苏州某垃圾渗滤液处理工程生化段脱氮优化工程实例

高碧霄，张星宇，潘 杨，2，仇庆春

（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2.城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室，江苏 苏州 215009；3.苏州市环境卫生管理处，江苏 苏州 215009）

苏州某垃圾填埋场渗滤液处理工程，主体采用两级A/O+MBR+RO的工艺，设计处理规模为950 m3/d。由于填埋场投入使用近30年，在封场后渗滤液产量减少，并伴有明显的季节性变化，实际每日需要处理量约为630 m3/d，渗滤液自身已属于老龄化阶段，B/C为0.2，C/N为0.36，营养元素严重失调，可生化性差，运行过程需要补充大量丙二醇作为反硝化碳源。近期由于生化段脱氮能力降低，给后端深度处理段带来较大压力，日均处理量降低至320 m3/d。为了提高生化段脱氮效能，恢复正常生产，决定对渗滤液处理站进行技术改造，在原有工艺及构筑物的基础上，通过对构筑物功能作用进行改进和工艺运行参数进行优化调整，在保证出水氨氮及总氮达标的前提下，提升生化段脱氮效能和系统进水量，节约运行成本。

1 工程概况

1.1 现有处理工艺

渗滤液处理站主体工艺为两级A/O+MBR+RO工艺，具体工艺流程图如图1所示，设计COD污泥负荷3.18 kg/（kgMLSS/d）；氨氮污泥负荷0.036 5 kg/（kgMLSS/d）；MLSS为15.9 g/L；泥龄27 d。调节池采用围堰覆盖黑色土工膜，容积为70 000 m3。初沉池容积为100 m3，使用丙二醇为外加碳源与原水在均质池混合，均质池有效容积338 m3，一级缺氧池有效容积1 451 m3，一级好氧池分为两组，单组有效容积2 736 m3。二级缺氧池有效容积797.2 m3。二级好氧池有效容积797.2 m3。MBR为外置管式膜，通量为50 m3/h。RO膜通量为40 m3/h，采率为70%，浓缩液委托第三方处理。污泥采用离心方式进行脱水，脱水后的污泥在填埋场回填。

图1 工艺流程图

1.2 存在问题

1.2.1 进水SS浓度波动大

于调节池容积较大，且投入使用时间较长，内部沉淀物淤积量大，雨季流入调节池渗滤液水量波动，导致淤积物被搅起，原有沉淀池无法满足生产需要，导致进水SS浓度高且波动大。

1.2.2 进水量达不到生产需求

生化段污泥浓度MLSS为36 g/L，MLVSS/MLSS为0.45，泥龄120 d，COD及氨氮污泥负荷分别为0.018 kg/（kgMLSS/d）和0.003 kg/（kgMLSS/d），负荷低、污泥活性差。运行过程中生化段脱氮效率低，后端深度处理压力大。受限于生化段脱氮能力的影响，不得不降低进水量，确保最终出水达标。

1.2.3 运行费用高

老龄渗滤液C/N比失衡，COD多为难降解有机物，可生化性差，运行过程中吨水投加碳源丙二醇为6.4 kg/m3，约合64元/m3，导致处理站整体运行费用高。

2 优化思路与具体措施

2.1 优化思路

针对初沉池无法满足现有进水SS状况，可选择占地面积小、结构紧凑、运行操作简单的气浮工艺[1]。对于生化段污泥泥龄长、负荷低、活性差及生化段脱氮效能低的问题，应降低生化段污泥浓度、缩短泥龄，以提高污泥负荷，解决污泥处于贫营养状态的问题，以提高污泥活性[2]。另外，降低污泥浓度可以减小氧气在混合液中的传质阻力，提高好氧池的DO，有利于COD及氨氮的去除[3]。一级生化段高的硝化液回流比并没有带来高的脱氮效率，反而会由于硝化液回流携带回的大量溶解氧，一方面消耗短链脂肪酸等易降解的有机物，使容易被反硝化利用的碳源减少[4]；另一方面大量回流的溶解氧破坏缺氧环境，影响反硝化菌的正常工作[5]。因此，应当减小硝化液回流比，减少带回的溶解氧干扰反硝化反应。对于老龄渗滤液可生化性差，需要投加大量碳源，运行费用高的问题，可引入新鲜渗滤液混合，提高进水可生化性，替代部分外加碳源，节省运行费用[6-7]。

2.2 具体措施

2.2.1 进水SS波动大的改造措施和污泥浓度的调控措施

增设的气浮设备取代原有的沉淀池，将原有沉淀池进出水管道接入气浮设备，并在气浮设备前使用管道混合器使原水与药剂混合，气浮设备产生的浮渣利用管道输送至污泥脱水机房。另外，启用备用离心机加大每日生化段排泥量，经计算按照含水率80%核算，每日排泥量约为30 t左右。加大排泥过程中做好常规指标监测与分析，若生化段污染物去除效果受到影响及时作出调整。

