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《重庆大学》 2010年
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物化–生物组合工艺处理垃圾填埋场与焚烧厂渗滤液研究

Abdul Hussain Abdul Kareem Abbas  
【摘要】:在中国,城市生活垃圾正在以每年约10%的增长率增长,其处理正在成为中国社会的一个巨大的难题。生活垃圾所含材料多种多样。目前,城市生活垃圾的主要处理方法是焚烧和填埋。填埋后,城市生活垃圾经历了物化和生物的反应。因此,垃圾中有机成分的降解以及雨水渗滤导致了一种叫做“渗滤液”的高浓度污染液体的产生。因为中国的城市生活垃圾很大一部分是高水分含量的食物垃圾,所以城市生活垃圾焚烧厂的设计使生活垃圾在废物坑中停留数天以便于渗滤液在燃烧前排出。不管是产生于填埋场还是焚化厂,这两种渗滤液的共同特征是:高浓度有污染机物(化学需氧量COD)、氨氮、挥发性脂肪酸(VFA)、重金属和其他有毒有害污染物。因此,渗滤液中污染物浓度高、数量和质量变化大,这将污染周围环境,应在排入污水管或直接排入表面水体之前进行处理,使之符合国家相关标准。 一般而言,适合的渗滤液处理方法主要是基于所处理渗滤液的具体特点。渗滤液的处理方法有物理、化学和生物方法。生物难降解的污染物,主要存在于时间较长的渗滤液中,该污染物并不适用于传统的生物处理,而且高氨氮浓度也可能会抑制活性污泥微生物。在最近的几十年里,为有效处理渗滤液以满足地方排放标准,往往需要物理、化学和生物方法相结合。因为用这些方法中任何单独一个很难达到满意的处理效果。 重庆市生活垃圾量达到了约7500 ton/day,其中大部分垃圾都是在两个现代化的垃圾处理厂处理的,分别是长生桥(CSQ)城市生活垃圾填埋场和同兴(TX)城市生活垃圾焚化厂。长生桥填埋场和同兴焚化厂的平均渗滤液产生量分别为500m~3/d和200m~3/d。在本研究中,这两种渗滤液均被表征并应用于一个组合工艺流程中进行处理,并确定每个流程最佳的工艺参数。通过监测有机物和氨氮的去除率来评价工艺的处理效果。 采集和分析长生桥渗滤液样品,并研究渗滤液特性的主要参数。实验结果表明此渗滤液pH值在7.90到8.47之间,可推断该渗滤液与分解产甲烷阶段相对应。COD、BOD5、NH_3–N、TOC、SS和VFA浓度值分别为4000–5000 mg/L,374–1436 mg/L,1330–1500 mg/L,831–946 mg/L,812–979 mg/L和384–782 mg/L。因此,测定结果表明渗滤液污染物浓度很高。该渗滤液的BOD_5/COD的值介于0.09到0.22之间,这表明原渗滤液可生化降解性低。而且,分子量大于100kDa的大分子是长生桥老渗滤液的重要组成,占24.5%,其中往往有高浓度的腐殖质(难降解有机物)。因此,长生桥渗滤液与老渗滤液有此相同的特点,所以生物处理步适应于处理此种垃圾渗滤液。因此,生物处理之前应采用物化处理以去除腐殖质,提高可生化降解性。 在本研究中,研究物化–生物组合工艺去除长生桥垃圾渗滤液中污染物(COD和氨氮),使最终出水水质满足中国垃圾填埋污染国家标准(GB16889–2008)。因此,基于此设计并运行了一个实验室尺度的吹脱、Fenton法、SBR法、混凝和纳滤组合工艺,以处理长生桥垃圾渗滤液,其初始COD浓度为4560mg/L,氨氮浓度为1500 mg/L和BOD_5浓度为933 mg/L。实验结果表明,在pH = 10.5,NaOH浓度为17500 mg/L,空气流量为12.5 L/min,曝气时间为23hr的情况下,吹脱能够有效去除96.7%的氨。吹脱的作用是以75%的比率将分子量大于100 kDa的大分子分解为分子量在10–50 kDa和50–100 kDa的小分子。此外,吹脱分子量为4–10kDa的有机物,由于与气泡的粘附,COD去除率超过60%。Fenton法在最佳条件下进行(pH = 4.0,Fe2+浓度为0.08 mol/L, H2O2/Fe2+ = 10,反应时间为20分钟),COD去除率达到了65.1%,生物降解性(BOD5/COD)从0.18增至0.38。当有机物的分子量主要在2–4 kDa,10–50 kDa,50–100 kDa和100 kDa时,Fenton法具有较高的效率,COD去除率可超过75%。因此,Fenton法能够有效去除分子量适中和较高的可溶性有机物。此后,经Fenton法处理后的污水与原污水以1:3的比例混合,然后进入SBR反应器。在曝气时间为11小时,溶解氧为4mg/L的最佳参数条件下,SBR工艺中BOD_5去除率高达82.4%,COD去除率达到了61.2%。当有机物分子量小于2kDa时,SBR工艺具有较高效率,COD去除率超过了70%。因此,SBR法能有效去除超低分子量的可溶性有机物。在混凝过程中,pH=5.0时,最佳的混凝剂(Fe2(SO4)3)的剂量是800 mg/L,它能将COD降至381 mg/L。