从填埋场污染物消纳解读渗滤液处理

刘研萍1　杨顺生2　潘终胜3　
(1. 北京化工大学环境科学与工程系，北京 100029；
2. 西南交通大学环境科学与工程学院，成都，610031；3. 同济大学，上海，200092)
 

1. 填埋场的功能
          众所周知，填埋场的功能主要有三个：贮留垃圾、隔断污染和处理垃圾。
         （1）贮存功能：贮留容纳垃圾是填埋场最基本、最主要，第一位的功能，发挥着最终处置的作用。
         （2）隔断污染：填埋场要求设有完善的防护衬层和渗滤液、填埋气收集处理系统，可有效地“隔断”垃圾对环境的污染，避免环境的二次污染。
         （3）处理功能：垃圾被填埋后，在微生物的活动和其他物理、化学作用下，垃圾被分解转化，产生渗滤液和填埋气等，并最终达稳定化，这就是填埋场的垃圾处理功能，其中主要是生物处理功能。但是，在一般填埋场中，这种生物处理功能是比较弱的。
就以上三项功能而言，除了保护环境、隔断污染的目的外，废物及废水处理技术的侧重点不同，危险废物和工业废物填埋主要是发挥其贮存功能；城市污水处理厂主要发挥了处理功能，而垃圾填埋场则三项功能兼具。

2.污染物在填埋场的降解变化
       填埋场内部发生的反应十分复杂，经过一系列生化、物化反应最终生成稳定的矿化物和腐殖质。主要发生的生物化学转化类型   见表1。作为一个巨大的生物反应器，填埋场内需要保持适宜湿度、pH、温度、营养物质等，并且具有很强的抗冲击负荷能力。
 

一般认为，垃圾降解分程可分为以下五个阶段：初始调节阶段、适应阶段、产酸阶段、产甲烷阶段、稳定化阶段。在各阶段，不同的反应过程，其反应产物亦不同，并对渗滤液和填埋气的组成和浓度有较大的影响。

        （1）第一阶段—初始调整阶段
        垃圾中的可降解有机组分在被放置到填埋场后很快就发生微生物分解反应。此阶段的生化分解是在好氧条件下进行的，原因是有一定数量的空气随垃圾夹带进入填埋场内。使垃圾分解的微生物主要来自于垃圾本身、日覆盖层和最终覆盖层土壤、填埋场接纳的城市废水处理污泥、再循环的渗滤液等。
       （2）第二阶段—过程转移阶段
       此阶段氧气逐渐被消耗，厌氧条件开始形成并发展，厌氧微生物逐步占据主导地位。大分子复杂有机物被水解、发酵转化为挥发性能脂肪酸（VFA）、二氧化碳和少量氢气，导致渗滤液的pH下降，分解产生的小分子有机物溶于水使升高。
       （3）第三阶段—产酸阶段
        垃圾堆体转变为纯的厌氧环境，厌氧微生物群落的活动明显加快。首先，垃圾中的大分子有机组分，如核酸、多糖、蛋白质、脂肪等，在发酵细菌的作用下水解为糖，并进一步分解为二氧化碳、氢气和各种小分子有机酸，如丙酸、丁酸、乳酸、长链脂肪酸、醇类等；之后，在产酸菌的作用下，这些有机酸被转化为乙酸及其衍生物、二氧化碳和氢气。由于大量有机酸的积累，渗滤液pH继续下降，造成重金属溶解。同时节COD、BOD急剧升高，渗滤液中含大量可产气的有机物和营养物质（如果此时渗滤液不回灌，大量有机物会损失）。
       （4）第四阶段—产甲烷阶段
        此阶段甲烷菌居于支配地位，它利用氢、二氧化碳、醋酸以及甲醇、甲酸、甲胺等C1类化合物为基质，将它们转化为甲烷。此阶段甲烷产率稳定，甲烷浓度保持在50-65%。渗滤液pH会升高到6.8-8.0，而COD、BOD及其电导率将下降，重金属浓度下降。
        （5）第五阶段—稳定化阶段
         在填埋垃圾中的可降解有机组分被转化为甲烷和二氧化碳之后，填埋垃圾进入成熟阶段，或称为稳定化阶段。此时大部分有机组分均已被微生物所利用，剩余的多为不可生化降解性低的有机物，渗滤液和垃圾的性质稳定，产生的渗滤液含有腐殖酸和富里酸，很难用生化方法进一步处理。

