预处理+MBR+NF工艺处理填埋场垃圾渗滤液的研究

2020-04-29何秋成

云南地理环境研究 2020年1期

王冰，何秋成

(浙江泰来环保科技有限公司，浙江宁波 315176)

0 引言

近些年中国城市快速发展，人民生活水平提高的同时，城市垃圾产量也在逐年上升。中国生活垃圾处理方式为堆肥、填埋以及焚烧3种形式，近些年来城市垃圾焚烧发电项目开展迅速。垃圾焚烧发电项目是将城市垃圾通过焚烧产生的高温烟气在余热锅炉中进行热交换，产生过热蒸汽，推动汽轮发电机组产生电能。从而实现垃圾的减量化，并在垃圾减量的过程中产生电能。但在一些县城，垃圾处理方式还是以填埋为主、垃圾焚烧为辅。在以后的城市化发展过程中，垃圾减量化、资源化会逐步将垃圾填埋进行更换。垃圾填埋过程中不可避免产生垃圾渗滤液，其成分复杂、污染物含量多、盐分高、处理困难，对周围生态环境的破坏不可估量[1]。

垃圾渗滤液的处理一直是国内外研究的热点，近年来国内研究垃圾渗滤液的峰会时有召开。因其成分复杂，单一处理工艺很难将其处理达标，而组合工艺复杂，且运行成本高[2，3]。针对填埋场垃圾渗滤液存在的问题，以浙江省某县城垃圾填埋场渗滤液为研究对象，采用预处理+MBR+NF工艺进行处理研究，研究各工艺段对垃圾渗滤液的处理效果，着重研究MBR工艺段几个重要参数对处理效果的影响。希望通过此研究为国内垃圾渗滤液处理工程提供参考。

1 垃圾渗滤液的特征及处理方法

国内垃圾填埋场垃圾渗滤液中成分复杂，含有磷、氮、无机盐、有机物和重金属等污染物。具有如下特征[4]。

(1)污染物成分复杂多变、水质变化大

垃圾渗滤液中有机物种类高达百余种，其中所含有机物大多为腐殖类高分子碳水化合物和中等分子量的灰黄霉酸类物质，因而其水质是相当复杂的，污染物种类多，而且浓度存在短期波动性和长期变化的复杂性。

(2)有机污染物浓度高(COD浓度高)

填埋场的渗滤液COD浓度较高一般在1 000～30 000 mg/L，单一采用传统的生化处理工艺，很难将其处理到要求的排放标准。

(3)氨氮浓度高

填埋场渗滤液氨氮浓度较高，一般在1 000～3 000 mg/L，如此高的氨氮浓度也为焚烧厂渗滤液处理带来了难度，要求处理工艺具备较高的脱氮能力。

(4)重金属离子与盐分含量高

由于垃圾中含有较多的重金属离子与盐分，渗滤液渗滤过程中将重金属离子与盐分带入渗滤液中，造成渗滤液中的重金属离子与盐分含量较高。

(5)渗滤液水量波动较大

受垃圾收集、气候、季节变化等因素影响，渗滤液水量波动较大，特别是季节变化对渗滤液水量变化影响较大，一般夏天水量大、冬季少。

随着人们的生活水平不断提高，对环境的要求也提升到一个新的高度。目前正在研究或运用的处理技术有以下几种。

(1)生物法：包括厌氧生物处理和好氧生物处理

厌氧生物处理有许多优点，最主要的是能耗少，操作简单，产生的剩余污泥量少，因此投资及运行费用低廉，且厌氧产生的沼气具有一定的可回收利用价值。目前常用的主要有升流式厌氧污泥床(UASB)、内循环厌氧反应器(IC)、厌氧固定床反应器(厌氧滤池AF)和厌氧复合反应器(UBF)。但厌氧处理出水中的COD浓度较高，且厌氧对氨氮无任何处理效果，不宜直接排放到河流或湖泊中，一般需要进行后续的好氧处理。

