工业水处理, 2021, 41(1): 1-10 doi: 10.11894/iwt.2020-0801

专论与综述

垃圾渗滤液中紫外线猝灭物质的降解研究进展

刘占孟,, 刘鹏

Research progress on degradation of ultraviolet quenching substances in landfill leachate

Liu Zhanmeng,, Liu Peng

收稿日期: 2020-12-12  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51468016
江西省重点研发计划.  20203BBGL73230

Received: 2020-12-12  

作者简介 About authors

刘占孟(1977-),博士,教授,硕士生导师电话:13576060580,E-mail:ustblzm@163.com , E-mail:ustblzm@163.com

Abstract

Some refractory organic compounds in landfill leachate with UV quenching characteristics reduce the UV transmittance of wastewater, thereby interfere the related disinfection efficacy. Ultraviolet quenching substance(UVQS) consist of three major fractions, humic acids(HA), fulvic acids(FA) and hydrophilics(HPI), each of which has distinct characteristics and behaviors during different treatment processes. The relevant information of UVQS and the research status of feasible technology to deal with UVQS are summarized. Among of them, electrocatalytic oxidation and photocatalytic oxidation has the superior degradation effects, the highest removal rates of which are up to 95% and 98.95% on UVQS substances respectively. And the removal of UVQS with different quality scores is assisted in optimizing treatment, so as to better cognize and understand the importance of UVQS degradation in wastewater treatment.

Keywords: landfill leachate ; ultraviolet quenching substance ; UVQS processing technology ; advanced oxidation

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本文引用格式

刘占孟, 刘鹏. 垃圾渗滤液中紫外线猝灭物质的降解研究进展. 工业水处理[J], 2021, 41(1): 1-10 doi:10.11894/iwt.2020-0801

Liu Zhanmeng. Research progress on degradation of ultraviolet quenching substances in landfill leachate. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(1): 1-10 doi:10.11894/iwt.2020-0801

随着我国新兴经济体城市化进程的发展,城市固体废物(MSW)的产生量逐年增加。2018年城市生活垃圾清运量达到21 520.9万t,2017年一般工业固体废物产生量达331 592万t,并呈逐年增加的趋势。在各种城市固体废物管理方法中,填埋及焚化是最为常规的处置途径1。卫生填埋具有便捷、经济等优势,但其稳定过程中向环境释放有害物质的同时,水分的渗出导致了垃圾渗滤液的产生2。据了解,1 t含水量为30%~35%的城市固体废物在其漫长的生命周期中会产生0.05~0.07 t甚至更多的垃圾渗滤液3。高浓度芳烃、氯化脂肪族化合物和腐殖质的存在,导致垃圾渗滤液溶解性有机碳(DOC)的复杂性以及难处理性会随着垃圾填埋龄的增加而显著增加,对环境和人类的健康都存在着极大的风险。针对渗滤液中DOC的研究对区域的生物活动水平和处理方式的选择有着重要意义4

目前的相关研究中,没有哪种方法可以一劳永逸地处理所有渗滤液,降解DOC5。目前我国主流垃圾渗滤液处理工艺为“预处理+生物处理+深度处理”,同时典型常用的是膜生物反应器(MBR)+双膜法(NF/RO)处理工艺6。生物处理适用于去除可生物降解有机物,但会遗留难降解的有机部分7,同时DOC可随时间在800~20 000 mg/L区间内逐级变化,故对处理可生化性较低的老龄垃圾渗滤液的效果有限8-9。微生物的降解过程是通过降解副产物的缩合和聚合,使得有机成分由脂肪族的低分子质量化合物(亲水性分子)转变成高分子质量的芳香族化合物10,其通常是疏水性的,主要由腐殖质〔(腐殖酸(HA)和黄腐酸(FA)〕组成。

目前,大多数城市垃圾填埋场收集的渗滤液和废水会在现场污水处理厂(WWTP)进行适当地预处理或共处理,进而排放或运输到市政地下排水系统11。然而渗滤液中的低分子质量和高分子质量物质都可以强烈吸收紫外线,使其具有生物难降解性,最终干扰了紫外线消毒过程12。这些物质统称为紫外线猝灭物质(UVQS),具有很强的紫外线猝灭能力,有研究显示,即使渗滤液仅占市政总流量的0.1%,波长254 nm处紫外线13在废水中的透过率也低于65%(有效紫外线消毒需透光率高于此值),紫外线猝灭效果与“熄灭紫外线”相当14。此外,当氯化消毒过程中总有机物(主要为HA和FA)质量浓度超过2 mg/L,会刺激产生致癌的消毒副产物(DBPs),例如卤乙酸(HAAs)和三卤甲烷(THMs)15-16。另外,有研究表明,磺酰胺类抗生素会自发地吸附于腐殖酸表面,导致紫外线消毒过程中对该类抗生素的去除趋于无效17

