùn)行成本較低，但仍需更好地改善產(chǎn)電效率低、穩(wěn)定性差、電極制造成本偏高等問(wèn)題方能使其更接近于實(shí)際應(yīng)用。
3.2 雙室微生物燃料電池
雙室 MFC 一般以質(zhì)子交換膜分隔電池的陰陽(yáng)極室，在陽(yáng)極室中產(chǎn)電微生物氧化分解有機(jī)物并產(chǎn)生電子和質(zhì)子，兩者分別通過(guò)外電路和質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極室并與其中的電子受體結(jié)合，最終產(chǎn)生電流。由于雙室 MFC 存在輸出功率偏低的問(wèn)題，以二氧化錳與石墨烯(MnO2/rGO)復(fù)合催化劑修飾雙室 MFC陰極電極材料，并將該 MFC 用于老齡垃圾滲濾液的處理，可獲得 194 mW/m3的功率密度(是未經(jīng)催化劑修飾 MFC 的兩倍)，COD和氨氮去除率分別為 58.68 %和 76.64 %。采用正透膜為中間隔膜，構(gòu)建雙室正滲透微生物燃料電池(OsMFC)處理垃圾滲濾液，結(jié)果表明 OsMFC 與普通 MFC 相比產(chǎn)電性能更好，其最大面積功率密度及相應(yīng)電流密度分別為 0.406 W/m2和 1.594 A/m2。
4 制取氫氣
垃圾滲濾液特別是早期垃圾滲濾液有機(jī)物含量較高，因此不少研究人員嘗試將其轉(zhuǎn)化成 H2、CH4、CO 等能源形式。其中，利用垃圾滲濾液制取氫氣這一清潔能源被認(rèn)為是一個(gè)頗有發(fā)展前景的方向。
4.1 生物制氫
在較早期的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)某些微生物在特定條件下可以利用垃圾滲濾液中的有機(jī)物產(chǎn)出氫氣。利用厭氧膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器及初期垃圾滲濾液進(jìn)行發(fā)酵制氫，南京水處理設(shè)備結(jié)果表明在運(yùn)行條件為中溫 35±1 ℃，pH 為 5.0~5.5，水力停留時(shí)間為 24h，反應(yīng)器內(nèi)液體上升速度為 3.7 m/h 時(shí)，系統(tǒng)的 CODCr去除率和氫氣產(chǎn)生速率分別為 49.6 %~51.6 %和 1996~2183 mL/(L·d)。
微生物電解系統(tǒng)從模擬垃圾滲濾液中以較低的成本制氫，當(dāng)外加驅(qū)動(dòng)電壓為 1.0 V 時(shí)，測(cè)得系統(tǒng)最大電流密度為 1000~1200 mA/m2，制氫速率可達(dá) 0.148 L/(L·d)。由于生物制氫往往對(duì)運(yùn)行條件的控制要求較高，難以穩(wěn)定保持較快的制氫速率，因此有研究人員嘗試用超臨界水氣化技術(shù)更加高效快速地從垃圾滲濾液中制取氫氣。
4.2 超臨界水氣化制氫
滲濾液超臨界水氣化制氫是利用超臨界水極強(qiáng)的傳質(zhì)及溶解能力，將滲濾液中的有機(jī)物質(zhì)溶解后，在蒸汽重整及水氣轉(zhuǎn)換等作用下使有機(jī)物分解和轉(zhuǎn)化成包括氫氣在內(nèi)的小分子物質(zhì)的技術(shù)。利用超臨界水氣化技術(shù)從垃圾滲濾液中制取氫氣，在溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間分別為 470 ℃、23.1 Mpa、10 min時(shí)，超臨界水氣化氣體產(chǎn)物中 CH4、CO2和 H2分別達(dá)到 32.34 %、2.72 %、61.88 %。在該團(tuán)隊(duì)后續(xù)的研究中[16]，以 NaOH、KOH、K2CO3、Na2CO3等堿性物質(zhì)作為催化劑提高超臨界水氣化技術(shù)從滲濾液中制氫的效率，發(fā)現(xiàn)在 450 ℃、28 Mpa、15 min 的反應(yīng)條件下，加入 5 %(wt)NaOH 時(shí)得到的 H2摩爾分?jǐn)?shù)和產(chǎn)率高，分別為 74.40 %和 70.05 mol/kg。南京實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備利用超臨界水氣化技術(shù)處理滲濾液可大幅度降低有機(jī)物污染物濃度，還可回收清潔能源氫氣，是一種前景廣闊的處理技術(shù)，但該技術(shù)尚存在設(shè)備昂貴、運(yùn)行成本較高、反應(yīng)熱效率偏低等問(wèn)題，故暫時(shí)難以得到實(shí)際應(yīng)用。
5 培養(yǎng)能源微藻
不可再生能源日漸枯竭是人類(lèi)社會(huì)繼續(xù)發(fā)展面臨的一大難題，因此開(kāi)發(fā)更多高效新型的可再生能源刻不容緩。其中，培養(yǎng)能源微藻進(jìn)行無(wú)機(jī)碳固定和生物燃料生產(chǎn)是目前的研究熱點(diǎn)之一。
