（环境工程专业论文）粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究.pdf

兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 摘要 卫生填埋法是国内外生活垃圾主要处理方法，其衍生产物渗沥液造成的污染 是卫生填埋场主要环境问题，现行生活垃圾填埋场污染物控制标准 g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 中均已对垃圾填埋场水污染物排放浓度限值做出了严格规定，传 统废水生物处理法对渗沥液已无法实现达标处理和排放，渗沥液处理研究已成为 目前国内外废水处理的研究热点。垃圾渗沥液是一种高浓度有机难处理废水，高 浓度的氨氮含量是渗沥液的水质特征之一，也是渗沥液难以生物处理的原因之 一。较多氨氮物质的存在不仅使得渗沥液的c n 偏小，造成营养比例失调，增 加了渗沥液生化处理的难度，而且氨氮本身也会对微生物的活性产生抑制。目前 生物处理法是渗沥液组合处理工艺中的一种处理方法，如果在处理前能有效地降 低渗沥液中氨氮的浓度，它将能更广泛的得到应用。因此，选题以降低渗沥液氨 氮浓度为切入点，应用吸附性较好且价格低廉的粉煤灰及改性粉煤灰对渗沥液中 氨氮进行吸附去除试验研究，旨在探求一种对渗沥液中氨氮的预处理方法，并为 该方法的应用提供理论依据。 粉煤灰改性条件优选试验得出，n a o h 湿法改性粉煤灰所用n a o h 的最佳浓 度为1 m o l l ，c a o 火法改性粉煤灰的c a o 最佳掺加比为2 0 ；改性后的粉煤灰 比表面积由原来的1 0 1 m 2 g ，分别提高至1 5 3 m 2 儋、1 3 4 m 2 儋。 应用粉煤灰及改性粉煤灰吸附处理渗沥液中的氨氮，取得了较好的效果。试 验优选所得原状粉煤灰、n a o h 改性粉煤灰、c a o 改性粉煤灰与渗沥液的最佳投 加比分别为2 9 1 0 m l 、l g 1 0 m l 、l g 1 0 m l ；最佳投加比条件下吸附平衡时间分 别是18 0 m i n 、1 5 0 m i n 、18 0 m i n ，吸附平衡时3 种粉煤灰对氨氮单位吸附量分别 为8 7 4 3 m g g 、1 2 3 6 0 m g g 、1 1 0 2 4 m g g ，去除率均在4 0 以上；通过估算，由 于粉煤灰及改性粉煤灰对渗沥液中氨氮的去除作用，使得渗沥液的c n 比增加 了2 2 5 倍，有效地增加了c n 比，可以作为渗沥液生化处理前的预处理措施。 原状粉煤灰对氨氮吸附过程受温度、p h 值的影响，单因素试验表明，温度 从2 8 8 k 到3 1 5 k 的条件下，去除率在2 9 8 k 时达到峰值；去除率随p h 的变化呈 “v ”型。 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 采用伪一级动力学方程、伪二级动力学方程和e l o v i c h 动力学方程分别对3 种粉煤灰吸附氨氮的过程进行拟合分析，通过比较，伪二级动力学方程对3 种吸 附过程均有较好的描述；采用动边界模型对3 种粉煤灰的吸附行为进行描述，可 以得出，液膜扩散是原状粉煤灰吸附渗沥液氨氮的主要控制步骤，空隙扩散是两 种改性粉煤灰吸附渗沥液氨氮的主要控制步骤；采用d t i n w a l d - w a g n e r 公式法估 算3 种吸附过程的有效扩散系数眈分别为2 2 6 8 6 x 1 0 一c m 2 s 、3 1 4 8 0 x 1 0 c m 2 s 、 2 9 16 0 x1 0 。7 c m 2 s 。 试验得出，n a o h 改性粉煤灰对渗沥液中氨氮的去除效果最好，其次是c a o 改性粉煤灰和原状粉煤灰，鉴于对粉煤灰进行改性会使成本增加，所以建议直接 应用原状粉煤灰对渗沥液进行预处理，也可以达到较好效果。 关键词：粉煤灰渗沥液氨氮预处理吸附动力学 h 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 a b s t r a c t s a n i t a r yl a n d f i l li st h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d f o rm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) d i s p o s a li nt h ew o r l d t h ep o l l u t i o nc a u s e db yt h el e a c h a t ei st h em a j o re n v i r o n m e n t a l p r o b l e m sc o m ef r o ml a n d f i l l ，t h e r ei sw a t e rp o l l u t a n t se m i s s i o nl i m i tv a l u ef o rl a n d f i l l i nt h es t a n d a r df o rp o l l u t i o nc o n t r o lo nt h el a n d f i l ls i t