因此,通过了解UVQS的理化性质以及各成分在相关处理过程中的行为变化,开发出合适的处理方法将其降低至可接受的水平显得尤为重要。本研究针对垃圾渗滤液中UVQS的形成、组成及特性进行介绍,探讨了不同的UVQS去除技术,以期为垃圾渗滤液中UVQS的去除提供理论支撑与参考。

1 UVQS的形成、组成及特性

1.1 UVQS的形成

渗滤液的UVQS包含亲水性有机物(HPI)和疏水性腐殖质(HA和FA),其中腐殖质是通过腐殖化过程复杂的生物和化学反应形成的。现已提出的几种腐殖化机制涉及木质素反应途径、多酚和糖胺缩合18。腐殖质的前体种类繁多(如木质素、蛋白质、碳水化合物和脂肪酸)且降解时间较长,因而腐殖质被视为“老分子”,对进一步的生物降解及氧化作用有很强的抵抗能力。而最新研究表明微生物在碳源充足的条件下会将碳源合成腐殖质物质;碳源贫乏时会降解腐殖质作为自身可利用的营养物质19。腐殖质同时是结构上异质的高分子有机化合物,颜色从黄色到黑色,自然条件下呈酸性,具体来说是脂肪族和芳香族部分的共价键团聚体,其中包含酚、羧基、烷基、烷氧基和酰烷基,并有可能存在硫酸酯、磷酸酯、半醌和对苯二酚基团20

渗滤液中腐殖质的异质性和难以表征是因为其随渗滤液年龄的增长而逐渐变化18, 21。在年轻的渗滤液中,FA首先形成,故其浓度一定程度上高于HA22。而腐殖化的发生,HA的浓度会随时间的推移而增加,但最终随填埋场的稳定以及自然降解或稀释而降低。包含挥发性脂肪酸在内的可生物降解有机物是通过有机固体废物(如食物残渣)的初始分解而形成的。其通常是脂肪族结构,并作为HPI的一部分进行细分,其简单的碳链结构易于微生物降解,特别是在新鲜渗滤液中,为COD和BOD的降低做出比较大的贡献。然而,此类有机物仅占渗滤液总紫外猝灭物质的一小部分(平均10%左右)12,在进入紫外消毒系统之前,能比较容易地在污水处理厂的生物处理过程中去除,故通常对紫外线猝灭来说并非是比较重要的因素。

1.2 UVQS的组成

成熟的垃圾渗滤液,不论是未经处理亦或是经SBR预处理的渗滤液,其生物降解性均较低,同时具有高的特征紫外吸光度(SUVA),更大的疏水有机物比例以及更多的高分子(MW)有机化合物。相较之下,年轻渗滤液的低SUVA意指着大量的非腐殖质、高度的脂肪族特性及分子质量更低的有机化合物。渗滤液的UVQS主要由HA、FA、HPI馏分组成,其各项比例变化比较大,其取决于垃圾类型、填埋年龄和操作方式等。以TOC计,HA、FA、HPI的质量分数范围分别为2.1%~44.0%、7.0%~72.0%、24.9%~ 70.1%23-24。由于腐殖质的多样性、复杂性、不均一且聚集特性,其分子结构不具有某种完整的构象构型与化学结构,从而难以确定其结构的真实尺寸。腐殖质的相对分子质量自低(对于FA是500~2 000)到高(而对于HA是50 000~100 000)是极为不确定的,其中HPI的典型相对分子质量近似于FA。渗滤液UVQS各馏分的物理化学性质见表 1

