Charakterystyka odcieków ze śmieci
Odciek ze śmieci odnosi się do ścieków generowanych podczas składowania i składowania na wysypisku w wyniku fermentacji, wymywania wytrącającego, infiltracji wód powierzchniowych i gruntowych. Skład odcieku ze śmieci zależy od takich czynników, jak skład śmieci, czas składowania na wysypisku, technologia składowania na wysypisku i warunki klimatyczne, wśród których czas składowania na wysypisku jest najważniejszym czynnikiem wpływającym. Jeśli klasyfikować według wieku składowiska, to generalnie te z czasem składowania krótszym niż 1 rok są uważane za młode odcieki, te z czasem składowania na wysypisku 1-5 lat są uważane za odcieki w średnim wieku, a te z czasem składowania dłuższym niż 5 lat są uważane za stare odcieki [1]. Tabela 1 przedstawia charakterystykę różnych rodzajów odcieków ze śmieci [2].
Jakość wody w śmieciach ma zazwyczaj następujące cechy: (1) złożony skład, zawierający różne zanieczyszczenia organiczne, metale i składniki odżywcze roślin; (2) stężenie zanieczyszczeń organicznych jest wysokie, przy czym ChZT i BZT osiągają dziesiątki tysięcy mg/l; (3) występuje wiele rodzajów metali, w tym ponad 10 rodzajów jonów metali; (4) wysoka zawartość azotu amonowego i szeroki zakres zmienności; (5) skład i stężenie podlegają sezonowym zmianom [2]
Obecnie metody oczyszczania odcieków ze śmieci opierają się głównie na metodach biologicznych. Wśród nich młode odcieki mają wyższą zawartość łatwo biodegradowalnej materii organicznej, wyższy stosunek B/C i niższą zawartość azotu amonowego, co czyni je odpowiednimi do stosowania metod biologicznych w celu oczyszczania. Jednak wraz ze wzrostem wieku składowiska odpadów biodegradowalność odcieków będzie się zmniejszać, a azot amonowy znacznie wzrośnie, co ograniczy skuteczność oczyszczania biologicznego. Dlatego nie nadaje się bezpośrednie stosowanie oczyszczania biologicznego w przypadku odcieków w średnim i podeszłym wieku. Ponadto metody biologiczne są wrażliwe na zmiany temperatury, jakości wody i ilości wody i nie mogą oczyszczać trudnej do biodegradacji materii organicznej. Metoda fizykochemiczna ma dobry efekt usuwania odcieków ze śmieci o słabej biodegradowalności i wysokiej zawartości azotu amonowego i nie jest zależna od zmian jakości i ilości wody. Jakość ścieków jest stosunkowo stabilna i jest szeroko stosowana do wstępnego oczyszczania i głębokiego oczyszczania odcieków ze śmieci. Na podstawie istniejących technologii obróbki fizycznej i chemicznej, autor dokonał przeglądu postępu badań nad metodą adsorpcji, metodą przedmuchu, metodą wytrącania koagulacyjnego, metodą wytrącania chemicznego, metodą utleniania chemicznego, metodą elektrochemiczną, metodą utleniania fotokatalitycznego, odwróconą osmozą i metodą nanofiltracji, aby zapewnić pewne odniesienie do pracy praktycznej.
