采用CASS工艺协同处理渗滤液与城镇污水的准入负荷

曾晓岚，丁文川，徐洲，张勤，张智

(重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045)

三峡库区蓄水对库区水体环境的保护提出了更高要求。对渗滤液进行有效收集和妥善处理，是垃圾填埋场亟待解决的环境问题[1]。目前，将晚期垃圾渗滤液按一定比例与邻近小城镇生活污水协同处理，因技术可行，经济合理，实用性强，可作为生活垃圾渗滤液处理的有效方法[2]，并且在其接入量不超过允许范围时，污水处理厂能够正常运行[3]。由于渗滤液水质特性在不同填埋场差别较大，且即使在同一填埋场其季节性波动也比较大[4]。虽然在污水厂运行管理中控制渗滤液的体积混合比具有较好的操作性，但是，由于渗滤液的水质波动较大，相应于同一体积混合比的渗滤液中有机污染物含量差别较大，因此，即使对渗滤液混合比进行控制，依然会对污水厂的正常运行带来冲击[5-6]。为了提供一个保障系统正常运行的相对稳定控制指标，本文作者引入准入负荷概念，针对典型的污水处理CASS工艺，通过研究渗滤液与城镇污水进行直接协同处理以及渗滤液经MAP法预处理后与城镇污水进行协同处理情况下的渗滤液最大CODcr和TN准入负荷，以准确量化不同情况下渗滤液能够接入CASS工艺并与城镇污水协同处理的最大负荷量，从而为对进入污水处理厂的污染负荷进行有效控制提供可靠的数据支持[7-8]。

1 试验材料、装置与方法

1.1 试验材料及装置

本研究采用的CASS反应器有效容积为208 L，反应池长为1.32 m(其中生物选择区长为0.12 m，缺氧区长为0.12 m，主反应区长为1.08 m)，宽为0.40 m，高为0.50 m(有效水深为0.40 m)，进水流量为100 L/h。反应装置如图1所示。

试验用污泥取自重庆市江北区唐家沱污水处理厂二次曝气池出口。

图1 CASS反应器Fig.1 CASS reactor

1.2 试验方法

1.2.1 试验水样

试验采用渗滤液取自重庆市黑石子垃圾填埋场，属于晚期渗滤液，CODcr、氨氮、TN和TP平均质量浓度分别为5 100.00，2 141.45，3 233.60和24.28 mg/L；污水采用重庆大学校内生活污水，CODcr、氨氮、TN和TP平均质量浓度分别为185.00，46.03，48.72和3.57 mg/L。

1.2.2 试验内容

CASS工艺采用间接运行模式[9]，其运行参数为曝气2.0 h，沉淀1.0 h，浸水0.5 h，闲置充水0.5 h，试验1周期为4 h，每天共6个周期。对每周期的进、出水指标进行分析，每次取水做平行样，最终结果取2次的平均值。因适宜的污泥负荷有利于提高CODcr和氨氮的去除率，同时有利于减少剩余污泥的排放[10]，本研究将CASS反应器中污泥质量浓度保持在2 500～3 500 mg/L，好氧区溶解氧浓度稳定在2～3 mg/L，待CASS反应器处理生活污水的出水常规指标稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标后进行试验。在对垃圾渗滤液与城镇污水进行直接协同处理时，采用体积混合比(即渗滤液占混合液的混合比)0.50%，1.00%，1.50%，2.00%，2.50%，3.00%和3.50%；当渗滤液经MAP法预处理后，其生化性大大提高，故可提高进行协同处理的体积混合比范围，即采用体积混合比1.00%，2.50%，3.00%，3.50%，4.00%和5.00%，以确定相应的准入负荷。由于对生物处理系统来说，CODcr和TN是出水中较难达标的参数[11]，因此，本文选择其作为准入负荷的研究对象，即考察CODcr与TN准入负荷随不同渗滤液混合比的变化，探讨CASS工艺对垃圾渗滤液的最大CODcr和TN准入负荷。

1.2.3 主要测定指标与方法

本研究的检测参数见表1。

表1 检测项目及方法Table1 Detecting items and methods

2 结果与讨论

2.1 准入负荷的概念

为给接纳垃圾渗滤液进行协同处理的污水处理工艺提供一个稳定的有效控制指标，本文在每立方米池容积每日负担有机物量的容积负荷[12]概念基础上，提出准入负荷概念，即在达标排放的前提下，工艺系统在处理城镇污水的同时，能够额外接纳的每立方米池容积每日负担的有机物量，计量单位通常以kg/(m3·d)表示。计算方法为：将《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级B标准所规定的标准质量浓度减去经反应后的出水质量浓度，再乘以进水流量后除以反应器有效容积，即得所规定标准下的准入负荷Fz，其计算表达式如下：

