垃圾渗滤液生化处理——膜过滤综合处理工艺研究_垃圾渗滤液膜处理工艺
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摘要：本文介绍了对垃圾渗滤液采用强化复合厌氧生物床反应器（ECAB）+好氧反应器（复合式SBR）+混凝后处理+超滤+纳滤的生物化集成处理的技术路线，工艺系统运行稳定，对有机物及总氮的去除效果良好，处理出水达到《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889-1997）一级标准，且处理成本较低。文章并对存在的问题进行了分析。关键词：垃圾渗滤液；填料；强化复合厌氧生物床反应器；序批式反应器；膜
垃圾渗滤液的水质较为复杂，采用单一的物理化学或生化的处理方法均难以达到较满意的处理效果。本研究介绍了强化复合厌氧生物床反应器（ECAB）+好氧反应器（复合式SBR）+混凝后处理+超滤+纳滤的生化与物化集成处理的技术路线。该工艺系统运行稳定，对有机物及总氮具有良好的去除效果；内部填料对ECAB和复合式SBR具有强化处理的效果；膜处理出水达到《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889-1997）一级标准；以实际工程建设与运行来核算，单位垃圾渗滤液处理成本较低。1试验工艺及试验用水 工艺路线见图1。
图1工艺流程
试验用水取自北京市六里屯垃圾填埋场调节池，分别为第一期和第二期填埋场内的渗滤液，其中一期属于年轻垃圾渗滤液，可生化性较强；二期则属于年老垃圾渗滤液，可生化性相对较差。其综合水质见表1。其中着重对几种重金属元素化合物进行了检测，检测结果见表1。表1渗滤液水质指标
2复合厌氧生物床（ECAB）反应器处理垃圾渗滤液 2.1试验装置
填料安装在反应器中部。反应区高1.0m，有效容积约18L。废水由蠕动泵匀速定量地从反应器底部泵入，反应器底部布置有锥形布水装置，均匀配水后与污泥床进行接触反应，向上流经填料区和沉淀区，最后出水。反应中产生的沼气经三相分离器分离后进入气体流量计。采用电热丝衬保温层进行加热保温。
2.2厌氧在不同工况下对渗滤液的净化特性 试验中对系统出水的VFA（挥发性脂肪酸）、SS浓度以及碱度进行了相应的考察，如表2所示。
表2不同负荷状态下系统的运行工况
由表2可以看出,系统在中高低三个负荷状态下的运行工况均为稳定运行工况：
(1）低负荷时（2.1～5.1kgCOD/m3•d），进出水COD、VFA、SS浓度以及碱度均能达到常规厌氧系统稳定运行时的条件和工况；中等负荷时（5.1～7.3kgCOD/m3•d），COD去除率较好，出水VFA、SS偏高；高负荷时（>7.3kgCOD/m3•d），COD去除率下降较快，出水VFA、SS也在增长。
(2）中高负荷时，出水浓度大于300mg/L，高于通常认为的稳定运行条件，但因为系统碱度充足（碱度/VFA为10～11），完全可以抑制酸积累的发生，因此系统运行还是稳定的。(3）中高负荷时，出水SS仍有较高的去除率，显示强化厌氧系统有较强的适应能力，SS去除率达到了80%左右。
2.3填料对ECAB系统的强化作用
作为生物填料的PELIA生物载体是一种独有的专利复合材料，由聚乙烯、粘土及其他助剂烧结而成。试验后期将填料取出，并将系统容积负荷稳定在4.5kgCOD/m3•d左右，连续培养了一个月，然后考察无填料厌氧系统的降解特性，并与装设填料的情况进行对比（见图2）。
图2填料对厌氧系统降解特性的影响
由图2可以看出，装设填料对系统的处理能力有明显的强化效果。(1）低负荷时（容积负荷
(2）中高负荷时（容积负荷为2～7kgCOD/m3•d），系统强化效果较高，装设填料时降解能力可提高12%～22.5%。
究其原因，系统处于低负荷时污染物在污泥床层已经得到较好的降解，废水达到位于反应器中上部位的填料部分时可降解的污染物已经很少，因此填料的强化作用并不明显；中高负荷时填料接触的污染物较多，强化作用得到了明显的体现。3复合式SBR工艺处理垃圾渗滤液 3.1试验装置
