隨著我國城市生活水平的不斷提高, 生活垃圾量也在不斷增大, 我國興建了一批生活垃圾處理廠,處理方式主要有垃圾焚燒、填埋、堆肥以及綜合利用等[1] . 其中, 垃圾填埋以其運行費用相對較低、管理相對方便、技術較為成熟等優點成為我國現階段特別是中小城鎮廣泛采用的垃圾處理方式. 垃圾填埋過程中產生的滲濾液是目前世界上公認污染嚴重、難于處理、性質復雜的高濃度污染廢水[2] . 建設垃圾填埋場滲濾液處理系統, 要綜合考慮處理技術、處理效果、投資與運行成本等各因素, 隨著《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889- 2008)的實施, 出水排放指標要求更加嚴格, 這就對處理技術及工藝相應提出了新的要求.
近年來, 國內外應用較多, 處理效果較好的組合工藝有生化+ 膜處理組合工藝、物化+ 生化組合工藝等. MBR+ 雙膜法(NF /RO)是近年發展較快的一種新型組合工藝, 是以MBR 單元為工作核心的一種新型系統. 膜分離技術與活性污泥法相結合是該工藝的技術特點. MBR 具有: 1)能有效降解主要污染物COD、BOD 和氨氮; 2) 100%生物菌體分離, 使出水無細菌和固性物; 3) 反應器高效集成, 占地面積小; 4)剩余污泥量小、不存在濃縮液處理的問題; 5)運行費用小等優點. 然而, 單一的MBR 工藝出水不能達到國家二級以上的排放標準, 往往需要配合NF、RO 等后續處理工藝以滿足新的滲濾液排放標準. 青島小澗西垃圾填埋場、北京北神樹垃圾填埋場、佛山高明白石坳填埋場、蘇州七子山、山東泰安等多家垃圾處理廠采用MBR + 雙膜組合工藝處理垃圾滲濾液[3], 都取得了良好的處理效果.
本文在簡述當今國內外應用較廣的滲濾液處理技術的基礎上, 重點介紹MBR + 雙膜(NF納濾/RO反滲透)法的組合工藝, 及該工藝在山東滕州生活垃圾填埋場滲濾液處理工程的具體應用, 為我國生活垃圾填埋場滲濾液處理方案的選擇提供參考.
1 垃圾滲濾液來源及特點
垃圾滲濾液的產生受諸多因素影響, 水量變化大且幾乎無規律性. 其主要來源于以下幾個方面[4]：1)降水的滲入; 2)外部地表水的流入; 3)垃圾本身含有的水分; 4)微生物的厭氧分解產生的水; 5)地下水的滲入.
各填埋場的滲濾液一般具有以下特點[5]: 1)色、嗅: 滲濾液均具有很高的色度, 其外觀多呈茶色、暗褐色或黑色, 色度可達2 000~ 4 000倍(稀釋倍數),垃圾腐敗臭味極其明顯; 2) pH: 垃圾填埋初期, 滲濾液的pH 在6~ 7之間, 隨著填埋時間的推移和填埋場的穩定, pH 可提高至7 ~ 8; 3) BOD、COD 濃度: 填埋初期BOD、COD 濃度較低, 為數千mg /L, 在填埋6個月至2. 5年后, BOD 可高達10 000 mg /L, COD 可高達30 000mg /L. 此后濃度開始下降, 但BOD濃度下降的速度要大于COD, 直至6~ l5年后達到穩定;4)生物降解特性: 填埋場前期BOD /COD值在0. 4~0. 5之間, 生物降解性能良好; 中、后期由于BOD、COD 濃度的下降速度不同. BOD /COD 值逐漸降至最后的0. 05~ 0. 2, 生物降解性能逐漸變差; 5)懸浮物: 濃度一般在300 ~ 1 000 mg /L; 6)氨氮(NH3 -N)：氨氮濃度較高, 一般在400 mg /L左右, 有時高達1 000 mg /L, 甚至更高; 7)重金屬: 由于生活垃圾分類收集和填埋場分撿不到位, 致使許多重金屬廢物存在其中, 導致滲濾液中的重金屬含量增加.
