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渗滤液的反渗透浓缩液回灌研究 ＊ 刘研萍 1 李秀金 1 王宝贞 2 蒋宝君 2 1.北京化工大学环境科学与工程系, 北京 100029; 2.哈尔滨工业大学市政与环境工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090 摘要 反渗透处理渗滤液会产生一定量浓缩液, 浓缩液的污染物浓度远高于渗滤液。 对浓缩液回灌于填埋垃圾体进 行实验, 结果表明 浓缩液回灌对有机污染物有很好的去除效果, 厌氧条件下 COD 去除率为 81. 56, BOD5去除率为 82. 5, NH3-N 去除率为 60～ 70; 浓缩液回灌的最佳水力负荷为 32. 38 mL Ld , 此时回灌浓缩液 COD 浓度 99,NH3- N 去除 率98, 具有很高且 稳定的脱 盐率 [ 4] , 出水达 GB16889- 1997 一级排放标准 。 浓缩液回灌设计 在填埋场建设时 ,首先将浓缩 液回灌管铺设到拦渣坝以上, 然后向左右各延伸 200 m ,每隔20 m预留一个接口,每个接口设有控制阀 门。当需要回灌时 ,用活动管道连接任意一个接口, 打开阀门, 在浓缩液储存池上加压, 就可以把浓缩液 经泵输送到填埋场 。回灌浓缩液要求垃圾填埋场至 少有10 m的填埋高度, 在填埋高度不足10 m而高于 5 m时, 要求回灌点距离渗滤液收集管出口至少有 100 m的距离,而且回灌点每年更换 1 次 ,使垃圾场内 的水分均匀分布。该垃圾场可在4年内超过10 m的 填埋高度。 渗滤液调节池反渗透 净水 贮水池 浓缩液 浓缩液 贮存池 回灌 垃圾 填埋场 图 1 渗滤液处理工艺流程 89 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 1. 2 回灌实验装置 由于垃圾填埋场操作工作面大 ,回灌对渗滤液的 影响短期内不明显 ,故在现场进行回灌实验 ,设计并 建造 4 套厌氧反应器, 1 套好氧反应器。反应器呈长 方体 ,砖混结构 ,四壁及底部均做防渗, 有效容积均为 2. 8 m 3 ,有效高度3 m,顶部设置一根导气管以导出填 埋气体,底部设置一支 20 mm的阀门以排放渗滤 液, 每个反应器的垃圾填埋高度均为2. 65 m , 覆土 0. 05 m ,再铺砾石0. 05 m , 并在砾石层内铺设多孔布 水管。好氧反应器中间安置一根 40 mm的 PVC 穿 孔管 ,外接鼓风机。回灌方式采用多孔布水管进行表 面喷洒 。反应器示意图见图 2。实验所用城市生活 垃圾取自垃圾填埋场 。每套实验装置的具体研究目 标列于表 1。 1提升泵; 2高位水箱; 3多孔布水管; 4垃圾堆体; 5砾石层; 6渗滤液收集管; 7气体收集管; 8空气; 9鼓风机; 10布气管。 图 2 浓缩液回灌试验装置 表 1 回灌装置的研究目标 序号反应器类型填埋垃圾类型回灌 1 厌氧新鲜垃圾不回灌 2 厌氧新鲜垃圾RO 浓缩液 3 微好氧新鲜垃圾RO 浓缩液 4 厌氧新鲜垃圾渗滤液 5 厌氧陈腐垃圾渗滤液 1. 3 回灌水质和水量 卫生填埋场内的生活垃圾压实后初始含水率为 40,实验中取理论上使垃圾含水率达到 70的回 灌量 , 每次回灌量0. 74 m 3 。由于反渗透系统回收率 为80,渗滤液浓缩了 5 倍而成浓缩液 。实验用回 灌渗滤液和浓缩液水质见表 2。 表 2 渗滤液及浓缩液水质 项目渗滤液 浓缩液 COD mgL- 110 0001 00050 0001 000 BOD5 mgL- 16 0001 00030 0001 000 NH3- N mgL- 11 2004002 000400 pH6 . 6～ 6 . 86. 6～ 6. 8 2 结果与讨论 2. 1 渗滤液水质的变化 2. 1. 1 COD 的变化 实验前 8 周 ,每周回灌 1 次, 第 9～ 20周 , 填埋垃 圾体进入产甲烷阶段后, 每周回灌 3 次。厌氧条件 下,浓缩液回灌出水稳定后 COD 去除率为 81. 56, 渗滤液回灌 COD去除率为 90. 67, 而不回灌反应器 对COD的去除率仅为 8. 9; 可见, 浓缩液回灌与渗 滤液回灌对 COD 都有较高的去除率, 但由于浓缩液 的COD很高,虽然回灌对其去除量很大 ,但回灌后产 生的渗滤液 COD 浓度仍很高 。微好氧条件下, 浓缩 液回灌 COD 去除率达 91, 比回灌至厌氧填埋体浓 缩液的 COD去除率平均高10左右 。各种回灌条件 下产生的渗滤液中 COD 随时间的变化如图 3 所示。 回灌后产生的渗滤液 COD 均呈现上升 、下降而后逐 渐稳定的趋势。 1不回灌; 2渗滤液厌氧回灌; 3浓缩液厌氧回灌; 4浓缩液好氧回灌; 5浓缩液回灌陈腐垃圾。 图3 渗滤液 COD 随时间的变化 回灌前 5 周, 大量适应填埋环境的微生物, 随着 回灌重新进入填埋单元中 ,使微生物得到足够的水分 和营养。水解菌 、 产酸菌 、 水分 、 有机物和营养物等得 以保持长时间相互接触, 使可生物降解垃圾的水解反 应、 水解产物的产酸反应能连续进行 。