表1   UVQS在垃圾渗滤液中的物理化学性质

有机部分DOC/%SUVA/(L·mg-1·m-1多分散性羧酸酸度/(mmol·g-1酚酸酸度/(mmol·g-1总酸度/(mmol·g-1H质量分数/%H/CN/CO/CS质量分数/%N质量分数/%C质量分数/%O质量分数/%
HA8.8~14.60.46~3.611.3~1.91.70~5.800.87~0.912.61~6.674.3~6.030.98~1.490.04~0.110.48~0.623.35~4.152.45~6.5842.2~51.2926.7~33.51
FA56.8~62.30.19~2.381.2~1.43.05~6.510.65~0.954.00~7.894.45~9.601.02~1.40.014~0.0580.61~0.842.35~3.000.85~2.8841.82~51.737.6~44.23
HPI24.9~60.00.09~1.771.2~1.53.15~6.921.15~1.524.67~8.804.75~5.081.21~1.800.04~0.110.65~1.23.2~8.522.20~4.2132.83~47.246.0~54.8

注:表中数据引用文献为:DOC7, 21, 25;多分散性、酸度3, 26;H、C、O、N、S质量分数、O/C、H/C、N/C22, 26-27;SUVA23, 28

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通常,H/C大于1意味着样品的化学结构主要由芳香族骨架组成,并且包含很大一部分脂肪族官能团。此外,FA中的O/C高于HA中的O/C,表明FA具有较高比例的氧烷基以及羧酸官能团8。由于存在相对少量的羧酸基团以及大量的脂肪族和芳香族成分,在pH < 2情况下中和电荷时,HA较容易聚集并沉淀,FA在所有pH范围内均是可溶的,而腐殖质在所有pH下均不溶18。另一方面,垃圾渗滤液经生物处理后,HA中N/C高于FA中的N/C,说明在腐殖化过程中,抗性形式的N倾向于保有在HA中27

1.3 UVQS的特性

由于复杂的化学结构和随时间的推移而不断演化,UVQS具有顽固性以及可以强烈吸收UV光的性质。其紫外吸光度可以通过SUVA指数进行评价,可使用1700PhamasPer型分光光度计(日本岛津)以及匹配的光程为1 cm的比色皿,在波长254 nm处测的紫外吸光度除以DOC,该比值主要用于估计有机物的芳香特性:芳香特性越高,SUVA指数越高29。同时,SUVA指数亦随分子疏水性增加30。在不同的UVQS成分中,HA具有最高的SUVA指数,其次是FA和HPI31。即便如此,由于HPI的高浓度,其对总紫外线吸收的贡献略高于一半7。大多数的UVQS经生物处理过程也不会被去除,致使紫外线透过率降低,抑制了消毒过程的有效性8。因此,进入紫外线消毒过程的废水流的紫外线透过率应在60%~65%或者更高的范围内,紫外线吸收率(UVA)必须小于0.187 cm-1〔紫外线透过率(%)=10-UVA×100%〕。

2 UVQS的处理方法

2.1 高级氧化技术

2.1.1 臭氧氧化

臭氧氧化是基于臭氧强氧化性的处理方法,可将有机大分子在常温常压下分解为较小和较为简单的分子32。臭氧具有强氧化性,与水中有机污染物直接发生亲电取代反应、偶极加成反应,破坏有机物的极性官能团,例如C=C、—OH和—C=O—等,进而降解有机污染物,但此类直接氧化反应速率较慢。而通过加入均相或非均相催化剂促进臭氧分解生成高活性物质(如·OH),可增强上述过程33

Weiming Chen等34对比研究了臭氧化处理HA、富里酸和类蛋白这3种紫外线猝灭物质,发现臭氧氧化对HA的去除效率最高,同时研究了分别经MBR和半好氧老化垃圾生物滤池(SAARB)处理后的渗滤液再经由臭氧投加量为52.65 mg/min的臭氧化处理,结果显示去除率分别为55.9%和45.4%。臭氧氧化能够降解芳香族类有机物质,但降解产物(即小分子酸)却难以消除,以至于无法将其完全矿化。C. Jung等35研究了臭氧氧化降解渗滤液中的UVQS,发现臭氧倾向于与疏水性有机组分上的紫外线吸收基团选择性反应,另外,实验研究了臭氧投加量对吸光度(溶液的紫外线吸收率)的影响,当臭氧投加量由53 mg/L增加到639 mg/L,吸光度、DOC、COD的去除率由0分别提高至62.0%、26%、34.3%,SUVA也从2.28 L/(mg·m)逐渐下降,表明了污染有机物从疏水化合物到亲水分子的化学转化。

2.1.2 电化学氧化(EAOPs)

