Treatment of sanitary landfill leachates

Abstract

Sanitary landfill leachate (SLL) is produced extensively in sanitary landfills and is loaded with hazardous substances, causing serious risks to both living organisms and the environment. In recent years, numerous processes, either single or combined, have been implemented to treat this hazardous wastewater. However, the treatment of raw leachate is very challenging due to the complexity of its composition. In almost all processes applied to treat raw landfill leachate, the quality of the final effluent did not fully comply with the discharge limits imposed by environmental regulations for release into a water body, while the combined systems developed consisted of mostly expensive processes. The objective of the current PhD thesis is to treat real sanitary landfill leachates using single and combined processes, which are environmentally friendly, easy to operate, cost-effective and highly effective in removing pollutants from raw landfill leachate. Initially, a naturally occurring zeolite was examined for the simultaneous removal of ammonium nitrogen (NH4+-N), dissolved chemical oxygen demand (d-COD) and color from raw SLL in batch adsorption (AD) experiments, where several operational parameters were applied. Saturation, desorption and regeneration tests of zeolite were performed. Mechanistic information for NH4+-N was also obtained by fitting adsorption/desorption data to kinetic and isotherm models using both linear and non-linear methods. Additional information regarding the assessment of the pathway of pollutants uptake was obtained by zeolite particles after adsorption, saturation, regeneration and desorption processes using scanning electron microscopy (SEM), powder X- ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In a second stage, the efficiency of a naturally occurring palygorskite as an adsorbent for the simultaneous removal of color, d‐COD and NH4+-N from raw SLL was investigated. Operational parameters for adsorption process were also examined in batch adsorption experiments. Saturation and desorption studies of palygorskite were also performed for all three pollutants simultaneously. Natural palygorskite was then combined with natural zeolite in both single and sequential adsorption arrangements to evaluate possible enhancement of the treatment efficiency in terms of the simultaneous removal of color, d-COD and ΝΗ4+-Ν. After adsorption, saturation and desorption, the palygorskite solids were characterized using XRD, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), XPS, SEM, energy dispersive spectroscopy (EDS), measurements of BET specific surface area (SSA), and the zeta potential of the suspended particles. Next, a parametric evaluation of the electrocoagulation (EC) process on raw SLL was performed to optimize the process. Then, hybrid systems consisting of EC and AD (with natural zeolite and/or natural palygorskite) were developed using the optimal conditions of both processes to effectively treat raw SLL. The efficiency of the systems was examined in terms of simultaneous removal of color, d-COD, nitrate nitrogen (NO3--N) and NH4+-N. In particular, the optimal arrangement of the combined EC and AD system using zeolite (ADzeo) was assessed by changing the sequence of the two processes. Then, AD process using palygorskite (ADpal) was integrated into the first or middle stage of the optimum hybrid EC and ADzeo system determined, thus resulting in the implementation of two more hybrid systems: ADpal-ADzeo-EC and ADzeo-ADpal-EC. Lastly, the effectiveness of a three-stage pilot approach using adsorption (AD), electrocoagulation (EC) and biological (BIO) processes for the treatment of raw SLL was investigated. Initially, column adsorption experiments with natural zeolite were performed to examine the removal of toxic NH4+-N using different initial NH4+-N concentrations and recirculation flow rates. Two sequential treatment scenarios were then examined, i.e., AD-EC-BIO and AD-BIO-EC, to determine which achieved the highest removal of pollutants and leachate toxic potential based on Thamnocephalus platyurus bioassay.