2.2.2 脱氮优化调控措施

一级A/O段内回流包括两组硝化液回流和两组冷却回流，冷却回流其实质也是硝化液回流，冷却回流需要经过冷却塔，其在管线内停留时间要长于硝化液回流，有利于降低带回溶解氧，所以保持原有冷却回流量不变，降低硝化液回流量。并在缺氧池硝化液回流入口附近的固定点位，设置溶解氧监测点，观察回流比调节过程中该点位的溶解氧变化。在满足COD及氨氮去除的前提下，尽可能降低好氧池DO，一方面节省曝气风机能耗，另一方面尽可能减小回流带回溶解氧的影响。

2.2.3 提高进水可生化性改造措施

采用新鲜渗滤液与处理站原水混合，以提高进水可生化性，减少碳源投加，降低运行费用。新鲜渗滤液来自附近垃圾焚烧站储存仓内，其留存时间短，不受雨水和垃圾堆体等因素影响，有机物含量高，可生化性较好。新鲜渗滤液采用罐车运输，将处理站内原有初沉池改为新鲜渗滤液储存池，利用计量泵打入均质池与原水按照一定比例混合。第一阶段，新鲜渗滤液每天混入量为10 m3，并减少相应COD当量的丙二醇投加，运行稳定无异常，进行下一阶段，新鲜渗滤液每日投加量增加10 m3，若出现异常，分析问题并及时调整。

3 工艺优化结果与讨论

3.1 进水SS及污泥浓度调控

通过添加的气浮设备，在调试正常运行后，气浮设备进水SS浓度为2 100～12 800 mg/L，平均浓度为7 436 mg/L，标准差为2 530 mg/L；按照每升原水平均投加PAC 20 mg，PAM 1.5 mg的使用量，出水SS浓度为800～1 860 mg/L，平均浓度为1 314 mg/L，标准差为397 mg/L，其对原水中SS的平均去除率达81%，出水SS浓度标准差较进水降低2 133 mg/L，气浮设备对进水SS去除效果明显，能有效改善生化段进水SS波动大的问题。

生化段原有运行状态，如图2（a）所示，MLSS为36 g/L，MLVSS为15 g/L，MLSS/MLVSS约为0.42，生化段溶解氧为0.8 mg/L。经过加大每日排泥量，生化段MLSS逐渐下降，MLVSS/MLSS值逐渐增大，并且由于生化段MLSS逐渐降低，溶解氧在混合液中传质阻力的减小，好氧池溶解氧逐渐增高。运行过程中，当MLSS达到20 g/L左右时，好氧池后端溶解氧上升明显，浓度为5～6 mg/L，为了避免浪费能耗及硝化回流带回大量溶解氧影响反硝化，因此对好氧段溶解氧进行调整，使其保持在2.0～2.5 mg/L之间。生化段加大排泥期间，如图2（b）、图2（c）、图2（d）所示，生化段对COD，氨氮及TN去除率明显提升。运行过程中当MLSS低于16 g/L时，继续降低生化段污泥浓度，好氧池溶解氧会继续升高，但由于硝化菌生物量减少，硝化反应受到影响，出水氨氮浓度升高，氨氮去除率明显降低，出水TN去除率也受到影响。随后将生化段污泥浓度MLSS提升至16 g/L左右，稳定运行后，MLSS/MLVSS约为0.64，好氧池溶解氧稳定在2.0 mg/L以上。生化段污泥浓度调控前后对比，好氧池溶解氧浓度提升1.5 mg/L以上，污泥活性提升22%，COD去除率提升10%，氨氮去除率提升3%，TN去除率提升5%。这说明在高污泥浓度的膜生物反应器中，在保证充足生物量的前提下，适当降低污泥浓度，可以有效提高污泥活性，提升生化段去污能力[8-9]。

图2 污泥浓度调控前后运行效果图

3.2 回流比调控

一级A/O段混合液回流共有：两组硝化液回流各130 m3/h；两组冷却回流各75 m3/h。冷却回流需要进入热交换器，其实质也是硝化液回流，所以一级A/O硝化液回流量为410 m3/h。在进水量为720 m3/d时，硝化液回流比为13.7倍。

