基于前置微好氧的垃圾焚烧厂渗沥液新型生化处理工艺

顾士贞

(上海环境集团再生能源运营管理有限公司，上海 200336)

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，我国生活垃圾产生量逐年增加[1]。国家统计局公布数据显示，2020年我国城市生活垃圾清运量达2.35亿t，无害化处理率达99.7%，并且其清运量仍呈逐年增加的趋势[2]。作为一种行之有效的减量及能源回收技术，焚烧在垃圾处置中的占比约为50%[2]。而垃圾焚烧厂每年产生大量的新鲜渗沥液，约占生活垃圾总量的15%～25%[3]。垃圾焚烧厂渗沥液具有高有机质含量、高氨氮、高含盐等特征，是极难处理的高浓度有毒废水的典型代表，如未得到有效处理，易对生态环境及人类健康造成危害。

垃圾焚烧厂渗沥液具有较好的生化性，生化处理技术因其处理效果稳定、成本低等特点成为主体处理工艺[4]。2014年，生态环境部发布并实施新修订的《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2014)，相比旧标准，新标准对COD、BOD、氨氮和TN等指标提出了更加严格的要求。针对该标准，厌氧消化(AD)+膜生物反应器(MBR)+膜驱动工艺被广泛应用于渗沥液处理中[5]。该工艺可以有效去除垃圾渗沥液中的大部分有机污染物，但前置AD导致系统反硝化碳源不足，引起系统TN去除效果不佳。目前多采用外源投加碳源来增强反硝化性能，达到去除TN的目的，但也同时增加了处理成本。

本研究针对垃圾焚烧厂渗沥液传统生化处理工艺TN去除效果不佳的问题，提出前置微好氧的改进生化工艺，对比分析了相同运行条件下传统生化工艺和改进生化工艺对垃圾渗沥液的处理效果，并优化了前置微好氧生化处理工艺的运行工艺参数条件。研究结果可为焚烧厂垃圾渗沥液处理的达标排放提供技术支撑。

1 试验材料和方法

1.1 试验用水及接种污泥

本试验所使用的垃圾渗沥液取自上海某大型生活垃圾焚烧厂，其主要水质特征如表1所示。所用接种污泥取自该生活垃圾焚烧厂的二沉池，其混合液悬浮固体质量浓度(MLSS)约为5.2 g/L，可挥发悬浮物(VSS)/悬浮物(SS)约为0.7。在试验过程中，经过一段时间的培养和驯化，逐渐成为适合降解垃圾渗沥液的活性污泥。

表1 垃圾渗沥液的主要水质特征Tab.1 Main Characteristics of Leachate

图1 传统生化处理工艺示意图Fig.1 Schematic Diagram of Traditional Biochemical Treatment Process

1.2 试验装置及运行

图1为垃圾渗沥液传统生化处理工艺(不包含厌氧单元)示意图。缺氧池和好氧池均为有机玻璃长方体，缺氧池1、好氧池1、缺氧池2和好氧池2的有效容积分别为10、5、10 L和20 L。好氧池1和好氧池2底部设有曝气装置，使用气体流量计控制曝气量，保持其溶解氧质量浓度分别为2～3 mg/L和3～4 mg/L。缺氧池1和缺氧池2中配有搅拌器，通过继电器控制其搅拌频率为1次/h，每次搅拌时长为1 min。好氧池1和好氧池2中的混合液通过蠕动泵分别回流到缺氧池1和缺氧池2。整个反应器在室温下运行。

图2 改进生化处理工艺示意图Fig.2 Schematic Diagram of Improved Biochemical Treatment Process

图2为垃圾渗沥液改进生化处理工艺示意图。微氧池、沉淀池、缺氧池、好氧池1和好氧池2都为有机玻璃长方体，其有效容积分别为10、5、3、10 L和20 L。微氧池、好氧池1和好氧池2底部均设有曝气设备，曝气量采用气体流量计控制，保持微氧池、好氧池1和好氧池2的溶解氧质量浓度为0.2～0.5、2.0～3.0 mg/L和3.0～4.0 mg/L。缺氧池中配有搅拌器，通过继电器控制其每搅拌频率为1次/h，每次搅拌时长为1 min。好氧池1、好氧池2中的混合液以及沉淀池底部的活性污泥通过蠕动泵部分回流到微氧池中。整个反应器在室温下运行。

每2 d分别从两个渗沥液处理系统取样，每次取3个平行样，以3个测试结果的平均值作为最终值。所有采集的样品均用0.45 μm膜过滤，使用前在黑暗中4 ℃条件下保存。

1.3 分析方法

2 结果和讨论

2.1 改进生化处理工艺的优化

2.1.1 混合液回流比对处理效果的影响

设定混合液回流比为300%、500%和700%，考察改进生化处理工艺对渗沥液中主要污染物的去除效果，具体如图3所示。

图3 混合液回流比对渗沥液处理效果的影响Fig.3 Effect of Mixed Liquor Reflux Ratio on Leachate Treatment

改进生化工艺对渗沥液中CODCr的去除效果如图3(a)所示，可以看出，当控制混合液回流比为300%时，出水CODCr平均质量浓度为1 542.20 mg/L，平均去除率为96.87%。在第98 d时调整混合液回流比为500%，系统稳定运行时出水CODCr质量浓度在1 368.60 mg/L左右，平均去除率提高至97.37%。在第116 d，调整混合液回流比至700%，好氧池内泡沫增多，一级好氧池中活性污泥逐渐变黑，沉降性能变差，出水CODCr平均质量浓度升高至2 029.40 mg/L，平均去除率降至96.04%。