此时各垃圾体 环境还不适宜产甲烷反应 ,水解酸化产物降解尚未能 实现, 渗滤液中水解酸化产物不断积累 , 同时一些重 金属离子与有机酸发生络合作用,这些产物进入液相 90 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 后导致回灌前期所产生的渗滤液 COD 浓度上升。 渗滤液回灌的 COD 上升幅度比不回灌反应器要 大,而浓缩液回灌反应器的 COD 升高幅度极大 ,这是 因为 回 灌浓 缩 液 本 身的 COD 浓 度 极 高, 接 近 50 000 mg L, 在相同的回灌条件下 ,污染负荷高,毒性 大。微好氧条件下, 降解有机物的速率明显快于浓缩 液回灌至厌氧填埋体 ,主要是因为在降解垃圾和浓缩 液中有机物的好氧菌数量多, 有机污染物发生好氧降 解过程。 回灌6～ 20 周, 垃圾体进入产甲烷阶段, 积累的 水解酸化产物 VFA 被产甲烷菌快速利用, 垃圾中糖 类等易水解的有机物已得到较高程度的水解 ,剩余的 固相有机物如蛋白质 、 木质素等的水解速率比较慢, 水解反应成了可生物降解垃圾彻底消纳的限速步骤, 渗滤液中VFA 得不到及时的补充 ,渗滤液COD下降。 浓缩液回灌反应器产生的渗滤液COD 比渗滤液 回灌反应器产生的渗滤液COD 下降快 。这是因为浓 缩液回灌比渗滤液回灌带给垃圾体的有机质和微生 物量更多, 对污染物的降解加快, 从而促进了渗滤液 中COD值的降低。 20 周后 ,渗滤液 COD 趋于稳定 ,这是由于渗滤液 中易生物降解的有机物已大部分被降解 ,同时也存在 不易被产甲烷菌利用的有机物和高浓度氨氮 ,对产甲 烷菌的活性有一定的抑制作用 。 2. 1. 2 BOD5的去除 BOD5的变化趋势见图4。从图 4可知, 渗滤液中 的 BOD5均呈现先上升、后下降再逐渐稳定的趋势, 其变化趋势与机理均同COD。在厌氧条件下 ,不回灌 反应器对 BOD5的去除率为 19. 22, 浓缩液回灌出 水稳定后对 BOD5去除率为 82. 5, 渗滤液回灌对 BOD5去除率为 93. 75,比浓缩液回灌高 11. 25,回 灌反应器的 BOD5去除率明显高于不回灌反应器。 微好氧条件下 , 浓缩液回灌对 BOD5的去除率为 93. 75, 高于厌氧条件回灌。 2. 1. 3 NH3-N 的去除 不同回灌条件下渗滤液中 NH3- N 变化如图 5 所 示。不回灌时 , 垃圾渗滤液 NH3- N 浓度随填埋时间 的延长而不断升高, 由于垃圾在降解过程中含氮有机 物不断水解产生的 NH3- N 进入渗滤液中 。厌氧条件 下,渗滤液回灌的出水 NH3-N 浓度则呈下降趋势, NH3-N 的去除率不断上升 ,并稳定在 60左右 ; 浓缩 1不回灌; 2渗滤液回灌; 3浓缩液厌氧回灌; 4浓缩液好氧回灌; 5浓缩液回灌陈腐垃圾。 图 4 渗滤液BOD5随时间的变化 液回灌出水 NH3-N 浓度在迅速上升后不断下降, 去 除率从 18升至 70, 并保持稳定。说明渗滤液回 灌和浓缩液回灌对 NH3-N 都有一定的去除效果且两 者对NH3- N 的去除率变化趋势大致相同 。微好氧条 件下 ,浓缩液回灌后对 NH3-N 去除率很高 ,从回灌初 期的 77增至回灌 10 周后的 96, 之后稳定在 94～ 96,20 周后 NH3-N 降至220 mg L 。 1不回灌; 2渗滤液回灌; 3浓缩液厌氧回灌; 4浓缩液好氧回灌; 5回灌于陈腐垃圾。 图 5 渗滤液NH3-N 随时间的变化 2. 1. 4 pH 的变化趋势 实验初期, 垃圾体中可生物降解的垃圾逐渐发生 水解和酸化反应, 因为此时尚不具备产甲烷反应条 件,水解产物以及酸化产物逐渐积累, 导致渗滤液 pH 下降 。进入产甲烷阶段后 ,挥发酸等水解酸化产物被 产甲烷细菌及时利用 ,pH 上升, 直至基本稳定, 如图 6 所示 。 2. 2 浓缩液回灌的影响因素 影响回灌处理效果的因素包括土壤结构 、 水力负 荷、 COD 负荷及配水次数等 ,其中COD 负荷和水力负 荷是关键因素。 2. 2. 1 水力负荷 实验表明 , 回灌浓缩液的 COD 去除率随水力负 91 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 荷的增 加而呈明显下降趋势。 最佳水力负荷为 32. 28 mL L d ,主要因为垃圾层在低水力负荷条件 下并未达到其饱和含水率 ,回灌浓缩液能够在垃圾层 中停留足够长的时间 ,有利于微生物的生化降解。 1渗滤液回灌; 2浓缩液厌氧回灌; 3浓缩液好氧回灌; 4回灌于陈腐垃圾。 图6 渗滤液 pH 随时间的变化 2. 2. 2 有机污染负荷 在水力负荷32. 28 mL Ld 下, 对有机负荷的变 化, 浓缩液回灌 COD 去除率维持在一个相对稳定的 水平 ,说明回灌浓缩液中污染物浓度的变化对回灌效 果的影响不大。本实验中, 回灌浓缩液 COD 浓度不 超过75 000 mg L时 ,COD 去除率达 85 以上。 2. 2. 3 pH 的影响 将回灌前浓缩液的 pH 值分别用生石灰调节碱 性后再回灌到垃圾体 ,以改变垃圾体中的酸性环境, 改善回灌效果, 重点研究了 2 反应器出水变化情况。 1pH 对 COD 和 BOD5的影响。