eo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e s t u d yo fl e a c h a t ed i s p o s a la n dt r e a t m e n th a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u sa th o m ea n d a b r o a d l a n d f i l ll e a c h a t ei sa h i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cr e f r a c t o r yw a s t e w a t e r h i g h a m m o n i a - n i t r o g e nc o n t e n ti so n eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e a c h a t eq u a l i t y , a n do n eo f d i f f i c u l t yf o rd i s p o s a l l o t so fa m m o n i a - n i t r o g e ni nt h el e a c h a t em a k et h ec ni s s m a l l e r , a n dc a u s en u t r i t i o np r o p o r t i o n a li m b a l a n c e ，t h e ni n c r e a s e dt h ed i f f i c u l t yo f b i o c h e m i c a lt r e a t m e n tf o rl e a c h a t e o t h e r w i s e ，a m m o n i a - n i t r o g e nc a ni n h i b i t o r y a c t i v i t yo fm i c r o b i a l i ft h ea m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nc a nb e e nr e d u c e db e f o r e t h el e a c h a t eb i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，b i o l o g i c a lp r o c e s si nl e a c h a t et r e a t m e n tw i l lb e e n w i d e l yu s e d s ot h i st h e s i ss e l e c t e df l ya s ha n dm o d i f i e df l ya s ha sa d s o r b e n tt o t r e a t i n ga m m o n i a - n i t r o g e ni nl e a c h a t ef o re f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec na n di n c r e a s e t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fl e a c h a t e ，t h e na c h i e v e dt h el e a c h a t ep r e t r e a t m e n t f r o me x p e r i m e n t a t i o no fm o d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s o p t i m i z a t i o n , w ec a ns e et h e o p t i m u mc o n c e n t r a t i o no fn a o h f o rn a o hm o d i f i e df l ya s hi slm o l l ，t h eo p t i m u m a d d i t i o np r o p o r t i o no fc a of o rc a om o d i f i e df l ya s hi s2 0 a f t e rf l ya s hw a s m o d i f i e d t h es p e c i f i cs u r f a c ea r e ai n c r e a s e dt o15 3 m 2 ga n d13 4 m 2 gf r o m10 1m 2 g f l ya s ha n dm o d i f i e df l ya s hi su s e da ss o r b e n tt ot r e a t i n ga m m o n i a - n i t r o g e ni n l e a c h a t e ，t h e r ew e r eg o o dr e s u l t sb e e no b t a i n e d b ye x p e r i m e n t a t i o n ，t h eo p t i m u m a d d i t i o np r o p o r t i o no ff l ya s h ，n a o hm o d i f i e df l ya s ha n dc a om o d i f i e df l ya s hi n t h el e a c h a t ew e r e2 9 10 m l ，l g lo m l ，lg lo m l ；i nt h i sc o n d i t i o n , t h ea d s o r p t i o n e q u i l i b r i u mt i m e a r e18 0 m i n ，15 0 r a i na n d18 0 r a i n , t h ee q u i l i b r i u ma d s o r p t i o n c a p a c i t yi s8 7 4 2 8m g g ，2 3 6 0 m g ga n d11 0 2 4 m g g ，t h er e m o v a lr a t e sa r ea b o v e 4 0 ；b ye s t i m a t i n g ，a st h ea m m o n i aw a sr e m o v e d ，t h el e a c h a t e sc nw a si n c r e a s e d 1 1 1 兰州大学硕士学位论文 粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 b y2t i m e s s ot h i sm e t h o dc a l lb eu s e da sl e a c h a t ep r e t r e a t m e n tb e f o r eb i o l o g i c a l t r e a t m e n tm e a s u r e s s e p a r a t es t u d i e dt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ea n dp h0 1 1a d s o r p t i o no fn h 3 - n o n t o f l ya s h ，t h er e m o v a lr a t ec h a n g e sw i t l lt e m p e r a t u r e ，t h eb e s tr e m o v a lr a t er e a c h e di n 2 9 8 k ；d i a g r a ma b o u tr e m o v a l r a t ec h a n g e sw i t hp h i s “v - s h a p e d t h r e ea d s o r p t i o np r o c e s s e sw e r ef i t t e dw i mp s e u d o f i r s t o r d e rk i n e t i ce q u a t i o n ， p s e u d o s e c o n d a r y - o r d e rk i n e t i ce q u a t i o na n de l o v i c hk i n e t i ce q u a t i o n ，l i n e a r i z a t i o n so f p s e u d o - s e c o n d o r d e rk i n e t i ce q u a t i o nw e r eg o o dd e s c r i p t i o nf o rt h r e ea d s o r p t i o n p r o c e s s e s m o v i n gb o u n d a r y m o d e la n a l y s i ss h o wt h a tt h ea d s o r p t i o nr a t eo f a m m o n i a - n i t r o g e no n t of l ya s hi sm a i n l yg o v e r n e db yl i q u i df i l md i f f u s i o n ，a n dt h e a d s o r p t i o nr a t eo fa m m o n i a - n i t r o g e no n t om o d i f i e df l ya s ha l em a i n l yg o v e r n e db y v o i dd i f f u s i o n ；w i t ht h el i n e a r i z a t i o no fd i i n w a l d w a g n e rf o r m u l a , e s t i m a t e dt h e t h r e ea d s o r p t i o np r o c e s s e s e f f e c t i v ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ( d c ) a l e2 2 6 8 6 1 0 c m 2 s 、 3 1 4 8 0 x 1 0 。