试验装置采用复合式SBR生物反应器。反应器由有机玻璃制成，容积为18L。反应器内设挡板，上面放置填料，底部连接空压机，内设曝气管，上面放置搅拌器，用于搅拌。整套设备连接到一台自控装置上，用于控制反应器序批式的运行。其中，进水通过计算泵的流量，然后在自控装置上设定进水时间，以达到控制进水量的要求，排水由电磁阀控制，在排水阶段，电磁阀打开，排水口自动排水。
3.2 复合式SBR对有机物的去除特性（见图3）
图3COD去除率随时间的变化 由图3可以看出，在试验初期的驯化阶段，采用经过适当稀释的原水作为复合式SBR反应器的进水，控制进水COD在1200～1300mg/L，随着试验的进行，COD去除率不断升高，在第50天时，逐步加入ECAB反应器出水作为复合式SBR的进水，即两个反应器进行串联。
可以看出，去除率明显下降，究其原因，进水COD明显升高，由原来的1300mg/L左右提高到5000mg/L左右，冲击负荷过大，最终导致系统发生非丝状菌膨胀，经过近半个月的驯化与调整，COD去除率逐步趋于稳定，最终在85%以上。在试验后期，进水水质可生化性变差，BOD/COD由原来的0.6降为0.2，去除率又有降低的趋势。在本试验的正常运行阶段，系统容积负荷为2.16kgCOD/m3•d，出水COD在500mg/L左右，去除率为87%左右。这说明复合式SBR系统降解有机物取得了良好的处理效果。其原因一方面是因为该试验阶段的垃圾渗滤液属早期阶段的渗滤液，垃圾渗滤液的可生化性相对较好；另一方面由于填料上附着的生物膜微生物有较长的停留时间，能够维持相当高的硝化率，大大降低了渗滤液中游离氨对微生物的生物抑制作用，加强了系统的处理能力。3.3复合式SBR中填料对有机物去除的强化作用
为了验证PELIA生物填料对有机物的去除效果，故对加入填料和没有加入填料的反应器对有机物的去除效果作了对比，见图4。
图4PELIA生物填料对COD 去除的强化作用
图4对比了本试验过程中生物反应器和PELIA生物填料对COD去除的相对贡献。由图4可知，当进水COD浓度在1046～3856mg/L之间变化时，没有加入PELIA生物填料的SBR反应器的出水COD浓度为226～628mg/L，相应加入了PELIA生物填料的复合式SBR反应器的出水COD浓度为182～322mg/L，尤其在第4～10d期间进水COD浓度变化较大，没有加入PELIA生物填料的SBR反应器的出水COD浓度比加入了PELIA生物填料的SBR反应器的出水COD浓度高且变化较大。生物反应器对COD总的去除率在71.6%～83.9%之间，其中生物膜降解对COD的去除率为3.3%～10.2%。3.3 系统对总氮的去除情况（见图5）
图5系统对TN的去除规律
由图5可知，在前110d，COD/NH3-N（C/N）为5.2，随着一个多月驯化阶段的完成，系统对总氮的去除率基本稳定在70%以上，这表明在此条件下系统对总氮有较好的去除效果。尤其在第55～81d之间，系统对总氮的去除率高达75.2%～79.2%。这主要是因为除反硝化脱氮外，微生物合成代谢也利用了其中一部分的N。在试验后期（第150～180d）系统的脱氮效果逐渐变差，总氮去除率由第110d的75%左右下降到最后的56%左右。
这主要是因为垃圾渗滤液的水质发生了变化，C/N由5.2降至2.0。垃圾渗滤液中的碳源严重不足且不易被利用，大大限制了反硝化菌的活性，造成了TN的去除率不断下降。理论上一般认为进水COD/TN达到3左右即可满足反硝化对碳源的要求，实用中则常认为该值应大于8。
对系统脱氮效果产生影响的主要因素是C/N，试验结果表明：随着进水C/N的增加，反硝化程度随之增加，出水NOx--N下降，总氮去除率提高，也就是说，在其它条件适宜的情况下，垃圾渗滤液中充足的碳源是反硝化进行彻底的保证。4深度处理 4.1试验方法
图6所示为超滤、纳滤的工艺流程。
图6膜过滤工艺流程
混凝沉淀作为预处理，超滤的出水作为纳滤的进水。通过调节回流液、浓缩液、透过液的流量来调节操作压力。当单独进行超滤或纳滤试验时，因为前面工序产水量有限，故采用将透过液回流到原水箱（或中间水箱）与浓缩液、回流液混合的循环式操作方法。4.2试验结果
