Características de los lixiviados de la basura
El lixiviado de la basura se refiere a las aguas residuales generadas durante el proceso de apilamiento y vertedero debido a la fermentación, la lixiviación por precipitación, la infiltración de aguas superficiales y subterráneas. La composición del lixiviado de la basura está influenciada por factores como la composición de la basura, el tiempo en el vertedero, la tecnología del vertedero y las condiciones climáticas, entre los cuales el tiempo en el vertedero es el factor influyente más importante. Si se clasifica de acuerdo con la edad del vertedero, generalmente aquellos con un tiempo en el vertedero de menos de 1 año se consideran lixiviados jóvenes, aquellos con un tiempo en el vertedero de 1 a 5 años se consideran lixiviados de mediana edad y aquellos con un tiempo en el vertedero de más de 5 años se consideran lixiviados viejos [1]. La Tabla 1 muestra las características de los diferentes tipos de lixiviados de la basura [2].
La calidad del agua de la basura generalmente tiene las siguientes características: (1) composición compleja, que contiene varios contaminantes orgánicos, metales y nutrientes vegetales; (2) la concentración de contaminantes orgánicos es alta, con DQO y DBO que alcanzan decenas de miles de mg/L; (3) hay muchos tipos de metales, incluidos más de 10 tipos de iones metálicos; (4) alto contenido de nitrógeno amoniaco y amplio rango de variación; (5) la composición y concentración sufrirán cambios estacionales [2]
En la actualidad, los métodos de tratamiento de lixiviados de basura se basan principalmente en métodos biológicos. Entre ellos, el lixiviado joven tiene un mayor contenido de materia orgánica fácilmente biodegradable, una mayor relación B/C y un menor nitrógeno amoniaco, lo que lo hace adecuado para utilizar métodos biológicos para el tratamiento. Sin embargo, a medida que aumenta la edad del vertedero, la biodegradabilidad del lixiviado disminuirá y el nitrógeno amoniaco aumentará significativamente, lo que inhibirá la eficacia del tratamiento biológico. Por lo tanto, no es adecuado utilizar directamente el tratamiento biológico para lixiviados de mediana edad y ancianos. Además, los métodos biológicos son sensibles a los cambios de temperatura, calidad del agua y cantidad de agua, y no pueden tratar materia orgánica difícil de biodegradar. El método fisicoquímico tiene un buen efecto de eliminación en lixiviados de basura con baja biodegradabilidad y alto contenido de nitrógeno amoniaco, y no se ve afectado por cambios en la calidad y cantidad del agua. La calidad del agua del efluente es relativamente estable y se utiliza ampliamente para el pretratamiento y el tratamiento profundo de lixiviados de basura. Sobre la base de las tecnologías de tratamiento físico y químico existentes, el autor revisó el progreso de la investigación del método de adsorción, el método de soplado, el método de precipitación por coagulación, el método de precipitación química, el método de oxidación química, el método electroquímico, el método de oxidación fotocatalítica, la ósmosis inversa y el método de nanofiltración, con el fin de proporcionar alguna referencia para el trabajo práctico.