7 c m a n d2 9 1 6 0 x 1 0 。7 c m 2 s 。 s o ，a m m o n i an i t r o g e nl e a c h a t ec a nb e e nr e m o v a lb e s tw i t hn a o h m o d i f i e df l y a s h ，f o l l o w e db yc a o - m o d i f i e df l ya s ha n df l ya s h i nv i e wo ft h em o d i f i e a t i o nw o u l d i n c r e a s et h ec o s t i ti sp r o p o s e dt h a tt h ed i r e c ta p p l i c a t i o no fr a wf l ya s ho nl e a c h a t e p r e t r e a t m e n tc a na c h i e v e b e t t e rr e s u l t s k e yw o r d s ：f l ya s h l e a c h a t e a m m o n i a - n i t r o g e np r e t r e a t m e n ta d s o r p t i o nk i n e t i c s i v 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：量墨丛 日期：皇全屈：臼芏 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名幽导师签名 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着社会的发展和人类生活水平的提高，生活垃圾产量也逐年增加，目前在 我国生活垃圾年产量已经达到了1 8 亿吨，并且每年以8 1 0 的速度增长。卫 生填埋、焚烧和堆肥是目前垃圾处理的最常见的3 种方式，其中填埋在整个固体 废弃物处理处置体系中占有主要地位，因为它具有投资少、运行费用低、可回收 沼气、对垃圾热值无特殊要求、土地可恢复、综合效益好等特点。目前，在英国、 美国、澳大利亚等国填埋占整个垃圾处理的6 0 以上，我国也有9 0 左右的城 市垃圾依靠填埋处理【l 】。 由填埋引起的主要环境问题是渗沥液造成的污染。在生活垃圾填埋过程中， 由于压实和微生物的分解作用，垃圾中所含的污染物将随水分溶出，并与降雨、 径流等一起形成垃圾渗沥液【2 j 。垃圾填埋产生的垃圾渗沥液水质极其恶劣，对水 体能够产生严重的污染，为了防止垃圾渗沥液污染水体，欧盟、美国、日本等国 家对垃圾填埋提出了严格的技术要求。认识渗沥液的危害程度、提出对策、采取 措施，防止其产生的二次污染对保护环境非常重要。我国现行的生活垃圾填埋 场污染控制标准( g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) d p 对生活垃圾填埋场运行、封场及后期维护与 管理期间的污染物控制要求，以及污染物控制项目数量均有相应的规定【3 】。该标 准规定的现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值见表1 1 。 由于众多因素的影响，垃圾渗沥液是一种组成复杂的高浓度有毒有害有机废 水。有资料显示，渗沥液中含有9 3 种有机污染物，其中有2 2 种已被列入我国和 美国国家环境保护部门的重点监控名单中，并且其中有一种可直接致癌，5 种可 诱发致癌【1 1 ；除此之外还含有多种高浓度的重金属和多种病原微生物，没经过严 格处理或者处理不达标的渗沥液，会对周围的地下水体、地表水体、土壤及生态 环境带来严重的污染和破坏。由于渗沥液成分组成复杂，并且会随填埋时间的延 长发生很大变化，所以对渗沥液进行处理有一定难度。 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氮氮的试验研究 表1 - 1现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值 受到经济发展水平的限制，我国卫生填埋起步较晚，真正意义上的卫生填埋 从2 0 世纪8 0 年代末期才开始建设。从此也开始了我国渗沥液处理技术方法的实 践和探索。早期垃圾渗沥液的处理主要参照城市污水的处理方法，没有考虑到渗 沥液水质特征，因此存在处理效果不稳定，出水水质不达标的现象；到了2 0 世 纪9 0 年代中后期，研究人员考虑到了渗沥液水质的独特性，如高氨氮、高有机 物含量等，采用了脱氨措施，使渗沥液的处理得到了发展；2 0 0 0 年以后，随着 经济的快速发展，国外先进技术方法的引进，渗沥液处理方法也随之多了起来， 一般采用“生物处理+ 深度处理的方法，使渗沥液的处理达到原国标 g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 规定的二级甚至一级排放标准【4 】。按照g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 的新规定， 现有和新建生活垃圾填埋场自2 0 0 8 年7 月1 日起执行表l 规定的水污染物排放 浓度限值。