不同 pH 条件 下2 反应器产生的渗滤液COD和 BOD 5变化规律如 图7 所示。由图可知 ,调节 pH 值后的渗滤液 COD 和 BOD5比未经调节的更快达到临界最高点, 并更快降 至比较低的水平。但 20 周后, 调 pH 值回灌与不调 pH 值回灌对COD和 BOD5的去除率基本相同 。 这是因为在 20 周期间, 调节 pH 值为碱性后, 使 垃圾内部的产酸期缩短, 低级脂肪酸的产生数量降 低,而在垃圾渗滤液中,低级脂肪酸的COD约占 80 以上 [ 5] 。另外 ,投加生石灰可起絮凝作用, 使有机物 得到少量去除, 从而加快垃圾的降解过程, 使 COD 和 BOD5下降较快 。pH9的浓缩液回灌比pH 为 8和 10 的浓缩液回灌对渗滤液 COD 和 BOD5去除率更高。 其原因是 pH 值继续升高使大量有机胶体产生 ,导致 微生物降解速度减慢 。20 周后 ,未调节 pH 值回灌的 浓缩液中可降解有机物大部分被垃圾中微生物降解, 从而出水COD和 BOD5下降程度达到调节pH 值后回 灌的水平。 图7 垃圾渗滤液中 pH 对有机污染物的影响 2pH 对 NH3- N 的影响。pH 为 8、9、10、11、12 的浓缩液回灌 2 反应器后 NH 3-N 浓度变化如图 8 所 示。将浓缩液 pH 调为碱性后回灌 , 比不调节 pH 直 接回灌对NH3- N 的去除率高。在一定范围内, 随 pH 的升高 ,氨氮去除效率逐渐升高,pH 为 11时 , NH3- N 去除效果最好, 去除率从开始回灌时的 80, 上升到 90～ 95, 并稳定在此范围内。 图 8 pH对渗滤液 NH3-N 的影响 浓缩液中 NH3的化学平衡式为 NH3 H2O NH 4 OH - , 在碱性环境下 ,浓缩液中的 NH3-N 大都 以游离氨的形式存在 。由于实验采用的回灌方式是 表面喷灌, 一部分氨氮在喷灌时挥发到空气中, 另一 部分在中性或弱碱性的垃圾中被硝化,特别是当浓缩 液回灌到好氧填埋层时硝化作用十分明显 , 导致 92 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 NH3-N 被大量去除。但强碱性的浓缩液回灌后 ,中和 酸性环境后的强碱性环境 ,会对垃圾中大多数的细菌 活动产生抑制作用, 导致 NH3- N 去除效率下降 。pH 为12 时,NH3- N 的去除率较 pH 为11 时低 。 实践中 ,应根据污染物的去除效率 , 调整 pH 所 需的石灰用量等多方面因素。 3 结论 1 浓缩液回灌对有机污染物有很好的去除效 果,厌氧条件下 ,COD 去除率为 81. 56, BOD5去除率 为82. 5; 浓缩液回灌至好氧垃圾填埋体对 COD 去 除率为91,BOD5去除率为 98. 69。 2 渗滤液回灌和浓缩液回灌对 NH3- N 的去除 率均在60～ 70。浓缩液回灌至好氧垃圾填埋体 后对NH3- N 的去除率可达 96。 3 厌氧条件下, 浓缩液回灌的最佳水力负荷为 32. 38 mL L d ,当回灌 COD 浓度 75 000 mg L时, COD去除率在 85以上; pH 为 9 时, COD 去除率最 高; pH 为 11时 ,NH3- N 去除率最高 。 参考文献 [ 1] Robinson H D.The treatment of leachate from domestic wastes in landfill -aerobic biological treatment of a medium-strength leachate. 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DTRO 处理渗滤液工程介绍. 给水排 水, 2005, 31 8 41 -45 [ 5] 王宝贞, 王琳. 水污染治理新技术 新工艺、新概念、新理 论. 北京 科学出版社, 2004 110-113 作者通信处 刘研萍 100029 北京北三环东路 15 号 北京化工大 学 107 信箱 E -mail liushuihan163. com 2007- 11-03 收稿 上接第 88页 结果相差较大。考虑到平流沉淀池内的流态大多数 情况下属于紊流 ,因此 , 在实际计算中应该采用紊流 模型进行平流沉淀池内的流态模拟 。 4 结论 1 平流沉淀池入口处进流条件的简化和污泥斗 的忽略与否对平流沉淀池流态的计算结果影响较大, 在实际计算中应尽可能不做简化而采用真实的边界 条件进行计算模拟。 2 层流模型计算与紊流模型计算相比 ,模拟结 果相差较大。在实际计算中应采用紊流模型进行流 态模拟。 3 污泥斗形式的合理改变, 可改善平流沉淀池 内的流态 ,在实际工程设计中 ,结合数值模拟 ,可以对 污泥斗的形状进行改造, 提高沉淀池的沉淀效果。 参考文献 [ 1] 姚重华. 环境工程仿真与控制. 北京 高等教育出版社, 2001 [ 2] 蔡金傍, 朱亮, 段祥宝. 平流沉淀池数值模拟分析. 河海大学学 报 自然科学版 , 2004, 32 1 27-30 [ 3] Schamber DR,Larock BE.Numericalanalysis of flowin sedimentation basins. 