2 山東滕州垃圾填埋場滲濾液處理工程實例
2. 1 工程概況
山東滕州生活垃圾填埋場設計日處理垃圾450噸, 2009年3月投入運行, 初期垃圾日填埋量約350噸. 垃圾填埋產生的滲濾液由管道直接流入調節池,經滲濾液處理站處理達標后直接排放或者用于綠化、沖刷場地等. 滲濾液處理站于9月投入調試, 目前運行良好, 出水達標.
2. 2 設計規模、水質
系統設計日處理量80m3. 設計進水指標及出水排放指標見表1 所示. COD、BOD、SS、氨氮、總氮及pH 等為污染排放主要控制指標, 第四列及第五列分別為以上各指標在GB16889- 2008及DB37 /599-2006中的排放限制, 第六列為兩標準的較嚴格值, 為保證出水達標, 本設計各污染物排放值(第七列)應低于相應第六列限值.
表1 設計進、出水指標(僅列出部分主要指標)
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2. 3 工藝流程
工藝流程如圖1所示: 來自填埋場內的滲濾液由調節池收集后, 經袋式過濾器(精度為400 μm)去除較大顆粒物后進入MBR 系統, MBR 是一種分體式膜生化反應器, 通過MBR 降解大部分有機物, 出水在超濾膜水泥分離作用后進入納濾系統, 納濾采用濃水內循環式系統, 回收率保證在85%以上, 出水COD去除率在75%左右. 當NF出水滿足排放要求時, 即可關閉圖1 中RO 進水閥門, 若NF出水水質不佳, 打開RO進水閥門, NF出水經清液罐調節后進入RO 系統進行深度處理. 系統產生的剩余污泥和濃縮液分別流入污泥池和濃縮液池, 污泥池上層清液回至調節池, 底層污泥和濃縮液通過特定管路打入填埋區進行填埋.
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圖1 MBR + 雙膜法(NF/RO)組合工藝流程圖
2. 4 主要處理單元
1)調節池. 調節池為原已建設施, 池容8 000m3.
2)分體式MBR. MBR是一種分體式膜生化反應器, 包括生化反應器和UF 兩個單元. 生化反應器分為前置式反硝化和硝化兩部分. 在硝化罐中, 通過高活性的好氧微生物作用, 降解大部分有機物, 氨氮一部分通過生物合成去除, 大部分在高效的硝化菌作用下轉變成為硝酸鹽和亞硝酸鹽, 回流到反硝化罐,在缺氧環境中還原成氮氣排出, 達到生物脫氮的目的. 硝化罐出水進入UF系統, 通過UF膜進行水泥分離, 污泥回流使生化反應器保持較高的污泥濃度,經過不斷馴化形成的微生物菌群, 對滲濾液中難生物降解的有機物逐步降解, MBR 系統出水無菌, 無懸浮物.
(1)缺氧反應器. 在缺氧反應器中缺氧菌利用水中有機污染物和回流水中的硝態氮, 進行生物合成及反硝化作用. 把硝態氮轉變為氣態氮, 同時降低COD, 使有機污染物轉變為微生物體組分和二氧化碳、水、總氮脫除的主要環節. 主要設計參數如下:
污泥濃度: 15 g /m3; 反硝化污泥負荷: 0. 15 kg-NO3 - N /kgMLSS; 罐體尺寸φ3 800 mm×9 000mm; 水力停留時間24 h.
(2)好氧反應器. 主要用于氨氮硝化, 在好氧狀態下, 硝化菌把氨氮轉化為硝態氮. 主要設計參數如下:
污泥濃度: 15 g /m3; 好氧污泥泥齡17 d; 最大去除氨氮量: 160 NH3 - Nkg /d; 設計COD 處理率:93%; 消耗氧量: 2 170 kgO2/d; 曝氣量: 18. 84 m3/min; 罐體尺寸: φ7 000mm×9 000mm; 水力停留時間92 h.
(3) UF系統. 設于膜處理車間內; 德國BEEG-HOF公司6寸φ168 mm×3 000 mm 有機管式超濾膜(孔徑: 0. 02 μm) 4支; 膜通量: 70 L / h×m2
3) NF系統. 設于膜處理車間內, 采用濃水內循環式; 回收率: 85%以上; 美國陶氏化學NF270- 400卷式膜: 6支; 膜通量JNF= 22 L /h×m2
4) RO系統. 設于膜處理車間內, 采用濃水內循環式; 回收率: 85%以上; 美國陶氏化學BW30- 365- FR卷式膜: 6支; 膜通量JNF = 22 L /h×m2.
