城市垃圾填埋渗沥液控制与处理设计对策

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简介： 城市垃圾填埋渗沥液的控制与处理是卫生填埋场设计的重要组成。结合工程实践，分析讨论了渗沥液产生量和水质的影响因素，提出在垃圾填埋场设计中如何控制渗沥液产生量和如何选择处理方式及处理工艺的对策。
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在国内外，垃圾卫生填埋场是目前被广泛应用的一种经济有效处置城市垃圾的方法。垃圾卫生填埋就是利用天然条件和人工的方法使垃圾在与周围生态环境相隔离的状态下，通过微生物降解有机物以及物理和化学作用使垃圾得到稳定，同时这种隔离还应阻止垃圾中其他不可降解的有毒有害物质向场外扩散。垃圾堆体主要向外界排放两类污染物：垃圾气体和垃圾渗沥液。垃圾渗沥液的成分十分复杂，根据研究结果^[1]，在几十种检测到的有机物中，有22种被我国和美国EPA列入优先控制污染物黑名单，比城市污水更具危害性。因此，填埋场设计中，垃圾渗沥液的控制与处理是一项非常重要的内容，本文将就此进行一些分析讨论。

　　1. 垃圾渗沥液的来源及影响因素

　　垃圾填埋场渗沥液的产生来源于通过各种途径进入并渗透至垃圾堆体内的水量。其主要途径为：

　　（1）大气降水，包括降雨和降雪。

　　（2）场外地表水的侵入，包括地表径流水和灌溉水。

　　（3）地下水的侵入。

　　（4）进入填埋场的垃圾自身所含的水分。

　　（5）已填埋垃圾由于微生物作用，在降解过程中产生的水分。

　　渗沥液的产生量受到以下因素影响：

　　（1）当地的气象条件，如降水强度、频率、历时，光照、温度、气压、蒸发量等。

　　（2）填埋场的地形条件，如场地大小、形状、坡度等以及周围水系（如河湖、灌渠等）与填埋场的关系。

　　（3）填埋场的工程地质条件，如地质构造，地下水的水位、流向、流速等。

　　（4）填埋场底部和侧壁防渗系统的材料及做法。顶盖材料，覆土厚度及渗透系数等。

　　（5）进场垃圾的数量、含水率、有机成份比例等。

　　（6）填埋方式、填埋作业区的划分、堆体高度及压实度、覆盖土土质。

　　2. 垃圾渗沥液产量控制

　　在工程设计中，为填埋场建立良好的渗沥液控制，其主要目的有两个方面：一是尽量减少渗沥液的产生量，减轻后续处理设施压力和投资；二是防止污染物向场外扩散。

　　2.1场址选择

　　场址选择对于填埋场的设计方案有着重要的影响，直接关系到渗沥液控制措施的复杂程度和工程投资。通常，填埋场不应设于洪水和潮水淹没区、湿地、地质断裂带上和地质不稳定地区（如软弱地基、高压缩性土层、易滑坡塌陷、地下有空洞等），如无法避免，则应有足够的工程保障措施。应尽量选择地下水位较低、汇水面积小而库容量大、与河流、湖泊及供水井保持有安全距离的场址。当然选址还要考虑垃圾运距、交通、覆盖土土源、周围环境等综合因素。

　　2.2场区排水系统设计

　　场区排水系统的主要作用是最大限度将降水形成的径流或地表水拦截在场外或引出场外，防止其进入垃圾堆体转化成渗沥液，实现清污分流。

　　2.2.1场边截洪沟

　　在填埋场周边依据地形设置截洪沟，拦截外部径流进入填埋区。一般截洪沟为永久性设施，平原地区填埋场的截洪沟排水量可按城镇雨水重现期计算，山沟式填埋场截洪沟排水量应按其汇水面积进行水文计算确定，防洪标准参见《城市生活垃圾卫生填埋处理工程项目建设标准》。

　　2.2.2场内排水设施

　　根据填埋场作业区域的划分和填埋区的深度，可在填埋场使用初期未填埋垃圾的区域和高度上设置临时排水渠将未受垃圾污染的雨水分离出来，可以减少初期渗沥液的产生量。随着垃圾填埋区域的扩大和高度的增加，可将这些临时排水渠改造成渗沥液收集渠。

　　2.2.3垃圾堆体覆盖

　　设计中合理划分填埋作业区域。除按当日填埋当日覆盖的原则划分填埋单元外，应使填埋场部分填埋区域尽快达到可最终覆盖条件。随着填埋作业的进行，最终覆盖工作也随之开始。最终覆盖层一般由排气层、压实隔离层、防渗层、排水层、植被层组成。这样可以减少垃圾填埋堆体的渗水面积，从而减少渗沥液的产生量。