2 Technologie przetwarzania fizycznego i chemicznego
2.1 Adsorpcja
Metoda adsorpcji polega na wykorzystaniu efektu adsorpcji porowatych substancji stałych w celu usunięcia toksycznych i szkodliwych substancji, takich jak materia organiczna i jony metali w odciekach ze śmieci. Obecnie badania nad adsorpcją za pomocą węgla aktywnego są najbardziej obszerne. J. Rodr í guez i in. [4] badali adsorpcję odcieków poddanych obróbce beztlenowej przy użyciu węgla aktywnego, żywicy XAD-8 i żywicy XAD-4. Wyniki wykazały, że węgiel aktywny ma najsilniejszą zdolność adsorpcyjną i może zmniejszyć ChZT dopływu z 1500 mg/l do 191 mg/lN Aghamohammadi i in. [5] dodali sproszkowany węgiel aktywny podczas stosowania metody osadu czynnego do oczyszczania odcieków ze śmieci. Wyniki wykazały, że wskaźniki usuwania ChZT i chromatyczności były prawie dwukrotnie wyższe niż w przypadku braku węgla aktywnego, a wskaźnik usuwania azotu amonowego również uległ poprawie. Zhang Futao i in. [6] badali zachowanie adsorpcji węgla aktywnego na formaldehydzie, fenolu i anilinie w odciekach składowiskowych, a wyniki wykazały, że izoterma adsorpcji węgla aktywnego jest zgodna ze wzorem empirycznym Freundlicha. Ponadto, w pewnym zakresie badano również adsorbenty inne niż węgiel aktywny. M. Heavey i in. [7] przeprowadzili eksperymenty adsorpcji żużlu węglowego przy użyciu odcieku ze składowiska Kyletalesha w Irlandii. Wyniki wykazały, że po obróbce adsorpcyjnej żużlu węglowego, odciek ze średnim ChZT 625 mg/l, średnim BZT 190 mg/l i średnim azotem amonowym 218 mg/l miał współczynnik usuwania ChZT 69%, współczynnik usuwania BZT 96,6% i współczynnik usuwania azotu amonowego 95,5%. Ze względu na obfite i odnawialne zasoby żużlu węglowego, bez wtórnego zanieczyszczenia, ma on dobre perspektywy rozwoju. Głównym problemem, z którym boryka się obróbka adsorpcyjna węgla aktywowanego, jest to, że węgiel aktywowany jest drogi i brakuje mu prostych i skutecznych metod regeneracji, co ogranicza jego promocję i zastosowanie. Obecnie metoda adsorpcji do obróbki odcieków ze śmieci jest głównie na skalę laboratoryjną i wymaga dalszych badań, zanim będzie mogła zostać zastosowana w praktyce.
2.2 Metoda wydmuchu
Metoda wydmuchu polega na wprowadzeniu gazu (gazu nośnego) do wody, a po wystarczającym kontakcie lotne substancje rozpuszczalne w wodzie są przenoszone do fazy gazowej przez interfejs gaz-ciecz, osiągając w ten sposób cel usuwania zanieczyszczeń. Powietrze jest powszechnie używane jako gaz nośny. Zawartość azotu amoniakowego w odcieku ze śmieci w średnim i starym wieku jest stosunkowo wysoka, a metoda wydmuchu może skutecznie usunąć z niego azot amoniakowy. SK Marttinen i in. [8] zastosowali metodę wydmuchu do oczyszczania azotu amoniakowego w odcieku ze śmieci. W warunkach pH=11, 20 ° C i hydraulicznego czasu retencji 24 godzin, azot amoniakowy zmniejszył się ze 150 mg/l do 16 mg/l. Liao Linlin i in. [9] zbadali czynniki wpływające na wydajność usuwania ciekłego amoniaku w infiltracji śmieci i odkryli, że pH, temperatura wody i stosunek gazu do cieczy miały znaczący wpływ na wydajność usuwania. Efekt denitryfikacji poprawiał się, gdy pH wynosiło od 10,5 do 11; Im wyższa temperatura wody, tym lepszy efekt denitryfikacji; Gdy stosunek gazu do cieczy wynosi 3000~3500 m3/m3, efekt denitryfikacji jest taki, jak pokazano w nowej piosence Jaya Chou; Stężenie azotu amonowego ma niewielki wpływ na wydajność przedmuchiwania. Wang Zongping i in. [10] zastosowali trzy metody, a mianowicie napowietrzanie strumieniowe, napowietrzanie strumieniowe i napowietrzanie powierzchniowe, do wstępnego oczyszczania odcieku za pomocą usuwania amoniaku. Wyniki wykazały, że napowietrzanie strumieniowe było skuteczne przy tej samej mocy. Według danych zagranicznych, szybkość usuwania azotu amonowego w odcieku oczyszczonym za pomocą ekstrakcji gazowej w połączeniu z innymi metodami może osiągnąć nawet 99,5%. Jednak koszty operacyjne tej metody są stosunkowo wysokie, a wytworzony NH3 musi zostać usunięty poprzez dodanie kwasu w wieży wydmuchowej, w przeciwnym razie spowoduje zanieczyszczenie powietrza. Ponadto w wieży wydmuchowej będzie się również gromadził kamień węglanowy.
