探討垃圾滲濾液處理技術以及資源化利用
【www.wotx.net南京純水設備】垃圾滲濾液產生于生活垃圾的收集及處理過程，垃圾自身所帶水分、發(fā)酵分解產生的水分及大氣降水是其主要水分來源。目前，我國垃圾分類收集處理的普及程度仍然較低，垃圾中所含污染物質不僅含量高且成分復雜。在微生物及水的作用下污染物慢慢從固體轉移到垃圾滲濾液中，使其 COD、氨氮、重金屬、難降解有機物、鹽分等物質的濃度均遠遠高于城市生活污水。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)合處理才能使之達標排放，致使其工程投資及運營成本高企。
事實上正因為垃圾滲濾液中某些物質含量較高，不少研究人員嘗試對其進行資源化利用。較早開展的垃圾滲濾液資源化研究方向有厭氧發(fā)酵生產沼氣、回收氨氮、生產腐殖酸肥料等，顯示出滲濾液資源化具備一定的可行性。南京工業(yè)純水處理設備雖然當前滲濾液資源化技術尚未成熟，未得到大規(guī)模推廣應用，但隨著國家環(huán)保政策的日益嚴格及水處理成本的不斷上漲，相關技術將越來越受到重視。因此，本文將對近年興起的一些滲濾液資源化技術的研究進展情況進行介紹，以期為垃圾滲濾液資源化方向的研究提供參考。
1 回收化學物質
垃圾滲濾液中某些物質含量較高，具有一定的回收價值，且回收有用物質后滲濾液的后續(xù)處理難度也相對更低。例如，應用吹脫法、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，目前相關技術仍存在能耗高、二次污染大、設備結垢嚴重或產品純度低等問題，限制其實際應用。因此，尋求更加高效易行的方式提取滲濾液中的有價值物質成為滲濾液資源化領域研究的重點。
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，鉀離子回收率可達 56 %。以投加碳酸鈉的方式對垃圾滲濾液進行除鈣預處理，再以浸沒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糞石沉淀的形式進行回收。經除鈣及正滲透預處理后，在(Mg +Ca)∶P為 1∶1.5、pH 為 9.5 的處理條件下，滲濾液中鎂離子回收率可達98.6 %。區(qū)別于直接向滲濾液投加藥劑，膜分離技術的引入可使物質回收效率更高且費用更低，無疑更具發(fā)展前景。目前，該處理技術仍處在發(fā)展階段，如何降低滲濾液前處理及金屬離子結晶回收成本、提高回收產物純度、應用新型膜材料及提高膜運行效率等是其研究重點。
1.2 膜吸收法回收氨氮
應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，游離態(tài)氨氣化擴散進入微孔，并通過微孔擴散到膜的另一側被酸吸收液快速、不可逆吸收生成不揮發(fā)的銨根離子，使氨氮得以回收。該研究試驗結果顯示對于氨氮濃度為 1000~3000mg/L 的垃圾滲濾液，該技術可脫除 99 %以上的氨氮，同時得到硫酸銨含量為 10 %~15 %的水溶液副產品。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，同時獲得質量分數(shù)高達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，隨著技術的改進及相關膜設備成本的降低，該技術將得到更多的關注。
2 與固廢聯(lián)合處理
對于有機物含量較高的垃圾滲濾液，厭氧發(fā)酵處理既可生產甲烷，還能降低有機物含量，有利于其后續(xù)處理，是一種兼具經濟及環(huán)境效益的處理方式。合肥工業(yè)純水處理設備但是，由于垃圾滲濾液氨氮、重金屬、有毒物質含量高的特性，垃圾滲濾液在發(fā)酵產甲烷過程容易出現(xiàn)反應條件不穩(wěn)及甲烷產率偏低的問題。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，通過兩者所含物質的互補，達到優(yōu)化處理效率且同時處理兩種污染物的目的。
