吸附法处理垃圾渗滤液
2013-04-22 15:28 分类：技术应用 来源：中国污水处理工程网
垃圾渗滤液是一种高浓度有毒有机废水，成分十分复杂，水质和水量的变化很大。不经处理或处理不当排入环境，将会污染地下水、地表水、土壤，危害人体健康。吸附法是依靠吸附剂上密集的孔结构和巨大的比表面积，或通过表面各种活性基团与被吸附物质形成的各种化学键，达到有选择性地富集各种有机物和金属离子的目的。吸附法的优势在于对生物法难以处理的金属离子和难降解的有机物有较好的去除效果，这在理论上为垃圾渗滤液的吸附法处理提供了基础。
本文重点介绍了近期国内外运用吸附法以及吸附法耦合其他技术处理垃圾渗滤液的研究进展。
1垃圾渗滤液的特性
(1)渗滤液的水质和水量受到许多因素的影响，变化范围大，没有特定的规律。
(2)渗滤液中有机物浓度高，变化范围大，浊度高，污染物种类繁多，有恶臭。垃圾渗滤液中的COD和BOD浓度最高可达几万;
(3)金属离子含量高。垃圾渗滤液中含有多种金属离子:Fe、Pb、Cu、Zn、Al、Hg等;
4)营养元素比例失调。渗滤液的C∶N∶P的比例不合适，一般垃圾渗滤液中的BOD5/P都大于300;氨氮浓度很高，并且随着填埋时间的增大而增大，尤其是老龄渗滤液，氨氮含量更高，可生化性很差。
研究表明，渗滤液中的有机物，主要成分是腐殖质，包括腐殖酸、富里酸以及少量亲水性物质，占到渗滤液DOC的70%～90%。腐殖质是一个或多个芳核，通过醚键、氢键或亚胺键随机结合而成的大分子有机物，结构复杂，分子量范围很大，外部的酚羟基和羧基是主要活性基团。腐殖质是吸附法处理渗滤液主要考虑的吸附对象。
2 吸附法处理垃圾渗滤液
吸附法是一种高效的物化处理手段，通过使用各种类型的吸附剂，目前在化工废水、重金属污染、印染废水的处理领域得到了广泛而有效的应用。筛选一种合适而低廉的吸附剂，是吸附法处理各种废水的关键。由于渗滤液中的有机物的主要成分是腐殖质，而腐殖质的分子量最高可以达到50000Da，且富含各种活性基团，因此，对渗滤液中有机物的吸附，首选孔径较大，饱含活性基团的吸附剂。在吸附渗滤液的实际研究中，各种吸附剂都有应用。
2.1 活性炭吸附剂
活性炭是常用的吸附剂，具有发达的空隙结构、巨大的比表面积和各种活性基团。活性炭对绝大多数有机物的吸附都有效，但活性炭中很多微孔孔径太小，对大分子有机物的吸附效果不是很好，且容易堵塞，再生困难。F.J.Rivas等研究了多种活性炭对老龄渗滤液的吸附，运用各种吸附模型对吸附数据进行拟合，并研究了吸附动力学，指出吸附动力学满足修改后的一级Lagergren方程，但对COD去除效果不好。J.Rodr?guez等对进水COD为1300mg/L的渗滤液用颗粒活性炭吸附处理，COD的去处率可以达到85%。
2.2 矿物吸附剂
硅藻土是由海洋、湖泊中的微生物植物等的残骸演变而成，含有大量的硅质。质轻，空隙率高，孔分布范围大是硅藻土的特点，对渗滤液有较好的净化效果。石超运用硅藻土处理渗滤液，进水COD浓度为12800mg/L，去除率为50%，吸附容量达到1300mgCOD/g，展现其良好的吸附性能。朱晓君等将PAC改性后的硅藻土，用于老龄垃圾渗滤液的预处理，可以去除主要悬浮物和色度，但COD的去除率仅为18%，结果表明，改性硅藻土虽然具有部分混凝的作用，但对老龄渗滤液的吸附作用并没有加强。膨润土是一种常用的吸附剂，其具有价格低廉，阳离子交换容量高的优点，但吸附有机物的效果不好。然而在对膨润土进行改性之后，可以大大提高其对有机物的去除效率，具有较高的研究价值，于瑞莲等运用复合改性膨润土处理进水COD浓度为7030mg/L的渗滤液，COD的去除率可以达到9514%，吸附效果大大优于天然膨润土。