2 Tecnologías de procesamiento físico y químico
2.1 Adsorción
El método de adsorción es utilizar el efecto de adsorción de sustancias sólidas porosas para eliminar sustancias tóxicas y dañinas como materia orgánica e iones metálicos en el lixiviado de la basura. Actualmente, la investigación sobre la adsorción con carbón activado es la más extensa. J. Rodríguez et al. [4] estudiaron la adsorción de lixiviado tratado anaeróbicamente usando carbón activado, resina XAD-8 y resina XAD-4. Los resultados mostraron que el carbón activado tenía la capacidad de adsorción más fuerte y podía reducir la DQO del influente de 1500 mg/L a 191 mg/LN. Aghamohammadi et al. [5] agregaron carbón activado en polvo cuando usaron el método de lodos activados para tratar el lixiviado de la basura. Los resultados mostraron que las tasas de eliminación de DQO y cromaticidad fueron casi el doble de altas que sin carbón activado, y la tasa de eliminación de nitrógeno amoniaco también mejoró. Zhang Futao et al. [6] estudiaron el comportamiento de adsorción del carbón activado sobre formaldehído, fenol y anilina en lixiviados de vertederos, y los resultados mostraron que la isoterma de adsorción del carbón activado se ajusta a la fórmula empírica de Freundlich. Además, también se han estudiado hasta cierto punto otros adsorbentes además del carbón activado. M. Heavey et al. [7] realizaron experimentos de adsorción de escoria de carbón utilizando lixiviados del vertedero de Kyletalesha en Irlanda. Los resultados mostraron que después del tratamiento de adsorción de escoria de carbón, el lixiviado con una DQO promedio de 625 mg/L, una DBO promedio de 190 mg/L y un nitrógeno amoniaco promedio de 218 mg/L tuvo una tasa de eliminación de DQO del 69%, una tasa de eliminación de DBO del 96,6% y una tasa de eliminación de nitrógeno amoniaco del 95,5%. Debido a los abundantes y renovables recursos de escoria de carbón, sin contaminación secundaria, tiene buenas perspectivas de desarrollo. El principal problema al que se enfrenta el tratamiento de adsorción con carbón activado es que este es caro y carece de métodos de regeneración simples y efectivos, lo que limita su promoción y aplicación. En la actualidad, el método de adsorción para tratar los lixiviados de la basura se realiza principalmente a escala de laboratorio y se requieren más investigaciones antes de poder aplicarlo en la práctica.
2.2 Método de soplado
El método de soplado consiste en introducir gas (gas portador) en el agua y, tras un contacto suficiente, las sustancias solubles volátiles del agua se transfieren a la fase gaseosa a través de la interfaz gas-líquido, consiguiendo así el objetivo de eliminar los contaminantes. El aire se utiliza habitualmente como gas portador. El contenido de nitrógeno amoniaco en el lixiviado de la basura de mediana edad y de edad avanzada es relativamente alto, y el método de soplado puede eliminar eficazmente el nitrógeno amoniaco del mismo. SK Marttinen et al. [8] utilizó el método de soplado para tratar el nitrógeno amoniaco en el lixiviado de la basura. En las condiciones de pH=11, 20 °C y tiempo de retención hidráulica de 24 horas, el nitrógeno amoniaco disminuyó de 150 mg/L a 16 mg/L. Liao Linlin et al. [9] estudió los factores que afectan a la eficiencia de la extracción de amoniaco líquido en la infiltración de basura y descubrió que el pH, la temperatura del agua y la relación gas-líquido tenían un impacto significativo en la eficiencia de la extracción. El efecto de desnitrificación mejoró cuando el pH estaba entre 10,5 y 11; Cuanto mayor sea la temperatura del agua, mejor será el efecto de desnitrificación; Cuando la relación gas-líquido es de 3000~3500 m3/m3, el efecto de desnitrificación es como se muestra en la nueva canción de Jay Chou; La concentración de nitrógeno amoniaco tiene poco efecto sobre la eficiencia del soplado. Wang Zongping et al. [10] utilizaron tres métodos, a saber, aireación por chorro, aireación por explosión y aireación de superficie, para pretratar el lixiviado con extracción de amoníaco. Los resultados mostraron que la aireación por chorro fue efectiva a la misma potencia. Según datos extranjeros, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniaco en lixiviado tratado con extracción de gas combinada con otros métodos puede alcanzar hasta el 99,5%. Sin embargo, el costo operativo de este método es relativamente alto y el NH3 generado debe eliminarse agregando ácido en la torre de soplado, de lo contrario causará contaminación del aire. Además, también se producirán incrustaciones de carbonato en la torre de purga.