结合CODCr和TN的去除效果，选择500%作为系统的最佳混合液回流比。

2.1.2 混合液回流分配比对处理效果的影响

将混合液回流分配比定为1∶1、3∶2和4∶1，考察其对渗沥液中主要污染物的去除效果，具体如图4所示。

图4 混合液回流分配比对渗沥液处理效果的影响Fig.4 Influence of Mixture Reflux Distribution Ratio on Leachate Treatment

渗沥液中CODCr的去除效果如图4(a)所示，通过调节一级好氧池和二级好氧池连接回流蠕动泵的流量，使回流分配比为1∶1，此时出水CODCr平均质量浓度为2 033.20 mg/L，平均去除率达96.07%。当调整混合液回流分配比为3∶2时，出水CODCr质量浓度在1 368.20 mg/L左右，平均去除率升至97.38%。当调整混合液回流分配比至4∶1时，出水CODCr平均质量浓度为1 432.60 mg/L，平均去除率降为97.15%。

综合考虑，选择3∶2作为最佳的混合液回流分配比。

2.1.3 水力停留时间(HRT)对处理效果的影响

当 HRT分别为8、10 d和12 d时，研究改进生化处理工艺对渗沥液去除效果的影响，结果如图5所示。

图5 HRT对渗沥液处理效果的影响Fig.5 Effect of HRT on Leachate Treatment

由图5(a)可知，调节蠕动泵流量控制HRT为8 d时，出水CODCr平均质量浓度为2 572.60 mg/L，平均去除率为94.99%。当调整HRT为10 d时，系统稳定运行时出水CODCr质量浓度约为1 368.80 mg/L，平均去除率为97.36%，远大于HRT为8 d时的去除率(p=8.24×10-11<0.01)。当调整HRT为12 d时，出水CODCr平均质量浓度为1 278.20 mg/L，平均去除率为97.49%，大于HRT为10 d的去除率(p=0.002 9<0.01)。结果表明，过短的HRT会影响生化系统对渗沥液中有机物的去除效果，导致部分有机物不能得到有效降解。

综合考虑，选择10 d作为改进生化工艺对渗沥液的最佳HRT。

2.1.4 污泥龄(SRT)对处理效果的影响

将系统SRT分别设定为10、15 d和20 d，考察改进生化处理工艺对渗沥液的处理效果。

不同污泥龄条件下，改进生化处理系统对CODCr的去除效果如图6(a)所示。控制体系的SRT为10 d时，系统出水CODCr的平均质量浓度为2 616.80 mg/L，平均去除率达94.94%。调整SRT为15 d时，系统稳定运行时出水CODCr质量浓度在1 514.40 mg/L左右，平均去除率提升至97.04%。调整SRT至20 d，出水CODCr的平均质量浓度为1 478.60 mg/L，平均去除率为97.10%。

图6 SRT对渗沥液处理效果的影响Fig.6 Effect of SRT on Leachate Treatment

综合考虑，选择15 d作为该工艺的最佳SRT参数。

2.2 改进生化处理工艺对渗沥液的处理效果

针对上述研究结果，采用本试验的最佳工艺参数条件：混合液回流比为500%，HRT为10 d，混合液回流分配比为3∶2，SRT为15 d。在相同运行条件下，比较传统生化处理工艺与改进生化处理工艺对垃圾渗沥液的去除效果，结果如表2所示。

表2 传统生化工艺与改进生化工艺渗沥液处理效果对比Tab.2 Comparison of Treatment Effect between Traditional and Improved Biochemical Process

由表2可知，在相同运行条件下，与传统生化工艺出水相比，改进生化工艺的出水CODCr质量浓度降低了44.16%，出水氨氮和TN的质量浓度分别降低了16.74%和44.63%。可以证实，改进后的生化处理工艺具有更好的有机物降解性能及脱氮效果。

3 结论

(1)改进生化处理工艺参数优化表明：500%为最佳混合液回流比，过低的回流比(300%)会因缺乏反硝化电子受体而导致反硝化效果不佳，过高的回流比(700%)会破坏反硝化的氧化还原环境使反硝化优势菌得不到有利生长；混合液回流分配比为3∶2或4∶1时，主要污染物的去除效果优于回流分配比为1∶1的情况；过短的HRT(8 d)会使主要污染物去除效果明显变差，HRT为10 d或12 d时，主要污染物去除效果差别不大；过短的SRT(10 d)会使反应体系中微生物数量大量减少，使得改进生化工艺对主要污染物的去除效果变差，SRT为15 d或20 d时，改进生化工艺对主要污染物的去除效果相近，但过长的SRT(20 d)会使活性污泥的沉降性能变差。优化后的工艺参数如下：回流比为500%，回流分配比为3∶2，HRT为10 d，SRT为15 d。

(2)最佳工艺参数条件下，改进生化工艺较传统生化工艺具有更好的有机物和氮素去除性能，出水CODCr浓度降低了44.16%，出水氨氮浓度降低了16.74%，出水TN浓度降低了44.63%。

(3)改进生化处理工艺可以有效降低生化出水的TN浓度，降低后续膜滤后浓缩液的产生量，有效减少垃圾渗滤液的处理成本，具有较好的实际应用价值。