膜对污染物的去除率见表3。
由表3可见，超滤对浊度、色度的去除效果非常明显，去除率达90%以上，表明超滤对悬浮物、胶体等的去除能力很强。但对COD的去除率很低，仅为4%，这是因为超滤膜对COD的去除主要取决于原水中有机污染物的分子量及其形状，本试验中的COD去除率较低是因为有机污染物的分子量相对要小于超滤膜的截流分子量，并且外形呈线性的较多。超滤对氨氮的去除效果也极低，另外超滤出水SDI最大值为2.2，远小于反渗透进水SDI值不高于5的要求。总之，超滤对污水浊度、色度的去除效果较好，产水浊度小于1NTU，SDI值较低，可以满足进入下一工序纳滤的要求。表3膜对污染物的去除效果
注：SDI（污染指数值）也称为FI（Fouling Index）值，是水质指标的重要参数之一。SDI值越 低，水对膜的污染阻塞趋势越小。大多数反渗透企业推荐的反渗透进水SDI值不高于5。
在四种不同的进水条件下，纳滤膜对COD的去除率较高，约70%，出水COD均在100mg/L以下，浊度检测结果显示为0，色度为1度，氨氮的去除率约为50%，出水氨氮浓度小于15mg/L，出水电导率2500～3000us/cm。由此可见，垃圾渗滤液经膜法深度处理后出水可满足《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889-1997）一级标准。5技术经济评估
为了估算本工艺在实际工程中的可能投资水平及生产运行成本，现以国内较为常见的400m3/d规模的垃圾渗滤液处理厂为例，初步计算以本工艺为处理主体的工程建设投资及处理成本。
工程建设投资预测见表
4、生产成本预测见表5。表4工程建设投资预算
注：1.表中数据为国内3家同等规模污水处理厂的投资费用的平均值。
2、设备费用是以本工艺为基础，建造400m3/d规模的垃圾渗滤液处理厂所需的各种设备。设备总费用和安装总费用各占总投资额的48.59%和16.79%。
3、其他费用包括设计费、调试费等。表5生产成本预算
注：以上数据为北京市3家污水处理厂的相应费用的平均值。折合单位垃圾渗滤液处理成本为17.23元/m3，年经营成本为191.024万元；折合单位垃圾渗滤液处理成本为13.083元/m3。6存在的问题和结论
（1）试验后期用水取自北京市六里屯垃圾填埋场调节二期出水，其生化性较差，试验过程中出现了污泥膨胀及生化出水水质变差的现象，虽然在后期深度处理上控制住了出水水质，但是给后期膜处理造成了很大压力，增加了处理费用，这说明本工艺在处理年老垃圾渗滤液方面仍存在问题。
（2）本试验后期深度处理采用膜工艺，膜分离方法无论采用纳滤还是反渗透，都会产生或多或少的浓缩液，浓缩液会对水资源产生进一步污染，浓缩液的处理是一件非常困难的事情。本研究课题中产生的膜分离浓缩液，拟采用回灌填埋场的方法，但是在实际工程应用方面仍存在可行性的问题，需要进一步研究。
（3）当ECAB反应器的容积负荷为7.3kgCOD/m3•d时，COD去除率可达82.7%。
（4）复合式SBR反应器对有机物的去除效果较好，运行稳定，在历时180d的运行过程中COD的去除率基本保持在80%～90%之间，总氮去除率最高将近80%。PELIA生物填料起到了稳定和加强系统出水水质的作用，并对系统内硝化菌种群的优化提供了良好条件。（5）纳滤系统操作压力为0.3MPa时，出水COD浓度在100mg/L以下，浊度检测结果为0，色度为1度，氨氮浓度小于15mg/L，电导率为2500～3000us/cm。满足《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889—1997）一级标准。
（6）以实际工程建设与运行来核算，使用本工艺可能的单位垃圾渗滤液处理成本为13.083元/m3；加上折旧其预测成本为17.23元/m3。
（7）填埋场内的自然降雨和径流是渗滤液产生的主要途径，其产生量占总污水量的比例很小，故本处理工艺可完全适用于处理规模在600m3/d以下的城市垃圾渗滤液处理厂。参考文献：
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