垃圾渗滤液的特征与处理

滕春莹、周康根、彭长虹、陈薇 中南大学冶金与环境学院

摘要：垃圾填埋渗滤液是卫生填埋过程中产生的一种复杂的有机废水。垃圾填埋场渗滤液必须适当处理，以避免生态毒性和环境破坏。深入了解垃圾渗滤液的理化特性和环境行为，对其有效处理十分重要。本文对垃圾填埋场 渗滤液的性质、表征方法和处理技术的研究进展进行了综述。具体地说，强调了最新的垃圾渗滤液鉴定光谱技术和先进的氧化处理技术。此外还讨论了当前垃圾渗滤液表征和处理技术的缺点和挑战，以及对垃圾渗滤液表征和处理方法的展望。

关键词：垃圾渗滤液；溶解有机质；光谱技术；先进氧化过程；膜过滤

1.介绍

垃圾渗滤液是渗透的雨水、废物生物降解产生的水和废物中固有 的水的混合物，其中含大量溶解有机物(DOM)、盐、重金属离子和其他有机化合物(氯化脂肪族和杀虫剂)(Liu等2015)。填埋渗滤液通常被发现是有毒的，对周围环境和生态系统构成潜在威胁(Baderna等2019)。渗滤液DOM可影响微生物活性，引起膜污染，降低重金属凝血过程的出水质量，与有机污染物相互作用，改变重金属的运输行为、稳定性和生物利用度的命运(Yang等2019)。因此，开发有效的处理技术来去除垃圾渗滤液中的DOM势在必行。

各种技术，包括生物处理 (活性污泥和流化床反应器工艺 )、化学处理 (Fenton工艺，化学沉淀)和物理化学处理(吸附和膜过程)已被开发用于处理垃圾渗滤液。然而，通常的权衡是需要在处理性能和与这 些技术相关的成本之间进行处理。深入了解垃圾渗滤液的组成及其变化和降解特性，对垃圾渗滤液的处理具有重要意义。自2000年以来，有关垃圾渗滤液的出版物数量稳步增加，对垃圾渗滤液的特征和处理进行批判性的审查，有助于促进这一领域的发展。

现有的关于垃圾渗滤液的文献综述可分为三种类型。一个是关注垃圾渗滤液的处理技术(Renou等2018),而渗滤液的性质/特征与处理效率之间的联系尚未被系统地讨论。第二种主要是关于某种类型的处理方法，如Fenton/臭氧相关的高级处理、电化学过程和膜技术(Li等2010a；费尔南德斯等人。2015；达巴吉亚等人。2018年)，或某种类型的污染物，如紫外线淬灭物质和重金属(（卡瓦贾尔-弗雷兹和卡多纳-加洛，2019年）伊斯坎德等人。2018年，这都太专业化了。第三种类型总结了各种表征方法(Nebbioso和短笛，2013)，但在实际应用中缺乏对垃圾渗滤液的讨论。

因此，本文综述了垃圾渗滤液的表征方法和处理技术。其中，重点介绍了描述/监测DOM的分子光谱技术和先进的垃圾渗滤液处理氧化技术的发展。此外，还讨论了目前垃圾渗滤液处理技术和分析方法的主要缺点和局限性，并提出了解决这些缺陷的建议。此外，还提出了在处理过 程中开发和改进处理技术和结构表征的想法和方向。

2.垃圾渗滤液性质

一般来说，垃圾渗滤液具有常规参数，包括化学需氧量(COD)、总有机碳(TOC)、生化需氧量(BOD)、悬浮固体、pH、氨(NH₄ -N)和重金属浓度。BOD ₅ / COD和COD / TOC的比值是有机化合物生物降解性和有机碳氧化状态的典型指标。垃圾渗滤液的质量受到多种因素的影响，废物类型、操作条件、气候、水文地质和垃圾填埋年龄(Dabaghian等2018)。