随着渗滤液土地处理技术的发展，土壤作为一种吸附剂，对渗滤液的吸附也被研究的越来越深入。土壤成分非常复杂，本身含有大量腐殖质，对渗滤液的吸附有着更复杂的机理。N.calace等提出，土壤是优先吸附渗滤液中低分子量腐殖质，由于低分子量腐殖质中金属离子的存在，在电负性的土壤和高分子量腐殖质的阴离子基团之间起桥联作用，从而促进了对高分子量腐殖质的吸附，这个机理有助于更深层次了解渗滤液的吸附特性。王斐等利用土壤柱对渗滤液进行吸附净化试验，对COD的净化效果可以达到97117%。
蒙脱石具有强烈的亲水性，对有机物的吸附能力差，但有报道证实，层间含有高价态金属阳离子的蒙脱石能增强对有机物的吸附能力，郑红等将富含各种阳离子的改性蒙脱石对垃圾渗滤液中的有机物进行吸附，将COD稀释到161mg/L后，发现Cr3+蒙脱石的吸附效果最好，COD去除率达到6013%。
沸石是呈架状结构的多孔性含水铝硅酸盐晶体，具有较强的离子交换能力，孔隙发达，最早用于对重金属污染的治理，目前未见其对渗滤液中有机物吸附的研究，但沸石对渗滤液中氨氮的吸附，却有较好的效果。蒋建国等运用天然斜发沸石吸附渗滤液中的氨氮，进水氨氮浓度为1045mg/L，去除率达到7815%，吸附容量达到1515mg/g。由于渗滤液中高浓度氨氮的存在，加剧了渗滤液生物法处理的困难程度，因此高浓度氨氮的吸附去除，就可以直接降低渗滤液的处理成本，该技术有较好的实际运用前景。
2.3 高分子吸附剂
目前用于垃圾渗滤液吸附处理的高分子吸附剂主要是合成树脂，除了与活性炭有同样优良的空隙结构之外，树脂还具可再生，选择性高，可以调节孔径的优点。XAD-8树脂吸附是国际上通用富集水生和土壤腐殖质的主要手段，但XAD-8对渗滤液中有机物的去除效果却一般，J.Rodrlgu2ez等对进水COD为1300mg/L的渗滤液用XAD-8树脂进行吸附处理，COD的去除率约为60%，吸附性能高于离子交换树脂和XAD-4树脂。此外，开发一种新型的树脂，提高对渗滤液中有机物的去除效果，可以提高树脂在渗滤液吸附处理中的竞争力，因此在这个方面，树脂的应用前景将非常广阔。
综上所述，各种吸附剂对渗滤液中有机物的吸附效果对比，见表1。
3 吸附法与其他技术耦合处理垃圾渗滤液用吸附法处理渗滤液主要的制约瓶颈在于，对于渗滤液，尤其是老龄化的渗滤液，腐殖质、氨氮和金属离子等多种污染物之间的竞争吸附导致了吸附法对渗滤液处理的不彻底，整体COD的去除效率也不高。在用吸附法单独处理垃圾渗滤液的同时，吸附法与其他技术耦合处理渗滤液的研究，也同步开展起来，有些技术也取得了良好的效果，并有了实际运用。
3.1 混凝-吸附法处理垃圾渗滤液
渗滤液中的腐殖质，在浓度很高的情况下，由于存在空间位阻等因素，不容易被吸附剂吸附，但腐殖质由于表面活性基团的存在，使之很容易与絮凝剂发生反应而絮凝。因此混凝-吸附组合工艺处理渗滤液，无疑是一种良好的技术。沈耀良等采用PAC作为混凝剂，焦炭作为吸附剂，先混凝后吸附，COD的去除率可以达到5819%，金属离子的去除率达到60%左右，并且证明了混凝和吸附各自的工艺段对污染物的去除具有互补性，克服了污染物之间竞争吸附带来的负面效应，使得整个工艺有较好的灵活性和稳定性。但即便如此，混凝-吸附法在处理垃圾渗滤液的应用上仍有一些缺点，例如泥量较大、投资成本和运行成本较高、吸附剂的回收效果不佳等。
3.2 活性炭-生物法处理垃圾渗滤液
长期以来，生物法由于其处理费用低，工艺成熟，成为废水处理的主流形式，但是受高浓度氨氮和厌氧机理的限制，生物法对渗滤液的处理效果还不是很好，主要缺点有抗冲击负荷差，去除有机物效果不稳定，不适合老龄渗滤液等。针对以上问题，吸附法和生物处理耦合处理渗滤液的工艺逐渐发展起来，A.Imai等选用生物活性炭流化床降解老龄垃圾渗滤液，指出由于活性炭优先吸附容易被生化的小分子腐殖质并在活性炭上发生生物降解，因此对于可生化性不高的老龄渗滤液，生物反应仍然能持续进行，DOC的去除率可以达到60%