2 0 1 1 年7 月1 日之前，现有生活垃圾填埋场无法满足表l 规定的水 污染物排放质量浓度限值要求的，可将渗沥液在填埋场处理至一定程度，按照要 求送入城市二级污水处理厂进行处理。但2 0 11 年7 月1 日起，现有全部生活垃 圾填埋场应自行处理生活垃圾渗沥液并执行表l 规定的水污染物排放浓度限值。 该排放限值与美国标准近乎齐平并与欧盟标准接近【5 。 所以垃圾渗沥液的处理是目前卫生填埋场污染控制的关键问题，同时也是废 2 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 水处理技术研究的热点。垃圾渗沥液处理方法通常采用生化处理和物化处理技 术。但是渗沥液的组成成分是随时间而发生变化的，对于填埋时间少于5 年的垃 圾渗沥液，其中的有机物浓度高，低分子脂肪酸多，b o d 5 c o d 值在0 5 o 6 ， 采用生化处理方法是有效的；而随着垃圾填埋年数的增加，可降解有机物浓度降 低，腐殖质类物质增加，以及高浓度氨氮含量致使b o d 5 c o d 值下降，可生化 性降低，生化处理难以达到较好的效果。所以，通常来说，单一的生化法不能满 足渗沥液处理的要求，一般要和物化法等其他深度处理方法组合使用。 1 1 2 问题的提出 按照现行国标的相关规定，以后的生活垃圾渗沥液需在填埋场自行处理之达 标后进行排放。目前，高浓度的氨氮是渗沥液难以生物处理的原因之一。根据填 埋场的填埋方式和垃圾成分的不同，渗沥液氨氮浓度一般从数十毫克每升至几千 毫克每升不等。渗沥液中高浓度的氨氮主要来自于垃圾中含氮有机物的厌氧水解 和发酵作用。随着填埋时间的延长，垃圾中的有机氮转化为无机氮，渗沥液中氨 氮的含量也会因此增加，另外，由于目前渗沥液回喷技术的应用，氨氮也会在渗 沥液中逐渐积累。 与城市污水相比，垃圾渗沥液中氨氮浓度高出数十倍至数百倍。渗沥液中氨 氮浓度甚至可高达1 7 0 0 m g l 左右，渗沥液中高浓度的氨氮含量一方面对生物处 理系统有一定的抑制作用；另一方面，会造成渗沥液中c n 比偏小，营养比例 失调，增加了渗沥液生化处理的难度，导致最终出水难以达标 6 - 7 1 。由此可见， 渗沥液处理技术的关键之一是要解决较高的氨氮含量问题，有效的降低氨氮的含 量，不仅可提高渗沥液的可生化性，也有助于渗沥液回喷法的有效应用。 因此，在应用生化处理法对渗沥液进行处理之前，应选择一种有效的预处理 方式，能够使渗沥液中氨氮得到较好的去除，提高c n 比，可为后续处理提供 良好的生化环境。 所以本文选取价格低廉，且吸附性能较好的粉煤灰作为吸附材料，对渗沥液 中氨氮进行吸附去除试验，是客观的选择和实际的需要。 3 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 i i 3 研究目的和意义 本试验研究对象为粉煤灰和渗沥液，粉煤灰为热电厂的废弃物，而渗沥液为 一种高浓度有机废水，应用不同性状的粉煤灰吸附处理渗沥液中的氨氮，目的旨 在探求一种简便、低廉且能有效降低渗沥液中氨氮浓度的预处理方法，为生物处 理以及回灌生物稳定化提供一个良好的生化环境，实现渗沥液生物处理的可持续 性和有效性。同时，也验证了粉煤灰对渗沥液中氨氦的吸附去除作用，既利用了 粉煤灰又实现了“以废治废 的目的。 本试验通过改性粉煤灰与原状粉煤灰对渗沥液中氨氮的吸附试验和去除效 果对比分析，结合实际以及其他影响因素，遴选出最佳的粉煤灰吸附材料和反应 条件，在此基础上通过吸附动力学方程的拟合分析，探究粉煤灰对渗沥液中氨氮 的吸附机理，为粉煤灰预处理渗沥液提供理论依据。 同时，试验采用填埋场实际渗沥液进行吸附研究，有助于粉煤灰直接用于填 埋场渗沥液的预处理中，也为产品来源丰富、价格低廉的粉煤灰在水污染物防治 领域中找到了一条利用途径。另外，本试验还有助于渗沥液回喷技术的应用和推 广。 1 2垃圾渗沥液特性与处理技术 1 2 i 渗沥液的产生与性质 垃圾渗沥液可在卫生填埋场、焚烧厂、堆肥厂、转运站等场所产生。根据我 国目前的经济发展水平和具体国情，在当前以及今后相当长的时间内，填埋法将 是绝大部分城镇垃圾处理的主要方法【引。因此，填埋场渗沥液将是我国垃圾渗沥 液污染控制的重中之重。 在垃圾填埋过程中，由于压实，降雨和微生物的分解作用，会从垃圾层中渗 出一定量的高浓度有机废水，即为垃圾渗沥液。垃圾填埋后，在微生物的作用下， 垃圾中的有机物经过好氧反应和厌氧反应产生降解，其反应可分别用下式表示： 有机物! 三墨生旦一h 2 0 + c 0 2 + n h 3 + n 0 2 + s 0 4 2 - + p 0 4 3 + 有机物j 塑坠 h 2 0 + c 0 2 神m 3 + c h 4 + h 2 s + 低分子有机物 4 兰州大学硕士学位论文 粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 垃圾降解后生成的无机物以及垃圾中的可溶污染物，随着降水、地表径流、 渗入水、垃圾本身含有水分以及降解过程中产生水分的淋溶作用，大量进入渗沥 液中，同时也包含着垃圾中的病原微生物【l 】。 垃圾降解产生的c 0 2 、有机酸类溶于垃圾渗沥液以后使得垃圾渗沥液偏酸 性，这种酸性环境使得垃圾中不溶于水的碳酸盐、金属及其金属氧化物等无机物 发生溶解。继而使得垃圾渗沥液中含有种类繁多且含量超标的重金属类物质。 