郭娜，王伯鐸，崔晨，張秋菊

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710127)

膜技術(shù)對垃圾滲濾液處理的研究

郭娜，王伯鐸，崔晨，張秋菊

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710127)

闡述了垃圾滲濾液的現(xiàn)有處理方法，以及膜分離組合處理工藝、其他新型生物組合處理工藝的最新研究進(jìn)展，并針對膜技術(shù)處理的優(yōu)缺點提出了相應(yīng)的建議及展望。

垃圾滲濾液;膜分離;生物組合工藝

隨著我國城市人口的增加，相應(yīng)產(chǎn)生的生活垃圾量也在急劇增加。據(jù)預(yù)算，到2030年我國城市生活垃圾量將超過4億t［1］。由于垃圾在堆放和填埋過程中壓實、發(fā)酵等生物化學(xué)降解作用，同時在降水和地下水的滲流作用下產(chǎn)生了一種高濃度的有機(jī)或無機(jī)成分的液體—垃圾滲濾液，它具有:有機(jī)物濃度高，成分復(fù)雜，氨氮濃度、金屬離子濃度含量高，色度高，水質(zhì)變化大等特點。將會對地表水、地下水、土壤、大氣和生物造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染。

目前，由于我國生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GB 16889－2008)的頒布，對垃圾滲濾液的排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，同時，對垃圾滲濾液的處理技術(shù)也提出了更高的要求，不斷改進(jìn)、優(yōu)化處理技術(shù)是垃圾滲濾液處理的新的研究方向。

1 垃圾滲濾液的傳統(tǒng)處理工藝

傳統(tǒng)常用的垃圾滲濾液處理技術(shù)主要有:生物處理技術(shù)、物化處理技術(shù)、膜分離技術(shù)、循環(huán)回灌技術(shù)、土地處理技術(shù)、蒸發(fā)處理技術(shù)、礦化垃圾處理技術(shù)以及上述技術(shù)的各種組合形式等［2］。

物化處理不受水質(zhì)水量變化的影響，出水水質(zhì)較穩(wěn)定，尤其是對BOD5/COD比值較低(0.07～0.20)難以生物處理的垃圾滲濾液，有較好的處理效果。但其處理成本較高，不適于大水量垃圾滲濾液的處理;生化處理技術(shù)相對成熟，且成本相對較低、效率高，消除了化學(xué)污泥等造成的二次污染，被廣泛運用。土地處理投資低，易于管理，但受氣候條件和地域限制［3］。循環(huán)回灌法簡單經(jīng)濟(jì)，方便易行，綜合利用性強(qiáng);合并處理費用低廉，但易造成沖擊負(fù)荷，只適用于城市污水處理廠附近的垃圾填埋場滲濾液處理。

對滲濾液的處理工藝，多采用生物處理－物化法作為預(yù)處理或者后處理工藝，而土地法作為后處理工藝的系統(tǒng)或者作為單獨的處理系統(tǒng)。但這些組合工藝在實際運行中也都存在一定的問題，為了盡可能地對滲濾液進(jìn)行較為全面、有效地處理，在生物處理的基礎(chǔ)上，必然需要對滲濾液進(jìn)行一定的預(yù)處理。同時，為了提高處理效果，還必須增加部分后處理工藝。

傳統(tǒng)的生物處理和物化處理技術(shù)非常適合高濃度污水(垃圾滲濾液)的處理和管理。生物處理技術(shù)可作為預(yù)處理工藝，降低或消除COD、氨氮和重金屬離子;物化處理技術(shù)可作為“穩(wěn)定的處理工藝”(即有很少的生物降解過程)，以去除難降解的有機(jī)物質(zhì)。物化－生物組合工藝避免了單個工藝的缺陷，處理效果好、經(jīng)濟(jì)有效，是目前垃圾滲濾液中應(yīng)用較為廣泛的方法之一。但是，隨著垃圾填埋場的增多和垃圾滲濾液的趨于穩(wěn)定化，常規(guī)處理工藝(如生物或物化)很難達(dá)到不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，近幾年來，基于膜處理的相關(guān)新型組合工藝在垃圾滲濾液處理上得到了廣泛的應(yīng)用。

2 新型處理工藝

2.1 膜分離處理組合工藝

在垃圾滲濾液處理中，主要的膜處理工藝有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)及反滲透(RO)等。它們都是以壓力差(也稱透膜壓差)為推動力的膜分離過程，在膜兩側(cè)施加一定的壓差時，可使一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過膜，而微粒、大分子、鹽等被膜截留下來，從而達(dá)到分離的目的。其主要區(qū)別在于被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)與性能［4，5］。