2.3 Metoda wytrącania koagulacyjnego
Metoda sedymentacji koagulacyjnej to metoda polegająca na dodawaniu koagulantów do odcieku śmieci, powodując agregację i tworzenie kłaczków zawiesin i koloidów w odcieku, a następnie ich oddzielanie. Siarczan glinu, siarczan żelazawy, chlorek żelazawy i inne flokulanty nieorganiczne są powszechnie stosowane. Badania wykazały, że stosowanie samych flokulantów na bazie żelaza do oczyszczania odcieku ze śmieci może osiągnąć współczynnik usuwania ChZT wynoszący 50%, co jest lepsze niż stosowanie samych flokulantów na bazie glinu. AA Tatsi i in. [11] poddali odciek wstępnemu oczyszczaniu za pomocą siarczanu glinu i chlorku żelazawego. W przypadku młodego odcieku najwyższy współczynnik usuwania ChZT wyniósł 38%, gdy ChZT na wlocie wynosił 70 900 mg/l; W przypadku odcieku ze składowiska odpadów w średnim i starszym wieku współczynnik usuwania ChZT może osiągnąć 75%, gdy ChZT na wlocie wynosi 5350 mg/l. Gdy pH wynosi 10, a koagulant osiąga 2 g/l, szybkość usuwania ChZT może sięgać nawet 80%. W ostatnich latach bioflokulanty stały się nowym kierunkiem badań. AI Zouboulis i in. [12] badali wpływ bioflokulantów na odcieki składowiskowe i odkryli, że do usunięcia 85% kwasu huminowego z odcieków składowiskowych potrzeba tylko 20 mg/l bioflokulantów. Metoda koagulacji wytrącającej jest kluczową technologią oczyszczania odcieków ze śmieci. Może być stosowana jako technologia wstępnego oczyszczania w celu zmniejszenia obciążenia procesów po oczyszczaniu oraz jako technologia głębokiego oczyszczania, aby stać się gwarancją całego procesu oczyszczania [3]. Jednak jej głównym problemem jest niska szybkość usuwania azotu amoniakowego, generowanie dużej ilości osadu chemicznego, a dodanie koagulantów soli metalicznych może powodować nowe zanieczyszczenie. Dlatego opracowanie bezpiecznych, skutecznych i tanich koagulantów stanowi podstawę poprawy skuteczności oczyszczania metodami sedymentacji koagulacyjnej.
2.4 Metoda wytrącania chemicznego
Metoda chemicznego wytrącania polega na dodaniu określonej substancji chemicznej do odcieku śmieci, wytworzeniu osadu poprzez reakcję chemiczną, a następnie oddzieleniu go w celu osiągnięcia celu oczyszczania. Zgodnie z danymi jony wodorotlenkowe substancji alkalicznych, takich jak wodorotlenek wapnia, mogą wytrącać się z jonami metali, co może usunąć 90% do 99% metali ciężkich w odcieku i 20% do 40% ChZT. Metoda wytrącania kamieni guana ptaka jest szeroko stosowana w metodach chemicznego wytrącania. Metoda wytrącania kamieni guana ptaka, znana również jako metoda wytrącania fosforanem amonowo-magnezowym, polega na dodaniu Mg2+, PO43- i środków alkalicznych do odcieku śmieci w celu reakcji z pewnymi substancjami i utworzenia osadu. XZ Li i in. [13] dodali MgCl2 · 6H2O i Na2HPO4 · 12H2O do odcieku ze śmieci. Gdy stosunek Mg2+ do NH4+ do PO43- wynosił 1:1:1, a pH 8,45-9, azot amoniakowy w pierwotnym odcieku zmniejszył się z 5600 mg/l do 110 mg/l w ciągu 15 minut. I. Ozturk i in. [14] zastosowali tę metodę do oczyszczania odcieku z fermentacji beztlenowej. Gdy ChZT na wlocie wynosiło 4024 mg/l, a azot amoniakowy 2240 mg/l, wskaźniki usuwania ścieków osiągnęły odpowiednio 50% i 85%. B. Calli i in. [15] również osiągnęli 98% wskaźnik usuwania azotu amoniakowego przy użyciu tej metody. Metoda chemicznego wytrącania jest prosta w obsłudze, a wytworzony osad zawiera składniki nawozowe, takie jak N, P, Mg i materia organiczna. Jednak osad może zawierać toksyczne i szkodliwe substancje, które stanowią potencjalne zagrożenie dla środowiska.