另外，根据p h 值及有机物质含量，结合填埋垃圾的稳定化过程，可以将渗 沥液的产生分为好氧分解、厌氧分解、酸形成、甲烷形成和稳定这五个阶段。 垃圾渗沥液的产生受区域气候变化、水文条件及季节变化等诸多因素影响， 而且变化无规律性。 与城市污水和工业废水相比，垃圾填埋场渗沥液的组成十分复杂。经发射光 谱定性分析，垃圾渗沥液中检测到得金属有c u 、z n 、p b 、c r 、c d 、h g 、n a 、 m g 、c a 、s n 等共2 6 种。采用g c m s d s 技术已在垃圾渗沥液中检出有机污染 物9 9 种，其中主要有机物有萘、葸、芘、苊、茚、氯苯、p c b s 等烃类及其衍生 物、羧酸类、醇酚类、酮醛类和酞胺类物质1 9 1 。表1 2 中列出了典型垃圾填埋场 渗沥液污染物代表浓度和范围n o l 。 综合考虑渗沥液的产生过程及其复杂的成分，可知垃圾渗沥液的水质具有以 下特点【1 0 l ： 有机物浓度高垃圾渗沥液中的b o d 5 和c o d 浓度最高可达几万毫克每 升，主要是在酸性发酵阶段产生，p h 达到或略低于7 ，b o d 5 c o d 值为o 5 0 6 。 金属含量高垃圾渗沥液中含有数十种金属离子，其中铁和锌在酸性发 酵阶段含量较高，铁的浓度可达2 0 0 0 m g l 左右，锌的浓度可达1 3 0 m g l 。 水质变化大垃圾渗沥液的水质取决于填埋场的构造方式、垃圾种类、 质量、数量以及填埋年数的长短，其中构造方式是最主要的。 氨氮含量高垃圾渗沥液中的氨氮浓度随着垃圾填埋年数的增加而增 加，氨氮浓度过高，会影响微生物的活性，降低生物处理的效果。 营养元素比例失调对于生化处理，污水中适宜的营养元素比例是b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而一般的垃圾渗沥液中的b o d 5 p 大都大于3 0 0 ，与微生物 所需的磷元素相差较大。 5 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 6 其他特点渗沥液在进行生化处理时会产生大量泡沫，不利于处理的正常 运行。由于难降解有机物含量较多，一般生化处理后，c o d 浓度仍在5 0 0 2 0 0 0 m g l 范围内。 表1 2 典型垃圾填埋场渗沥液污染物浓度 1 2 2 渗沥液的污染及危害 渗沥液成分复杂，含有多种污染物质，且浓度变化往往很大。如不加以处理， 则将对周围地下水和地表水、土壤、大气、生物等多方面均会造成严重的二次污 染，并会通过食物链直接或间接地进入人体，危害人类的健康。渗沥液的具体污 染表现如下【1 ，6 】： 恶臭污染这是渗沥液最明显的污染现象，垃圾渗沥液中的存在大量碳 水化合物和含氮有机物质，溶解氧不足，处于厌氧和兼性厌氧环境，会形成甲烷、 氨、硫醇、硫化氢的多种恶臭物质。渗沥液多属有机物质，在厌氧条件下的腐败 6 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 发臭，属综合性发臭。按照臭强度等级，渗沥液应属5 级，强烈恶臭。 需氧有机物污染垃圾渗沥液的主要污染为需氧有机物的污染，它能提 供微生物所需的营养物质，并易于在生物化学作用下分解，分解时消耗水中的溶 解氧，故称为需氧有机物。需氧有机物易造成水体缺氧，危害水中好氧生物，有 助于厌氧细菌的繁殖，形成厌氧分解，发生黑臭。 病原微生物污染受病原微生物污染后的水体微生物激增，其中许多是 致病菌，病虫卵和病毒，它们往往和其他细菌、大肠杆菌共存。据研究，高温发 酵后垃圾渗沥液中大肠杆菌群数偏低，其余垃圾渗沥液中均偏高，同时垃圾渗沥 液是含有大量病原微生物与病毒的液体，对人体有害。 对地下水的污染垃圾渗沥液属高浓度有机废水，由于浓度高，渗滤时 间长，对周围地下水和地表水均会造成严重污染，并持续相当长时间。一旦地下 水源被其污染，人工方法实施再净化，技术上将非常困难。 对土壤的污染垃圾堆土壤的污染，通常由垃圾填埋和垃圾散布施用两 种途径产生。而垃圾堆放对土壤的污染是通过垃圾渗沥液渗入土层所致。渗沥液 中所含污染物质渗入土壤，通过过滤、吸附、吸附、沉淀或通过土壤孔隙迁移， 在土壤中逐渐积累，在其速度和数量上超过土壤正常净化的速度时，就会导致土 壤正常功能失调，土壤质量下降，影响到农作物的生长发育，最终通过食物链威 胁到人类健康。 渗沥液污染物浓度很高，相当于普通市政污水的一两百倍。一个日填埋1 5 0 0 t 的垃圾填埋场产生的渗沥液，其污染物大致相当于一座十几万人口的中小城市的 生活污水。全国渗沥液的污染物排放量约占全年总排污量的1 6 9 6 0 ，以化学需氧 量核算却占到了5 2 7 ，可见，渗沥液排放量虽小，但污染威力却不可小视。 据测定，渗沥液中含有的多种有机污染物，有2 2 种已被列入我国和美国国 家环保重点控制名单之中【1 1 1 。此外，所含有的多种高浓度重金属、盐类和多种病 原微生物，没经过严格处理或处理不达标的渗沥液，会对周围环境带来严重的污 染和危害。 渗沥液中主要的重金属物质h g 、c d 、c r 、p b 和a s 等一旦进入水体，经过 迁移被人或动物吸收后，会产生严重的危害，汞能危害人的神经系统、心脏、肾 脏、胃肠道；镉则引起人体“骨痛病”；铬有六价铬和三价铬，其中六价铬的毒性 7 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 是三价铬的1 0 0 倍，主要是对中枢神经的毒害作用；铅在人体中富集会影响神经 系统的正常功能，砷则表现为肝、胃炎症，多发神经类，皮肤和指甲病变【l 】。 