生物組合工藝在垃圾滲濾液的處理上的應(yīng)用很廣泛，但對于可生化性低、有機(jī)物濃度高的垃圾滲濾液來說，生物法處理效果往往不夠理想，對其進(jìn)一步深度處理是達(dá)到其出水要求的關(guān)鍵。與其他深度處理相比，膜分離技術(shù)以其出水效果好、不產(chǎn)生副產(chǎn)物、操作簡單等優(yōu)勢，在垃圾滲濾液處理中得到越來越廣泛應(yīng)用。

2.1.1 微濾/超濾組合工藝

微濾(MF)/超濾(UF)是用來去除0.002～0.1μm或0.1～10μm范圍內(nèi)的大分子有機(jī)物、膠體、SS以及經(jīng)沉淀后的重金屬的一種有效方法。二者的共同點是作為其他膜處理(UF，NF或RO)的預(yù)處理，不能單獨使用。

MF作為預(yù)過濾階段時，COD的去除率在25%～35%［6］。Krug和McDougall［7］實驗研究用管式微濾膜和螺旋卷式反滲透膜聯(lián)合處理垃圾滲濾液可行性，結(jié)果表明，MF能去除滲濾液中SS和金屬離子，RO幾乎去除掉所有有機(jī)物和難溶性固體顆粒。Zenon［8］用MF和RO膜組合工藝處理Muskoka lakes垃圾填埋場滲濾液。

K.W.Pi［9］等利用超濾(UF)－水解酸化(HAR)－好氧生物接觸氧化(ABOR)組合工藝對垃圾滲濾液進(jìn)行處理，試驗以進(jìn)水流量20L/d、COD負(fù)荷為0.75～1.5kg/m·d－1連續(xù)進(jìn)行44d，經(jīng)UF預(yù)處理后，COD濃度從20015mg/L降到3000mg/L，氨氮從368.6mg/L降到259.3mg/L。最終COD、氨氮的去除率分別達(dá)到99.6%、93.2%，其中UF和HAR對提高垃圾滲濾液的生物降解起到了重要的作用。

董衛(wèi)平［10］采用高效MBR+膜深度技術(shù)處理生活垃圾滲濾液，高效MBR系統(tǒng)由生化反應(yīng)器和超濾(UF)組成，納濾采用濃水二循環(huán)系統(tǒng)，通過增加系統(tǒng)的硝化液回流比、投加甲醇、純堿等物質(zhì)補(bǔ)充和調(diào)節(jié)的有機(jī)碳源和堿性物質(zhì)等措施來均衡水質(zhì)的各種變化，出水效果良好。

此外，活性污泥法－超濾－化學(xué)氧化法、活性污泥法－超濾－反滲透等組合工藝都已得到了檢測，結(jié)果顯示僅在超濾階段有機(jī)物質(zhì)就已去除50%。Pirbazari等［11］采用超濾－生物活性炭(UF－BAC)工藝處理垃圾滲濾液，TOC去除率達(dá)到95%～98%，有機(jī)污染物的去除率超過了97%。李寶新等［12］對某生活垃圾填埋場滲濾液采用物化/三級生化/物化/超濾納濾組合工藝進(jìn)行處理，工藝對COD的去除率可達(dá)95%，出水COD＜100mg/L，符合《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889－2008)。

2.1.2 納濾組合工藝

納濾是一種新型分子級膜分離技術(shù)。其膜孔徑在1nm以上，一般在1～2nm;對溶質(zhì)的截留性能介于RO與UF膜之間，對有機(jī)分子的截留率高于超濾膜［13］，能夠去除二價、三價離子，Mn≥200的有機(jī)物，以及微生物、膠體、病毒等，且具有操作壓力低(350～1000kPa)、成本低、濃縮液易于處理等特點［14］，經(jīng)研究表明，納濾可去除60%～70%的COD和50%的－N。納濾與物理方法相結(jié)合對去除滲濾液中的COD非常有效，其去除率為70%～80%［15］。在垃圾滲濾液處理中往往利用主體工藝與物化預(yù)處理結(jié)合的工藝。