2.6 Metoda elektrochemiczna
Metoda elektrochemiczna to proces, w którym zanieczyszczenia w odcieku ze śmieci są bezpośrednio poddawane reakcjom elektrochemicznym na elektrodach pod działaniem pola elektrycznego lub przechodzą reakcje redoks przy użyciu · OH i ClO - generowanych na powierzchni elektrody. Obecnie powszechnie stosuje się utlenianie elektrolityczne. PB Moraes i in. [19] użyli ciągłego reaktora elektrolitycznego do oczyszczania odcieku ze śmieci. Gdy natężenie przepływu wlotowego wynosiło 2000 l/h, gęstość prądu wynosiła 0,116 A/cm2, czas reakcji wynosił 180 min, wlotowe ChZT wynosiło 1855 mg/l, TOC wynosiło 1270 mg/l, a azot amoniakowy wynosił 1060 mg/l, wskaźniki usuwania ścieków osiągnęły odpowiednio 73%, 57% i 49%. NN Rao i in. [20] wykorzystali trójwymiarowy reaktor z elektrodą węglową do obróbki odcieku o wysokim stężeniu ChZT (17–18400 mg/l) i wysokim stężeniu azotu amonowego (1200–1320 mg/l). Po 6 godzinach reakcji szybkość usuwania ChZT wynosiła 76%–80%, a szybkość usuwania azotu amonowego mogła osiągnąć nawet 97%. E. Turro i in. [21] zbadali czynniki wpływające na elektrolityczne utlenianie odcieku ze składowiska odpadów, stosując Ti/IrO2-RuO2 jako elektrodę i HClO4 jako elektrolit. Wyniki wykazały, że czas reakcji, temperatura reakcji, gęstość prądu i pH były głównymi czynnikami wpływającymi na efekt obróbki. W warunkach temperatury 80 ℃, gęstości prądu 0,032 A/cm2 i pH=3, czas reakcji wynosił 4 godziny, a ChZT spadł z 2960 mg/l do 294 mg/l, TOC spadł z 1150 mg/l do 402 mg/l, a szybkość usuwania koloru mogła osiągnąć 100%. Metoda elektrochemiczna ma prosty proces, silną sterowalność, mały ślad i nie generuje wtórnego zanieczyszczenia podczas procesu oczyszczania. Wadą jest to, że zużywa energię elektryczną i ma wysokie koszty oczyszczania. Obecnie większość z nich jest w skali badań laboratoryjnych.
2.7 Utlenianie fotokatalityczne
Utlenianie fotokatalityczne to nowy rodzaj technologii uzdatniania wody, który lepiej radzi sobie z niektórymi szczególnymi zanieczyszczeniami niż inne metody, a zatem ma dobre perspektywy zastosowania w głębokim oczyszczaniu odcieków ze śmieci. Zasada tej metody polega na dodaniu określonej ilości katalizatora do ścieków, generowaniu wolnych rodników pod wpływem napromieniowania światłem i wykorzystaniu silnych właściwości utleniających wolnych rodników w celu osiągnięcia celu oczyszczania. Katalizatory stosowane w utlenianiu fotokatalitycznym obejmują głównie dwutlenek tytanu, tlenek cynku i tlenek żelaza, wśród których dwutlenek tytanu jest szeroko stosowany. DE Meeroff i in. [22] przeprowadzili eksperymenty nad fotokatalitycznym utlenianiem odcieków przy użyciu TiO2 jako katalizatora. Po 4 godzinach utleniania fotokatalitycznego w ultrafiolecie, szybkość usuwania ChZT odcieku osiągnęła 86%, stosunek B/C wzrósł z 0,09 do 0,14, szybkość usuwania azotu amoniakowego wyniosła 71%, a szybkość usuwania chromatyczności wyniosła 90%; Po zakończeniu reakcji można odzyskać 85% TiO2. R. Poblete i in. [23] wykorzystali produkty uboczne przemysłu dwutlenku tytanu (składające się głównie z TiO2 i Fe) jako katalizatory i porównali je z komercyjnym TiO2 pod względem typu katalizatora, szybkości usuwania opornej materii organicznej, obciążenia katalizatora i czasu reakcji. Wyniki wykazały, że produkt uboczny miał wyższą aktywność i lepszy efekt oczyszczania i mógł być stosowany jako katalizator do fotokatalitycznego utleniania. Badanie wykazało, że zawartość soli nieorganicznych może wpływać na skuteczność fotokatalitycznego utleniania w oczyszczaniu odcieków ze śmieci. J. Wiszniowski i in. [24] zbadali wpływ soli nieorganicznych na fotokatalityczne utlenianie kwasu huminowego w odciekach przy użyciu zawieszonego TiO2 jako katalizatora. Gdy w odcieku śmieci obecne są tylko Cl - (4500 mg/l) i SO42- (7750 mg/l), nie wpływa to na wydajność fotokatalitycznego utleniania kwasu huminowego, ale obecność HCO3- znacznie zmniejsza wydajność fotokatalitycznego utleniania. Fotokatalityczne utlenianie ma zalety prostej obsługi, niskiego zużycia energii, odporności na obciążenie i braku zanieczyszczeń. Jednak aby wdrożyć je w praktyce, konieczne jest zbadanie typu i konstrukcji reaktora, wydajności i żywotności katalizatora oraz szybkości wykorzystania energii świetlnej.