好氧处理工艺包括氧化沟、A/O工艺、SBR工艺等，对于垃圾焚烧厂渗滤液而言，好氧工艺需要通过生物降解去除渗滤液中的有机污染物(COD)和氨氮，因此，一般采用较多的是生物脱氮能力较强的反硝化前置A/O，其主要原理为：反硝化反应器设置在流程的前端，而去除BOD、进行硝化反应的综合好氧反应器则设置在流程的后端；因此，可以实现进行反硝化反应时利用原废水中的有机物直接作为有机碳源，将从好氧反应器回流回来的、含有硝酸盐的混合液中的硝酸盐反硝化成为氮气；而且在反硝化反应器中，由于反硝化反应而产生的碱度可以随出水进入好氧硝化反应器，补偿硝化反应过程中所需消耗碱度的一半左右；好氧的硝化反应器设置在流程的后端，也可以使反硝化过程中常常残留的有机物得以进一步去除。好氧生物处理后的有机物浓度、SS、色度、盐分还较高，需要后面进一步处理才能达到排放标准[5]。

(2)物理法：包括膜法、絮凝沉淀等

近年来，许多新技术应用于垃圾渗滤液处理，取得了迅速的发展。其中发展最成功和目前应用趋势最好的一类是膜技术的应用，包括超滤、纳滤和反渗透等，采用膜技术其优点是出水水质较好，可以达到较高的排放要求。

超滤(UF)筛分孔径为0.001～0.02 μm，不截留渗滤液中所含盐分，用来将微生物菌体、沉淀物从污水中分离出来。鉴于该特点，设计将超滤与好氧生化相结合即采用超滤取代传统的二沉池，该结合即为膜生化反应器(MBR)。

纳滤(NF)，是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右，与其他压力驱动型膜分离过程相对出现较晚。

纳滤膜对多价离子和分子量在200以上的有机物的截留率较高，而对单价离子的截留率较低。在截留有机物及盐分的比较上来说，反渗透膜能脱除所有的盐和有机物，而超滤膜对盐和低分子有机物没有截留效果。纳滤膜能截留糖类低分子有机物和多价盐，对单价盐的截留率仅为10%～80%，具有相当大的通透性，而对二价及多价盐的截留率均在50%～90%以上。

絮凝沉淀是颗粒物在水中作絮凝沉淀的过程。在水中投加混凝剂后，其中悬浮物的胶体及分散颗粒在分子力的相互作用下生成絮状体且在沉降过程中互相碰撞凝聚，其尺寸和质量不断变大，沉速不断增加。水中投加混凝剂后形成的矾花，生活污水中的有机悬浮物、活性污泥在沉淀过程中都会出现絮凝沉淀的现象。通过絮凝沉淀可以去除渗滤液中的部分重金属、胶体类有机物，可以降解一部分有机物，但对色度、一价盐、氨氮等去除有限，还需配合其他工艺进行混合处理[6]。

(3)化学法：包括Fenton反应、臭氧氧化法和电化学氧化技术

过氧化氢在二价铁离子的催化下，能高效率地分解生成具有强氧化能力和高电负性或亲电子性的羟基自由基(OH)，可以氧化水中的有机污染物，最终矿化为二氧化碳、水及无机盐类等小分子物质。另外反应生成的Fe(OH)3胶体具有吸附、絮凝作用。

臭氧氧化具有较强的脱色和去除有机污染物的能力。利用臭氧极强的氧化能力，对污水进行处理，初步降解部分有机物质，并使得难分解有机物(例如不饱和酸、多环芳香族有机物等)转变为可生化处理小分子的易分解有机物。同时利用臭氧和催化剂的联合反应效果，产生大量羟基自由基。

电化学氧化还原法是指电解质溶液在电流的作用下，在阳极和电解质溶液界面上发生反应物粒子失去电子的氧化反应、在阴极和电解质溶液界面上发生反应物粒子与电子结合的还原反应的电化学过程[7，8]。

2 工艺设计

2.1 处理进、出水质与水量

2.1.1 处理进水水质与水量

渗滤液设计处理量为200 t/d，清水产率大于85%。进水水质结合国内同类垃圾填埋场的水质情况和该县填埋场水质实测数据，综合考虑后确定如表1。

2.1.2 处理出水水质

设计处理渗滤液出水标准为《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)表2排放标准，主要污染物控制指标如表2。