电化学方法是基于电极与电解液间的电子转移,通过在电化学电池的阳极和阴极之间施加电场来实现的,其可改变有机物的官能团结构,从而导致其化学性质的改变,增强生物可降解性36。电化学技术在国内外有很高的关注度,基于其易操作性、多功能性、对自动化的适应性以及环境兼容性等,相关研究有着不错的应用前景37。传统的电化学处理方法主要包括电凝聚以及电氧化。电凝聚指的是在外加电场(电流或电压)作用下,牺牲阳极电极产生金属阳离子。随着表面积的增加,阳离子被水解和聚合,聚集或吸收有机物形成沉淀而被清除38。渗滤液UVQS的直接电氧化发生在阳极电极上,其表面氧化物晶格中形成物理吸附的·OH和化学吸附的活性氧;而在间接氧化中,阳极产生的氧化剂(如氯、次氯酸盐、过氧化氢等其他高价反应物)负责实现UVQS的氧化39-41

已有报道研究了几种新的电化学处理技术。研究者提出膜电化学反应器(MER)用于处理垃圾渗滤液中的UVQS,设置无膜分离器的反应器为对照组,发现相较之下,MER增强了DOC(61.5%±4.1%)和UV254(63.4%±8.4%)的去除率,实现了较高的氨去除率(89.1%±2.9%)和约51%的氨回收率。同时表明了电化学氧化和HA沉淀的共同作用大大降低了渗滤液中DOC/UVQS的值,且电极间存在的阳离子交换膜有助于创建2个不同的pH环境,一定程度上提升了处理性能42。高电流密度可改善处理性能,但同时也导致更多的能量消耗和热量损失。如在渗滤液的电氧化过程中将电流密度从450 A/m2增加到600 A/m2,反应8 h后UVQS的去除率从75%增加95%43。高压脉冲放电(HVPD)技术也有一定的研究进展,有学者将HVPD与TiO2结合,用于降解生物处理垃圾渗滤液中的难降解有机物,结果显示在40 kV,400 Hz条件下30 min内的最佳COD去除率可以达到58.9%,并进一步降低了腐殖质和黄腐酸等物质的荧光强度,相较于单独的HVPD,UV254减少了33.6%44。S. M. Iskander等45对以有机物的厌氧降解原理为基础的生物电化学系统(BES)处理渗滤液进行了相关的研究。S. M. Iskander等46研究了微生物燃料电池(MFC)去除垃圾渗滤液中的UVQS,再进行颗粒活性炭(GAC)后处理,降低了92.9%的紫外吸光度,并去除了89.7%的UVQS。BES处理UVQS尚处于起步阶段,对其处理过程中UVQS的转化及归宿还需进一步的认识。

2.1.3 Fenton与类Fenton氧化

近年来,相关研究探究了渗滤液特性(HA含量、垃圾填埋龄和稳定度等)对氧化过程产生的影响,进而影响最终流出物的质量47。Fenton法被认为是最有效的方法之一,而且已有相关的实际应用48。Fenton处理是基于H2O2和Fe2+之间的电子转移,将Fe2+用作均相催化剂,得到的·OH能够降解溶解性有机物(DOM)49

C. Jung等35选择序批式活性污泥法生物处理后的生活垃圾填埋场渗滤液作为处理对象,评估Fenton法和臭氧法去除UVQS的差异,发现由于产生非选择性和更具活性的氧化剂·OH,Fenton氧化法表现出更好的处理性能,其在去除疏水性和亲水性DOM中均不加区别地攻击发色基团,通过·OH的非选择性反应将大多数疏水性HA和FA转化为HPI组分进而去除相关污染物。有研究针对Fenton试剂处理UVQS的最佳条件进行试验,观察到处理最佳pH为3.0~5.0,并能够有效去除分子质量大于1 ku的有机物及垃圾渗滤液中的腐殖质7

常规Fenton高级氧化工艺虽然具有较高的COD去除率及环境友好性,但其处理后的废水最终会产生铁污泥,从而需要进一步处理49。为解决此类问题,相关研究者采用电Fenton法来改进常规Fenton过程,进而实现铁渣中Fe2+的有效再生50。D.Hermosilla等48通过光Fenton工艺优化垃圾渗滤液的处理,相较于传统Fenton处理,其铁消耗减少了32倍,同时污泥体积减少了25倍,而对DOM的去除效果相同。诸如此类改良Fenton工艺需要更高的设备及能源成本,故未来还需进一步研究有效且更具性价比的处理工艺,使得Fenton高级氧化工艺有更多的实际应用场景。