左右。蒋彬等投粉末活性炭于SBR反应工艺深度处理垃圾渗滤液，效果非常明显，污泥负荷<013kgcod/(kgmlss•d)时，cod的去除率可以达到84%以上。活性炭-生物法的优势在于对老龄垃圾渗滤液的生化启动，但活性炭在整个系统中只是作为选择小分子腐殖质的一个载体，大量大分子的腐植酸并未得到实际去除而容易引起出水水质的恶化。
3.3 氧化-吸附工艺处理垃圾渗滤液
氧化吸附法用于渗滤液的处理也得到了较大的发展，尤其是针对老龄化的渗滤液，氧化作为前端处理，主要功效在于降低渗滤液中腐殖质的分子量，从而整体提高渗滤液的可生化性和可吸附性。氧化的手段有湿式氧化、臭氧、Fenton试剂等。F.JavierRivas等运用先臭氧氧化，后活性炭吸附的方法处理COD在5000mg/L以上的老龄渗滤液，COD去处率在90%以上，优于单一的臭氧氧化或活性炭吸附工艺，但渗滤液中有机物氧化的不彻底导致吸附的不完全也限制了该工艺的大规模应用。作者同时也指出，即使耦合氧化，混凝和吸附等多种物化法处理渗滤液，仍不能使出水直接达标排放。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
4 总结与展望
各种吸附剂对不同渗滤液的吸附效果有很大的差别，一般来说，吸附剂对早期渗滤液的吸附效果要优于老龄渗滤液，对渗滤液中小分子量腐殖质的吸附能力要优于大分子量腐殖质。由于吸附剂饱和吸附量的限制，吸附法一般仅可作为渗滤液的后续深度处理方法。而由于单独采用吸附法以及上述介绍的几种耦合技术处理效果尚不能达到理想效果，因此吸附法与其他技术耦合也不能完全地处理垃圾渗滤液，目前多作为渗滤液的预处理手段。
鉴于目前吸附法处理渗滤液的实际情况，其将来的研究方向主要有2个方面:①研究开发新型廉价的高效吸附剂，高效吸附剂不但要有非常好的吸附效果，而且要再生容易，运行稳定，处理成本低。②进一步加强其耦合技术的研究，如将吸附法和膜技术耦合，可以克服膜技术在处理垃圾渗滤液过程中受金属离子及大分子量腐殖质的影响而造成的膜污染，可以提高膜的运行稳定性，减少膜的清洗频率，从而降低膜分离设备的运行风险。这两方面的研究不仅具有理论意义，而且还具有实际的应用价值。
本文重点介绍了近期国内外运用吸附法以及吸附法耦合其他技术处理垃圾渗滤液的研究进展。
1垃圾渗滤液的特性
(1)渗滤液的水质和水量受到许多因素的影响，变化范围大，没有特定的规律。
(2)渗滤液中有机物浓度高，变化范围大，浊度高，污染物种类繁多，有恶臭。垃圾渗滤液中的COD和BOD浓度最高可达几万;
(3)金属离子含量高。垃圾渗滤液中含有多种金属离子:Fe、Pb、Cu、Zn、Al、Hg等;
4)营养元素比例失调。渗滤液的C∶N∶P的比例不合适，一般垃圾渗滤液中的BOD5/P都大于300;氨氮浓度很高，并且随着填埋时间的增大而增大，尤其是老龄渗滤液，氨氮含量更高，可生化性很差。
研究表明，渗滤液中的有机物，主要成分是腐殖质，包括腐殖酸、富里酸以及少量亲水性物质，占到渗滤液DOC的70%～90%。腐殖质是一个或多个芳核，通过醚键、氢键或亚胺键随机结合而成的大分子有机物，结构复杂，分子量范围很大，外部的酚羟基和羧基是主要活性基团。腐殖质是吸附法处理渗滤液主要考虑的吸附对象。
2 吸附法处理垃圾渗滤液
吸附法是一种高效的物化处理手段，通过使用各种类型的吸附剂，目前在化工废水、重金属污染、印染废水的处理领域得到了广泛而有效的应用。筛选一种合适而低廉的吸附剂，是吸附法处理各种废水的关键。由于渗滤液中的有机物的主要成分是腐殖质，而腐殖质的分子量最高可以达到50000Da，且富含各种活性基团，因此，对渗滤液中有机物的吸附，首选孔径较大，饱含活性基团的吸附剂。在吸附渗滤液的实际研究中，各种吸附剂都有应用。
2.1 活性炭吸附剂