Jakopovic［16］通過NF－UF－臭氧－MBR對垃圾滲濾液的COD去除研究，得出:MBR的去除率僅為23%;通過對不同孔徑的UF膜的選擇，經(jīng)UF處理后，COD去除率為23%;臭氧(1.24mg O3/mg COD)對其去除率可達(dá)56%;NF對COD的去除率達(dá)到91%，納濾對垃圾滲濾液的處理是很理想的。而楊憲平［17］等采用厭氧反應(yīng)器(UASB)－膜生物反應(yīng)器(MBR)－納濾(NF)工藝處理垃圾填埋場廢水，經(jīng)處理后，出水CODCr和BOD5去除率分別為99.4%和99.6%，且出水穩(wěn)定，超濾膜采用陶瓷膜，具有清洗維護(hù)方便、耐酸、耐堿和耐高溫等優(yōu)點，較好地解決了膜污染等問題。

何紅根［18］采用超濾(UF)－碟管式反滲透膜方法(DTRO)處理垃圾填埋場滲濾液，其中采用混凝－超濾預(yù)處理垃圾滲濾液，DTRO系統(tǒng)就是利用反滲透技術(shù)的原理，利用壓力使?jié)B濾液中的水分子透過反滲透膜，把所有污染物質(zhì)包括小分子溶質(zhì)，如氨氮等分子及離子截留，從而達(dá)到凈化滲濾液的目的。主要利用DTRO處理晚期滲濾液，系統(tǒng)對COD總?cè)コ剩?8%，且具有很高的穩(wěn)定脫鹽率，－N去除率雖然高達(dá)88%，但仍不能滿足－N的達(dá)標(biāo)排放。某生活垃圾填埋場采用UBF－MBR－納濾工藝處理，COD、BOD5、－N、SS的平均去除率分別達(dá)到97.6%、98.7%、98.6%、98.1%，各項指標(biāo)均可達(dá)標(biāo)排放，工藝處理效果好、運行穩(wěn)定［19］。

趙群英等［20］采用UASB－吹脫塔－SBR－納濾(NF)工藝處理垃圾滲濾液，經(jīng)過UASB、吹脫塔進(jìn)行部分脫氮、SBR反應(yīng)后，－N去除率為98.5%，且SS、－N等能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)排放要求，部分難降解大分子有機(jī)物經(jīng)納濾處理后，清水產(chǎn)率為85%，COD的平均去除率達(dá)90%，系統(tǒng)總體COD去除率達(dá)99.8%。

2.1.3 反滲透組合工藝

反滲透在垃圾滲濾液處理的新型工藝中是最有效的技術(shù)之一，它是利用反滲透膜的選擇透過性和膜兩側(cè)的靜壓差為原理，實現(xiàn)對混合物分離的膜過程。RO膜幾乎對所有的溶質(zhì)都有很高的脫除率，而NF膜只對特定的溶質(zhì)具有高脫除率。對垃圾滲濾液中COD與重金屬離子的去除率分別超過了98%、99%。

郭健等［21］利用多孔陶瓷微濾－兩級反滲透工藝處理垃圾滲濾液。經(jīng)過陶瓷微濾預(yù)處理后，COD、－N的去除率、脫鹽率分別在50.3%、30.2%、30.1%以上;經(jīng)一級反滲透后，COD、－N去除率、脫鹽率分別維持在94.8%、91.3%、81.6%以上;再經(jīng)二級反滲透處理后，COD、－N去除率、脫鹽率分別維持在80.1%、81.3%、85.1%以上。最終出水的COD＜30mg/L，－N＜25mg/L，電導(dǎo)率＜180μm/cm，符合《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889－2008)。

Ohsung Kwon等［22］利用納濾－旋轉(zhuǎn)盤膜(NF－RDM)－反滲透(RO)工藝處理高有機(jī)濃度的垃圾滲濾液，最佳轉(zhuǎn)速控制在400rpm，經(jīng)NFRDM系統(tǒng)處理后，CODCr、色度、TP都有很高的去除率，但是－N的去除效果僅僅為25%。通過RO處理后，－N的去除率達(dá)到了92%。Ahn［23］等利用化學(xué)沉淀－接觸氧化－旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器－粒狀活性炭組合工藝處理垃圾滲濾液，其處理后COD、－N的去除率分別僅為66%、81%。而NF－RDM－RO工藝對垃圾滲濾液的COD、氨氮有很好處理效果，其去除率分別為97%、91%。

國內(nèi)某垃圾填埋場的滲濾液采用外置式膜生物反應(yīng)器(MBR)－反滲透(RO)工藝進(jìn)行處理，在碳源充足條件下，出水COD＜20mg/L、－N＜20mg/L，滿足《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889－2008)中水質(zhì)要求。并且該組合工藝具有投資少、占地小、運行成本低等優(yōu)點［24］。