3. 填埋场系统内污染物估算
       分析进入填埋场内的垃圾的不同去向，对更好发挥填埋场作用至关重要。由于填埋场内污染物成分复杂，本文以业内公认的有机物综合指标COD为代表进行估算，按照物质守恒的原理，不考虑转化方式和具体形态，对垃圾填埋场中污染物转化进行了物料衡算。
        3.1垃圾中总污染物的估算 
        随着人们生活水平的提高，垃圾中有机成分的含量呈增长趋势，无机物呈下降，表2为我国部分城市生活垃圾的组成。
 

注：空格为数据缺少，“—”为数据已归入其他类
表3为北京某填埋场的进场垃圾组成，表4列出了我国城市生活垃圾中有机物的经验分子式以及COD含量。
 

据此，以北京为例可计算出100kg干垃圾含有的COD总量为：
[64.82%×0.617+14.89%×0.661 +1.9%×0.597+1.56%×0.716+14.14%× 1.96] ×100
=79.8 kg / 100kg干垃圾
考虑到塑料、木竹类在填埋场内分解需要很长的时间，可生物降解物质主要为食品、纸张和织物，故100kg干垃圾含有的可生物降解COD量为
[64.82%×0.617+14.89%×0.661 +1.9%×0.597] ×100
=52 kg / 100kg干垃圾

3.2 渗滤液含COD量的估算
        以北京同一填埋场为例，目前日处理湿垃圾约2100吨，每日平均产生渗滤液填埋期约600吨，封场后按300吨计。
按垃圾渗滤液密度为1t/ m3 估算，填埋场设计寿命17年，封场后稳定化寿命按30年估算，则有：
寿命期内，产生渗滤液总量：600×17×365×103 ＋200×30×365×103= 7×109 L
寿命期内，渗滤液含COD总量：7×109×15000 = 1.1×1014mg = 1.1×108 kg（COD浓度按50年内都为15000mg/l计，已对渗滤液中COD总量进行放大）
寿命期内，单位质量湿垃圾平均随渗滤液流出的COD的量：
1.1×108÷（1.3×1010） = 0.0085 kg COD / kg湿垃圾
折合成干垃圾，即0.0085÷（1-30%）=0.012kgCOD/kg干垃圾
寿命期内，100kg干垃圾随渗滤液流出的COD为1.2 kg COD
寿命期内，渗滤液带出的有机污染物COD占填埋场总COD比例：
1.2÷52 =2.3%

3.3 产甲烷消耗COD的估算量
        IPCC 缺省方法是基于物质守恒定律最简单的填埋气产量预测方法，该模型假设垃圾填埋产气潜能在被填埋的那一年里全部释放出来。其计算公式如下：
Q = MSWT ×MSWF×MCF×DOC×DOCF×F×16/12
         经计算得出
寿命期内，产甲烷消耗COD的量为2.464÷0.25 = 9.9 kg
寿命期内，产甲烷气消耗COD的比例：9.9÷52 =19 %
经计算，转化为二氧化碳等其他气体的COD为8.7%，其余70% 可生物降解COD(包括微生物同化部分）均留在垃圾场内。

4. 渗滤液处理的必要性
         经上分析，可知填埋场寿命期内，渗滤液带出的有机污染物COD仅占填埋场总COD的2.3%，但渗滤液仍必须进行处理。
渗滤液成分复杂，有机物含量相当高，还含有大量有毒物质，如重金属、难生物降解有机物（多数为致癌物质）和大量的微生物，国内对渗滤液检测出的77种主要有机物中，有可疑致癌物1种、辅致癌物5种，被列入我国环境优先污染物“黑名单”的有5种。Susanc Haper 等报导了渗滤液中重金属对周围环境及对后期生物处理的毒性影响。渗滤液污染方式隐蔽，可严重污染地表水、地下水和土壤，Nevenka Mikac 等报导，渗滤液对含水层的影响不仅仅在表层，而且贯穿于达60米深的垂直截面，对周围居民的健康构成严重威胁。因此虽然渗滤液中COD含量比例低，渗滤液水量亦不大，仍必须对渗滤液进行有效的处理。