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Keywords eco-intermediate water supply plug flow reactor self-purification biofilm wastewater recycling NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT FLOW FIELD ON THE HORIZONTAL SEDIMEN - TATION TANKYang Lingxia Guo Peipei Fan Ruqin 87 Abstract It is simulated and calculated the turbulent flow field of the horizontal sedimentation tank on the different boundary conditions, and then analysed and compared the effect of the extent of boundary condition s simplicity on the horizontal sedimentation tank. The results have revealed that the simplicity of the inlet conditions and the ignore of the mudhopper have obviously influence on the result of the flow pattern on the simulation results of the horizontal sedimentation tank. The calculation shows that adopting the actual boundary condition not the simplified bound - ary conditions as far as possible can realize in the practical calculations. In the end, it is simulated and calculated the laminar flow field of the horizontal sedimentation tank on the actual boundary conditions, which is then compared with that of the turbulent flow field. The result shows that the simulation of the flow pattern of the turbulent flow isbetter than the laminar flow, andthe er ismore compliable with that of a real horizon - tal sedimentation tank. Keywords horizontal -sedimentation -tank numerical -simulation laminar -flow turbulent-flow flow state comparison STUDY ON INFILTRATION OF LEACHATE CONCENTRATE FROM RO INTO LANDFILL Liu Yanping Li Xiujin Wang Baozhen et al 89 Abstract The concentrate is produced during reverse -osmosis treating landfill leachate. Whose pollutant concentration is much higher than leachate. The study was carried outwith infiltrating concentrate into landfill. The resultsindicated the infiltration had positive impaction on pollutant removal. Under anaerobic infiltrating condition, COD removal was up to 81. 56, with 82. 5 of BOD5removal, 60～ 70 of NH3-N removal. The optimum hydraulic loading of concentrate infiltration was 32. 