5) 膜清洗系統. 為有效防止膜污染, 保證出水率、出水量和處理效果, 必須對對膜定期清洗, 所以配置膜清洗系統.
(1) UF的清洗. 化學清洗(水洗、酸洗或堿洗)一般1~ 1. 5個月清洗一次; UF循環水量一般為150m3 /h, 當循環量低于135 m3 /h 時, 則要先進行人工疏通, 然后化學清洗. 清洗步驟如下:
①停止需進行清洗的UF 系統, 設定清洗時間為4h, 開啟清洗罐閥門.
②若堿洗, 加堿調節pH 值至10~ 11; 若酸洗,加酸調節pH值至1~ 2.
③清洗過程中記錄溫度及pH, 清洗溫度達到40攝氏度時, 停止清洗, 否則會造成膜的不可恢復的損壞.
④為保證良好的清洗效果, 膜清洗結束后, 膜管及管路浸泡2~ 3 h后, 繼續清洗20min, 然后水洗20m in, 若有必要可重復水洗.
(2) NF及RO 的清洗. 一般1個月清洗一次(或視情況而定). 清洗步驟如下:
①停止NF或RO 系統, 設置清洗時間為2 h.
②先清水沖洗, 放空清洗罐(膜管中存在一定量的濃縮液, 所以需要去除).
③清洗罐加水, 再進行酸洗, 在清洗剛開始時,加酸性清洗劑, 用量約10 L, 調節pH = 2左右.
④清洗過程中記錄溫度、壓力、pH 及各膜管的出水量, 清洗溫度達到40攝氏度時, 停止清洗, 若達到清洗時間后, 溫度未到40攝氏度并發現清洗效果不理想時可重新啟動繼續清洗, 直至達到良好的清洗效果或清洗溫度為止, 然后水洗10m in.
⑤若酸洗效果不明顯, 可繼續采用堿洗(加堿性清洗劑, 調節pH= 10~ 11) , 方法同酸洗.
6)污泥及濃縮液處理系統. 工藝中各系統均須維持一定的污泥濃度, 當污泥濃度超過一定范圍時,許多老化的污泥會自我降解轉化為有機污染物; 同時, 過高的污泥濃度會對膜處理產生很大的影響, 所以需定期排泥. 系統設計硝化系統污泥濃度控制在15~ 20 g /L, 當污泥濃度超過該范圍, 即開始人工排泥. 通過調節手動閘閥, 將系統污泥經排泥管道自流到污泥池. 污泥池同時起到濃縮沉淀的作用, 上清液回調節池或前端處理系統, 污泥回灌填埋場.
濃縮液中含有大量的難降解物質和大量SO42-,為避免這些物質在系統中積累而影響系統的正常運行, 本設計將濃縮液用泵打至濃縮液池, 然后回灌填埋區.
7)自動控制系統. 滲濾液處理裝置自動控制系統充分利用現代計算機控制技術, 采用上位機+PLC 控制方式, 自動控制系統將覆蓋全套滲濾液處理裝置, 可實現全過程程序控制、信號狀態監視及故障報警等功能.
2. 5 進出水水質
經2009年9月至2010年3月的監測, 本場垃圾滲濾液原水及各階段出水水質波動范圍如表2所示.
表2 原水及各階段出水水質
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由上表顯示, 各階段均保持較高的污染物去除率較高, 最終出水達標排放.
2. 6 投資及運行成本分析
目前大多滲濾液處理工藝流程復雜、構筑物繁多, 導致噸水投資較高(5~ 9萬元) , 而本工程前期做了較為全面技術及市場調研, 最終確定工藝流程簡潔, 并且在能保證設備性能可靠的前提下, 優先選用國產品牌, 構筑物選材及設備選型較為經濟, 噸水投資僅4. 3萬. 此外根據實際運行費用測算, 滲濾液處理站噸水運行成本為20~ 28元, 其中噸水耗電量約為18. 2度(當地電價1元/度) , 電費18. 2 元, 約占運行成本的75%~ 80%左右, 其余為人工費和藥劑費. 目前系統的工作狀態已達到并高于設計標準,可以認為該成本為實際運行成本.