2.1.4 光催化氧化

光催化氧化在应用上更为广泛,J. Wiszniowski等51通过使用复合抛物线收集器(CPC)-太阳能光反应器,配合0.7 g/L的TiO2光催化剂,发现HA的降解速度在该条件下是最快的。TiO2对其的吸附起着举足轻重的作用,吸附于TiO2上的HA通过光催化氧化作用,导致HA被有效去除,随后大分子再吸附。实验同时表明Cl-、SO42-的存在不会影响HA的最终去除效率,而HCO3-则具有抑制作用,因此,光催化工艺应用于复杂的无机基质实际废水时,需要消除溶液的碱度52。此外,其他一些半导体材料(例如ZnO、Fe2O3、CdS等)也具有较好的光催化性能。其中,相较于TiO2,ZnO可吸收更大比例的UV光谱,价带上的空穴可以氧化吸附的H2O和OH-以产生·OH,导带中的电子可将分子氧还原为超氧阴离子53。V. Oskoei等54采用UV/ZnO纳米催化技术去除废水中的HA,结果表明,单级工艺在ZnO质量浓度为0.2 g/L时HA去除率达最大值,而两级工艺ZnO质量浓度则为0.5 g/L,两阶段光催化法是去除HA的最佳方法,光催化在30 min内腐殖酸的去除率达到98.95%以上。

2.1.5 其他高级氧化技术

化学氧化法现今已广泛应用于处理垃圾渗滤液,而针对UVQS的去除,众多学者也尝试了较为新颖的相关处理方案。S. M. Iskander等28的研究表明,过碳酸钠(SPC,Na2CO3·1.5H2O2)经过一系列反应,产生羟基自由基(·OH,强氧化剂)、碳酸盐自由基(CO3·-)、过羟基自由基(·OH2,弱氧化剂)和超氧自由基(O2·-,弱还原剂和亲核物质),可去除最大43.4%的UV254和15.6%的UVQS(以TOC计),同时降低了浊度(> 99%)和增加了BOD5。Zhijun Li等55的研究表明,硫酸根自由基针对成熟垃圾渗滤液有着极为不错的处理效果,将颗粒活性炭负载铁作为非均相过硫酸盐催化剂,最佳实验条件下,COD的去除率超过87.8%,通过三维荧光光谱(3D-EEM)分析发现,处理的垃圾渗滤液主要成分为HA、腐殖质类有机物。但硫酸根自由基针对特定紫外光吸收的有机物处理效果不佳,研究采用微波活化过硫酸盐(MAPO)处理垃圾渗滤液,表征处理温度及过硫酸钠(SPS)浓度的影响,Y. B. Kim等56发现MAPO在80 ℃和SPS浓度为0.2 mol/L的情况下,在30 min内实现了99%的色度去除,TOC以及UV254减少,去除了部分DOM,但SUVA254却增加了,无法有效去除顽固的芳香族化合物。

Yanyu Wu等57研究发现SBR反应器在去除有机污染物方面起主要作用,进而混凝和Fenton进一步降低有机负荷并增强生物降解性,再由曝气生物滤池(BAF)将COD进一步降低至75 mg/L,整体过程的HA、FA、HPI均有不错的降解效果。基于响应面法的亚临界水催化氧化法针对垃圾渗滤液中的TOC和HA亦有一定的处理效果,TOC和HA去除率分别可达74.24%和49.11%,但分解有机物的催化机理和动力学尚需进一步研究58。众多渗滤液处理方案中,湿空气氧化法(WAO)处理UVQS是行之有效的预处理步骤,其是在中等温度和压力下于液相中进行的氧化技术,催化剂(催化湿空气氧化,CWAO)或氧化促进剂(湿促进氧化,WPO)可使WAO的氧化效率进一步提高59,Peng Wang等60的研究表明,在温和条件下(150 ℃,0.5 MPa的氧分压),以NaNO2为催化剂,2,4,6-三氯苯酚(TCP)为促进剂的CWCO,可将垃圾渗滤液中顽固的FA、HA有效地氧化为CO2和可生物降解的物质。