　　2.3填埋场的防渗与地下水导流

　　填埋场的防渗可分为水平防渗和垂直防渗两大类。在设计时要依据场址的工程地质和水文地质情况，因地制宜地确定防渗工程方案。水平防渗可以利用天然不透水地质层（渗透系数小于10^－7cm/s），对于不具备天然防渗条件的场址，采用人工防渗层。人工防渗层通常可由单层或双层防渗土工膜，也可由土工膜和粘土或膨润土复合垫组成复合衬层。为防止土工膜被刺穿，对土工膜应设有保护层。垂直防渗根据地质情况可采用灌浆帷幕墙或防渗土工膜。

　　填埋场防渗层的作用，一方面是防止渗沥液渗入地下而污染地下水，另一方面是防止地下水侵入填埋场而使得渗沥液产生量增大。当地下水水位高于填埋场底部时，为防止在填埋场运行初期地下水顶托人工防渗层，应设置地下水导流系统将其排出场外。对于山沟式填埋场，来自上游的地下水将进入填埋场，这种潜水的水量随季节变化，雨季时最大，须注意采取相适应的导流措施。

　　2.4渗沥液循环回喷

　　将收集起来的渗沥液通过设置的回喷系统回喷到填埋场，使之从垃圾堆体顶部渗入进行循环。这样一则可加速垃圾中有机物的分解稳定，使原需15～20年的稳定过程可能缩短为2～3年^[2]；二则由于回喷中的蒸发作用，使渗沥液产生量大为减少。浙江某垃圾填埋场进行为期一年的渗沥液回喷试验结果表明^[3]，通过垃圾堆体自身的吸水性和改变渗沥液的分布状态，能基本达到全年渗沥液产生量与蒸发量的平衡，渗沥液水质也得到净化，COD从10400mg/l降至142mg/l。由于填埋场所处自然气候条件的不同，在多数情形下，循环回喷并不能完全消除渗沥液，仍需将剩余的渗沥液经处理后才能排放。

　　3.  垃圾渗沥液的水质特性

　　在填埋场中，由各种途径进入垃圾堆体的水通过溶解过程吸收和带走污染物质而形成渗沥液。同时，渗沥液成分与垃圾堆体内部的物理和生化演变过程密切相关。我国大多数城市垃圾是混和收集的，其成分受生活条件、生活习惯、收集方式以及不同地区和季节的影响很大，因此不同城市的垃圾所产生的渗沥液的水质会有明显的差别。

　　表1  国内部分城市垃圾填埋渗沥液水质表

城 市COD(mg/L)BOD(mg/L)NH₃-N(mg/L)PH北 京4000～220001500～150001000～17007.8～8.2广 州1400～10000400～2500130～6006.5～8.0上 海1500～8000200～400060～4505.3～8.1杭 州1000～5000400～250050～5006～6.5深 圳3000～600005000～36000400～15006.2～8.0沈 阳5000～143001800～560047～3747.2～8.0此表中主要数据引自[4]

　　垃圾中的易降解有机物的转化非常复杂，在填埋场运行初期（3～5年以下），渗沥液的特点为含有高浓度的有机酸，COD和BOD值最高可达几万，NH₃-N浓度不高，PH值较低，所以重金属很容易溶解在渗沥液里，但可生化性较好。随着时间的推移（3～5年以上），填埋场中产甲烷菌开始占优势。这些细菌将大部分的有机酸转化成了甲烷（CH₄）和二氧化碳，此时COD和BOD值下降，NH₃-N浓度升高可达几千，PH值回升，重金属浓度降低，BOD/COD值较低，可生化性变差。

　　影响垃圾渗沥液水质特性的主要因素有以下几个方面：

　　⑴ 进入垃圾填埋场的垃圾组成成分直接影响渗沥液的水质特性。

　　⑵ 垃圾填埋后，在不同的时间段，垃圾内部的分解形态各不相同，所以产生的渗沥液的水质有较大的变化。

　　⑶ 不同的填埋工艺，如不同的防渗方式、排水方式、作业区域划分、覆盖方法等等将影响进入填埋场的水量，因而也将影响渗沥液的水质浓度。

　　⑷ 当地的气象、水文条件对渗沥液的水质影响。

　　4. 渗沥液的处理方式

　　渗沥液处理系统主要可分为合并处理和独立处理两种。在工程设计时应进行全面综合的技术经济比较，合理选择渗沥液方式。

　　4.1渗沥液的水质确定

　　预测和确定渗沥液处理系统的进水水质，是进行渗沥液处理工艺设计的重要依据。可采用以下三种方法：

　　1. 由于填埋场渗沥液水质受多种因素影响而有显著变化，在没有城市垃圾资料的新兴城市，设计时填埋场渗沥液水质可参考自然条件、生活水平相近城市同类填埋场的设计值。

　　2. 在建设正规垃圾填埋场之前已有垃圾简易堆放场或正准备建设第二座正规垃圾填埋场的城市，可根据对已有垃圾场渗沥液的实际运行监测资料来预测确定新建场的渗沥液水质值。

