垃圾渗滤液处理过程中产生的膜浓缩物的处理综述外文翻译资料

垃圾渗滤液处理过程中产生的膜浓缩物的处理综述

摘要：垃圾填埋场渗滤液(LL)是一种高毒性的废水，由多种污染物组成，如有机化合物、生物有机物、异生物、重金属、无机盐和氨等。因为对于可吸入颗粒物的排放实施了更严格的规定,传统方法与膜过程的结合已经变得不可或缺。综合膜技术的污染物去除效率高达 95% 以上，处理的渗滤液量大，投资成本低。然而，这些过程的缺点是生产具有更多危险特性的膜浓缩物。这篇综述介绍了最先进的方法以及最近对现有膜浓缩处理工艺的改进。这些技术主要分为两类，传统的、先进的方法和他们的结合，并详细总结了各个工艺的操作条件、性能以及废水特性。通过对渗滤液浓缩物的特性的研究，发现单一的处理过程不能达到理想的膜浓缩处理，需要这些技术的工程组合来达到令人满意的去除效率。.

关键词: 高级氧化工艺; 电化学处理工艺; Fenton 工艺; 垃圾渗滤液; 膜浓缩物。

1. 简介

生活水平和经济的显著提高加快了人均固体废物产生量的增长速度。目前，全球城市固体废物的产生量约为每年20.1 亿吨，预计到 2050 年将达到每年34亿吨^[1]。由于经济上的可行性，垃圾填埋比焚烧和堆肥更受欢迎，但在发展中国家不受欢迎，垃圾填埋的贡献估计分别占总废物管理选项的90%和70% ^[2]。垃圾填埋后，一系列的生物和物理化学过程立即开始。据估计，在整个分解过程中，一吨的固体废物产生0.2立方米的垃圾渗滤液^[3]。渗滤液是微生物细胞中生化过程、城市固体废物有机部分的降解以及废物中所含的固有水或雨水通过废物渗透而产生的一种暗色液体。垃圾填埋场即使关闭 50 年后也可能产生渗滤液^[4]。垃圾填埋场渗滤液通常含有各种污染物，如对生态系统有毒的有机化合物、氨、无机化合物、天然和合成配体、生物有机体、外来生物和重金属^[5]。由于垃圾填埋场渗滤液不受控制的释放，污染了地表水、地下水和土壤，这反过来对自然生态系统和公共健康构成了巨大的风险 ^[6,7]。由于大多数旧的垃圾填埋场都没有建立渗滤液收集系统和工程衬垫，这些场地的地下水污染是不可避免的。即使只有少量渗滤液泄漏到水生系统中，也可能污染大量的淡水。大量(约1000种)有机化合物，其中200多种是经常检测到的地下水污染物，这已被确定为渗滤液向地下水迁移的结果^[8]，并且其对细菌、藻类、植物、无脊椎动物、鱼类的致突变、致畸和致癌作用已通过毒理学试验得到证实^[9,10]。渗滤液的特征和组成因年龄而异，因此需要找到合适的操作性处理系统。去除水体中的氨氮、有毒成分和有机物质是满足将水体安全释放到接收水体中的必要标准的一项重要要求。目前，已经发展了几种处理渗滤液的方法，它们可以分为两大类: 生物过程(如好氧和厌氧稳定泻湖、自然过滤器和活性污泥法)和物理化学过程(如吸附、浮选、化学沉淀、混凝/ 絮凝、空气吹脱、离子交换、膜过滤和高级氧化处理)。然而，单一的生物处理方法除非与物理化学处理方法相结合，否则不能有效地处理垃圾填埋场渗滤液。传统和高级处理工艺的结合也越来越多地被作为传统处理工艺的一种替代方法加以探索，而传统处理工艺往往不够充分，因为低级处理工艺具有高度可变性和复杂性^[11].随着垃圾渗滤液处理技术的发展和垃圾渗滤液处理技术的现代化，反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)等膜分离技术在发达国家得到了广泛应用^[12-15]。膜过滤技术是北美工业和城市废水以及卫生填埋场渗滤液最常用的处理工艺之一，因为它具有较低的生产成本、较高的灵活性和较高的工艺性能^[16]。其中，反渗透法和膜生物反应器 (MBR)方法结合传统的生物处理和物理化学方法用于去除渗滤液中的重金属、无机物和有机物^[17,18]。塞尼卡草地填埋场是美国纽约州最大的填埋场，是膜过滤工艺成功应用的一个很好的例子。根据 Kaur 等人在2020 年的研究，反渗透工艺在这个垃圾填埋场帮助实现了高于95% 的污染物去除效率。自20世纪90年代以来，一些欧洲国家(如德国)的垃圾填埋场已经采用了基于膜的渗滤液处理技术^[17]。