5. 渗滤液的处理工艺
        渗滤液处理技术主要分生物处理、物理化学处理和土地处理三类。
         生物法包括好氧生物处理和厌氧处理，好氧生物处理包括活性污泥法、生物膜法、氧化塘等；厌氧处理主要包括上向流厌氧污泥床（UASB）、厌氧生物滤池、厌氧接触法等。物理化学法主要是化学沉淀、砂滤、吸附、吹脱、膜技术等。土地处理技术包括渗滤液回灌和人工湿地技术。
        从物质转化角度看，生物处理后，渗滤液COD中1%-5%随出水排放，会产生24%-60%的污泥，产生35-%75％的气体。物理法是将污染物全部截留。化学法会产生30-60%的沉淀污泥分离出来，分离出来的污染物仍需进一步处理包括填埋，而渗滤液仍需进一步处理。

6. 回灌是渗滤液处理的有效技术
        6.1　回灌技术的有效性
        微生物的生命活动离不开水分，垃圾中水分含量是影响垃圾生物降解的非常重要的因素。垃圾的自然含水率受许多因素的影响，来自不同季节、区域收集来的含水率不同的垃圾被填埋在了一起，会导致填埋场内部水分分布的不均匀性，很难保证填埋场内部各处所有垃圾含有的水分都能满足厌氧微生物的生命需求。在水分合适的地方，垃圾可能会被微生物分解的很好，而在水分不合适的地方，垃圾很难分解，甚至根本不会分解。由此可见，对填埋场中垃圾的水分进行调控是非常重要的。
        水分调控的主要目的是为填埋场内微生物的生命活动提供足量且均匀分布的水分，此外，还有如下作用：限制空气中的氧气迁移到垃圾内部，保证厌氧微生物需要的厌氧环境；通过水分的迁移，把营养物质和微生物“携带”并均匀分布到垃圾内部各处，促进填埋场内垃圾的均匀降解；稀释有害物质，减少其对微生物的抑制作用。
        实际填埋场的水分调节大多采用渗滤液回灌的方式。除了可以调节垃圾内部水分外，渗滤液回灌还可以通过垃圾的生物、物理和化学作用，使渗滤液得到净化处理，解决垃圾渗滤液的后续处理问题。在渗滤液对填埋场生物学特性影响方面，人们已作了很多研究和实践，已充分证实了回灌的有效性。
 

6.2 回灌法的优点
        众所周知，回灌法是将收集到的渗滤液回流至填埋区域，促使菌群和微生物酶活性增强，利用填埋场自身形成的稳定系统，使渗滤液流经覆土层和垃圾层，发生一系列生物、化学和物理作用而被降解和截留，同时使渗滤液由于蒸发作用而减量。目前在美国已有200多座垃圾填埋场采用了此技术。
        综合国内外大量理论研究和实践，证实渗滤液回灌具有以下特点：
       （1）可大幅提高填埋气的产量、提高垃圾能量转化效率；
       （2）显著提高垃圾的降解量、减少垃圾占用空间，从而提高单位面积场地的垃圾填埋量或延长填埋场的使用寿命；
       （3）明显提高垃圾的降解速率、缩短填埋场达稳定化的时间，从而缩短封场后的管理和监测时间，减少后期监管费用；
       （4）能够驻留渗滤液和（或）对渗滤液进行处理，减少渗滤液处理费用和减轻其对环境的污染；
 

6.3　回灌型填埋场，污染物的去除
       有机物的去除：垃圾堆体含有大量的、种类繁多的、经过长时间选择驯化、适合降解渗滤液中有机物的微生物，这些微生物活性高、适应性强，垃圾的渗透系数比较小，在堆体中渗透的物质可长时间与垃圾（或微生物）接触，保证了渗滤液中污染物具有足够长的反应时间，最大限度得到去除。
        氨氮的去除：填埋场可同时存在好氧、厌氧和兼氧环境，使N在垃圾堆体中可发生硝化、反硝化反应。
        重金属的去除：通过化学沉淀、络合，螯合等途径固留在填埋场内。
        硫酸盐的去除：为防止膜结垢而加入的硫酸盐会在硫化厌氧细菌的还原作用、与重金属形成硫化物沉淀等多种作用去除，不会对渗滤液水质造成明显影响。