　　3. 取一定量要填埋的垃圾样品，按照当地的气象水文资料确定试验的水量、强度等参数后，对垃圾样品进行浸泡和喷淋模拟试验得出预测值。

　　一般填埋场的设计使用年限应在十年以上，所以对于填埋场来说，大多数时间内产生的是3～5年以上的渗沥液，所以在渗沥液处理工艺选择上应以晚期渗沥液的水质特点为依据。这种渗沥液处理的难点在于较低的BOD/COD值和较高的NH₃-N值。

　　4.2渗沥液的合并处理

　　所谓合并处理就是将垃圾填埋场的渗沥液引入城市污水处理厂与城市污水混和后进行处理，这也可能包括在填埋场内进行必要的预处理和循环回喷处理。对于渗沥液，合并处理是一种最简便的方法，因为城市污水处理厂水量较大，对渗沥液可起到稀释、缓冲作用。但是在采用合并处理前应考虑：一方面合并处理可以降低处理成本和节省单独建设处理系统的费用，但另一方面由于垃圾填埋场往往远离城市污水处理厂，为输送渗沥液的投资与能耗将会较高。长距离输送污染物浓度很高的渗沥液，管路的安全维护也令人担忧。此外还应通过计算核定城市污水处理厂对渗沥液的容纳能力，否则过量的渗沥液会造成对城市污水处理厂的冲击负荷，甚至破坏城市污水处理厂的正常运行，所以应严格控制渗沥液与城市污水的混和比例。有研究表明，当COD浓度为24000mg/L的渗沥液与城市污水混和时，如渗沥液水量占总体积的2％以内，城市污水处理厂的处理效果不受影响。当渗沥液水量增至4～5％时，污水厂的正常运行受到妨碍。在国内有因过量渗沥液进入城市污水处理厂而导致处理厂不能正常运行的例子^[5]。

　　渗沥液与城市污水合并处理是一种较为经济的处理方案，对于垃圾填埋场与城市污水处理厂同时建设的城市，在规划与设计时应优先考虑合并处理方案的可行性。例如三峡库区环境项目，由于各城市的垃圾填埋场与城市污水处理厂几乎是同时开展设计和建设，经过比选部分城市采用了合并处理方案。

　　4.3场内独立处理

　　由于垃圾填埋场一般都建在离市区较远的偏僻地点，当填埋场距城市污水处理厂较远而不能采取合并处理方案时，填埋场内须设置独立的渗沥液处理系统。在设计场内独立渗沥液处理系统时，由于渗沥液与城市污水的不同特性，有必要考虑：

　　1. 处理系统的设计参数应能满足晚期（3～5年以上）渗沥液水质的处理效果，前面我们谈到了晚期渗沥液与初期渗沥液相比具有BOD/COD值低、HN₃-N浓度高的特点，也正是因为较高的COD、HN₃-N值而使渗沥液中磷的比例不足，必要时需补充磷。

　　2. 不论是采用合并处理方案，还是采用场内独立处理方案，都应在填埋场设置足够容积的渗沥液调节池，来均匀水质和保持后续处理过程有连续稳定的流量。另外，渗沥液的循环回喷处理对合并或独立处理两个方案都是有利的。回喷处理具有可加速垃圾的稳定化、减少渗沥液的后续处理水量、降低渗沥液污染物浓度的优点。另外，回喷处理可使渗沥液水质提前达到晚期渗沥液水质，有利于设计时选择处理工艺。

　　2.     设计应因地制宜，根据不同的尾闾水体排放标准，选择渗沥液处理工艺流程，不可照搬其他填埋场的渗沥液处理工艺。我国现行的生活垃圾填埋污染物控制标准GB16889—1997中对生活垃圾渗沥液排放限制值如下表。

