常州某垃圾填埋场渗滤液处理工程实例

2020-03-12溧阳中材环保有限公司常州213000

化工设计 2020年1期

溧阳中材环保有限公司常州 213000

垃圾渗滤液是垃圾在堆放和填埋的过程中由于压实、发酵等生物化学降解作用，同时在降水和地下水的渗流作用下与垃圾自身产生的液体混合形成的一种高浓度有机或无机成分的液体。

本次工艺研究处理的垃圾渗滤液来源为常州某生活垃圾填埋场，渗滤液主要来源有三个部分，即垃圾本身含有的和填埋过程中发生生物反应生成的水分、填埋区内的雨水汇集和浅层地表渗流水。影响垃圾渗滤液生产量和成份的因素很多，主要包括垃圾成份、温度气候条件、年平均降雨及垃圾填埋场的地质条件。还有一个重要因素，即垃圾填埋龄的影响尤为明显。垃圾渗滤液成份复杂，含有许多有害的有机物和重金属。对垃圾渗滤液做过抽样测定，有机污染物达到100多种，其中含有近20种难以生物降解的杂环类化合物和长链有机化合物。垃圾渗滤液含有较高浓度的有机物和氨氮，属于典型的难处理高浓度废水[1]。而且随着季度性降雨量和气温的变化，水质水量变化幅度很大，总体水质情况会随垃圾填埋龄的延长发生质的变化。垃圾填埋根据垃圾填埋年限分为：初期填埋场、成熟填埋场和老龄填埋场。3年以下的填埋场为初期填埋场，3至10年的为成熟填埋场，10年以上的为老龄填埋场[2]。此垃圾填埋场是成熟期的垃圾填埋场，COD和BOD浓度有所下降，但B/C比下降更明显，可生化性很差，而氨氮浓度较高，这个时期的渗滤液属于难处理垃圾渗滤液[3]。

1 组合工艺介绍

1.1 进出水质及工艺流程

此垃圾渗滤液处理站日处理量60～126吨，根据接收量和生产需求安排，执行《生活垃圾填埋污染控制标准》GB16889—2008标准，其进水水质和出水主要指标所允许的最高排放浓度见表1，出水部分回用，部分排放，RO浓水回灌填埋场，浓水产生量通过循环，可小于15%。

表1 工程进水水质及出水排放标准

针对此生活垃圾填埋场的渗滤液具体特征，尤其是高氨氮的特点，采用“A/O+MBR+RO”循环系统工艺，前置二级反硝化、硝化系统降解高分子有机物，除氮去磷，为后续处理减轻压力，缓解MBR膜和RO膜的损耗，延长膜寿命；后续MBR超滤和RO反渗透进一步过滤掉渗滤液中相对较大有机质或无机质，保证出水水质。其工艺流程图见图1。

图1 系统工艺流程

1.2 工艺介绍

1.2.1 调节及均质池

垃圾渗滤液由于受客观因素影响，其水质成分有较大波动，对于长期固定的循环系统有一定的冲击。为了缓解冲击和稳定水量，在系统最前面设计调节池和均质池。在均质池中可加入纯碱等药剂达到一个初期处理的稳定效果，通过便携式溶解氧测定仪609L测量其溶氧量为0.15～0.4mg/L，基本可看做厌氧环境，初步分解掉高分子碳水化合物、糖类、乙酸等成小分子有机物，同时也起到中和溶液、平衡酸碱度的效果。

1.2.2 A/O系统

A/O工艺是将前段反硝化系统和后段硝化系统串联起来，A1-O1-A2-O2，从一级反硝化池开始，到二级硝化池再进入MBR膜处理池，再回流至一级反硝化池继续生化循环处理，回流比为1.0～1.5。