表2 垃圾填埋场出水水质

2.2 设计工艺流程

2.2.1 工艺流程图

工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

Fig.1 Process flow diagram

2.2.2 工艺流程说明及主要构筑物设计参数

(1)预处理系统，填埋场渗滤液经过泵提升至预处理系统，设置有一台过滤精度为1 mm的过滤器进行除渣工作。

(2)调节池，均匀水质、水量工作，设计有效池容为800 m3，设置搅拌桨2座，每台功率5 kW。

(3)AO生化池，渗滤液在里面进行硝化反硝化作用，其中反硝化停留时间为2 d，有效池容400 m3；硝化停留时间为5 d，有效池容1 000 m3。

(4)外置式超滤膜，超滤系统用于进行泥水分离作用，本项目采用通量为70 L/(m2·h)，8寸3 m超滤膜5支。

(5)纳滤，超滤出水进入纳滤系统，本项目采用的纳滤为卷式纳滤膜，属于致密膜范畴，最大优点是过滤级别高，出水水质好，出水无色无味，COD可从500 mg/L降到100 mg/L以下，本项目膜通量为15 L/m2·h，8寸1米膜18支。

(6)污泥处理系统，生化处理和预处理的污泥排入污泥池，进行重力浓缩后，浓缩污泥泵入脱水设备，污泥脱水至含水率80%后泥饼回填至垃圾填埋场，脱水清液进入生化系统。

3 MBR工艺的影响因素和处理效果

通过在运行过程中对溶解氧、pH的调整，研究这些影响因素对生化处理效果的影响。

3.1 溶解氧对MBR处理效果的影响

硝化反应中需要提供充足的溶解氧来促进好氧微生物—硝化细菌的新陈代谢作用。在运行过程中控制MBR系统的pH为7～8，MLSS=15 000 mg/L，C/N比6∶1，氨氮2 200 mg/L，COD 13 200 mg/L分析溶解氧对MBR处理效果的影响。

图2 溶解氧对COD、氨氮去除效果的影响

由图2可知硝化池内不同的溶解氧对MBR的去除COD、氨氮的影响。在运行期间，COD进水浓度保持在13 200 mg/L，氨氮进水浓度在2 200 mg/L左右，超滤出水COD浓度最低为620 mg/L，氨氮浓度最低为10 mg/L，去除率分别为95.3%和99.5%。在溶解氧低的情况下对硝化菌有一定的抑制作用，影响整个生化反应效果。在提升溶解氧的过程中，COD和氨氮的降解随之提升，说明在保持硝化菌较高的活性时，系统对COD和氨氮的处理效果较为稳定。

3.2 pH值对MBR处理效果影响

硝化和反硝化过程中对pH的要求较高，pH控制在6～9时微生物有较高的活性。低于6时，会引起有害菌的大量繁殖，例如丝状菌的繁殖，势必影响生化反应；高于9时会抑制微生物生长，造成微生物大量死亡的现象发生。运行期间MLSS=15 000 mg/L，C/N 66∶1， COD 13 200mg/L，氨氮2 200 mg/L分析MBR效果的影响。

图3 pH对COD、氨氮的影响

由图3可知不同pH值对MBR出水COD和氨氮影响。由图可知pH在7～8时对MBR系统处理效果是最好的。在进水COD进水浓度保持在13 200 mg/L，氨氮进水浓度在2 200 mg/L左右，超滤出水COD浓度最低为620 mg/L，氨氮浓度最低为10.52 mg/L，去除率分别为95.3%和99.5%。在pH低于7和高于8的时候，微生物的活性受到部分抑制，pH在7～8时微生物保持较高的活性，对COD和氨氮的去除率较高。

4 纳滤系统的设计和运行

本项目MBR出水COD、色度均未达到排放要求，所以在MBR后设置纳滤系统进行强化处理MBR产水。考虑垃圾渗滤液盐分较高，对回收率要求也较高。纳滤系统采用海水淡化膜，设计参数见表3。

表3 纳滤设计参数表

通过一段时间正常运行后，纳滤产水COD量低于80 mg/L，SS检测不到，重金属含量均达标。所以纳滤工艺对MBR降解不了的有机物有较高的截留作用，对重金属截留效果较高。但对氨氮的去除以吸附和小部分截留为主，进水氨氮保持15 mg/L的情况下，纳滤出水氨氮在13 mg/L左右。因此纳滤对氨氮的截留效果有限，基本不去除。