　　表2  生活垃圾渗沥液排放限制值

项目一级二级三级悬浮物SS70200400COD_{c r}1003001000BOD₅30150600氨氮1525 

　　表中的三级标准只能达到排入城市下水道的标准，排入地面水体的渗沥液处理应按一级和二级标准执行。

　　5. 渗沥液处理工艺选择

　　垃圾渗沥液的处理技术既有与常规污水处理技术的共性，也有其极为显著的特殊性，多年来国内外专家对垃圾渗沥液处理技术进行了深入研究。垃圾渗沥液的处理方法包括生物法和物理化学法。物理化学法主要有混凝沉淀、砂过滤、化学氧化还原、活性炭吸附、离子交换、膜过滤等等多种方法。物化处理可大幅度去除渗沥液中的污染物质，物化法不受水质水量变化的影响，效果稳定，但单独使用物化法的处理成本很高。生物法分为好氧生物处理、厌氧生物处理以及厌氧－好氧组合生物处理。好氧处理包括传统活性污泥法、氧化沟、SBR法、好氧稳定塘、生物转盘等等。厌氧处理包括厌氧污泥床、厌氧固定生物反应器、混合反应器等等。生物法处理渗沥液运行成本较低，在实际应用中有不少取得较好效果的例子，尤其是对初期（2～5年）渗沥液， COD、BOD的去除率可达80～90％以上^[6]。渗沥液水质水量的不稳定，会影响生物法的处理效果，且对于高浓度的渗沥液即使去除率在90％以上仍不能达到排放标准。

　　由于垃圾渗沥液水质变化大，且没有规律。因此对垃圾渗沥液进行处理，不能仅考虑某种工艺方法对渗沥液的处理效果，而更重要的是考虑该工艺方法对水质水量的灵活适应性，所以较多采用生化与物化组合的方法。根据不同水质及处理程度，一般有如下处理流程：

　　1. 渗沥液→ 调节池→ 混凝沉淀→（氨吹脱）→ 厌氧生物池→缺氧/好氧生物池→ 二沉池  

　　2. 渗沥液→调节池→（混凝沉淀）→（氨吹脱）→厌氧生物池→缺氧/好氧生物池→二沉池→混凝沉淀→过滤→活性炭吸附

　　上述工艺流程中，流程1的基建费用和运行费用较低，但是该工艺很难将渗沥液处理到一级或二级排放标准。流程2可将渗沥液处理到一级排放标准，但其基建及运行费用都较高。

　　为了适应渗沥液的水质变化和尽量降低处理成本，近年来许多新技术应用于垃圾渗沥液处理，取得了很好的发展。其中最成功和目前应用趋势最好的一类是膜技术的应用，包括超滤、纳滤和反渗透等。一种膜技术与生化反应器结合在一起的膜生化反应器（MBR）技术，在此膜分离（通常为超滤）替代了常规的二沉池，由于分离效率的提高，反应器中微生物浓度从常规法的3～5g/L提高到15～25g/L，大大提高了污染物的去除率。膜生化反应器在国外垃圾渗沥液处理中已有较多实践，在国内也开始应用。北京某垃圾卫生填埋场渗沥液处理系统设计拟采用膜生化反应器（MBR）技术，设计水量200m³/d，进水水质为：COD_cr≤10000mg/L，BOD≤5000mg/L，NH₃-N=600mg/L,PH6.5~8。设计出水水质按《农田灌溉水质标准》中蔬菜类标准，水质为：COD_cr≤150mg/L，BOD₅≤80 mg/L，NH₃-N≤30 mg/L，全盐量≤1000 mg/L，PH6~8。工艺流程如下：

　　6.结论

　　1.采取各种有效的工程措施控制垃圾渗沥液的污染向场外扩散，是城市垃圾卫生填埋场设计的重要组成，在填埋场建设前期规划时应尽量考虑有利于渗沥液控制与处理的因素。

　　2.渗沥液产生量的控制，直接关系到后续处理系统的投资和运行费用。一是通过场内外排水系统的优化设计实现最大的清污分流，二是渗沥液的循环回喷可以在水量和水质两方面降低污染物数量。

　　3.选择渗沥液的处理方式（合并或单独处理）一定要因地制宜，全面进行技术经济的综合比较后确定。做为独立的渗沥液处理系统，应根据排水尾闾情况确定其处理程度，一般以具有脱氮功能的生化工艺和物化工艺的组合工艺为主。膜处理技术在垃圾渗沥液处理方面有良好的应用前景。

　　参考文献：

　　[1]张兰英等.垃圾渗沥液中有机污染物的污染及去除.中国环境科学，1998，18（2）：184～188

　　[2]汪慧贞，沈家杰.固体垃圾填埋场渗沥水的处理.给水排水，1998，14（5）：36～38

　　[3]张瑞明等.污水回喷法处理垃圾填埋渗沥液.环境污染与防治，1998，20（4）：23～25

　　[4]邹莲花，城市生活垃圾填埋场渗滤液水质影响因素分析及水质预测.给水排水，1997，23（7）：57～60

　　[5]沈耀良等.城市垃圾填埋场渗沥液处理方案及其分析.给水排水，1999，25（8）：18～21

　　[6]张祥丹等.城市垃圾渗沥液处理工艺介绍.给水排水，2000，26（10）：9～14