活性炭是常用的吸附剂，具有发达的空隙结构、巨大的比表面积和各种活性基团。活性炭对绝大多数有机物的吸附都有效，但活性炭中很多微孔孔径太小，对大分子有机物的吸附效果不是很好，且容易堵塞，再生困难。F.J.Rivas等研究了多种活性炭对老龄渗滤液的吸附，运用各种吸附模型对吸附数据进行拟合，并研究了吸附动力学，指出吸附动力学满足修改后的一级Lagergren方程，但对COD去除效果不好。J.Rodr?guez等对进水COD为1300mg/L的渗滤液用颗粒活性炭吸附处理，COD的去处率可以达到85%。
2.2 矿物吸附剂
硅藻土是由海洋、湖泊中的微生物植物等的残骸演变而成，含有大量的硅质。质轻，空隙率高，孔分布范围大是硅藻土的特点，对渗滤液有较好的净化效果。石超运用硅藻土处理渗滤液，进水COD浓度为12800mg/L，去除率为50%，吸附容量达到1300mgCOD/g，展现其良好的吸附性能。朱晓君等将PAC改性后的硅藻土，用于老龄垃圾渗滤液的预处理，可以去除主要悬浮物和色度，但COD的去除率仅为18%，结果表明，改性硅藻土虽然具有部分混凝的作用，但对老龄渗滤液的吸附作用并没有加强。膨润土是一种常用的吸附剂，其具有价格低廉，阳离子交换容量高的优点，但吸附有机物的效果不好。然而在对膨润土进行改性之后，可以大大提高其对有机物的去除效率，具有较高的研究价值，于瑞莲等运用复合改性膨润土处理进水COD浓度为7030mg/L的渗滤液，COD的去除率可以达到9514%，吸附效果大大优于天然膨润土。
随着渗滤液土地处理技术的发展，土壤作为一种吸附剂，对渗滤液的吸附也被研究的越来越深入。土壤成分非常复杂，本身含有大量腐殖质，对渗滤液的吸附有着更复杂的机理。N.calace等提出，土壤是优先吸附渗滤液中低分子量腐殖质，由于低分子量腐殖质中金属离子的存在，在电负性的土壤和高分子量腐殖质的阴离子基团之间起桥联作用，从而促进了对高分子量腐殖质的吸附，这个机理有助于更深层次了解渗滤液的吸附特性。王斐等利用土壤柱对渗滤液进行吸附净化试验，对COD的净化效果可以达到97117%。
蒙脱石具有强烈的亲水性，对有机物的吸附能力差，但有报道证实，层间含有高价态金属阳离子的蒙脱石能增强对有机物的吸附能力，郑红等将富含各种阳离子的改性蒙脱石对垃圾渗滤液中的有机物进行吸附，将COD稀释到161mg/L后，发现Cr3+蒙脱石的吸附效果最好，COD去除率达到6013%。
沸石是呈架状结构的多孔性含水铝硅酸盐晶体，具有较强的离子交换能力，孔隙发达，最早用于对重金属污染的治理，目前未见其对渗滤液中有机物吸附的研究，但沸石对渗滤液中氨氮的吸附，却有较好的效果。蒋建国等运用天然斜发沸石吸附渗滤液中的氨氮，进水氨氮浓度为1045mg/L，去除率达到7815%，吸附容量达到1515mg/g。由于渗滤液中高浓度氨氮的存在，加剧了渗滤液生物法处理的困难程度，因此高浓度氨氮的吸附去除，就可以直接降低渗滤液的处理成本，该技术有较好的实际运用前景。
2.3 高分子吸附剂
目前用于垃圾渗滤液吸附处理的高分子吸附剂主要是合成树脂，除了与活性炭有同样优良的空隙结构之外，树脂还具可再生，选择性高，可以调节孔径的优点。XAD-8树脂吸附是国际上通用富集水生和土壤腐殖质的主要手段，但XAD-8对渗滤液中有机物的去除效果却一般，J.Rodrlgu2ez等对进水COD为1300mg/L的渗滤液用XAD-8树脂进行吸附处理，COD的去除率约为60%，吸附性能高于离子交换树脂和XAD-4树脂。此外，开发一种新型的树脂，提高对渗滤液中有机物的去除效果，可以提高树脂在渗滤液吸附处理中的竞争力，因此在这个方面，树脂的应用前景将非常广阔。
综上所述，各种吸附剂对渗滤液中有机物的吸附效果对比，见表1。
3 吸附法与其他技术耦合处理垃圾渗滤液用吸附法处理渗滤液主要的制约瓶颈在于，对于渗滤液，尤其是老龄化的渗滤液，腐殖质、氨氮和金属离子等多种污染物之间的竞争吸附导致了吸附法对渗滤液处理的不彻底，整体COD的去除效率也不高。在用吸附法单独处理垃圾渗滤液的同时，吸附法与其他技术耦合处理渗滤液的研究，也同步开展起来，有些技术也取得了良好的效果，并有了实际运用。