2.2 生物处理技术

垃圾渗滤液的处理可以在好氧或厌氧反应器中进行,其有效性很大程度上取决于渗滤液的相关参数61。已知腐殖质的分子质量及结构可抵抗生物处理(特别是在厌氧环境中),因而相较于成熟渗滤液,生物可降解有机物和挥发性有机脂肪酸含量较高的年轻渗滤液更加适合生物处理62

2.2.1 好氧生物处理

微生物通过降解现成的有机成分或将其转化为稳定的腐殖质成分,而腐殖质的去除与紫外猝灭和生物处理后的垃圾渗滤液的芳香含量降低有关,其SUVA/芳烃比值的增加可能是由于简单的芳香族化合物缩合合成缩聚的芳香族结构63和生成高分子质量的复杂可溶性微生物产物(SMPs)引起的64。好氧生物处理主要包括活性污泥法和生物膜法。Renzun Zhao等65将多样本渗滤液经有氧生物预处理后的COD降低了23%~48%,DOC减少了20%~54%,而UV254仅降低了8.5%~35.0%,HA、FA、HPI平均浓度(以TOC计)分别降低了43.5%、23%、19.5%。生物处理在减少UV254吸收方面效果不如降低TOC,甚至有可能导致SUVA值的上升12。并且,经SBR处理后,由于细菌消耗较低分子质量的有机物(挥发性脂肪酸、氨基酸)和活性污泥固体吸收较高分子质量的有机物,使得有机馏分的多分散性下降66

2.2.2 厌氧生物处理

渗滤液的厌氧生物处理在去除难降解有机物和吸收紫外线方面的能力有限且需要一定的时间周期67。A. Pathak等68通过嗜热相(55±2 ℃)和嗜温相(37±1 ℃)组成的两级厌氧膜生物反应器去除了垃圾填埋场渗滤液中39%的HA、37%的FA和55%的HPI馏分,而TOC的去除率略高于50%,紫外线吸收的去除率则为46%,用时2~4个月。Zhu Liang等69使用厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液中的腐殖质,通过硫酸盐还原及其他代谢途径,DOC从288 mg/L减少至136 mg/L,其中HA占33%、FA占57%,表明FA的敏感性高于HA。

2.2.3 生物吸附

生物吸附是一种通过附着在微生物表面上从溶液中去除污染物的生物物理化学过程70。通过相关动力学研究表明生物降解在初始3 h只能去除4%的初始HA,故可以确定生物吸附是DOC去除的主要机制。而HA的吸附效果优于FA是因其疏水性更高,但在pH=8时,FA的生物吸附作用强于HA,这是因为其包含更多的酸性官能团,二价阳离子可以与之相互作用71。Huajun Feng等72成功将活性污泥用作生物吸附剂,以去除水性介质中的腐殖质。通过与活化的生物质结合以保持生物固体表面特性的完整性,研究不同因素对HA吸附效率的影响,可知初始HA浓度的提高、无机金属阳离子的添加以及离子强度有利于HA的生物吸附。

2.2.4 其他生物处理技术

独立生物处理的效果可能并不尽人意,因此研究者尝试生物和物理化学联合处理以增强UVQS的去除。例如,Dong Wang等73将粉状活性炭(PAC)与活性污泥工艺结合可将HA、FA、HPI馏分的去除率分别从41%增至59.8%、40%增至44.2%、27%增至53.1%。此外,膜分离是一种有效的后处理方法,Guangzhi Wang等74研究了降低垃圾渗滤液的UV吸光度工艺,通过将污泥基活性炭和MBR联合,利用其生物降解-吸附过程的协同效应有效处理垃圾渗滤液。生物处理工艺成本低廉且环境兼容,但其对UVQS的处理效率有所限制。处理后的渗滤液中UV吸收的降低程度始终低于UVQS(以TOC计)。故而,多种处理方式与生物处理适当地结合可为UVQS的控制提供可行的解决方案。

2.3 物理分离技术

UVQS的物理分离技术主要包括膜分离和吸附,两者均具有可观的处理性能,但实际操作中不免受到膜污染、膜堵塞或吸附剂再生性等的限制,因此应进行相关生物或化学降解互为辅助处理的研究,进而提高膜性能并延长循环时间,或减少吸附材料的有机负荷,从而增加一定的寿命。