Τεράστιες ποσότητες στραγγισμάτων παράγονται στους χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων (ΧΥΤΑ), τα οποία εμπεριέχουν επικίνδυνα συστατικά, προκαλώντας δυσμενείς επιπτώσεις τόσο στους ζωντανούς οργανισμούς, όσο και το περιβάλλον. Τα τελευταία χρόνια, πολυάριθμες διεργασίες, είτε μεμονωμένες είτε συνδυαστικές, έχουν εφαρμοστεί για την επεξεργασία του επιβλαβούς αυτού υγρού αποβλήτου. Ωστόσο, η επεξεργασία του στραγγίσματος ΧΥΤΑ είναι ιδιαίτερα δύσκολη λόγω της μεταβλητής χημικής του σύστασης, και στις περισσότερες διεργασίες που έχουν εφαρμοστεί, η τελική απορροή που προκύπτει δεν συμμορφώνεται πλήρως με τα όρια απόρριψης που επιβάλλονται από τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς για την απελευθέρωση της σε φυσικό υδάτινο αποδέκτη. Επιπλέον, οι διεργασίες που έχουν χρησιμοποιηθεί σε υβριδικά συστήματα και έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία, ήταν ως επί το πλείστον δαπανηρές.Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η επεξεργασία πραγματικού (ακατέργαστου) στραγγίσματος ΧΥΤΑ, χρησιμοποιώντας μεμονωμένες και συνδυαστικές διεργασίες οι οποίες είναι περιβαλλοντικά φιλικές, απλές στην λειτουργία τους, οικονομικές καθώς και ιδιαίτερα αποδοτικές ως προς την απομάκρυνση ρύπων από το στράγγισμα.Αρχικά, μελετήθηκε η προσροφητική ικανότητα ενός φυσικού ζεόλιθου ως προς την ταυτόχρονη πρόσληψη αμμωνιακού αζώτου (NH4+-N), διαλυμένου χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (d-COD) και χρώματος από ακατέργαστο στράγγισμα ΧΥΤΑ σε πειράματα προσρόφησης διαλείποντος έργου. Κατά την διεργασία της προσρόφησης, εξετάστηκαν διάφορες λειτουργικές παράμετροι για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών. Επίσης, διεξήχθησαν μελέτες κορεσμού, εκρόφησης και αναγέννησης του ζεόλιθου. Μηχανιστικές πληροφορίες για το NH4+-N ελήφθησαν με την προσαρμογή δεδομένων προσρόφησης/εκρόφησης σε μοντέλα κινητικής και ισόθερμης, χρησιμοποιώντας γραμμική και μη-γραμμική μέθοδο. Πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με την αξιολόγηση της οδού πρόσληψης ρύπων λήφθηκαν από δείγματα ζεόλιθου μετά από τις διεργασίες προσρόφησης, κορεσμού, αναγέννησης και εκρόφησης, τα οποία χαρακτηρίστηκαν με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), φασματοσκοπίας περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και φωτοηλεκτρονιακής φασματοσκοπίας ακτίνων X (XPS). Σε ένα δεύτερο στάδιο, μελετήθηκε η αποδοτικότητα ενός φυσικού παλυγορσκίτη ως προς την ταυτόχρονη απομάκρυνση χρώματος, d-COD και NH4+-N από ακατέργαστο στράγγισμα ΧΥΤΑ, σε πειράματα προσρόφησης διαλείποντος έργου. Επιπλέον, εξετάστηκαν διάφοροι λειτουργικοί παράμετροι κατά την διάρκεια των πειραμάτων προσρόφησης σε παλυγορσκίτη. Μελέτες κορεσμού και εκρόφησης του παλυγορσκίτη υλοποιήθηκαν ταυτόχρονα για τους τρεις ρύπους. Εν συνεχεία, ο φυσικός παλυγορσκίτης συνδυάστηκε με τον φυσικό ζεόλιθο τόσο σε μεμονωμένα όσο και σε συνδυαστικά πειράματα προσρόφησης για να εκτιμηθεί πιθανή βελτίωση της απόδοσης της διεργασίας ως προς την ταυτόχρονη απομάκρυνση χρώματος, d-COD και NH4+-N. Μετά τις διεργασίες της προσρόφησης, κορεσμού και εκρόφησης, τα αντίστοιχα δείγματα παλυγορσκίτη χαρακτηρίστηκαν με τις τεχνικές XRD, Φασματοσκοπίαs Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FTIR), XPS, SEM, φασματοσκοπίας διασποράς ενέργειας (EDS), καθώς και με μετρήσεις της ειδικής επιφάνειας (SSA) BET και του δυναμικού ζήτα των αιωρούμενων σωματιδίων.Ακολούθως, διεξήχθη παραμετρική μελέτη στην διεργασία της ηλεκτροκροκκίδωσης (EC) χρησιμοποιώντας ακατέργαστο στράγγισμα ΧΥΤΑ, για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών της EC. Έπειτα, αναπτύχθηκαν υβριδικά συστήματα αποτελούμενα από τις διεργασίες της EC και της AD (με φυσικό ζεόλιθο ή/και παλυγορσκίτη), στοχεύοντας στην αποτελεσματική επεξεργασία του στραγγίσματος. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η απόδοση των συνδυασμένων συστημάτων ως προς την ταυτόχρονη απομάκρυνση χρώματος, d-COD, νιτρικού αζώτου (NO3--N) και NH4+-N. Η βέλτιστη διάταξη του συστήματος EC και AD σε ζεόλιθο (ADzeo) εξετάστηκε αλλάζοντας την διαδοχική σειρά των δύο διεργασιών. Μετά την εύρεση του βέλτιστου συστήματος EC και ADzeo, πραγματοποιήθηκε η ενσωμάτωση της διεργασίας της προσρόφησης σε παλυγορσκίτη (ADpal) στο πρώτο ή ενδιάμεσο στάδιο του βέλτιστου συστήματος, οδηγώντας επομένως στην εφαρμογή δύο επιπλέον υβριδικών συστημάτων: ADpal-ADzeo-EC και ADzeo-ADpal-EC. Στο τελευταίο στάδιο, διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα μιας προσέγγισης τριών σταδίων σε πιλοτική κλίμακα, χρησιμοποιώντας τις διεργασίες της προσρόφησης (AD), ηλεκτροκροκκίδωσης (EC) και της βιολογικής επεξεργασίας (BIO). Αρχικά, υλοποιήθηκαν πειράματα προσρόφησης σε στήλη πληρωμένη με φυσικό ζεόλιθο προκειμένου να εξεταστεί η απομάκρυνση του τοξικού NH4+-N από το ακατέργαστο στράγγισμα, χρησιμοποιώντας διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις NH4+-N του στραγγίσματος και διαφορετικούς ρυθμούς ροής ανακυκλοφορίας. Ακολούθως, μελετήθηκαν δύο διαδοχικά υβριδικά συστήματα, AD-EC-BIO και AD-BIO-EC, για την επεξεργασία του ακατέργαστου στραγγίσματος ΧΥΤΑ, προκειμένου να προσδιοριστεί το σύστημα που επιτυγχάνει τόσο την υψηλότερη αφαίρεση των εξεταζόμενων ρύπων όσο και την υψηλότερη μείωση της τοξικότητας με τη χρήση του ανόστρακου καρκινοειδούς των γλυκών υδάτων Thamnocephalus platyurus.