A池溶解氧浓度测量为0.17～0.4mg/L，起到缺氧反硝化除氮作用，O池溶氧量3.5～4.6mg/L，起到硝化氧化氨氮和吸磷作用。由于渗滤液高氨氮而COD相对较低的特点，为了碳氮比达到3∶1至4∶1，需要补充一定的碳源为缺氧池中异养菌生存工作，碳源选用葡萄糖，1kg葡萄糖约折合COD为1.06kg。进水COD浓度在2500mg/L左右。如果实际投放的渗滤液COD占1000mg/L，则需要补充1000～1500mg/L的碳源，根据实际投放的渗滤液增加或减少，补充碳源的量相应改变。缺氧池中异养菌在碳源充足条件下将渗滤液中淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物降解为有机酸等，大分子有机物在此变成小分子有机物，不溶性有机物转化成可溶性有机物，可为氧池硝化作用提高可生化性，提高氧气的硝化效率；异养菌在缺氧的环境下可将蛋白质、脂肪等大分子有机物有机链上的N或氨基酸的氨基进行氨化，使氨游离出来，然后在充足氧气下，自养菌进行硝化作用，将氨氮一步步氧化成硝酸根离子，控制污水回流使其返回缺氧池，再通过反硝化作用将NO3-还原成分子态氮气进入大气，进行无污染处理，完成C、N、O的循环[4]。反硝化、硝化N的循环见图2。

图2 反硝化、硝化N的循环图

1.2.3 MBR膜系统

膜生物反应器是一种将膜分离技术与传统污水生物处理工艺有机结合的新型高效污水处理与回用工艺。通过和膜组件的高效分离作用，大幅提高了泥水分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中优势菌的出现，污泥龄长，提高了生化反应速率[5]。同时，该工艺能大幅减少剩余污泥的产量，基本解决了传统生物方法存在的剩余污泥产量大、占地面积大、运行效率低等突出问题。在膜生物反应器中，浸在好氧曝气区的中空纤维膜组成的膜组件，膜材质为聚偏氟乙烯，寿命长、抗污染性强、易清洗、适于污水处理。采用0.1微米的中空纤维膜孔径可以完全防止细菌通过，实现分离以及各种悬浮颗粒、细菌、藻类、浑浊度和COD的平均有效去除以及有机物的平均有效去除，保证出水水质良好悬浮物接近零。由于微滤膜近100%的菌种分离效果，曝气池内的生物浓度可达到10000mg/L以上，这样不仅提高了曝气池的抗冲击能力，也提高了负荷能力，大幅降低了所需曝气池容积，也降低了生化系统的投资成本。曝气鼓风机对反应池底部进行工作，保证了充足溶氧量对渗滤液进行硝化反应。污泥的高效截留效果使得生化污泥大量存在于整个工艺系统，减少污泥的流失，使得污泥龄变长，保证了硝化细菌的繁殖发育，有利于降解有机物，降低COD和氨氮。经过处理的污水通过回流泵再次回到各个生化池进行循环反复处理，确保出水水质达标，也减少对MBR膜组件的损耗和污染，增加了整个工艺系统的效率和寿命。多个好氧池的硝化系统也间接增加了整个系统的容错率，保证整个细菌的生存繁殖。

处理站采用鼓风机曝气，通过微生物的新陈代谢来去除污水中的污染物质，需12小时连续曝气，三台风机两用一备，可以通过手动和自动切换。正常运行时风机每1天自动切换一次，避免长期连续使用同一台风机。出现故障时应将风机设置为手动控制，使两台风机正常工作，另一台及时维修或更换。

1.2.4 RO膜系统

RO膜即反渗透膜，通过对处理后的污水加压，使得高浓度污水从RO膜透过进入低浓度水中。RO膜孔径极小，可达到纳米级(0.0001微米)，远小于一般有机质、无机盐重金属、胶体、细菌、病毒等物质，仅有水分子和部分矿物质能够透过，从而取得符合排放标准的出水。通过前期处理的污水已经得到很大程度上的净化，所以减少了RO膜的负荷和损耗。