龐會從等［25］采用MAP沉淀－水解酸化－生物接觸氧化－反滲透組合工藝處理老齡垃圾滲濾液，化學(xué)沉淀法去除－N的最佳條件:pH=9，n(Mg2+)∶n()∶n()=1.2∶1∶1.05，攪拌速率170r/min，攪拌時間21 min;水解酸化反應(yīng)器內(nèi)廢水停留時間10 h，生物接觸氧化反應(yīng)器內(nèi)廢水停留時間12 h，生化出水經(jīng)反滲透處理，可使出水主要污染物的去除率分別為:COD為98.7%～98.9%、BOD5為91.6%～95%、－N為99.1%～99.4%，出水可達(dá)到《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889－2008)中生活垃圾填埋場水污染物排放濃度限值要求。

崔鋒等［26］對垃圾衛(wèi)生填埋場滲濾液采用厭氧－BAF－兩級AO－MBR－RO工藝處理，兩級AO可以提高總氮去除率，RO可進(jìn)一步降低廢水中的污染物濃度，最終使出水COD、BOD5、氨氮的去除率分別達(dá)到99.3%、99.6%、99.3%，各項指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)排放，由于費用低廉、運行可靠等優(yōu)點，已在實踐中得到了應(yīng)用。

徐守平等［27］采用反滲透膜處理技術(shù)與滲濾液的回灌相結(jié)合的方式對填埋場滲濾液進(jìn)行處理，經(jīng)預(yù)處理后，使pH控制在6.5～6.8范圍內(nèi)，最佳溫度在25～35℃時，對COD的去除率為70%～80%，BOD5去除率為75%～85%;濃縮液回灌至垃圾填埋場，濃縮液回灌對COD、BOD5、－N均有一定的去除效果，但回灌次數(shù)1d不超過6次。雖然氨氮有一定的去除，但總量仍趨于上升態(tài)勢，為解決這一問題，Onay等［28］根據(jù)硝化和反硝化原理及滲濾液回灌后的垃圾層中水分流態(tài)，將垃圾層至上而下分為缺氧—厭氧—好氧的三組分垃圾填埋系統(tǒng)，由于硝化和反硝化作用，－N的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%，并且滲濾液中硫化物也得到有效的去除。

但膜分離在應(yīng)用中仍然主要存在以下問題，尤其是反滲透技術(shù):

(1)膜污染。主要存在有無機(jī)污染、有機(jī)污染和微生物污染三種形式［29］。由于在處理水的過程中，污染物質(zhì)在膜表面形成附著層或堵塞膜孔，從而導(dǎo)致膜通量減少、膜及膜孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此，應(yīng)增加膜通量，在膜處理前進(jìn)行預(yù)處理或在使用后對膜進(jìn)行化學(xué)處理，減少膜污染(或污染程度)，延長其使用壽命。

(2)膜技術(shù)。為最大程度減少膜污染，降低處理成本，對膜技術(shù)的研發(fā)主要集中在膜的傳質(zhì)機(jī)理以提高分離精度、具有較高膜通量的膜材料，耐熱性、耐溶性、抗氧化和抗污染能力等方面。

2.2 其他生物組合工藝

由于生物組合工藝處理效果好、運行成本低等優(yōu)點，在目前的垃圾滲濾液處理中得到了普遍的應(yīng)用和較快的發(fā)展。近年來，在日本、歐美等國家列為國家重點計劃，有大規(guī)模的應(yīng)用裝置，國內(nèi)對此也進(jìn)行很多的研究。

Jin－Song Guo等［30］利用吹脫法－Fenton－SBR－凝聚組合工藝，吹脫法在pH=11.0，曝氣時間為18h，可去除96.6%的－N;Fenton在pH=3.0，20g/L的FeSO4·7H2O，20mg/L的H2O2，COD的去除率達(dá)到60.8%;生物降解率(BOD5/COD)從0.18上升到0.38.;SBR在經(jīng)20h曝氣時間后，BOD5、COD的去除率分別達(dá)到82.8%、83.1%;凝聚采用800 mg/L的Fe2(SO4)3，pH=5.0，使COD減少到280mg/L，此組合工藝具有高效等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。