渗沥液中高浓度的有机物，会导致水体缺氧，发生恶臭。另外进入人体内， 可抑制细胞的生长发育，破坏细胞内含物，降低酶活性，从而引起急慢性中毒或 引发癌变。 此外，渗沥液中的阴离子如亚硝酸和硝酸离子，以及各种细菌、病菌、病毒 和寄生虫也会对环境和人体产生危害。 1 2 3 渗沥液处理技术 由于渗沥液水质的特性，采用单一的方法对渗沥液进行处理不能满足其要 求，需要通过不同方法的优化组合与灵活应用才能进行有效的处理。此外，由于 渗沥液的污染负荷高，处理难度较大，不仅需要处理工艺的有效和稳定性，还需 考虑其处理工艺的经济合理性【1 2 1 。结合2 0 1 0 年刚颁布试行的生活垃圾填埋场 渗滤液处理工程技术规范( h j 5 6 4 2 0 1 0 ) t b 】相关规定，在了解填埋场使用年限、 填埋作业方式之后，综合考虑渗沥液水质、水量及处理工艺的经济性、合理性、 可操作性而做出选择。按其规定，渗沥液处理工艺可分为预处理、生物处理和深 度处理三种。标准推荐应用“预处理+ 生物处理+ 深度处理 组合工艺，流程如 图1 1 所示。 图1 - 1 渗沥液处理常规工艺流程图 预处理 预处理阶段主要是去除渗沥液中的氨氮及无机杂质，以改善渗沥液中的可生 8 兰州大学硕士学住论文 粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 化性，预处理工艺可采用生物法、物理法或化学法。 常用的物化处理法有混凝沉淀法、吸附法、化学氧化法以及膜处理技术。这 些物化方法的应用有助于渗沥液的处理。混凝法中通过添加混凝剂，可使渗沥液 中胶体污染物和细微悬浮物脱稳并凝聚以致去除，沈耀赳1 4 】等采用聚合氯化铝 做混凝剂，焦炭做吸附剂，可有效去除渗沥液中的c o d 和重金属离子，两者去 除率达5 8 9 和6 0 ；吸附法是水处理中常用的方法之一，在渗沥液处理方面， 张兰英【9 】等采用铝土矿吸附处理渗沥液，有4 8 9 3 的有机物被去除。 化学氧化法和膜处理技术是目前水处理方面较新的处理技术，对污染物去除 效果比较好，用作污水的深度处理，但处理成本较高。这两种方法在渗沥液处理 方面国内外也有较多研究，主要用作渗沥液生化处理后的进一步处理，王敏1 5 】 等人对广州大田山垃圾填埋场渗沥液深化处理出水进行催化氧化试验，采用 z i 0 2 r u 0 2 t r 0 2 t i 作阳极，电解c o d 为6 5 3 m g l 的渗沥液，c o d 去除率为 8 2 6 ；k r i s t i n a t l 6 】等对传统填埋场和生化池的渗沥液进行处理，c o d 和氨氮的 去除率均大于9 8 。 采用混凝技术作为预处理工艺时，常用的药剂有硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸 亚铁、三氯化铁和聚丙烯酰胺( p a m ) 。另外，折点加氯法、离子交换法、超声波 吹脱等其他物化法在渗沥液预处理方面也有一定的研究。但是这些方法成本相对 较高。此外，生物法在预处理阶段的应用不是很常见。 生物处理 生物处理阶段主要是有效去除渗沥液中的有机污染物和氮、磷等，生物处理 常用工艺有厌氧生物处理法和好氧生物处理法 就渗沥液而言，属于高浓度有机废水，可以采用活性污泥法、氧化沟、生物 转盘、氧化塘及接触氧化等好氧和厌氧生物处理技术进行处理，这在国内外也有 了较广泛的应用。 美国宾夕法尼亚州的f a l lt o w n s h i p 污水处理厂，采用活性污泥法对渗沥液 进行处理，选用3 - - - 6 倍于通常的污泥浓度，使得b o d 5 去除率达9 7 。j gh e n r y 等在室温条件下，采用厌氧生物滤池对c o d 各为1 4 0 0 0 m g l 和4 0 0 0 m g l 的渗 沥液进行处理，c o d 去除率均达9 0 以上。厌氧法较之好氧法有很大优点，此 外复合处理系统的应用也有很好的效果，朱青山等【1 7 1 采用低氧一好氧活性污泥法 9 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 处理模拟渗沥液，最终出水的平均c o d 、b o d 5 、s s 分别从原来的6 4 6 6 m g l 、 3 5 0 2 m g l 、2 3 9 6 m g l 相应降低到3 0 0 m g l 、5 0 m g l 、1 0 0 m g l 以下。王宝贞1 1 8 】 等采用缺氧活性污泥一没式生物膜复合系统处理垃圾填埋场渗沥液，结果表明 c o d 的去除率达9 4 2 ，出水c o d 在1 0 0 0 m g l 以下。 由于渗沥液中金属离子特别是重金属离子的存在，加之其他有毒有害物质较 多，c 、n 比例失调等原因，均对生物处理阶段产生一定影响。因此需要结合预 处理一起对渗沥液进行处理。 深度处理 深度处理阶段主要是去除渗沥液中的悬浮物、溶解物和胶体等。深度处理工 艺可采用纳滤、反渗透、吸附过滤等方法。 反渗透是一种膜处理技术，是用足够的压力使溶液中的水透过反渗透膜而分 离出来，通过上述的膜分离，盐类物质、大分子有机物和微生物等比反渗透膜孔 径大的物质会被滤除。