38mL Ld, with 85 of COD removal under COD content less than 75 000 mg L. COD removal was the highest when concentrate infiltrated pH value was 9, while NH3-N removalwas the highest under pH11. Keywords infiltration leachate concentrate landfill site THE HUMUS REMOVAL EFFICIENCY OF THE CORAL ISLAND GROUNDWATER BY ELECTR - OCOAGULATIONZhang Jincheng Fan Qixiong 94 Abstract In order to remove the organic matters such as humus etc in freshwater lens commonly called asislandwater by which the col - ority of the water is reduced, a self-designed electrocoagulation device was used to do orthogonal experiments. The sequences of factorswhich affect the organic matter removal rate and the optimal parameterswere determined. The results show that the sequences of factorswhich affect the removal rate are hydraulic retention time T, electric current density J , the space between electrode plate d. The optimal parameters of the said factors are d5 mm, J 20 A m2and T90 s. Keywords coral island freshwater lens electrocoagulation optimal condition CAUSE ANALYSIS OF WATER CRISIS IN CHINA AND SUGGESTIONS ONCOUNTERMEASU - RESLiu Jiping 97 Abstract It was summarized 3major phenomena ofwater crisis in China the serious water resource shortage, heavy water environment pol - lutions and considerable waste ofwater resource andfurther analyzed that 1the deviation of water resource price andits value, 2water resource s the quasi -public goods attribute and unclear property ownership, 3the negative outside character of water resource utility are the main reasons that caused the water crisis in China. The suggestions on countermeasures for solving this problem of water crisis are also presented. Keywords water crisis reason analysis policy suggestions Manager China Iron and Steel Association SponsorCentral Research Institute of Building and Construction of MCC Group PublisherIndustrial Construction Magazine Agency EditorThe Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227638 82227678 Chief Editor Bai Yun Vice Chief Editor Shen Guiqiu Domestic All Local Posts Distributor China International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000- 8942 CN 11-2097 X E-mail hjgcpublic. yj. cn. net hjgctg 163. com http www. hjgc. com. cn http www. hjgc. net. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 4,August, 2008