美国垃圾渗滤液处理研究

用于处理固体废物的卫生填埋法因其在开发和资本成本方面的经济优势而被广泛使用（Renou et al., 2008）。除了经济优势外，垃圾填埋场还可以将废物控制分解为最终的稳定材料（Renou 等人，2008 年）。然而，人们担心垃圾填埋场产生的渗滤液会迁移并污染地表水、地下水和土壤环境。

垃圾渗滤液含有多种污染物（即有机和无机污染物），其成分和含量随地理位置、废物成分、年龄、pH、水分含量和其他垃圾填埋场特征而变化（Bove 等，2015）。渗滤液需要在现场进行预处理以满足排放到污水处理厂 (WWTP) 或直接排放到地表水中的标准（Abbas 等人，2009 年）。无论如何，必须仔细审查可用的处理技术，以选择最可行和最有效的工艺。

在本报告中，描述了影响渗滤液特性的因素，以根据废物/渗滤液年龄等变量确定成分的差异。将对渗滤液处理技术的三个主要类别（即渗滤液转移、生物和物理化学方法）进行审查，重点关注每种技术对不同类型渗滤液的适用性。最后，讨论了关于渗滤液中新出现的污染物的一个日益突出的问题，以解决封闭和正在进行的垃圾填埋场对未来的影响。

垃圾填埋场中产生的渗滤液主要取决于水分含量和田间容量（方程式 1-2）（Zornberg 等人，1999 年），这是指在没有向下渗透的情况下可达到的最大水分含量（El-Fadel 等人，2002 年） . 给定垃圾填埋场的保水能力受田间容量、萎蔫点和孔隙度的影响（图 1）。当水分含量由于降水、空隙减少等原因超过现场容量时，由于重力克服了滞留力，导致液体垂直流过垃圾填埋场，从而形成渗滤液（方程式 3）。

θ w  = V水 / V废物                                                                                                                          （等式 1）

θ w : 水分含量
V water : 水量
V waste : 废物量

θ FC  = 21.7 * lnγ t  - 5.4（等式 2）

θ FC : 田间容量 (%)
γ t : 废物的总（湿）单位重量（kN/m 3）

图 1. 多孔材料中的体积相关系和水分保留参数（Zornberg 等人，1999 年）

垃圾填埋场产生的渗滤液量主要取决于水的可用性（例如降水、地表水、渗滤液再循环）、最终覆盖物的特征（土壤和植被类型、不透水覆盖物、坡度）和废物的特征（水分含量、密度） （坎齐亚尼和科苏，1989 年）。如果垃圾填埋场的特性有利于渗透，则会产生更多的渗滤液（图 2）。垃圾填埋场和周围场地的其他特性也会影响渗滤液的形成（表 1）。

图 2. 带有渗滤液排水系统的已完成卫生填埋场的一般水文平衡示意图。P：降水；J：灌溉或渗滤液再循环；R：地表径流；R*：来自外部区域的径流；ET：蒸散；P i =P+J+R*–R–ET±ΔU S；U S : 土壤含水量；U W : 废物中的水含量；S：污泥处理加水；b: 产水量 (if>0) 或消耗量 (ifS, I G : 来自天然含水层的水; P i =S+I S +I G ; L=P i ±ΔUw+b: 渗滤液总产量; L i :渗入含水层；L R：排水沟收集的渗滤液（Canziani 和 Cossu，1989 年）

垃圾渗滤液的组成和理化性质受多种因素的影响（表 1），但主要取决于填埋垃圾和生物降解阶段，这取决于垃圾填埋场的年龄（El-Fadel 等，2002；Schiopu 和加夫里莱斯库，2010）。

表 1. 影响垃圾填埋场渗滤液形成和成分的因素（El-Fadel 等，2002）

在垃圾填埋场观察到五个不同的生物降解阶段，其特点是主要的生化反应及其产物（图 3）（Christensen 和 Kjeldsen，1989；Schiopu 和 Gavrilescu，2010）：