5.1 光生物反應(yīng)器養(yǎng)藻
由于能源微藻的培養(yǎng)過(guò)程需要消耗大量氮、磷、水等資源，運(yùn)行成本偏高，因此近年來(lái)研究人員嘗試?yán)梦鬯鳛闋I(yíng)養(yǎng)源，以期達(dá)到降低微藻培養(yǎng)成本同時(shí)凈化污水的目的。垃圾滲濾液中氨氮及總磷含量均遠(yuǎn)高于普通生活污水，對(duì)微藻的培養(yǎng)來(lái)說(shuō)是良好的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，因此利用垃圾滲濾液培養(yǎng)微藻引起了研究人員的關(guān)注。以垃圾滲濾液與市政污水混合液作為基質(zhì)，利用光生物反應(yīng)器培養(yǎng)高密度微藻菌團(tuán)，用于固定無(wú)機(jī)碳及生產(chǎn)生物柴油。當(dāng)滲濾液占混合液體積比為 10 %時(shí)，獲得的生物柴油產(chǎn)量和二氧化碳固定率分別為 24.1 和 65.8 mg/(L·d)。
5.2 膜光生物反應(yīng)器養(yǎng)藻
由于垃圾滲濾液中氨氮、重金屬、有機(jī)污染物等對(duì)微藻細(xì)胞有一定的毒性，會(huì)抑制藻細(xì)胞的光合作用，限制了微藻對(duì)垃圾滲濾液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用效率。因此，研究人員嘗試?yán)媚す馍锓磻?yīng)器(m-PBR)培養(yǎng)微藻，通過(guò)光生物反應(yīng)器與膜過(guò)濾組件的結(jié)合，將微藻培養(yǎng)液與垃圾滲濾液分隔開(kāi)，從而降低垃圾滲濾液的毒性作用對(duì)微藻細(xì)胞的影響，提高微藻生長(zhǎng)效率和脂質(zhì)產(chǎn)量。利用 m-PBR 和垃圾滲濾液培養(yǎng)微藻，與使用普通光生物反應(yīng)器相比，得到的微藻生物量濃度從 0.66 提高到 0.95g/L，氮磷回收效率明顯提高。此外，利用 m-PBR 生產(chǎn)的微藻制造的生物柴油十六烷值較高而亞麻酸含量較低，表明以垃圾滲濾液為營(yíng)養(yǎng)源時(shí)，獲得的生物柴油具有良好的燃燒性能。
將 m-PBR 技術(shù)用于垃圾滲濾液培養(yǎng)能源微藻利用的是膜分離、藻類(lèi)及光的綜合作用，就氮磷回收及碳固定來(lái)說(shuō)成本是極低的，無(wú)疑是垃圾滲濾液處理及資源化前景的新方向。然而，目前該技術(shù)仍需繼續(xù)提高能源微藻的生產(chǎn)與回收效率以及尋求能低費(fèi)高效地將生物脂質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物柴油的方法。
垃圾滲濾液成分復(fù)雜、處理難度大，在目前我國(guó)相對(duì)嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)下，其妥善處理需要耗費(fèi)高昂的費(fèi)用。南京EDI水處理設(shè)備然而，垃圾滲濾液中許多污染物質(zhì)也是可被回收利用的資源。在本文提到的研究中，垃圾滲濾液有回收氨氮、提取金屬物質(zhì)及制造能源等資源化利用方式，不僅可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還可令滲濾液得到不同程度的凈化，無(wú)疑可以大幅節(jié)省滲濾液最終處理成本，是垃圾滲濾液處理領(lǐng)域非常值得繼續(xù)加以深入研究的方向。
目前，滲濾液資源化技術(shù)往往存在不同程度的不足，使之尚未得到推廣應(yīng)用。首先，相關(guān)技術(shù)仍需繼續(xù)提高從垃圾滲濾液中回收資源或能源的效率，提高其經(jīng)濟(jì)效益。其次，單靠某一種滲濾液資源化技術(shù)往往無(wú)法完全凈化垃圾滲濾液，因此考慮將多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在回收多種資源的同時(shí)降低滲濾液最終處理成本，無(wú)疑更有利于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。最后，垃圾滲濾液資源化技術(shù)的應(yīng)用及其產(chǎn)品的銷(xiāo)售使用還需得到國(guó)家相關(guān)政策的支持，以便回收得到的資源能順利地轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)效益。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)及國(guó)家相關(guān)環(huán)保政策的推動(dòng)，垃圾滲濾液的資源化利用將得到更多的關(guān)注和實(shí)際應(yīng)用。
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