2.1 與農業(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業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)固廢處理技術，可避免粗放式處理帶來的環(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行混合厭氧消化，高濃度滲濾液的添加可使秸稈消化過程產生相對更多的 VFA，加入滲濾液的秸稈厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產氣率及產氣量分別比對照組高 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，以批次進料方式處理焚燒廠垃圾滲濾液，當以 20 %、25 %的體積負荷填料時可得到較高的產氣量，同時消化液的 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業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)廢棄物進行聯(lián)合厭氧消化具有一定的優(yōu)勢，但若要將該處理方式應用于實際工程，一方面需要進一步優(yōu)化聯(lián)合消化的運行參數(shù)，另一方面也需要相關政策的引導和支持使之便于實施。
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率和工藝穩(wěn)定性。在長時間的運行過程中，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)，且無揮發(fā)性脂肪酸(VFA)抑制現(xiàn)象。南京反滲透純水設備垃圾滲濾液濃縮液作為餐廚垃圾消化調節(jié)液，其水解酸化速度、產氣速率、總產氣量及甲烷含量都明顯高于以水為調節(jié)液的消化試驗組，累積甲烷產量可達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 微生物燃料電池產電
微生物燃料電池(MFC)是一種通過微生物的代謝作用將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置。對于 MFC 的運行來說，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率，可以作為其潛在的基質來源。
3.1 單室微生物燃料電池
與雙室 MFC 相比，單室 MFC 一般只有陽極室并以空氣作為陰極，以氧氣作為電子受體，因此運行成本更低，具有更好的應用潛力。然而，以空氣作為陰極時，由于氧氣溶解度低和陰極存在較大過電勢的問題，會使電池反應速率偏低。以MnO2 作為陰極催化劑，提高以垃圾滲濾液為陽極液基質的MFC 產電性能。當電池陰極負載 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 MFC 運行 7 天后BOD 和氨氮去除率分別達到 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處理垃圾滲濾液可在回收能量的同時去除部分污染物，且運行成本較低，但仍需更好地改善產電效率低、穩(wěn)定性差、電極制造成本偏高等問題方能使其更接近于實際應用。
3.2 雙室微生物燃料電池
雙室 MFC 一般以質子交換膜分隔電池的陰陽極室，在陽極室中產電微生物氧化分解有機物并產生電子和質子，兩者分別通過外電路和質子交換膜到達陰極室并與其中的電子受體結合，最終產生電流。由于雙室 MFC 存在輸出功率偏低的問題，以二氧化錳與石墨烯(MnO2/rGO)復合催化劑修飾雙室 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，構建雙室正滲透微生物燃料電池(OsMFC)處理垃圾滲濾液，結果表明 OsMFC 與普通 MFC 相比產電性能更好，其最大面積功率密度及相應電流密度分別為 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物含量較高，因此不少研究人員嘗試將其轉化成 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為是一個頗有發(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物產出氫氣。利用厭氧膨脹顆粒污泥床反應器及初期垃圾滲濾液進行發(fā)酵制氫，南京水處理設備結果表明在運行條件為中溫 35±1 ℃，pH 為 5.0~5.5，水力停留時間為 24h，反應器內液體上升速度為 3.7 m/h 時，系統(tǒng)的 CODCr去除率和氫氣產生速率分別為 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，當外加驅動電壓為 1.0 V 時，測得系統(tǒng)最大電流密度為 1000~1200 mA/m2，制氫速率可達 0.148 L/(L·d)。