（第一阶段）好氧阶段：易生物降解的有机物被好氧分解（H 2 O、CO 2）

（第二阶段）产酸阶段：主要是产酸菌的水解、发酵和活性（CO 2、H 2、NH 4 +、有机酸）

（第三阶段）产乙酸阶段：产甲烷菌开始缓慢生长（乙酸、CO 2、H 2）

（第四阶段）产甲烷阶段：以稳定的速率产生甲烷（垃圾填埋气：60% CH 4，40% CO 2）

（第五阶段）好氧阶段：甲烷产量降低，氮从大气中扩散（H 2 O、CO 2）

图 3. 垃圾填埋场中气体和渗滤液成分的变化（Christensen 和 Kjeldsen，1989 年）

每个生物降解阶段可以通过检查不同指标（即化学需氧量（COD）、氨氮（NH 4 + -N）、溶解固体（DS）、悬浮固体（SS）、外源有机化合物（XOCs）的浓度来确定、重金属、盐类）（Schiopu 和 Gavrilescu，2010 年）。这些指标可能与常规城市废水中的指标相似。然而，垃圾填埋场渗滤液通常含有相对多样化的较高浓度污染物混合物（Schiopu 和 Gavrilescu，2010 年），并且需要与用于城市废水的处理方法不同或改进的处理方法。

城市固体废物形成的渗滤液由各种有机和无机污染物组成（表 2）。其组成可能因生物降解阶段而异，这也部分受上述垃圾填埋场年龄的影响（表 3）。

表 2. 城市固体废物渗滤液的化学成分（El-Fadel 等，2002）

a生化需氧量
b化学需氧量
c总溶解固体
d总有机碳
e总悬浮固体
f总挥发性酸

表 3. 不同填埋年限的渗滤液成分 (Bove et al., 2015)

a根据文献报道的平均值计算的平均值±标准偏差。

根据各种参数，通过以下一种或多种策略收集和处理垃圾填埋场产生的渗滤液（Schiopu 和 Gavrilescu，2010；Townsend 等，2015）：

在应用技术处理渗滤液时，需要考虑以下因素（Abbas 等，2009；Schiopu 和 Gavrilescu，2010；Townsend 等，2015）：

• 渗滤液成分、性质和体积

• 需要储存渗滤液

• 地方水标准排放要求

• 技术价值、易于实施和技术的成本效益

垃圾渗滤液转运

常规垃圾渗滤液处理技术的三大类是（1）渗滤液转移，（2）生物，和（3）物理化学方法（Renou 等，2008）。

与市政污水协同处理

垃圾填埋场收集的渗滤液可在污水处理厂与城市污水结合处理。该方法因其简单且低成本的操作而被使用（Renou et al., 2008）。然而，渗滤液共处理由于污染物负荷高、生物降解性低的有机物以及重金属的存在而存在局限性（Quasim 和 Chiang，1994；Booth 等，1996，Çeçen 和 Aktaş，2004），这可能导致减少在污水处理厂的性能。此外，人们对简单稀释而不是处理渗滤液的影响提出了担忧。

渗滤液再循环

渗滤液可以通过垃圾填埋场再循环来回收，以通过控制水分含量来改善生物降解和废物稳定性（Renou 等人，2008 年）。生物反应器垃圾填埋场是一个增强的系统，具有受控的渗滤液收集和注入，通常补充其他液体以保持接近现场的水分含量以优化分解（图 4）（EPA，2017 年）。渗滤液再循环或生物反应器填埋的优点是提高分解率、降低渗滤液处理/处置成本以及缩短关闭后的维护期。缺点包括增加的气体排放和气味、废物质量的物理不稳定性和表面渗漏。（美国环保署，2017）。

图 4. 好氧（左）和厌氧（右）生物反应器填埋场示意图（EPA，2017）

人工湿地

另一种现场处理技术是人工湿地，其中渗滤液通过植物净化处理或重新用作能源作物的肥料（Justin 和 Zupančič，2009；Bove 等，2015）。系统分为三种类型，自由流动系统、水平地下流动系统和垂直地下流动系统（图 5）。

（一种）

(二)

（C）

图 5. 人工湿地系统示意图：(a) 自由流动系统，(b) 水平地下流动系统，和 (c) 垂直地下流动系统 (Tilley et al., 2014)

这种方法的优点是建设和运营成本低、功耗低、污染物去除效率高（Bove et al., 2015）。缺点是空间要求、气溶胶的产生、仅适用于小体积以及难以控制（Bove 等人，2015 年；Schiopu 和 Gavrilescu，2010 年）。