式中：ρ0为标准排放质量浓度，mg/L；ρ2为出水质量浓度，mg/L；Q为进水流量，m3/d；V为反应器有效池容，m3

2.2 渗滤液与城镇污水采用CASS工艺协同处理的CODcr准入负荷

CASS工艺直接协同处理不同体积混合比渗滤液与城镇污水的CODcr去除效能如图2所示。

图2 CASS工艺直接协同处理不同混合比渗滤液与城镇污水的CODcr去除效能Fig.2 CODcr removal of leachate and domestic wastewater with different volume ratios by CASS direct co-treatment

由图2可见：随着渗滤液占混合液的体积混合比的增加，出水CODcr质量浓度上升趋势明显；当单独处理城镇污水时，出水CODcr平均质量浓度为25 mg/L，当体积混合比为0.50%时，出水CODcr平均质量浓度提高1.5 mg/L；随着体积混合比增至3.50%，出水CODcr平均质量浓度达到63 mg/L，超出《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中CODcr一级B标规定的60 mg/L。其相应的去除率也明显降低，原因可能是垃圾渗滤液过高的有机负载影响了CASS工艺的生化系统。

在渗滤液占混合液的不同体积混合比下，CODcr准入负荷与CASS工艺直接协同处理出水CODcr质量浓度关系如图3所示。

图3 相应不同体积混合比的CODcr准入负荷与CASS工艺直接协同处理出水CODcr浓度关系Fig.3 CODcr mass concentration of effluent and CODcr entry load with different volume ratios by CASS direct co-treatment

从图3可知：随着体积混合比的增加，CASS工艺相应的CODcr准入负荷逐渐减小；当体积混合比取值小于等于3.00%时，出水CODcr质量浓度均可达到一级B标规定(60 mg/L)，根据式（1）计算得出的CODcr准入负荷为正值，即CASS工艺仍能继续接纳CODcr负荷量，若体积混合比超出3.00%，出水CODcr质量浓度超过60 mg/L，即3.00%为该研究中最大体积混合比，根据式（1）计算得出的CODcr准入负荷为负值，即CASS工艺不能再接纳CODcr负荷量，其出水CODcr质量浓度超出标准范围的量为与之横坐标对应数值的绝对值，此时渗滤液与城镇污水采用CASS工艺进行直接协同处理的效果受到影响。在最大体积混合比3.00%时，CASS工艺仍能够接纳的CODcr负荷量为23.0 g/(m3·d)，即最大CODcr准入负荷为23.0 g/(m3·d)。

当渗滤液经MAP法预处理后与城镇污水混合，采用CASS工艺协同处理，在不同体积混合比下，CODcr准入负荷与CODcr出水质量浓度关系如图4所示。由图4可见：CODcr准入负荷均随体积混合比的增大而增大，当体积混合比达到3.50%时，出水CODCr平均质量浓度超出《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级B标规定的60 mg/L。即3.00%为最大体积混合比，根据式(1)计算得出此时的CODcr准入负荷已为负值，CASS工艺不能再接纳CODcr负荷量。在最大体积混合比3.00%时，CASS工艺仍能够接纳的CODcr负荷量为27.0 g/(m3·d)，即最大CODcr准入负荷为27.0 g/(m3·d)。

通过对CODcr准入负荷的研究发现：由于MAP法对CODcr 基本上没有去除率，所以，在渗滤液预处理前后，CODcr质量浓度变化不大。CASS工艺在对垃圾渗滤液与城镇污水的混合液进行直接协同处理以及对经磷酸铵镁沉淀法(MAP法)预处理后的渗滤液与城镇污水混合液进行协同处理时，随着体积混合比的提高，其能够承担的渗滤液负荷量均随之降低，且在最大体积混合比时渗滤液最大CODcr准入负荷相差不大，后者较前者仅提高14.81%。

图4 渗滤液预处理后，相应不同混合比的CODcr准入负荷与CASS工艺协同处理出水CODcr浓度关系Fig.4 CODcr mass concentration of effluent and CODcr entry load with different volume ratios by CASS co-treatment after leachate pretreatment

2.3 渗滤液与城镇污水采用CASS工艺协同处理的TN准入负荷

污水处理厂在处理城镇生活污水时，脱氮本身便是处理的难题[13-14]，而当城镇污水与高氨氮质量浓度的垃圾渗滤液混合以后，氨氮负荷大大增加。过高的氨氮质量浓度不但会抑制系统中微生物的活性，影响CASS工艺的正常运行，还会使整个系统中C和N质量浓度比严重失衡，此时系统中的反硝化菌不仅将有机物用作电子供体进行反硝化反应，还将其用于合成细胞物质[15]。因此，尽管CASS工艺有良好的硝化效果，但有机碳源不足，硝化过程就会受到抑制，从而影响脱氮效果。由图5可知：当渗滤液投加比例增加至1%时，出水TN平均质量浓度稳定在34.99 mg/L；当渗滤液体积混合比继续增加至2.50%时，出水TN平均质量浓度达94.35 mg/L，均远远超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标规定的TN质量浓度20 mg/L。实际上，在渗滤液投加比例为0.50%时，TN质量浓度便已超过排放标准，并且TN去除率在混合比为1.00%，2.00%和2.50%时出现大幅度下降，分别为55%，45%和30%。