硝化液回流比与生化段出水TN浓度及TN去除率和回流入口附近固定监测点的溶解氧关系如图3所示，在回流比有13.7降低至7.7的过程中，固定监测点的溶解氧随着回流比减小而减小。出水TN浓度随着硝化液回流比的减小，先降低后升高，TN去除率随着硝化液回流比的减小，先升高后降低。在硝化液回流比为9.7时，生化段出水TN浓度最低，生化段TN去除率最高。在回流比分别为13.7和9.7倍下，一级A池反硝化效果如图4所示，在硝化液回流比为13.7时，一级A池进水硝酸盐氮浓度约为75 mg/L，出水硝酸盐氮含量＜2 mg/L，亚硝酸盐氮含量在8～10 mg/L之间。硝酸盐氮及亚硝酸盐氮浓度总和约为11 mg/L。反硝化效率约为85%。在硝化液回流比为9.7时，进水硝酸盐氮浓度约为85 mg/L，出水亚硝酸盐浓度与回流比为13.7时明显降低，出水硝酸盐氮及亚硝酸盐氮总和＜5 mg/L，反硝化效率约为95.4%。硝化液回流比为9.7倍与13.7倍相比，一级A池反硝化效率提高10.4%，生化段出水TN浓度降低20 mg/L。在回流比由13.7降低到9.7的过程中，回流口附近溶解氧不断降低至0.5以下，TN去除率升高，说明减小回流比可以有效减少硝化液带回溶解氧的影响[10]。回流比由9.7降低带7.7的过程，溶解氧虽然继续降低，但TN去除率也降低，说明回流比减小带回的硝酸盐及亚硝酸盐氮总量减少，影响整体脱氮效果。

图3 不同回流比下固定点位DO及生化段TN去除效果图

图4 不同回流比下一级A池反硝化效果图

3.3 引入新鲜渗滤液补充碳源

新鲜渗滤液水质指标如表1所列。

表1 新鲜垃圾渗滤液水质 mg·L-1

新鲜渗滤液投加过程中，生化段出水COD稳定在800 mg/L左右，与未投加时基本相同，这说明新鲜渗滤液可生化性较好，容易被微生物降解利用。新鲜渗滤液投加量与氨氮及TN去除效果关系如图5所示，新鲜渗滤液投加量由10 m3/d提升至100 m3/d过程中，生化段进水TN浓度约为1 700 mg/L，生化段出水TN浓度先降低后升高的，在投加量为80 m3/d时，生化段出水TN浓度最低，TN去除率最高。整个投加过程中，生化段出水氨氮浓度持续升高，这要是由于新鲜渗滤液中有机氮含量在TN中占比远高于老龄渗滤液，随着新鲜渗滤液投加量的增加，生化段进水的有机氮含量也在增加，有机氮在生化段后端水解释放氨氮[11]，导致出水氨氮浓度升高。

图5 新鲜渗滤液投加量与氨氮及TN去除效果关系图

投加量由10 m3/d提升至80 m3/d过程中，外加碳源丙二醇用量相应减少，尽管生化段出水氨氮浓度升高，但出水TN浓度降低，这主要由于新鲜渗滤液中VFA及结构简单的小分子有机物较多，优先作用于反硝化[12]，提高了反硝化效率，使出水TN浓度降低。投加量由80 m3/d提升至100 m3/d，外加碳源丙二醇使用量继续相应减少，但由于反硝化效率不再提升，出水氨氮浓度的升高，导致出水TN浓度升高。为避免出水氨氮浓度超标影响，新鲜渗滤液投加量定为80 m3/d，在稳定运行一段时间后，生化段TN去除率为95.7%，较之前提升2.5%，丙二醇投加量由6.4 kg/m3降低至1.84 kg/m3，每立方原水节省4.56 kg丙二醇。

3.4 优化后运行效果及经济评价

经过对各控制条件的优化，处理站在进水量：720 m3/d；MLSS：16 g/L；SRT:42 d；回流比：9.7倍；原水与新鲜渗滤液混合比例：8∶1；外加丙二醇使用量1.84 kg/m3的条件下运行，生化段进水TN平均浓度1 700 mg/L，生化段出水TN平均浓度为60 mg/L，生化段TN平均去除率约为96%。生化段进水COD浓度11 000 mg/L，生化段出水COD浓度约为800 mg/L左右，生化段COD去除率约为93%。

优化前后相关参数见表2。整体优化运行后较优化前：进水负荷提升1.25倍,TN去除率提升了9.7%，COD去除率提升了21%，氨氮污泥负荷提了 升0.014 2 kg NH3-N/（kgMLSS*d），COD污泥负荷提升了0.083 kg COD/（kgMLSS*d），碳源费用节省45.6元/m3，电耗节省0.65元/m3。

表2 优化前后相关参数对照表

4 结语

本次优化改造有效的解决了进水SS波动大、生化段污泥活性差、脱氮效能低、运行费用高等问题。通过对污泥浓度、溶解氧、回流比等运行参数优化调控，实现了污泥活性及脱氮效能的提升，并通过混入新鲜垃圾渗滤液，提高进水可生化性，节省外加碳源丙二醇的使用量。优化运行后，进水负荷、COD及TN去除率分别提升了1.25倍、21%、9.7%，吨水电耗节省0.65元/m3，碳源丙二醇节省45.6元/m3。