6.4 回灌在渗滤液处理中的作用
        经过前面的物料平衡分析，复杂的渗滤液处理工艺处理的COD仅占处理垃圾可生物降解COD的2.3%，并且这2.5%COD中会有24-60%进入污泥，仍需进行处理到含水率小于60％再回填至填埋场。可充分利用填埋场的贮存和处理功能处理含2.3%COD的渗滤液，将污染物控制在填埋场系统之内，因此回灌是最有效的渗滤液处理途径。

6.5　渗滤液回灌的几个问题
        （1）回灌的有效方法的选择
        选择科学合理的回灌方式，既要保证渗滤液回灌的有效进行，且随着回灌的持续，回灌管道不堵塞，尽可能少的产生气味；深层回灌加回灌竖井是较好的选择。
        （2）有些填埋场产生的渗滤液水量大，不能做到完全回灌
        为维持垃圾堆体斜坡的稳定性，确保在填埋场较大的区域范围内孔隙压力不增大，选择适宜的水力负荷，只能回灌适量的渗滤液。渗滤液回灌量的减少可通过膜或其他有效技术实现。当膜技术等对进水有一定要求时，可采用其他处理方法，辅助完成渗滤液的浓缩过程。这样，所有膜前工艺的处理要求即不以污染物的去除为主要目的，而以满足膜进水为目的，可大大减少运行成本，降低管理强度。
        （3）进场垃圾中塑料过多而导致渗滤液横流却渗不下去的问题
        该问题可通过加强垃圾的分选等预处理来解决。
        （4）回灌区域的合理选择
        合理选择回灌区域，利用新填埋区渗滤液回灌到老填埋场。利用老渗滤液对新填埋区接种，利用老填埋场净化新鲜渗滤液。
        （5）对填埋场的影响
        要求管理者、设计者在思想上高度重视，在填埋场设计、运行、管理时，就将渗滤液回灌纳入其中，创造适于回灌的工况条件和作业方式，如降低垃圾填埋压实密度，创造充氧条件等。对于已建填埋场，后增加渗滤液回灌的地点，要充分考虑填埋场既有情况，如场内塑料袋过多，渗滤液管道堵塞等，开辟适于回灌的区域。

7．浓缩液回灌的关注问题
         从物料平衡角度看，渗滤液的处理完全可以充分发挥填埋场的贮存、隔断污染和处理三大功能，纳入卫生填埋场污染物消纳系统中。通过膜处理，大大减少回灌填埋场的水量，可解决渗滤液量过大而难以完全回灌的问题。使得透过水达标排放，而浓缩液必须回灌到填埋场，以避免二次污染。
         另一方面，2008年7月1日实施的生活垃圾填埋场污染控制标准（GB 16889-2008）中渗滤液排放进行了严格规定，要达到此标准，也使得膜处理成为有效的保障技术，势必要产生膜的浓缩液（假设含全部1.5%COD），浓缩液回灌成为大多数填埋场面临的共性问题。
        高浓度的浓缩液回灌的问题是高浓度的污染物是否会对垃圾填埋场内生物活性、有机物降解、渗滤液水质的影响。填埋场作为一个巨大的生物反应器，通过必要的工程措施逐渐驯化，可耐受高浓度污染物，不会对垃圾填埋场内生物活性、有机物降解、渗滤液水质产生明显影响。
        德国从1986年开始将浓缩液回灌填埋场，目前，德国成功运行的填埋场中大约15座采用RO系统处理垃圾渗滤液及浓缩液回灌工艺，且这一数量在其他国家还在增长。大量研究结果以及多座填埋场多年累积的运行实践证实，在充分考虑相关填埋场的特征设计基础上，长期采用回灌处理浓缩液的系统，填埋场排出的渗滤液中主要污染物浓度没有显著变化。

结论
        填埋场具有贮留垃圾、隔断污染和处理垃圾。通过填埋场的物料算，可生物降解COD的70%留在填埋场中，随滤液流出的可生物降解COD仅占2.3%，渗滤液经处理后还会产生大量回填污泥。因此充分利用填埋场的三大功能进行处理渗滤液，回灌成为渗滤液处理的最佳途径。当渗滤液量较大而无法完全回灌时，可采用膜，出水达标排放，浓缩液回灌至填埋场，从而完成填埋场污染物的系统控制。
       大量研究和实践证明回灌是可行的，可通过在设计、管理、运行各方面系统强考虑，强化垃圾分选、采取有效的回灌措施等进行完成。对节能减排、低碳经济及填埋场的可持续利用具有重要意义。