2 运行数据整理分析

为了确保系统工艺长期稳定地运行，技术人员连续两个月对每天的渗滤液进出水水质进行全面化验检测。检测成分为：COD、总氮、总磷、氨氮、PH等，实验室主要的检测仪器为5B-1型COD快速测定仪和752N紫外可见光光度计。由于两个月的实验数据量较大，本次研究取研究过程中中间日期的连续十个工作日(实际九天)数据作为本次讨论的研究对象，其中COD和氨氮作为本次主要研究讨论对象，其他指标作为次要研究对象，如磷、PH等，图3为COD和氨氮进出水检测数据，进水为渗滤液原水，即未进入调节池未经过任何人为处理的污水，出水为经过整个系统处理的RO出水。

图3 COD、氨氮进出水检测数据

进水渗滤液中的COD浓度极其不稳定，最低只有1200mg/L，最高超过2600mg/L，但全部在渗滤液处理范围之内；进水氨氮浓度较高，全部超过1000mg/L，最低1011mg/L，最高1560mg/L，基本都在1300～1600mg/L范围，进水碳氮比严重失调；连续九天的出水指标全部达标，COD出水浓度最高62mg/L，平均51mg/L，出水氨氮浓度最高13.9mg/L，最低0.2mg/L，平均数据不到5mg/L，远低于标准氨氮出水标准。

为了了解整个工艺系统各环节处理效果，对进水、A/O出水、MBR出水及RO出水水质分别做了数据检测整理，并得到各个工艺的COD、氨氮的去除率、去除效果和数据，见表2。

表2 渗滤液进水及各个系统出水的数据指标 (单位mg/L)

由于A/O系统与MBR池串联并循环渗滤液处理，无法得到单独硝化反硝化的处理效果，A/O出水数据是取MBR池中的水并作分析；MBR出水是经过整个A/O+MBR膜组件处理的出水，其效果包括了前段兼氧调节和二级A/O的净水处理；RO反渗透系统则是整个系统最后的净化环节，也是达标最终出水的最后保障。

根据各个系统的出水检测数据，计算了COD及氨氮每个系统的去除率。A/O去除率就是A/O出水数据与进水数据作对比计算的结果，而MBR和RO去除率则是以进入各个系统的水质数据与排出水质作对比计算。比如7月1日的MBR系统COD去除率计算为：1-(256/562)=0.54，则MBR系统COD去除率为54%，连续九天的去除率数据整理见表3，各个系统的COD、氨氮平均去除率见表4

表3 各个工艺系统的COD及氨氮去除情况表

表4 各个工艺系统的平均去除率及总去除率数据表(%)

3 数据讨论及分析

3.1 出水COD及氨氮

通过表2的进出水水质数据可以看出，在COD和氨氮都低于系统设计的最大处理范围时，即使进水水质COD和氨氮数值波动较大，系统出水仍然不受影响，出水全部符合排放标准，说明此工艺处理渗滤液在成分变化较大的情况下仍然稳定，也说明采用多个工艺组合处理渗滤液承受水质变化能力较强，处理渗滤液容错率远高于单个工艺系统。对比进水COD为约1200mg/L和2500mg/L以上的出水数据可看出，进水水质的波动并不影响此系统出水水质。进水氨氮浓度在1000～1500mg/L范围时，数值波动较COD小得多，而出水水质虽然都符合排放标准，但波动较大，最小只有0.2mg/L，最大接近15mg/L，通过观察此两个月的其他数据也得到了证实。为此观察所有数据，测定A/O及MBR污泥的SV30、mlss、SVI等，得到初步结论：渗滤液中氨氮的去除基本全部依靠硝化、反硝化反应，MBR膜对于氨氮的去除能力很有限，而RO膜对于氨氮的处理缺乏保障，由于氨氮的多少使得RO截留存在问题，所以氨氮的总体去除率几乎完全要靠系统前段的A/O系统。而研究的过程中由于连续两次的排泥可能使缺氧池和好氧池中的微生物受到一定的冲击，而恢复之前的环境又需要一定时间，所以在恢复生态之前的数据检测可能会受到一定程度的影响，从而导致出水氨氮的不稳定。