用于渗滤液处理的生物工艺种类繁多，其中大部分应用于废水处理工艺。生物过程通常按曝气（好氧、厌氧或混合）、介质（活性污泥、生物膜或混合）或反应器类型（连续流搅拌罐反应器、序批式反应器或沟渠）分类（Metcalf & Eddy / Aecom , 2014)。生物处理因其可靠性、简单性、高成本效益和去除有机化合物的效率而被使用。

好氧处理工艺

好氧处理过程应允许处理可生物降解的有机物和营养物。与厌氧过程不同，在好氧过程中可进行硝化作用（将铵氧化为硝酸盐）。基于悬浮生长（即活性污泥）的好氧工艺已被广泛研究和采用（Lin and Chang, 2000）。附着生长的生物过程（生物膜）最近引起了极大的兴趣：曝气生物过滤器（BAF）、移动床生物膜反应器（MBBR）（Renou 等人，2008 年）。

好氧工艺和称为膜生物反应器 (MBR) 的膜分离技术的整合也导致了对渗滤液处理的新关注（Renou 等人，2008 年）。生物好氧处理工艺如下：

悬浮生长工艺：曝气池、活性污泥法、SBR、MBR等。

附加生长工艺：滴滤、BAF、MBBR、FBBR等。

图 6. 带有悬浮细胞的好氧移动床生物膜反应器 (MBBR) 的示意图设置 (Bove et al., 2015)

厌氧处理工艺

通常采用厌氧处理工艺（例如消化），这些工艺适用于处理高浓度废水（Renou 等人，2008 年；Prokhel 和 Viraraghavan，2004 年）。与悬浮生长的好氧工艺相比，厌氧消化节约能源并产生更少的污泥。然而，厌氧消化的反应速率较低（Berrueta 等，1992）。除厌氧消化外，还有上流式厌氧污泥床（UASB）反应器和厌氧过滤器（AF）等工艺。氧化铵和硝酸盐在厌氧条件下可反硝化为氮气，因此可将好氧过程和厌氧过程结合起来，完全将氮作为养分处理。

图 7. 小型厌氧消化器（农业食品和生物科学研究所，2016 年）

与针对某些物质的生物处理相比，物理化学处理工艺是解决垃圾渗滤液问题的更有效方法。各种物化工艺在渗滤液处理中各有优势（表5）。（托雷塔等人，2017）

絮凝-混凝

絮凝是一种典型的处理方法，用于使用诸如 FeCl 3的絮凝剂去除不可沉降的胶体固体（如表面活性剂、重金属、脂肪酸和腐植酸）（Torretta et al., 2017），更适合陈旧稳定的渗滤液（Renou et al., 2008）。絮凝通常用于生物处理或反渗透的上游，或用于最终清洁的下游。主要的混凝剂是硫酸铝、硫酸亚铁、氯化铁和氯硫酸铁（Amokrane 等，1997）。絮凝法适用于垃圾渗滤液处理，因为它能够抵抗渗滤液中的低 pH 值和高有机物浓度（Torretta 等人，2017 年）。然而，这种处理存在一些缺点：产生一致的污泥体积，并且可以观察到液相中铝或铁的浓度增加（Silva 等，2004）。

膜过滤分离

膜分离过程是一种物理过程，根据膜孔的大小可分为微滤（MF）、超滤（UF）和纳滤（NF）（图8）（Torretta et al. , 2017)。反渗透 (RO) 是另一种过滤技术，由通常用于水淡化或饮用水厂的半透膜的反向压力驱动（Torretta 等人，2017 年）。 膜分离处理，尤其是 NF 和 RO，在降低垃圾渗滤液中的 COD、SS 和有机物方面非常有效（Torretta 等人，2017 年）。膜过滤的缺点是高压要求导致高能耗和膜污染，这需要表面清洁过程（Torretta 等人，2017 年）。

图 8. 膜过滤量 (KYDEP, 2012)

空气剥离

气提通常与其他氨去除技术一起应用（Torretta 等人，2017 年）。在这个过程中，有机成分通过暴露在空气或蒸汽中从水相分离到气相（Torretta 等人，2017 年），通常在汽提塔中（图 9）（Renou 等人，2008 年）。该技术可以从受污染的水中去除高达 99.5% 的氨（Silva 等人，2004 年），并且非常适合去除高水平的氨。然而，气提技术具有固有的缺点，例如可能将 NH 3释放到大气中以及对 pH 值的要求高（Renou 等人，2008 年）。