图5 CASS工艺直接协同处理不同体积混合比渗滤液与城镇污水的TN去除效能Fig.5 TN removal of leachate and domestic wastewater with different volume ratios by CASS direct co-treatment

由此可知：采用CASS工艺对渗滤液进行协同处理可使主要污染物达标排放。TN是一个重要的限制性指标，因为渗滤液中氨氮含量质量浓度很高，往往加入少量渗滤液，会带来极高的冲击负荷，造成CASS工艺不能正常运行。当然，对工艺脱氮效果的影响除了冲击负荷因素以外，进水中的碳源问题也是关系到反硝化效果的主要影响因素之一[16]。因此，本文对不同CODcr与TN质量浓度比下出水中TN质量浓度变化情况进行考察，并根据式(1)计算相应于不同混合比的渗滤液TN准入负荷。渗滤液TN准入负荷、出水TN质量浓度与混合液CODcr与TN质量浓度比的关系如图6所示。由图6可知：随着渗滤液体积混合比的增加，CODcr与TN质量浓度比逐渐减小，可生化性降低，出水TN质量浓度大幅度提高；在渗滤液体积混合比为0.50%时，对应的TN准入负荷点刚好处于其标准出水质量浓度线下方，故可以将0.50%作为最大体积混合比。 在最大体积混合比0.50%时，根据式(1)计算得，CASS工艺仍能够接纳的TN负荷量为2.8 g/(m3·d)，即最大 TN准入负荷为2.8 g/(m3·d)。

当渗滤液经过MAP法预处理后，95%以上的氨氮被去除，出水中氨氮质量浓度明显下降，在与城镇污水混合，采用CASS工艺进行协同处理时，营养比例和碳源分别得到了调整和补充，渗透液的毒性被稀释，生化性能也得到改善，C和N质量浓度比均处在可生化性范围内，所以，处理效能明显提升。由式(1)计算出相应于不同体积混合比的TN准入负荷，获得渗滤液经MAP法预处理后在不同混合比时TN准入负荷、出水TN质量浓度与混合液CODcr/TN的关系如图7所示。由图7可知：当体积混合比2.50%时，出水TN质量浓度依然在一级B标规定的20 mg/L以下，即体积混合比2.50%为最大体积混合比，随着体积混合比增加至3%时，出水TN质量浓度超过一级B标排放标准。根据式(1)计算出相应于渗滤液体积混合比为2.50%时，CASS工艺仍能接纳的TN负荷量为17.0 g/(m3·d)，即最大TN准入负荷为17.0 g/(m3·d)。由此可知：与直接协同处理相比，在最大体积混合比提高至2.50%时，CASS工艺仍能接纳相应的TN负荷量，即在各自不同的最大体积混合比条件下，经MAP法预处理后进行协同处理的渗滤液具有更高的最大TN准入负荷，即最大TN准入负荷与直接协同处理相比提高83.53%。

图6 CASS工艺直接协同处理TN准入负荷、出水TN质量浓度与混合液CODcr/TN比的关系Fig.6 Relationship of CODcr entry load, TN concentration and mass concentration ratio of CODcr to TN by CASS direct co-treatment

图7 CASS工艺协同处理预处理后渗滤液与城镇污水的TN准入负荷、出水TN质量浓度与混合液CODcr/TN质量浓度比的关系Fig.7 Relationship of TN entry load, TN mass concentration and mass concentration ratio of CODcr to TN by CASS co-treatment after leachate pretreatment

3 结论

(1)CASS工艺对垃圾渗滤液与城镇污水的混合液进行直接协同处理时，渗滤液的最大CODcr准入负荷为23.0 g/(m3·d)，最大TN准入负荷为2.8 g/(m3·d)。

(2)CASS工艺对经MAP法预处理后的垃圾渗滤液与城镇污水的混合液进行协同处理时，渗滤液的最大CODcr准入负荷为27.0 g/(m3·d)，最大TN准入负荷为17.0 g/(m3·d)。

(3)采用MAP法对垃圾渗滤液进行预处理，可有效提高CASS工艺协同处理渗滤液与城镇污水时渗滤液最大TN准入负荷(提高83.53%)，但对最大CODcr准入负荷的提高作用不大(仅提高14.81%)。

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