由于垃圾组成和水分含量的变化，以及温度和降水等季节因素，垃圾渗滤液的特征表现出相当大的差异(Costa等2019)。夏季温度越高，COD和DOC浓度越低，而冬季的pH、总氮和电导率通常都高于夏季。相比之下，氧化还原电位和金属、总悬浮固体和挥发性悬浮固体的浓度没有明显的季节性变化(Zhao等2013)。在254nm处的吸光度与TOC浓度(SUVA254)表明垃圾渗滤液的芳香性程度，并表现出显著的季节差异，夏季高于冬季(Yangetal，2019)。因此，由渗滤液衍生出的DOM在夏季含有较高比例的芳香族结构，这可能是由于在较高的温度条件下，垃圾填埋场的生物降解效率较高所致。

垃圾填埋年龄是影响垃圾渗滤液组成和性能的关键因素。垃圾填埋渗滤液根据垃圾填埋年龄可分为三类。如图1所示。5岁以下的渗滤液为年轻渗滤液，中等渗滤液为5-10岁老渗滤液产生10多年(Miao等2019)。年轻的垃圾渗滤液主要由低分子量亲水有机质组成，pH值低，生物降解性指数(BOD₅/COD )。相比之下，高分子量的HA和FA是旧垃圾渗滤液的主要成分，导致pH值升高，较低生物退化性指数，值得注意的是，重金属的浓度往往随着年龄的增长而下降，因为pH值的增加降低了金属的溶解度。

根据不同的标准，DOM可以分为不同的部分，对不同处理的反应不同。根据荧光的发射度，DOM组分可以分为着色DOM(CDOM)或荧光DOM(FDOM)(Helms等2009)。CDOM是总DOM的重要组成部分，它对紫外光和可见光有很强的吸收，导致溶液的颜色变暗(Lozinski等2019)。FDOM只是总DOM的一小部分。由于垃圾渗滤液DOM在不同溶剂中的溶解不同，通过XAD-8树脂与阳离子交换树脂的组合可以分离出3个组分，分为腐殖酸(HA)、黄腐酸(FA)和亲水(HPI)组分(Zhang等2013)。此外，利用基于疏水性的XAD-8树脂法，可以从垃圾渗滤液中分离出亲水性成分、疏水碱、疏水中性和疏水酸四种组分(He等2016) 。此前已经证明，DOM的疏水部分富含芳香族部分，这有助于氯化过程中的消毒副产物的形成(Korshin等2007)。

图1.垃圾填埋场渗滤液分类随年龄的变化(Renou等。2008；赵等。2019).

DOM也可分为可生物降解和不可生物降解组分。不可生物降解的组分主要由微生物降解副产物的缩合和聚合产生的腐殖质组成(Iskander等2018)。相比之下，生物可降解的有机物主要来自于有机固体废物的初始分解。该组分由简单的碳链结构组成，可以很容易地通过生物处理过程去除。

近年来，新兴有机污染物(EOCs)，如持久性有机污染物、内分泌干扰化学品、制药和个人护理产品、抗生素耐药性基因和消毒副产品，由于其普遍性在垃圾渗滤液和潜在的负面影响周围环境和人类的健康。在垃圾渗滤液中发现了17种微塑料，浓度从0.42-24.58item/L(He等2019)。垃圾渗滤液中也通常在高浓度(gt;10mg/L)，特别是双酚A和2,4-二叔丁基苯酚(Aziz等2018)。在过去的20年里，全球垃圾渗滤液中共报告了172种药物和个人护理产品(PPCPs)，包括抗生素、抗炎药、兴奋剂和受体阻滞剂(Yu等2020)。此外，垃圾渗滤液中存在高水平的抗生素耐药性基因，使其被认为是抗生素耐药性库。因此，垃圾渗滤液是EOCs的重要来源，增加了有效处理的紧迫性。