当有机物分子量 4 kDa时,混凝有效,且COD去除率超过45%。因此,混凝能够有效去除水中的可溶性有机物,防止膜污染。纳滤膜作为渗滤液处理的最后一步以完善水质。在pH = 8,压力为0.5 MPa,温度为20oC的最佳条件下,COD的有效去除率达到了81.1%,BOD5达到了79.8%。在有机物分子量2 kDa、2–4 kDa、50–100 kDa和100 kDa时,纳滤具有较高效率,COD去除率超过了75%。纳滤对可溶性有机物去除效果良好。最终的出水水质,COD≤72 mg/L、BOD5≤23 mg/L、NH_3–N≤10 mg/L,达到了中国垃圾填埋污染控制标准一级标准(GB16889–2008),这种组合处理方法(吹脱–Fenton法–SBR–混凝–纳滤)的运作成本大约为23.63元/吨。 采集并分析同兴的渗滤液样品,研究垃圾渗滤液的主要物化参数。实验结果表明,该渗滤液pH值相对较低,在5.59–6.10之间,可以推断,该渗滤液对应于酸性分解阶段。其COD、BOD5、NH_3–N、TOC、SS和VFA的浓度值分别为54600–67600、27800–32400、1230–1770、14800–16100、6820–7930、12100–15700 mg/L。由此可知,该渗滤液污染物浓度很高。渗滤液的BOD5/COD值介于0.51–0.54之间,这表明该渗滤液可生化降解性很好。因此,同兴的渗滤液具有新鲜渗滤液的特征,故可以采用生物处理作为其处理的主要工艺。首先,渗滤液用污水稀释,以减少抑制性化合物的浓度。生物处理流程中渗滤液与污水的最佳混合比例为1:6。这样,进水特性如下:pH = 6.5–8.0、COD = 9870–12340 mg/L、BOD5 = 5210–6130 mg/L、NH3–N = 540–685 mg/L。稀释后的渗滤液主要是由分子量小于2kDa的有机物和少数的大分子化合物组成。 在本研究中,考察物化与生物组合工艺去除同兴焚烧厂垃圾渗滤液中污染物(COD和氨氮),使最终出水水质达到国家污水排放标准(GB8978–1996)。因此,设计并运作了一个实验室尺度的厌氧、好氧、混凝和纳滤工艺相组合的处理流程处理该渗滤液废水,该渗滤液初始COD为10180 mg/L,NH3–N为654mg/L,BOD5为5395 mg/L。厌氧反应器去除有机物更有效,在反应时间为20h,水力停留时间为4d的最佳条件下,COD、BOD5和NH3–N的去除率分别为62.0%、49.2%和49.5%。对于分子量为2–10 kDa的有机物,厌氧处理具有较高效率,COD去除率超过79%。而由于小分子量有机物与其他物质的累积形成了大分子有机物,使分子量大于50 kDa的有机物浓度增加。好氧反应器去除有机物质和氨氮更有效,在曝气时间为14 hr,溶解氧为4 mg/L的最佳条件下,COD、BOD5和NH3–N的去除率分别为94.0%、96.9%和89.4%。对于所有的可溶性有机物,好氧处理达到了良好的COD去除效率。对于分子量小于2 kDa的可溶性有机物,最高去除效率达到98.2%,对于分子量为2–4 kDa的可溶性有机物,最低去除率为76.3%。化学混凝对于去除胶体粒子很有益。在pH = 5,Fe2(SO4)3浓度为600mg/L的最佳混凝条件下,COD去除率达40.0%,NH3–N去除率为37.1%。除了那些分子量大于2 kDa的有机物外,混凝对于所有的可溶性有机物具有较好的效果,COD去除率超过45%。因此,混凝能有效去除渗滤液中的可溶性有机物。纳滤膜作为渗滤液处理的最后一步以进一步提高出水水质,在pH = 6,压力为0.4 MPa,温度为20oC的最佳条件下,COD去除效率达到72.5%,BOD5去除率达到了55.6%。纳滤膜主要对于分子量2 kDa、50–100 kDa和100 kDa的有机物有效,COD去除率可超过75%,而对于分子量2 kDa、50–100 kDa和100 kDa的有机物,COD去除率很低(15%)。由此,纳滤膜对于可溶性有机物去除效果很好。最终出水水质,COD≤38 mg/L,BOD5≤12 mg/L,NH3–N≤8 mg/L,符合中国污水排放标准一级标准(GB8978–1996)。这种组合处理工艺(厌氧–好氧–混凝–纳滤)的运行费用大约为17.72元/吨。 综上所述,这两种组合工艺能够有效降低垃圾渗滤液中的污染物浓度。经处理后的最终出水可以直接排入水体,并不影响水生生态环境的健康,或者可以考虑作为非饮用水使用。据观察,与其他国家相似的组合工艺相比,这两种渗滤液的工艺显示出了较高的处理水平。还可以断定,这两种处理方法是有效的,并且,与应用于中国的其他渗滤液处理系统相比,花费相对较低。这使得这两种方法成为具有竞争力和吸引力、且经济的处理方法。所以,两种渗滤液所选择的处理流程,对于实际处理垃圾填埋场和焚烧厂排出的渗滤液具有很好的推广价值和积极的指导意义。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X703

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