2.8 Odwrócona osmoza (RO)
Membrana RO ma selektywność w stosunku do rozpuszczalników, wykorzystując różnicę ciśnień po obu stronach membrany jako siłę napędową do pokonania ciśnienia osmotycznego rozpuszczalników, tym samym oddzielając różne substancje w odcieku od śmieci. Fangyue Li i in. [25] użyli spiralnej membrany RO do oczyszczenia odcieku ze składowiska odpadów Kolenfeld w Niemczech. ChZT spadło z 3100 mg/l do 15 mg/l, chlorek spadł z 2850 mg/l do 23,2 mg/l, a azot amonowy spadł z 1000 mg/l do 11,3 mg/l; Szybkości usuwania jonów metali, takich jak Al3+, Fe2+, Pb2+, Zn2+, Cu2+ itp. przekraczają 99,5%. Badania wykazały, że pH ma wpływ na wydajność usuwania azotu amonowego. LD Palma i in. [26] najpierw destylowali odciek ze śmieci, a następnie poddali go obróbce za pomocą membrany RO, zmniejszając wlotowe ChZT z 19000 mg/l do 30,5 mg/l; szybkość usuwania azotu amonowego jest najwyższa przy pH 6,4, zmniejszając się z 217,6 mg/l do 0,71 mg/LM R i in. [27] przeprowadzili eksperyment pilotażowy dotyczący oczyszczania odcieku ze śmieci przy użyciu dwuetapowych ciągłych membran RO i odkryli, że szybkość usuwania azotu amonowego była najwyższa, gdy pH osiągnęło 5, zmniejszając się z 142 mg/l do 8,54 mg/l. Metoda odwróconej osmozy charakteryzuje się wysoką wydajnością, dojrzałym zarządzaniem i jest łatwa do automatycznej kontroli, a także jest coraz częściej stosowana w oczyszczaniu odcieku ze śmieci. Jednak koszt membrany jest stosunkowo wysoki, a wstępne oczyszczanie odcieku przed użyciem jest wymagane w celu zmniejszenia obciążenia membrany, w przeciwnym razie membrana jest podatna na zanieczyszczenie i zatkanie, co skutkuje gwałtownym spadkiem wydajności oczyszczania.