2.3 Método de precipitación por coagulación
El método de sedimentación por coagulación es un método de agregar coagulantes al lixiviado de basura, lo que hace que los sólidos suspendidos y los coloides en el lixiviado se agreguen y formen flóculos, y luego se separen. El sulfato de aluminio, el sulfato ferroso, el cloruro férrico y otros floculantes inorgánicos se utilizan comúnmente. Los estudios han demostrado que el uso de floculantes a base de hierro solo para tratar el lixiviado de la basura puede lograr una tasa de eliminación de DQO del 50%, que es mejor que el uso de floculantes a base de aluminio solo. AA Tatsi et al. [11] pretrataron el lixiviado con sulfato de aluminio y cloruro férrico. Para el lixiviado joven, la tasa de eliminación de DQO más alta fue del 38% cuando la DQO del afluente fue de 70 900 mg/L; para el lixiviado de vertedero de mediana edad y ancianos, la tasa de eliminación de DQO puede alcanzar el 75% cuando la DQO del afluente es de 5350 mg/L. Cuando el pH es 10 y el coagulante alcanza 2 g/L, la tasa de eliminación de DQO puede llegar hasta el 80%. En los últimos años, los biofloculantes se han convertido en una nueva dirección de investigación. AI Zouboulis et al. [12] estudiaron el efecto del tratamiento de los biofloculantes en el lixiviado de vertederos y descubrieron que solo se necesitaban 20 mg/L de biofloculantes para eliminar el 85% del ácido húmico del lixiviado de vertederos. El método de precipitación por coagulación es una tecnología clave para el tratamiento del lixiviado de la basura. Se puede utilizar como tecnología de pretratamiento para reducir la carga de los procesos de postratamiento y como tecnología de tratamiento profundo para convertirse en la garantía de todo el proceso de tratamiento [3]. Pero su principal problema es la baja tasa de eliminación de nitrógeno amoniaco, la generación de una gran cantidad de lodos químicos y la adición de coagulantes de sales metálicas puede causar nueva contaminación. Por lo tanto, el desarrollo de coagulantes seguros, eficientes y de bajo costo es la base para mejorar la eficiencia del tratamiento de los métodos de sedimentación por coagulación.
2.4 Método de precipitación química
El método de precipitación química consiste en añadir una determinada sustancia química al lixiviado de la basura, generar un precipitado mediante una reacción química y luego separarlo para lograr el propósito del tratamiento. Según los datos, los iones de hidróxido de sustancias alcalinas como el hidróxido de calcio pueden precipitar con iones metálicos, lo que puede eliminar del 90% al 99% de los metales pesados del lixiviado y del 20% al 40% de la DQO. El método de precipitación con piedras de guano de ave se utiliza ampliamente en los métodos de precipitación química. El método de precipitación con piedras de guano de ave, también conocido como método de precipitación con fosfato de amonio y magnesio, implica añadir Mg2+, PO43- y agentes alcalinos al lixiviado de la basura para reaccionar con determinadas sustancias y formar un precipitado. XZ Li et al. [13] añadieron MgCl2 · 6H2O y Na2HPO4 · 12H2O al lixiviado de la basura. Cuando la relación de Mg2+ a NH4+ a PO43- fue de 1:1:1 y el pH fue de 8,45-9, el nitrógeno amoniacal en el lixiviado original disminuyó de 5600 mg/L a 110 mg/L en 15 minutos. I. Ozturk et al. [14] utilizaron este método para tratar el lixiviado de la digestión anaeróbica. Cuando la DQO del afluente fue de 4024 mg/L y el nitrógeno amoniacal fue de 2240 mg/L, las tasas de eliminación del efluente alcanzaron el 50% y el 85%, respectivamente. B. Calli et al. [15] también lograron una tasa de eliminación del 98% del nitrógeno amoniacal utilizando este método. El método de precipitación química es simple de operar y el precipitado generado contiene componentes fertilizantes como N, P, Mg y materia orgánica. Sin embargo, el precipitado puede contener sustancias tóxicas y dañinas, que tienen peligros ambientales potenciales.