膜法处理LL的主要缺点是产生浓缩废水，这是一种含有难降解污染物和高盐度的深色溶液。虽然渗滤液处理过程产生的膜浓缩物占初始渗滤液体积的13-50% ^[21,22]，但它含有大量难降解的有机污染物，如芳香族化合物、内分泌干扰物、长链烃、卤代烃和无机盐。此外，高浓度的盐水化合物以及上述难降解污染物的存在，极大地降低了垃圾渗滤液膜浓缩物的生物降解性，使其几乎无法通过生物处理过程进行处理。因此，传统的处理方法(蒸发法、再循环法、吸附法、膜蒸馏法、电渗析法、混凝法和氧化法)以及先进的臭氧法、 Fenton 法和过硫酸盐法等工艺和工艺得到了广泛的应用。特别是，高级氧化工艺(AOPs)以其在设备简单和成本低的情况下降解难降解污染物的有效性而闻名。近年来，通过 AOPs、生物过程和其他物理化学技术的综合或联合过程处理LLMCs受到了广泛关注。

在文献中，一些综述性研究集中在治理方法^[27]、健康和环境影响^[28]，以及 LLMCs的特征^[29]。然而，据我们所知，关于处理膜过程中浓缩沥滤液的研究尚未详细审查。这项研究回顾了LLMC处理技术的现状，并测试了传统的技术改进。在这方面,介绍了垃圾渗滤液的组成和目前使用的不同技术处理垃圾渗滤液的方法。然后，详细讨论了处理特点、处理方法、主要挑战和未来前景。

2.垃圾卫生填埋场渗滤液的组成

各种各样的生物、化学和物理过程发生在垃圾填埋场，并导致渗滤液的组成和特性的不断变化。在高温和降水的情况下，垃圾降解和渗滤液形成加速。垃圾成分、填埋场年龄、垃圾含水量、当地气候条件(降雨量和蒸发量)、垃圾稳定程度、运行方式和地下水入渗等参数影响填埋场产生的渗滤液的数量和组成^[30,31]。渗滤液成分和数量的 确定是渗滤液管理的关键要求。表1列出了垃圾填埋场渗滤液的典型情况。LL中的污染物可以分为四大类: 宏观成分、外来有机化合物、溶解有机物和重金属^[32]。LL 中的有机化学品种类繁多，包括个人护理用品、药品及其他致癌和有毒的化合物(脂环酸、脂肪酸和芳香族酸、中性脂环和脂肪族化合物、酚类化合物、邻苯二甲酸酯和磷酸酯、中性芳香族和氯化芳香族化合物，以及杂环化合物)。在垃圾渗滤液中的有毒化合物中，氨氮化合物被认为是对水生生物的主要威胁之一，因为它可以阻止硝化作用，对生物体产生毒性作用，并在高浓度(100 mg/L)下刺激藻类生长^[34,35]。此外，LL的很大一部分是无机离子，包括锰(Mn² )、镁(Mg² )、钙 (Ca² )、钠(Na ), 铵(NH₄ )、钾(K )、铁(Fe² )、碳酸氢盐(HCO₃^-)、硫酸盐(SO₄^2-)和氯化物(Cl^-)。 其中，碳酸氢盐，氯化物和硫酸盐离子被报道为垃圾渗滤液中最常见的无机阴离子^[30]。亦包括重金属(镉、铅、铬、砷、铜、钴、镍、锌和汞) ，含量由微克/升至毫克/升不等。 垃圾的生物降解随着渗滤液的pH值向酸性范围移动而减少，在酸性范围内，重金属很容易溶解并迁移到环境中。重金属由于能够形成金属复合物，特别是与有机物形成复合物，因而具有危险的特性。外来生物化合物是来源于工业和家庭材料以及含有各种 氯化脂肪酸、杀虫剂、酚类物质的废弃物的有机材料、增塑剂和芳烃^[33]。此外，这四个存在于LL中主要的化学基团的另一种生物材料是病原体。病原体的主要来源是尿布、宠物粪便、面部组织、食物垃圾和纸巾^[36]。在渗滤液中存在某些废物如受污染的工业废物、废物和废水污泥时，病原体微生物的数量可能会增加。害虫(野生动物、老鼠、昆虫和鸟类)的存在也可以增加病原体的负荷。渗滤液通常包括原生动物 寄生虫(例如小隐孢子虫和蓝氏贾第虫)、病毒(特别是 Norwalk 组和甲型肝炎病毒)和细菌 (包括粪大肠杆菌、大肠杆菌、嗜水气单胞菌和绿脓杆菌)^[37]。淋滤液的特征通常是总有机碳(TOC)、化学需氧量(COD)、5天生化需氧量(BOD₅)、铵态氮 (NH₃-N)、 pH 值、 BOD₅/COD 比值、悬浮固体(SS)、细菌数量、重金属含量或浊度，这些因素决定了淋滤液的拥有属性^[33]。渗滤液性质的任何变化，如可生物降解物质的数量和渗滤液体积，都会使渗滤液处理更加困难和复杂。分析表明，氧含量增加，氮、氢、碳含量随填埋龄的增加而降低。红外光谱、荧光激发发射矩阵光谱和元素分析结果表明，成熟填埋场中脂肪族官能团和芳香族碳的含量较高^[38]。小李等^[33]研究了垃圾填埋场中黄腐酸(FA)和腐殖酸(HA)的转化，利用集成荧光 EEMs 和荧光区域集成分析(FRI)。结果表明，填埋年龄显着改变了HA的EEMs 特性，提高了HA的腐殖化程度。在另一项研究中，Kang等^[39]表明，随着垃圾填埋年龄的增加，HS和芳香族成分的分子大小增加。 年轻的渗滤液通常含有可生物降解的物质(挥发性脂肪酸) ，具有高 COD (30,000-60,000mg/L)和BOD₅(4000-13,000 mg/L) ，BOD₅/COD 比值为 0.4-0.7，氨氮浓度为 500-2000 mg/L，pH 值低于 6.5^[40]的特点。中年垃圾填埋场渗滤液具有相当数量的难降解污染物，并且由于 BOD₅/COD 比率低，具有较低的生物降解性^[41]。成熟的垃圾填埋场，其中厌氧降解主要表现为高铵态氮浓度(3000-5000mg/L) ，腐殖质和黄腐类物质分子量较大，BOD₅/COD比值小于 0.1，COD相对较低(lt; 4000mg/L)^[42]。