2.3.1 膜分离处理技术

膜分离可同样作为后处理方法提高膜性能并延长循环时间。其中,根据尺寸排阻原理进行的膜分离包括反渗透(RO)、正渗透(FO)、纳滤(NF)、超滤(UF)和微滤(MF)。Weiming Chen等75的研究表明,RO工艺几乎可以从经MBR处理的垃圾渗滤液中完全去除残留的DOM(如HA和FA类物质)及其官能团。正渗透具有减少渗滤液体积和回收高质量水以直接排放或再利用的潜在优势,其在水回收过程中,可从垃圾渗滤液中去除约98%的UVQS(以TOC计),并且能耗有所降低76。此外,通过石灰沉淀/MF工艺的预处理(防止NF结垢),平均去除了41%的腐殖质,随后的NF工艺将腐殖质去除率提高到86%,同时紫外线吸收率分别降低了23%和74%77。Wenyuan Ye等78采用松散的纳滤膜回收生物处理后残留的渗滤液浓缩液中富含的腐殖质和盐类,可使腐殖质从1 735 mg/L富集到15 287 mg/L,且脱盐效率为85.7%。在基于UF的膜生物反应器中,去除了60%的HA、11%的FA以及40%的紫外线吸收79。研究中大多数的膜分离工艺可有效去除垃圾渗滤液中的UVQS,但对膜结垢以及浓缩盐水的处理和处置产生了极大的影响,UVQS的存在增加膜结垢的可能性,同时渗透盐浓度显著降低80-81,M. Sir等82的研究表明,在进料中添加50 mg/L的HA且浓缩因子为10时,反渗透通量、排斥度分别平均下降了18%、20%。

2.3.2 吸附处理技术

常规的物理吸附剂(如颗粒活性炭、沸石及生物残渣等)在渗滤液后处理中显示出不错的效果83-84。粉末活性炭(PAC)可有效去除UV254(92%)并优先吸附疏水性组分(HA和FA)85,GAC在MFC的后处理步骤中,可去除渗滤液中89.1%的UV254和65.5%的TOC46。三氯化铁(FTC)和聚丙烯酰胺(PAM)絮凝与活性焦炭吸附的结合,可去除渗滤液中95%的腐殖质和蛋白质类物质86。而在新兴物理分离方式中,磁性离子(阴离子)交换树脂(MIEX)可去除大多数的腐殖质和低分子质量酸馏分,TOC与紫外线吸收的去除率分别为45%和78%87。此外,碳纳米管以其疏水性中孔可吸收大部分芳香族污染物,同时允许水以无摩擦的方式通过而不消耗过多的能量88。当有机物分子质量在0.5~2.0 ku范围时碳纳米管表现出对HA的优先吸附,在有机物分子质量为1.0~3.0 ku时优先吸附FA89

3 结论

通过总结UVQS的形成机理,深入研究各组成馏分,进而探究相关处理方法。腐殖质的分子结构与分子质量各有极大差异,而在UVQS的3种有机成分中,亲水级分HPI占渗滤液总紫外线吸收的一半以上,而疏水性腐殖质因其复杂的聚合物结构具有比HPI更高的SUVA,且SUVAHA > SUVAFA > SUVAHPI

高级氧化技术处理后渗滤液的生物降解性可能会提高,有利于后续的生物处理。臭氧氧化工艺针对HA的反应性更强,能够降解芳香族类有机物质,但降解产物难以进一步矿化。Fenton类氧化工艺通过·OH的非选择性反应,将腐殖质(HA+FA)转化为HPI,进而有效去除相关污染物。而电化学氧化工艺在去除UVQS方面有更强的处理性能。半导体光催化可导致UVQS的腐殖质等有机污染物部分或完全矿化,在实际应用中展现出不错的潜力。生物处理对UVQS的去除效果相对有限,而物理分离的效果尚佳,两者的联合应用技术更具潜力。

UVQS对紫外线的猝灭特性极大影响着污水处理厂的消毒过程,尤其在稀释倍数不足的低流量时期,接收垃圾填埋场渗滤液的污水处理厂需要对此类问题进行处理流程的有效评估,同时进行充分的现场预处理,提升公共处理厂(POTW)系统的可用性与兼容性,以减少渗滤液UVQS的潜在不利影响。此外,大多数研究拘泥于降解效果,对分析中间产物的毒性等方面重视度不够,针对去除效果尚佳的处理方式,着重研究反应机理的同时对反应的基本条件进行优化是探究降解UVQS类物质的最佳途径。

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