图 9. 空气剥离系统 (Beychok, 2010)

活性炭吸附

吸附是一种表面现象，其中流体（气体或液体）混合物通过物理和/或化学键被吸引并附着在固体吸附剂的表面上（Foo 和 Hameed，2009 年）。活性炭 (AC) 被广泛用作吸附剂，主要是因为它具有较大的表面积、可控的孔结构、热稳定性、pH 稳定性以及从气体或液体中去除有机和无机污染物的能力（图 10）（Foo 和 Hameed , 2009)。吸附过程的主要缺点是 AC 柱的频繁再生以及随之而来的 AC 消耗和成本（Torretta 等人，2017 年）。

图 10. 用于渗滤液处理的活性炭柱（Foo 和 Hameed，2009 年）

化学沉淀

化学沉淀是使用氢氧化物或硫化物盐来沉淀目标污染物，即重金属和无机化合物的过程（Torretta et al., 2017），广泛用作去除铵态氮（NH 4 + - N）（雷诺等人，2008 年）。该方法简单且成本低，适用于去除水溶液中的重金属（Torretta et al., 2017）。但是，它也会产生大量污泥，从而增加了对二次废物的处理（Torretta et al., 2017）。

离子交换

垃圾渗滤液中的离子和溶解的有机物可以通过离子交换去除，离子在固相和液相之间可逆地交换（图 11）（Torretta 等人，2017 年）。具有活性官能团的合成树脂、天然沸石和硅酸盐矿物被广泛用于去除水溶液中的重金属（Torretta 等人，2017 年）。离子交换是一种环保技术，具有可以从废水中回收金属的优势，但运营成本高，需要预处理以去除 SS（Torretta 等人，2017 年）。

图 11. 离子交换处理（J&T Technologies, Inc.，2014）

化学氧化和高级氧化工艺

污染物通过化学氧化作用矿化为二氧化碳、水和无机物或其他无害产品（Andreozzi 等，1999）。用于渗滤液处理的主要氧化剂是氯、臭氧、高锰酸钾和盐酸钙（Abbas et al., 2009; Torretta et al., 2017）。最近，高级氧化工艺 (AOP)，如芬顿工艺和光催化（图 12），已被建议作为传统化学氧化工艺的替代品（Renou 等人，2008 年；Torretta 等人，2017 年）。通过使用强氧化剂（例如 O 3、H 2 O 2)、辐照（例如紫外线、超声波、电子束）和催化（例如过渡金属离子、光催化剂）（Abbas 等人，2009 年）。AOP 可以帮助氧化卤化有机物并提高持久性有机污染物的生物降解性（Renou 等人，2008 年）。然而，它们需要昂贵的反应物，因此需要预处理以减少 COD 和控制系统以监测处理性能（Andreozzi 等人，2009；Torretta 等人，2017）。

图 12. TiO 2光催化氧化的机理 (Hassan et al., 2016)

选择渗滤液处理方法时需要不同的参数。影响处理方法应用的因素之一是垃圾填埋场的年龄。表 5 显示了渗滤液处理技术在三种填埋年龄（年轻、中年和老年）中的有效性。渗滤液转运和生物过程在垃圾填埋场的年轻阶段是有效的，而不同物理化学过程的效率各不相同。

表 5. 渗滤液处理的有效性取决于垃圾填埋场的年龄（Abbas 等，2009）

最近，美国地质调查局 (USGS) 对 19 个和 22 个垃圾填埋场产生的新鲜和最终渗滤液中的新兴污染物 (CEC) 进行了全国性调查（Masoner 等人，2014 年；Masoner 等人，2015 年） )，以评估渗滤液作为环境中 CEC 的来源（图 14）。Masoner 等人在 2014 年和 2015 年发表了该研究的详细信息，并在随后的讨论中进行了总结。

图 13. 显示从 2011 年到 2012 年从 19 个和 22 个垃圾填埋场采样新鲜（左）和最终（右）渗滤液的状态的地图（Masoner 等人，2014 年；Masoner 等人，2015 年）

分析了大约 200 种 CEC，包括约 100 种处方药、30 种工业化学品、30 种家用化学品（包括 10 种农药）、16 种非处方药、16 种类固醇激素和 4 种植物/动物甾醇。这些 CEC 是根据它们的数量、在环境中的持久性以及毒理学和生态毒理学效应来选择的。