3.1 混凝-吸附法处理垃圾渗滤液
渗滤液中的腐殖质，在浓度很高的情况下，由于存在空间位阻等因素，不容易被吸附剂吸附，但腐殖质由于表面活性基团的存在，使之很容易与絮凝剂发生反应而絮凝。因此混凝-吸附组合工艺处理渗滤液，无疑是一种良好的技术。沈耀良等采用PAC作为混凝剂，焦炭作为吸附剂，先混凝后吸附，COD的去除率可以达到5819%，金属离子的去除率达到60%左右，并且证明了混凝和吸附各自的工艺段对污染物的去除具有互补性，克服了污染物之间竞争吸附带来的负面效应，使得整个工艺有较好的灵活性和稳定性。但即便如此，混凝-吸附法在处理垃圾渗滤液的应用上仍有一些缺点，例如泥量较大、投资成本和运行成本较高、吸附剂的回收效果不佳等。
3.2 活性炭-生物法处理垃圾渗滤液
长期以来，生物法由于其处理费用低，工艺成熟，成为废水处理的主流形式，但是受高浓度氨氮和厌氧机理的限制，生物法对渗滤液的处理效果还不是很好，主要缺点有抗冲击负荷差，去除有机物效果不稳定，不适合老龄渗滤液等。针对以上问题，吸附法和生物处理耦合处理渗滤液的工艺逐渐发展起来，A.Imai等选用生物活性炭流化床降解老龄垃圾渗滤液，指出由于活性炭优先吸附容易被生化的小分子腐殖质并在活性炭上发生生物降解，因此对于可生化性不高的老龄渗滤液，生物反应仍然能持续进行，DOC的去除率可以达到60%
左右。蒋彬等投粉末活性炭于SBR反应工艺深度处理垃圾渗滤液，效果非常明显，污泥负荷<013kgcod/(kgmlss•d)时，cod的去除率可以达到84%以上。活性炭-生物法的优势在于对老龄垃圾渗滤液的生化启动，但活性炭在整个系统中只是作为选择小分子腐殖质的一个载体，大量大分子的腐植酸并未得到实际去除而容易引起出水水质的恶化。
3.3 氧化-吸附工艺处理垃圾渗滤液
氧化吸附法用于渗滤液的处理也得到了较大的发展，尤其是针对老龄化的渗滤液，氧化作为前端处理，主要功效在于降低渗滤液中腐殖质的分子量，从而整体提高渗滤液的可生化性和可吸附性。氧化的手段有湿式氧化、臭氧、Fenton试剂等。F.JavierRivas等运用先臭氧氧化，后活性炭吸附的方法处理COD在5000mg/L以上的老龄渗滤液，COD去处率在90%以上，优于单一的臭氧氧化或活性炭吸附工艺，但渗滤液中有机物氧化的不彻底导致吸附的不完全也限制了该工艺的大规模应用。作者同时也指出，即使耦合氧化，混凝和吸附等多种物化法处理渗滤液，仍不能使出水直接达标排放。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
4 总结与展望
各种吸附剂对不同渗滤液的吸附效果有很大的差别，一般来说，吸附剂对早期渗滤液的吸附效果要优于老龄渗滤液，对渗滤液中小分子量腐殖质的吸附能力要优于大分子量腐殖质。由于吸附剂饱和吸附量的限制，吸附法一般仅可作为渗滤液的后续深度处理方法。而由于单独采用吸附法以及上述介绍的几种耦合技术处理效果尚不能达到理想效果，因此吸附法与其他技术耦合也不能完全地处理垃圾渗滤液，目前多作为渗滤液的预处理手段。
鉴于目前吸附法处理渗滤液的实际情况，其将来的研究方向主要有2个方面:①研究开发新型廉价的高效吸附剂，高效吸附剂不但要有非常好的吸附效果，而且要再生容易，运行稳定，处理成本低。②进一步加强其耦合技术的研究，如将吸附法和膜技术耦合，可以克服膜技术在处理垃圾渗滤液过程中受金属离子及大分子量腐殖质的影响而造成的膜污染，可以提高膜的运行稳定性，减少膜的清洗频率，从而降低膜分离设备的运行风险。这两方面的研究不仅具有理论意义，而且还具有实际的应用价值。
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