2.9 Nanofiltracja (NF)
Membrana NF ma dwie istotne cechy: ma mikroporowatą strukturę około 1 nm, która może przechwytywać cząsteczki o masie cząsteczkowej 200-2000 u; Sama membrana NF jest naładowana i ma pewną szybkość retencji dla nieorganicznych elektrolitów. HK Jakopovic i in. [28] porównali usuwanie materii organicznej z odcieku składowiskowego przy użyciu trzech technologii: NF, UF i ozonu. Wyniki pokazały, że w warunkach laboratoryjnych różne membrany UF mogły osiągnąć szybkość usuwania ChZT na poziomie 23% dla nowej piosenki Jaya Chou; Szybkość usuwania ChZT przez ozon może osiągnąć 56%; Szybkość usuwania nowych piosenek Jaya Chou na COD przez NF może osiągnąć 91%. NF ma również stosunkowo idealny efekt usuwania jonów w odcieku. LB Chaudhari i in. [29] użyli NF-300 do oczyszczania elektrolitów w starych odciekach ze składowiska odpadów w Gudżaracie w Indiach. Poziomy siarczanów w dwóch wodach eksperymentalnych wynosiły odpowiednio 932 i 886 mg/l, a jony chlorkowe odpowiednio 2268 i 5426 mg/l. Wyniki eksperymentów wykazały, że wskaźniki usuwania siarczanów wynosiły odpowiednio 83% i 85%, a wskaźniki usuwania jonów chlorkowych odpowiednio 62% i 65%. Badanie wykazało również, że wskaźniki usuwania Cr3+, Ni2+, Cu2+ i Cd2+ przez membranę NF osiągnęły odpowiednio 99%, 97%, 97% i 96%. NF w połączeniu z innymi procesami daje lepsze efekty po oczyszczeniu. T. Robinson [30] zastosował łączony proces MBR+NF do oczyszczania odcieku z Beacon Hill w Wielkiej Brytanii. COD spadło z 5000 mg/l do poniżej 100 mg/l, azot amonowy spadł z 2000 mg/l do poniżej 1 mg/l, a SS spadło z 250 mg/l do poniżej 25 mg/l. Technologia NF charakteryzuje się niskim zużyciem energii, wysokim współczynnikiem odzysku i dużym potencjałem. Jednak największym problemem jest to, że membrana będzie się osadzać po długotrwałym użytkowaniu, co wpłynie na jej wydajność, taką jak strumień membrany i współczynnik retencji. Potrzebne są dalsze badania, aby zastosować ją w praktyce inżynierskiej.
3. Wnioski
Wspomniane wyżej technologie obróbki fizycznej i chemicznej mogą osiągnąć pewne rezultaty, ale istnieje również wiele problemów, takich jak regeneracja adsorbentów, odzyskiwanie katalizatorów utleniania fotokatalitycznego, wysokie zużycie energii metod elektrochemicznych i zanieczyszczanie membran. Dlatego trudno jest, aby odciek ze śmieci spełniał krajowe normy emisji za pomocą pojedynczego fizycznego i chemicznego oczyszczania, a jego proces oczyszczania powinien być połączeniem wielu technologii oczyszczania. Pełny proces oczyszczania ogólnego odcieku ze śmieci powinien obejmować trzy części: wstępne oczyszczanie, główne oczyszczanie i głębokie oczyszczanie. Metody wstępnego oczyszczania, takie jak wydmuchiwanie, wytrącanie koagulacyjne i wytrącanie chemiczne, są powszechnie stosowane w celu usuwania jonów metali ciężkich, azotu amonowego, chromatyczności lub poprawy biodegradowalności odcieku ze śmieci. Główne oczyszczanie powinno przyjmować tanie i wysokowydajne procesy, takie jak metody biologiczne, utlenianie chemiczne i inne połączone procesy, w celu usunięcia większości materii organicznej i dalszego zmniejszenia zawartości zanieczyszczeń, takich jak azot amonowy. Po dwóch pierwszych etapach oczyszczania mogą nadal występować pewne zanieczyszczenia. Dlatego konieczne jest głębokie oczyszczanie, które można osiągnąć za pomocą takich metod, jak utlenianie fotokatalityczne, adsorpcja, separacja membranowa itp.
Ze względu na złożony skład odcieku i jego zmienność w czasie i miejscu, w praktycznej inżynierii konieczne jest najpierw zmierzenie składu i szczegółowa analiza jego cech przed poddaniem odcieku obróbce oraz wybranie odpowiednich technik obróbki. Obecnie technologie obróbki odcieku ze śmieci mają swoje zalety i wady. Dlatego też ulepszanie i przekształcanie istniejących technologii, opracowywanie nowych i wydajnych technologii obróbki oraz wzmacnianie badań i rozwoju integracji różnych technologii (takich jak integracja technologii fotokatalitycznego utleniania i technologii biochemicznego przetwarzania, integracja metody wytrącania i obróbki membranowej), w celu poprawy ogólnej wydajności oczyszczania odcieku i zmniejszenia kosztów inwestycyjnych i operacyjnych, będzie przedmiotem przyszłych badań nad odciekiem ze śmieci.