3 工程經驗與總結
3. 1 工程經驗
整套設備自9月投入使用以來, 經1 個月調試成功, 目前系統已良好運行5個月. 實踐證明, 生化系統(反硝化及硝化系統)是該組合工藝良好運行的關鍵, 工程經驗總結如下:
1)污泥培養. 從污水處理廠取回活性污泥200噸左右抽入生化系統進行曝氣, 曝氣量調到500 ~1 000 m3 /h. 所取的活性污泥的COD 約小于30 mg /L, NH3 - N 為小于10 mg /L, 顏色為黃褐色, 污泥濃度為20 g /L左右(污泥濃縮池中的污泥), 本工程采用射流曝氣法. 經過數日曝氣、循環(視SV30的體積增加的變化)之后約2~5 d即可連續進水, 并開啟超濾進水泵和超濾設備超濾濃液和清液都回流到反硝化池并流至硝化池循環運行, 約10~ 20 d 可見有較多數量的活性污泥出現, 則可加大進水量, 提高負荷, 使污泥濃度和運行負荷達到設計值, 即使滲濾液經處理后達標排放所需要的污泥濃度和運行負荷.
2)均勻進水. 系統進水量是否均勻對生化系統的影響很大, 故要嚴格按照操作規程, 保證均勻進水, 并多次檢測污泥性狀, 發現異常需及時調整進水量、曝氣量、溫度及pH等.
3)污泥膨脹. 由于污泥負荷、溶解氧、溫度、pH等的不適引起的絲狀菌大量、快速繁殖導致硝化罐中污泥膨脹, 產生大量泡沫的現象是滲慮液處理中較常見的問題. 一般, 污染負荷高、溶解氧較低、溫度較高時易產生污泥膨脹, 應根據進水水質及時調整系統運行參數加以預防; 在發生污泥膨脹時, 應及時投加阻垢劑, 適當降低曝氣量來減小污泥膨脹的程度, 避免活性污泥的大量流失.
4)適當節能. 當生化系統運行良好、NF 出水就已達到排放要求時, 可關閉RO系統, NF出水直接排放, 或用于綠化及場地沖刷等. 此部分噸水節電約為4度, 即噸水運營成本降低4元.
5)操作人員的責任心. 由于滲慮液具有水質水量變化大的特點, 要根據其變化不斷調整運行參數,這就需要操作人員具有較強的責任心以及端正的工作態度, 這將有助于系統良好穩定運行.
6)為周邊地區滲濾液處理工程提供參考. 由于魯南地區氣候條件及生活習慣的相似, 該工程可為周邊地區甚至山東大部生活垃圾填埋場滲濾液處理工程工藝的選擇提供參考. 依據本工程特點, 對于垃圾滲濾液原水濃度偏低、雨水較為充沛的地區, 本工程主體工藝可提供一定的參考價值; 對于NH3 - N濃度較高的滲濾液原水, 為防止過高的NH3 - N 對生化系統微生物產生不利影響, 可考慮在此主體工藝基礎上增加氨吹脫塔, 降低進入生化系統的NH3-N 濃度.
3. 2 總結
MBR+ 雙膜法(NF/RO)組合工藝是傳統工藝與現代水處理技術的有機結合, 該工藝流程簡單(建構筑物較少)、污染物的削減能力較強, 調試周期短, 易于操作管理; 此外該組合工藝有著投資低、運行成本低的優點, 是一套性價比較高的組合工藝, 適合在周邊地區甚至我國大部中小城鎮垃圾滲濾液處理工程中廣泛推廣.
4 展望
MBR+ 雙膜法(NF /RO)組合工藝雖具有許多優勢, 也存在些許不足, 需進一步討論、研究:
1)隨著垃圾場齡的增加, 滲濾液的可生化性會逐漸變差, 難生化降解物質將成為對該組合工藝的考驗. 故該組合工藝對老垃圾滲濾液的處理效果有待研究.
2)膜處理會帶來濃縮液的處理處置問題. 目前采用較多的濃縮液處理法是回灌、高級氧化法等. 季節對回灌效果的影響較大, 例如夏季往往出現垃圾堆體水分飽和, 濃縮液無法回灌的情況; 高級氧化法的成本較高, 對于中小城鎮垃圾填埋場將是一筆很高的開銷. 故性價比高的濃縮液處理技術將成為研究的熱點.
3)隨著國家環保標準的進一步嚴格, 單一技術已不能完全解決滲濾液處理難題, 更多組合工藝將會成為專家研究的方向.
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第一作者: 張旭(1984-), 女, 碩士研究生.