2.6 Método electroquímico
El método electroquímico es un proceso en el que los contaminantes en el lixiviado de la basura se someten directamente a reacciones electroquímicas en electrodos bajo la acción de un campo eléctrico, o experimentan reacciones redox utilizando · OH y ClO - generados en la superficie del electrodo. Actualmente, la oxidación electrolítica se utiliza comúnmente. PB Moraes et al. [19] utilizaron un reactor electrolítico continuo para tratar el lixiviado de la basura. Cuando el caudal del afluente fue de 2000 L/h, la densidad de corriente fue de 0,116 A/cm2, el tiempo de reacción fue de 180 min, la DQO del afluente fue de 1855 mg/L, el TOC fue de 1270 mg/L y el nitrógeno amoniacal fue de 1060 mg/L, las tasas de eliminación del efluente alcanzaron el 73%, 57% y 49%, respectivamente. NN Rao et al. [20] utilizó un reactor de electrodo de carbono tridimensional para tratar lixiviados con alta DQO (17-18400 mg/L) y alto nitrógeno amoniacal (1200-1320 mg/L). Después de 6 horas de reacción, la tasa de eliminación de DQO fue del 76% -80%, y la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal podría alcanzar hasta el 97%. E. Turro et al. [21] estudiaron los factores que afectan el tratamiento de oxidación electrolítica de lixiviados de vertederos, utilizando Ti/IrO2-RuO2 como electrodo y HClO4 como electrolito. Los resultados mostraron que el tiempo de reacción, la temperatura de reacción, la densidad de corriente y el pH fueron los principales factores que afectaron el efecto del tratamiento. En condiciones de temperatura de 80 ℃, densidad de corriente de 0,032 A/cm2 y pH=3, el tiempo de reacción fue de 4 horas y la DQO disminuyó de 2960 mg/L a 294 mg/L, el TOC disminuyó de 1150 mg/L a 402 mg/L y la tasa de eliminación de color podría alcanzar el 100%. El método electroquímico tiene un proceso simple, una fuerte capacidad de control, un tamaño reducido y no genera contaminación secundaria durante el proceso de tratamiento. La desventaja es que consume electricidad y tiene altos costos de tratamiento. Actualmente, la mayoría de ellos se encuentran en escala de investigación de laboratorio.
2.7 Oxidación fotocatalítica
La oxidación fotocatalítica es un nuevo tipo de tecnología de tratamiento de agua que es mejor para tratar ciertos contaminantes especiales que otros métodos y, por lo tanto, tiene buenas perspectivas de aplicación en el tratamiento profundo de lixiviados de basura. El principio de este método es agregar una cierta cantidad de catalizador a las aguas residuales, generar radicales libres bajo la irradiación de la luz y utilizar la fuerte propiedad oxidante de los radicales libres para lograr el objetivo del tratamiento. Los catalizadores utilizados en la oxidación fotocatalítica incluyen principalmente dióxido de titanio, óxido de zinc y óxido de hierro, entre los cuales el dióxido de titanio es ampliamente utilizado. DE Meeroff et al. [22] realizaron experimentos sobre la oxidación fotocatalítica de lixiviados utilizando TiO2 como catalizador. Después de 4 horas de oxidación fotocatalítica ultravioleta, la tasa de eliminación de DQO del lixiviado alcanzó el 86%, la relación B/C aumentó de 0,09 a 0,14, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniaco fue del 71% y la tasa de eliminación de cromaticidad fue del 90%; Una vez completada la reacción, se puede recuperar el 85% de TiO2. R. Poblete et al. [23] utilizaron subproductos de la industria del dióxido de titanio (compuestos principalmente de TiO2 y Fe) como catalizadores y los compararon con TiO2 comercial en términos de tipo de catalizador, tasa de eliminación de materia orgánica recalcitrante, carga de catalizador y tiempo de reacción. Los resultados mostraron que el subproducto tenía mayor actividad y mejor efecto de tratamiento, y podría usarse como catalizador para la oxidación fotocatalítica. Un estudio ha encontrado que el contenido de sales inorgánicas puede afectar la efectividad de la oxidación fotocatalítica en el tratamiento de lixiviados de basura. J. Wiszniowski et al. [24] estudiaron el efecto de las sales inorgánicas en la oxidación fotocatalítica de ácido húmico en lixiviados usando TiO2 suspendido como catalizador. Cuando solo están presentes Cl - (4500 mg/L) y SO42- (7750 mg/L) en el lixiviado de basura, no afecta la eficiencia de oxidación fotocatalítica del ácido húmico, pero la presencia de HCO3- reduce en gran medida la eficiencia de oxidación fotocatalítica. La oxidación fotocatalítica tiene las ventajas de una operación simple, bajo consumo de energía, resistencia a la carga y ninguna contaminación. Sin embargo, para ponerla en funcionamiento práctico, es necesario estudiar el tipo y diseño del reactor, la eficiencia y la vida útil del catalizador y la tasa de utilización de la energía luminosa.