HA 包括具有酚和羧基官能团的脂肪族和芳香族成分，可以通过络合作用溶解金属，提高疏水化合物的溶解度，从而改变生物毒性、生物有效性以及垃圾填埋场中污染物的去向^[44]。由于HAs对污染物行为的巨大影响，渗滤液中 HA 组成的表征是至关重要的特征。随着时间的推移，更先进的仪器已经被用来确定卫生填埋场渗滤液的成分。Andrews等^[45]采用直接水注射 hplc/MS/MS 技术测定了渗滤液中95种药物和10种药物降解产物的浓度。Baker和Curry ^[46]证明，渗滤液的荧光强度与地下水水质的指示参数如 BOD₅、TOC和氨有密切的关系。

3. 垃圾渗滤液膜浓缩物的形成

卫生填埋场的未经处理的渗滤污水通常首先进行生物处理。传统的生物处理(厌氧、好氧和缺氧处理过程，如硝化反硝化)常常被用来去除垃圾渗滤液中的可生物降解的有机物和氨。然而，难降解的有机化合物如 HA、FA和一些微污染物不能通过传统的生物处理有效地去除。厌氧和好氧 MBR工艺在处理渗滤液方面比其他生物处理工艺更先进和有效。膜生物反应器由于具有工艺稳定性好、占地面积小、出水水质好、混合液悬浮固体(MLSS)保留率高、生物量大、污泥形成少等优点而受到广泛关注。由于这些原因，几乎一半的新的垃圾渗滤液处理过程是通过MBR技术处理的^[47]。通过在垃圾渗滤液处理中使用 MBR，BOD₅去除率甚至高于 99% ^[48,49]。特别是缺氧/好氧MBR工艺通过硝化反硝化脱氮效率高，在垃圾渗滤液处理中得到了广泛的应用^[50]。该MBR工艺包含缺氧和曝气池,然后是UF工艺,以实现进一步澄清。

为了达到严格的出水标准，膜过程主要是NF和RO，且被广泛应用于生物处理方法。例如，MBR NF/RO 系统已经成为垃圾渗滤液处理的一种新型组合工艺^[51]。MBR NF/RO 能有效分离生物处理过程中不能降解的有机和无机污染物，产生质量稳定的出水^[52]。MBR NF/RO 工艺对 COD 和 BOD₅ 的总体去除率均超过97%。在Ahn等^[53]的一项研究中，MBR 工艺与反渗透工艺相结合处理 LL，MBR 工艺提高了生物可降解有机物的硝化速率和去除效率，而反渗透工艺负责去除非生物可降解物和无机氮离子。此外由于综合系统的运行费用为每吨3美元，而传统的高级处理的运行费用为每吨 5 美元，因此综 合系统更为经济。根据 Amara等^[54] ，通过使用 NF 作为 MBR 的后处理获得了优异的渗滤液处理性能。该工艺可去除 85-95% 的氨，80-96% 的 COD，78-99.8% 的磷，98-99.9% 的色度。他们还评估了MBR与空气吹脱和NF工艺在垃圾渗滤液处理中的整合。其组合系统(气提 mbr nf)对大部分试验参数的去除效果较好，对总氨、 COD、毒性和颜色的去除率分别达到近 95% 、88% 、100% 和 100% 。此

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