3.2 COD去除情况

从表3和表4可以看出COD和氨氮在各个系统的处理情况、平均去除情况及总去除率，其中COD在A/O系统和RO系统的去除情况较好，去除率均在70%～80%之间，而在MBR系统去除COD情况较一般，平均只有45.51%。前段均质调节池偏厌氧的环境以及后面缺氧、好氧的循环系统的大环境均有去除COD的作用，首先在厌氧的环境下大分子有机物水解，长链环链的有机物的结构被破坏，降解为较小分子的有机物；小分子有机物进入缺氧环境得到进一步降解，使不溶性或难溶性的有机物变为可溶性有机物；在好氧池的自养菌进一步处理消耗，COD的浓度再一次降低，而从MBR池底部渗滤液反流至一级反硝化池中再一次循环处置，使进入MBR产水池的水中COD浓度得到最大程度上的降低。而本系统的MBR池的COD去除率有限，因为A/O池中的污水本身也在MBR曝气池中的好氧环境进行处理，MBR曝气池的好氧硝化的处理能力也被计算到A/O系统中，同时MBR膜组件起到的核心作用是截留活性污泥，使得A/O和MBR池中的污泥浓度、微生物数量损耗降低，增加污泥龄和水的停留时间，保证细菌的存活周期，而膜组件的超滤并不能对渗滤液中的小分子起到较大的过滤作用，所以MBR对于COD的去除效果从数据来看显得很低，但从整套工艺流程来看，MBR曝气池的进一步好氧硝化、膜组件对大分子截留保证污泥浓度对整个工程起到了承上启下必不可少的作用。

3.3 氨氮去除情况

氨氮在各个工艺中的去除率明显不同，A/O系统最高，去除率为98.15%；RO反渗透膜作用其次，为70.1%；MBR膜最低，只有27.34%，这样的数据结果也是在预料之内、符合实际理论的。整套处理工程针对高氨氮的特点专门设计了A/O系统，A/O系统中的反硝化、硝化作用对于除氮去磷有着高强度的效率保证，在第一轮A1-O1-A2-O2过程中就会使有机物氨化，氧化部分氨氮，还原部分硝酸根，经过一轮反硝化、硝化处理的渗滤液进入MBR处理后再回流至前段进行循环处理，所以A/O系统是此工艺系统去除氨氮浓度最有力的保障；MBR膜组件对于小分子的氨氮基本没有截留过滤作用，所以此工艺对于氨氮的去除没有数据上的实际意义；RO反渗透作用对于氨氮的平均去除率能达到70.1%，但是去除率的波动相当大，最大达到99%，使氨氮浓度1300mg/L以上的渗滤液原水最后经过RO膜，出水氨氮只有0.2%，但是RO的最低氨氮去除率只有16%。通过所有数据的对比和观察RO进出水以及检查RO膜得出结论：RO膜本身对于分子量较小的氨氮分子没有完全有效的阻截作用，所以从数据结果来看，RO膜的去除率较大程度上取决于前段A/O系统的氨氮去除率。

从COD和氨氮总去除率上来看两者分别达到了97.49%和99.68%，这样的去除率对于整个系统工艺的能力是肯定的，厌氧环境的均质调节池+一级反硝化池+一级硝化池+二级反硝化池+二级硝化池+MBR膜组件+RO反渗透的整个工艺组合对于出水水质的达标起到明显作用；同时每一个单独工艺都有着不可替代的作用，都发挥自身独有的特点，组合到一起可大幅提高COD、氨氮的去除效率。此外，该系统对于磷的处理也同样出色，当进水磷含量为20～30mg/L，出水磷含量仅为0.2～0.8mg/L，远低于出水标准；PH出水检测控制在7.1～7.4，出水总氮、色度、碱度等也同样全部达标。