Huo－sheng Li等［31］利用SBR－聚合硫酸鐵(PFS)－Fenton－UBAFs組合工藝對城市垃圾填埋場的垃圾滲濾液進(jìn)行處理。SBR為預(yù)處理，PFS與Fenton整體為二級處理及深度處理，是UBAFs，此組合工藝可去除93.7%的COD，使出水COD低于100mg/L;僅在SBR預(yù)處理階段，－N的去除率就可達(dá)到99%以上，其出水濃度低于3mg/L(標(biāo)準(zhǔn)排放濃度為≤25mg/L);CTP≤1mg/L、CSS≤10mg/L。由于組合工藝的運行穩(wěn)定、易于管理、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點，在小規(guī)模的垃圾填埋滲濾液處理廠得到推崇。

夏鵬飛等［32］利用鐵錳氧化物+聚合氯化鋁(PACl)混凝和光電氧化技術(shù)處理已生化處理過的垃圾滲濾液，當(dāng)投入600mg/L的鐵錳氧化物，投入PACl量為100mg/L時，垃圾滲濾液中的COD去除率為32%;經(jīng)混凝處理后，再經(jīng)光電氧化技術(shù)可進(jìn)一步去除滲濾液中的COD和TOC，光電氧化的電流密度為400A/m2，9W紫外燈(主波長254nm)輻照，反應(yīng)180min后，COD和TOC的去除率分別為76.8%和81.2%，色度和－N的去除率均達(dá)到99%，此工藝對生化后的垃圾滲濾液處理有明顯的效果。

宋海燕等［33］利用電氣石/TiO2復(fù)合光催化材料對垃圾滲濾液進(jìn)行深度處理，在pH為8～9，投加質(zhì)量濃度為0.4g/L光催化劑，經(jīng)150min的反應(yīng)條件下，垃圾滲濾液中COD、色度、Cu2+和Pb2+的去除率分別可達(dá)89%、100%、98%和99%，說明了高分子材料在難處理污染物上有著很好的應(yīng)用前景。

謝武等［34］采用催化型微電解－BAF組合工藝對垃圾場的老齡滲濾液進(jìn)行深度處理。通過靜態(tài)正交試驗確定最佳反應(yīng)條件:廢鐵屑和焦炭體積比為1∶3，調(diào)酸pH值為3，H2O2和COD的質(zhì)量比1.5∶1，調(diào)堿pH值為7.5，沉淀時間為2.0h，微電解反應(yīng)時間為1.5h，H2O2后沉淀時間為1.5h，COD和色度去除率分別在85%和95%以上，BOD5/COD從0.03提高到0.35左右，改善其可生化性為后續(xù)生化處理創(chuàng)造良好的條件，出水效果很好。

3 結(jié)論與展望

由于垃圾滲濾液所具有的成分復(fù)雜性、難降解性及水質(zhì)水量變化性等特點，對其處理時，單一的、常規(guī)的物理、化學(xué)、生物等方法都難以滿足要求。微濾、超濾、納濾以及反滲透等膜分離過程以有效去除污水中顆粒狀物質(zhì)和微生物，在水處理過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物，膜過濾的單元體積小、組合擴(kuò)容方便、出水效果好、技術(shù)操作簡單等優(yōu)點，以及新型生物組合工藝以其較高的COD和NH+4－N去除率及較低的運行成本等優(yōu)勢而受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［35，36］。

但是，兩者在垃圾滲濾液的處理處理中分別存在膜污染、處理效果不顯著等問題。膜分離過程在水處理尤其在難處理的垃圾滲濾液的處理上是一個多學(xué)科交叉的問題，研究具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，而且具有較強(qiáng)的抗污染性能的膜是解決膜污染的關(guān)鍵問題。膜分離過程與生物組合工藝的結(jié)合既保留了傳統(tǒng)生物組合工藝的優(yōu)點又耦合了膜分離過程技術(shù)的優(yōu)勢，在垃圾滲濾液的處理上具有很大的潛力。

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The Research Progress of Membrane Technology in Landfill Leachate Treatment

GUO Na，WANG Bo－Duo，CUI Chen，ZHANG Qiu－Ju
(College of City and Environment，Northwestern University，Xi’an，Shanxi 710127 China)

The paper discusses the existing landfill leachate treatment methods，and gives a review of the latest research on the combination processes of membrane separation and other new bio－combined process.Also，the recommendations and prospects are proposed based on the advantages and disadvantages of membrane technology.

landfill leachate;membrane separation;bio－combined process

X705

A

1673－9655(2012)02－0066－05

2011－11－02

郭娜(1987－)，女，學(xué)生，碩士，研究方向:水污染理論、環(huán)境評價與規(guī)劃。