2.8 Ósmosis inversa (OI)
La membrana de ósmosis inversa tiene selectividad hacia los disolventes, utilizando la diferencia de presión en ambos lados de la membrana como fuerza impulsora para superar la presión osmótica de los disolventes, separando así varias sustancias en el lixiviado de la basura. Fangyue Li et al. [25] utilizaron una membrana de ósmosis inversa en espiral para tratar el lixiviado del vertedero de Kolenfeld en Alemania. La DQO disminuyó de 3100 mg/L a 15 mg/L, el cloruro disminuyó de 2850 mg/L a 23,2 mg/L y el nitrógeno amoniacal disminuyó de 1000 mg/L a 11,3 mg/L; las tasas de eliminación de iones metálicos como Al3+, Fe2+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, etc. superan el 99,5%. Las investigaciones han demostrado que el pH tiene un impacto en la eficiencia de eliminación del nitrógeno amoniacal. LD Palma et al. [26] primero destiló el lixiviado de la basura y luego lo trató con una membrana de ósmosis inversa, reduciendo la DQO del afluente de 19000 mg/L a 30,5 mg/L; la tasa de eliminación de nitrógeno amoniaco es más alta a un pH de 6,4, disminuyendo de 217,6 mg/L a 0,71 mg/LM R et al. [27] realizó un experimento piloto sobre la purificación de lixiviados de la basura utilizando membranas de ósmosis inversa continuas de dos etapas y descubrió que la tasa de eliminación de nitrógeno amoniaco era más alta cuando el pH alcanzaba 5, disminuyendo de 142 mg/L a 8,54 mg/L. El método de ósmosis inversa tiene una alta eficiencia, una gestión madura y es fácil de controlar automáticamente, y se está aplicando cada vez más en el tratamiento de lixiviados de la basura. Sin embargo, el costo de la membrana es relativamente alto y se requiere un pretratamiento del lixiviado antes de su uso para reducir la carga de la membrana, de lo contrario, la membrana es propensa a la contaminación y el bloqueo, lo que resulta en una fuerte disminución de la eficiencia del tratamiento.