由于生物制氫往往對運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的傳質及溶解能力，將滲濾液中的有機物質溶解后，在蒸汽重整及水氣轉換等作用下使有機物分解和轉化成包括氫氣在內的小分子物質的技術。利用超臨界水氣化技術從垃圾滲濾液中制取氫氣，在溫度、壓力、反應時間分別為 470 ℃、23.1 Mpa、10 min時，超臨界水氣化氣體產物中 CH4、CO2和 H2分別達到 32.34 %、2.72 %、61.88 %。在該團隊后續(xù)的研究中[16]，以 NaOH、KOH、K2CO3、Na2CO3等堿性物質作為催化劑提高超臨界水氣化技術從滲濾液中制氫的效率，發(fā)現(xiàn)在 450 ℃、28 Mpa、15 min 的反應條件下，加入 5 %(wt)NaOH 時得到的 H2摩爾分數(shù)和產率高，分別為 74.40 %和 70.05 mol/kg。南京實驗室純水設備利用超臨界水氣化技術處理滲濾液可大幅度降低有機物污染物濃度，還可回收清潔能源氫氣，是一種前景廣闊的處理技術，但該技術尚存在設備昂貴、運行成本較高、反應熱效率偏低等問題，故暫時難以得到實際應用。
5 培養(yǎng)能源微藻
不可再生能源日漸枯竭是人類社會繼續(xù)發(fā)展面臨的一大難題，因此開發(fā)更多高效新型的可再生能源刻不容緩。其中，培養(yǎng)能源微藻進行無機碳固定和生物燃料生產是目前的研究熱點之一。
5.1 光生物反應器養(yǎng)藻
由于能源微藻的培養(yǎng)過程需要消耗大量氮、磷、水等資源，運行成本偏高，因此近年來研究人員嘗試利用污水作為營養(yǎng)源，以期達到降低微藻培養(yǎng)成本同時凈化污水的目的。垃圾滲濾液中氨氮及總磷含量均遠高于普通生活污水，對微藻的培養(yǎng)來說是良好的營養(yǎng)來源，因此利用垃圾滲濾液培養(yǎng)微藻引起了研究人員的關注。以垃圾滲濾液與市政污水混合液作為基質，利用光生物反應器培養(yǎng)高密度微藻菌團，用于固定無機碳及生產生物柴油。當滲濾液占混合液體積比為 10 %時，獲得的生物柴油產量和二氧化碳固定率分別為 24.1 和 65.8 mg/(L·d)。
5.2 膜光生物反應器養(yǎng)藻
由于垃圾滲濾液中氨氮、重金屬、有機污染物等對微藻細胞有一定的毒性，會抑制藻細胞的光合作用，限制了微藻對垃圾滲濾液營養(yǎng)物質的利用效率。因此，研究人員嘗試利用膜光生物反應器(m-PBR)培養(yǎng)微藻，通過光生物反應器與膜過濾組件的結合，將微藻培養(yǎng)液與垃圾滲濾液分隔開，從而降低垃圾滲濾液的毒性作用對微藻細胞的影響，提高微藻生長效率和脂質產量。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養(yǎng)源時，獲得的生物柴油具有良好的燃燒性能。
將 m-PBR 技術用于垃圾滲濾液培養(yǎng)能源微藻利用的是膜分離、藻類及光的綜合作用，就氮磷回收及碳固定來說成本是極低的，無疑是垃圾滲濾液處理及資源化前景的新方向。然而，目前該技術仍需繼續(xù)提高能源微藻的生產與回收效率以及尋求能低費高效地將生物脂質轉化成生物柴油的方法。
垃圾滲濾液成分復雜、處理難度大，在目前我國相對嚴格的排放標準下，其妥善處理需要耗費高昂的費用。南京EDI水處理設備然而，垃圾滲濾液中許多污染物質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、提取金屬物質及制造能源等資源化利用方式，不僅可以創(chuàng)造一定的經濟價值，還可令滲濾液得到不同程度的凈化，無疑可以大幅節(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，滲濾液資源化技術往往存在不同程度的不足，使之尚未得到推廣應用。首先，相關技術仍需繼續(xù)提高從垃圾滲濾液中回收資源或能源的效率，提高其經濟效益。其次，單靠某一種滲濾液資源化技術往往無法完全凈化垃圾滲濾液，因此考慮將多種技術有機結合，在回收多種資源的同時降低滲濾液最終處理成本，無疑更有利于相關技術的發(fā)展與應用。最后，垃圾滲濾液資源化技術的應用及其產品的銷售使用還需得到國家相關政策的支持，以便回收得到的資源能順利地轉化成經濟效益。隨著技術的不斷改進及國家相關環(huán)保政策的推動，垃圾滲濾液的資源化利用將得到更多的關注和實際應用。
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