常用的反渗透膜材料有醋酸纤维、聚芳香酰胺、聚酰亚胺 等。反渗透膜在应用的过程中清洗、维护工作十分必要。 纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范 围在几个纳米左右。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来，但与反渗透相比，其操作 压力更低。纳滤分离作为一项新型的膜分离技术，技术原理近似机械筛分。 杨飞黄等1 1 9 1 人介绍了反渗透技术在国内外城市垃圾渗沥液处理中的应用， 认为反渗透膜的应用处于高速成长期，具有广泛的应用前景。张亚军等1 2 0 1 人介绍 了纳滤膜分离技术在垃圾渗沥液处理中的应用情况，认为采用“生化+ 纳滤膜分 离 工艺处理垃圾渗沥液能有效保证处理系统的出水水质。但是纳滤、吸附过滤 等这种渗沥液深度处理方法现在尚未得到一定应用，且处理成本较高，有待进一 步的研究与发展。 此外，渗沥液回喷也是一种较为有效的渗沥液处理方法，通过回喷可提高垃 圾层的含水率( 有2 0 2 5 提高到6 0 - 7 0 ) ，增强垃圾中微生物的活性，加 快产甲烷率、垃圾中污染物的溶出及有机物的分解。其次，通过回喷，不仅可以 降低渗沥液的污染物浓度，还可以通过回喷过程的水分挥发减少渗沥液的产量， 对水量和水质起稳定作用【2 l l 。 苏格兰的s e a m e rg a r r 垃圾填埋场将一部分渗沥液进行回喷处理，2 0 个月后 l o 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 回喷区渗沥液的c o d 值有明显降低，金属浓度也有大幅下降，氨氮浓度基本保 持不变t 2 2 】。邓舟等 2 3 1 选用不同的渗沥液回喷比对填埋场的稳定化进行研究，在 最佳回喷比条件下，c o d 和b o d 5 的去除率分别达到了7 7 和8 8 。 1 2 4 渗沥液中氨氮的处理技术及存在问题 1 2 4 1 氨氮污染物的来源及性质 进入水体中的氮主要有无机氮和有机氮之分。无机氮包括氨氮( 氨态氮) 和硝 态氮。氨氮包括游离氨态氮n h 3 n 和铵盐态氮n h 4 + - n 。硝态氮包括硝酸盐态氮 n 0 3 - n 和亚硝酸盐态氮n 0 2 - n 。亚硝酸盐态氮不稳定可以还原成氨氮，或者氧 化成硝态氮。有机氮有尿素、氨基酸、蛋白质、核酸、尿酸、脂肪胺、有机碱、 氨基糖等含氮有机物【2 1 。可溶性有机氮主要以尿素和蛋白质的形式存在，他可以 通过氨化等作用转化成氨氮。例如尿素通过水解反应使有机氮变成了氨氮： ( n h 2 ) 2 c o + h 2 0 2 n h 3 + c 0 2 在好氧和厌氧的条件下有机氮均可转化成氨氮，蛋白质首先在蛋白分解菌的 作用下水解成氨基酸再转化成氨氮。有机氮的转化温度为2 - 6 5 ，最佳范围为 4 0 - - 6 0 * c ，最佳p h 值为7 8 。含有机氮的废水停留较长时间就可以使可观的有 机氮转化成氨氮。 由于氨氮是植物和微生物的主要营养物质，水体中氨氮含量的增加会造成水 体富营养化，使水体发黑发臭引起谁知的恶化。因此水体中氨氮的浓度是评价水 体污染程度的一个重要指标。目前我国的水域污染中氨氮指数已成为除高锰酸钾 指数外的第二项主要主要污染物了。不少省市已把水体中的氨氮指标列为必测指 标，并控制其排放，相继出台了氨氮超标排污的办法。 氨( n h 3 ) 在常温、常压下是无色气体，有强烈的刺激性气味。氨极易溶于水， 它在水中的溶解度比其它气体都大。0 。c 时，1 体积水能溶解1 2 0 0 体积的氨，2 0 c 时可溶解7 0 0 体积的氨。虽然氨在冷水中的溶解度很大，但随着水温的升高，其 溶解度迅速降低。通常把溶有氨的水溶液叫做氨水，氨水比重小于l ，其中氨的 含量越多，氨水的比重越小。液态氨是一种很好的无机溶剂，它作为有机物的溶 剂比水的效果要好的多。 氨在一般情况下很稳定，它能参加的化学反应主要有三类：加合反应，又叫 兰州大学硕士学位论文粉煤灰吸附处理渗沥液中氨氮的试验研究 氨合反应；取代反应，类似水解反应；氧化反应。 废水中的氨氮主要来源于人和动物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每 年可达2 5 , - - - 4 5 公斤；雨水径流以及农用化肥的流失也是氨氮的重要来源；化工、 冶金、石油化工、油漆颜料、煤气、炼焦、靴革、化肥等工业均排放高浓度的氨 氮废水；此外，皮革、孵化、人和动物的排泄物等新鲜废水中氨氮初始含量并不 高，但由于废水中有机氮的脱氨基反应，在存积过程中氨氮浓度会迅速增加。正 是由于废水中的氨氮来源广泛、数量众多，对氨氮废水的处理愈来愈引起关注， 对氨氮废水的排放控制也日益严格【2 4 1 。 1 2 4 2 渗沥液中氨氮的存在形式及处理技术 渗沥液中氨氮的主要来源是填埋垃圾中蛋白质等含氮类物质的生物降解而 产生的，而且含量较高。渗沥液中的氨氮是指以离子形式存在的铵( n h 4 + ) 和非离 子形式存在的游离氨( n h 3 ) 的总和，随着填埋年份的增加，有机氮的无机化程度 也逐渐增高，所以填埋场晚年渗沥液的氨氮浓度与凯氏氮( t n k ) 浓度十分接近。 此外，由于现在国内垃圾填埋场有用回喷技术处理渗沥液，也造成了氨氮的累 积。 目前，常用的渗沥液脱氮的物理化学方法主要有吹脱、化学沉淀、膜