2.9 Nanofiltración (NF)
La membrana NF tiene dos características significativas: tiene una estructura microporosa de aproximadamente 1 nm, que puede interceptar moléculas con un peso molecular de 200-2000 u; La membrana NF en sí está cargada y tiene una cierta tasa de retención de electrolitos inorgánicos. HK Jakopovic et al. [28] compararon la eliminación de materia orgánica en lixiviados de vertederos utilizando tres tecnologías: NF, UF y ozono. Los resultados mostraron que, en condiciones de laboratorio, diferentes membranas UF podrían lograr una tasa de eliminación de DQO del 23% para la nueva canción de Jay Chou; La tasa de eliminación de DQO por ozono puede alcanzar el 56%; La tasa de eliminación de las nuevas canciones de Jay Chou en DQO por NF puede alcanzar el 91%. NF también tiene un efecto de eliminación relativamente ideal sobre los iones en el lixiviado. LB Chaudhari et al. [29] utilizaron NF-300 para tratar electrolitos en lixiviados envejecidos del vertedero de Gujarat en la India. Los niveles de sulfato en las dos aguas experimentales fueron 932 y 886 mg/L, respectivamente, y los iones de cloruro fueron 2268 y 5426 mg/L, respectivamente. Los resultados experimentales mostraron que las tasas de eliminación de sulfato fueron 83% y 85%, respectivamente, y las tasas de eliminación de iones de cloruro fueron 62% y 65%, respectivamente. El estudio también encontró que las tasas de eliminación de Cr3+, Ni2+, Cu2+ y Cd2+ por membrana NF alcanzaron 99%, 97%, 97% y 96%, respectivamente. NF combinado con otros procesos tiene mejores efectos post-tratamiento. T. Robinson [30] utilizó el proceso combinado MBR+NF para tratar el lixiviado de Beacon Hill, Reino Unido. La DQO disminuyó de 5000 mg/L a menos de 100 mg/L, el nitrógeno amoniacal disminuyó de 2000 mg/L a menos de 1 mg/L y el SS disminuyó de 250 mg/L a menos de 25 mg/L. La tecnología NF tiene un bajo consumo de energía, una alta tasa de recuperación y un gran potencial. Pero el mayor problema es que la membrana se incrustará después de un uso prolongado, lo que afectará su rendimiento, como el flujo de la membrana y la tasa de retención. Se necesita más investigación para aplicarla a la práctica de la ingeniería.
3 Conclusión
Las tecnologías de tratamiento físico y químico mencionadas anteriormente pueden lograr ciertos resultados, pero también existen muchos problemas, como la regeneración de adsorbentes, la recuperación de catalizadores de oxidación fotocatalítica, el alto consumo de energía de los métodos electroquímicos y el ensuciamiento de las membranas. Por lo tanto, es difícil que el lixiviado de la basura cumpla con los estándares nacionales de emisión a través de un solo tratamiento físico y químico, y su proceso de tratamiento debe ser una combinación de múltiples tecnologías de tratamiento. El proceso de tratamiento completo del lixiviado de basura general debe incluir tres partes: pretratamiento, tratamiento principal y tratamiento profundo. Los métodos de pretratamiento como soplado, precipitación por coagulación y precipitación química se utilizan comúnmente para eliminar iones de metales pesados, nitrógeno amoniaco, cromaticidad o mejorar la biodegradabilidad del lixiviado de la basura. El tratamiento principal debe adoptar procesos de bajo costo y alta eficiencia, como métodos biológicos, oxidación química y otros procesos combinados, con el objetivo de eliminar la mayor parte de la materia orgánica y reducir aún más el contenido de contaminantes como el nitrógeno amoniaco. Luego de las dos primeras etapas de tratamiento, aún pueden existir ciertos contaminantes, por lo que es necesario un tratamiento profundo, el cual puede lograrse mediante métodos como oxidación fotocatalítica, adsorción, separación por membranas, etc.
Debido a la compleja composición del lixiviado y su variabilidad en el tiempo y la ubicación, en la ingeniería práctica, es necesario medir primero la composición y analizar sus características en detalle antes de tratar el lixiviado, y seleccionar las técnicas de tratamiento adecuadas. En la actualidad, las tecnologías de tratamiento para el lixiviado de la basura tienen sus propias ventajas y desventajas. Por lo tanto, la modernización y transformación de las tecnologías existentes, el desarrollo de tecnologías de tratamiento nuevas y eficientes y el fortalecimiento de la investigación y el desarrollo de integración entre diferentes tecnologías (como la integración de la tecnología de oxidación fotocatalítica y la tecnología de tratamiento bioquímico, la integración del método de precipitación y el tratamiento con membranas), con el fin de mejorar la eficiencia general del tratamiento del lixiviado y reducir los costos de inversión y operación, serán el foco de la investigación futura sobre el lixiviado de la basura.