处方药最常被检测到，但家用和工业化学品组合的检测更频繁，占新鲜和最终渗滤液中总测量 CEC 浓度的 80% 以上（图 15-16）。

图 14. 按化学组（红色条）检测新兴关注污染物 (CEC) 的频率和按化学组（蓝色条）测量的总 CEC 浓度百分比（Masoner 等人，2014 年）

图 15. 按化学组（红色条）检测新兴关注污染物 (CEC) 的频率以及按化学组（蓝色条）测量的总 CEC 浓度百分比（Masoner 等人，2015 年）

渗滤液中 CECs 的含量和检测频率受到以下影响：

1. 地球化学

1. 随着非挥发性溶解有机碳 (NVDOC) 和无机分析物（Br -、B、K、Si、Co、Cr 和 V）浓度的增加，九个 CEC 的检测频率增加

2. 垃圾填埋场垃圾成分

1. 添加废水污泥

2. 70-80% 城市垃圾的非均质混合物导致更高的检测频率和家用化学品的浓度

3. 接收垃圾的年龄

1. 检测频率：中年（11-20岁）>年轻（4-11岁）≈老年（>20岁）

2. 浓度：中年>青年>老年

3. 然而，检测频率和浓度的差异无统计学意义，表明 CEC 具有顽固性

4. 废物装载

1. 中型（0.125 – 50 万吨）和大型（>50 万吨）废物负载与小型废物负载（<12.5 万吨）相比具有更高的检测频率和浓度

2. 然而，差异没有统计学意义，表明另一个影响因素

5. 渗滤液生产

1. 检测频率：大（>1200万加仑）≈中（5-1200万加仑）>小（<500万加仑）

2. 浓度：大（>1200万加仑）>中（5-1200万加仑）>小（<500万加仑）

3. 但差异无统计学意义

6. 沉淀

1. 潮湿环境（>100 cm/yr）中的垃圾填埋场比干燥地区的检测频率和浓度更高

2. 湿区与干区的药物检测频率和浓度差异具有统计学意义

7. 垃圾填埋场状态（活动或关闭）

1. 活动场所的浓度明显高于封闭场所

2. 可能是由于较旧的渗滤液在封闭式垃圾填埋场自然衰减，封闭式垃圾填埋场的废物量较小等。

8. 渗滤液处理工艺（兼性泻湖、序批式反应器）

1. 未经处理的渗滤液中的浓度显着高于处理过的渗滤液

9. 渗滤液处理方法（污水处理厂、地下水、灌溉、河流）

1. 浓度：污水处理厂 > 地下水（表 00）

10. 新鲜与最终渗滤液

1. CEC 在最终渗滤液中的检测频率较低且浓度较低

表 6. 2011 年至 2012 年采样的 22 个填埋场的辅助填埋场特征、CEC 检测总数和最终渗滤液中 CEC 总浓度（Masoner 等，2015）

本研究结果通过讨论影响 CEC 种类和浓度的因素，为未来垃圾渗滤液中 CEC 的研究提供了有价值的信息。此外，作者指出，尽管封闭的、无衬里的垃圾填埋场和最终渗滤液的检测频率和 CEC 浓度低于各自的对应物，但由于直接环境污染的可能性，它们仍然受到更多关注。

本报告的目的是研究适用于不同条件的垃圾渗滤液处理技术。渗滤液处理技术对有机和无机污染物的去除效率不一。渗滤液中污染物的浓度和类型由许多因素决定，包括填埋场的年龄。生物处理方法在去除有机污染物时表现出更好的性能，而物理化学处理方法更适合去除重金属等无机污染物。有一些处理技术在大多数情况下是有效的，但需要权衡处理成本。除了污染物去除效率和成本外，其他因素，如现场/场外设施、渗滤液储存需求、

本报告的一部分还讨论了渗滤液中 CEC 的最新问题。渗滤液中 CEC 的种类和浓度受地球化学、垃圾填埋场废物成分、降水、垃圾填埋场状态（活动/关闭）、渗滤液处理工艺、渗滤液处理方法和渗滤液年龄的影响。

相关研究对垃圾填埋场渗滤液的最重要影响是需要持续监测和管理封闭的垃圾填埋场，以安全控制渗滤液并防止垃圾填埋场周围区域受到污染。从这个角度来看，垃圾渗滤液处理是垃圾填埋场管理的重要组成部分。