3.垃圾填埋场渗滤液的表征方法

3.1.基本参数

垃圾渗滤液的特性通常采用基本参数来定义，包括COD、BOD、BOD/COD比值、TOC、pH、悬浮物、nh4 -N、总克杰尔达尔氮浓度和重金属浓度。这些参数在不同的样品中差异很大，范围为：100-70900mg/LCOD，pH5.8到8.5, 0.2-13000mg/L总氮，50-2200mg/L铵根，150-5000mg/LCl ^-, 10–8000 mg/L 硫酸盐和600-7500mg/L碳酸氢盐，0.04–0.7BOD / COD比值和重金属浓度范围从0.01到1.0times;10⁴毫克/公斤(Kjeldsen等2002)。

基于上述体积参数，还不能精确预测垃圾渗滤液中DOM的组成和浓度(Ishii和Boyer，2012)。各种分析技术已被用于表征垃圾渗滤液DOM，这些分析方法及其相关参数如表1所示。

3.2.分子量相关技术

分子量的分布是反映渗滤液DOM组成的关键参数。如表1所示，用于垃圾渗滤液特征分析的分子量相关技术包括不同分子量截止点的膜过滤和尺寸排除色谱(SEC)。应用不同分子片流动的超滤(UF)膜研究了垃圾渗滤液中的分子量分布(Chen等2019a)。随着分子量截止量从1kDa增加到8kDa，COD去除效率从92.7%下降到 72.2%，表明在UF过程中优先去除大分子有机物(Pi等2009)。

SEC根据不同的流动相可分为两种类型：以水溶液或缓冲液为流动相的凝胶过滤色谱和以有机溶剂（如环氧四甲烷和甲基苯）为流动相的凝胶渗透色谱。SEC可以识别和定量 5种不同大小的组分：生物聚合物(高于10kDa)、腐殖质物质(1kDa)、构建块(300Da至500Da)、低分子中性物和酸(小于350Da)(Aftab和Hur，2019a)。分子量相关技术比传统方法有利，因为在分离过程中没有样品损失和反应，使用寿命也延长了。但是，它们不能区分分子大小相似的化合物，只能将分子量差大于10%的物质分离出来。

表1

垃圾渗滤液DOM表征技术综述。

方法 参数 意义 参考文献

COD

BOD

BOD₅/COD

TOC

NH₄ -N，总有机氮，总凯氏氮

悬浮固体

膜分离

SEC

元素组成分析

FT-ICR MS

¹H -, ¹⁵N -, ¹³C- NMR

紫外光谱学

FTIR光谱学

荧光光谱学

2DCOS光谱学

基本参数

分子量相关技术

结构分析方法

光谱方法

（巴布普努萨米和穆图库马尔，2014）

(王等2015)

(刘等2020)

(张等2020)

(桑托斯等2019)

(Oloibiri等2017)

来确定相对分子量分布 (Gupta等人2014)

关于不同分子量分布的信息 (Lee和Hur，2017)

成熟度、芳香缩合物和碳水化合物/羧酸含量

指标。 (柴等2008；霍等人2008)

确定DOM组分的分子式 (袁等2017)

不同的区域反映了不同的H、C和N结构。 (Tong等2015; Zhao等2017)

疏水性和芳香度。 (Yan等2018)

SUVA₂₅₄lt;2：亲水性结构； SUVA₂₅₄gt;4：疏水结构 (Weishaar等2003)

分子量指标 (Helms等2008)

C=O组和C=C组指标 (Rodriacute;guez等2016)

芳香度指标，与分子量成反比 (Kang等2002)

从特征峰中可以识别出不同的官能团 (霍等2008;王等2016)

荧光成分的独立组团 (Ishii and Boyer, 2012)

研究渗滤液DOM的组成和转化 (He等2016)

将EEM光谱数据转换为低维图，提供结构和功 (Bieroza等2009; Cuss and

能信息 Guacute;eguen, 2015)

确定外部扰动上光谱变化的相对方向和特定顺序 (Teng等2020)

还原性有机物的总量

可生物降解有机物总量

生物降解性指标

含碳有机物总量

不同形式的氮气用量指标

沉降效率指标

具有不同分子量拦截的膜

元素碳氢、碳氧、碳氮比分析

准确地识别元素及其组合

计算出不同的h型、n型和c型官能团

E ₂₅₄ , E_{280 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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