"A/O/MBR+RO"工藝處理垃圾滲濾液的中試研究

黃磊 張崢 萬(wàn)美玲 韋烽 陳業(yè)祖 鄧冬梅

摘? ? 要： 垃圾滲濾液是一種成分復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水，若不加處理而直接排入環(huán)境，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，研發(fā)高效可行的滲濾液處理工藝具有重要意義.通過(guò)建立“缺氧（A）/好氧（O）/膜生物反應(yīng)器（MBR）+反滲透（RO）”中試設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)處理實(shí)際垃圾滲濾液，探討進(jìn)水濃度和溫度條件對(duì)垃圾滲濾液中污染物去除影響，考察"A/O/MBR+RO"工藝處理垃圾滲濾液的工藝可行性.結(jié)果表明：該工藝在冬季時(shí)（5～15 °C）對(duì)COD、NH3-N、TN去除率仍可達(dá)60%、63%和47%左右.冬季低溫時(shí)，MBR出水中含有一定的NO2-N，而此時(shí)COD滿足不了完全反硝化需求，初步說(shuō)明可能存在一定的短程硝化反硝化.對(duì)MBR出水進(jìn)行RO深度處理后，出水中NH3-N、COD和TN等水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-2008）要求.

關(guān)鍵詞：垃圾滲濾液;MBR;短程硝化反硝化;總氮

中圖分類號(hào)：X703? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.007

0? ? 引言

垃圾滲濾液是由于垃圾填埋場(chǎng)中的雨水和水分滲透形成的高強(qiáng)度廢水[1].滲濾液含有有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物的混合物，包括腐殖酸、氨氮、重金屬、異生素和無(wú)機(jī)鹽，其成分取決于垃圾填埋年齡，廢物的質(zhì)量和數(shù)量，處置過(guò)程中發(fā)生的生物和化學(xué)過(guò)程，垃圾填埋場(chǎng)中的垃圾，降雨密度和水滲透率[2-3].要提高垃圾滲濾液處理效果，脫氮是關(guān)鍵步驟.目前，我國(guó)垃圾滲濾液處理大多采用“生化處理+深度處理”工藝，實(shí)驗(yàn)室小試研究表明：通過(guò)控制水質(zhì)和溫度等條件，序批式生物反應(yīng)器（SBR）等反應(yīng)器中可以實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，從而提高脫氮效率[4].目前，膜生物反應(yīng)器（MBR）是我國(guó)垃圾滲濾液生化處理的主流工藝[5]，實(shí)驗(yàn)室研究表明，MBR中也可實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化[6].但在中試或工程規(guī)模上，MBR現(xiàn)場(chǎng)處理垃圾滲濾液時(shí)，溫度和水質(zhì)均有一定變化.在此情況下，其脫氮性能及是否可實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化有待進(jìn)一步探討.

本試驗(yàn)采用內(nèi)置式平板MBR，構(gòu)建"A/O/MBR+RO"工藝的中試設(shè)備，處理實(shí)際垃圾滲濾液，考察不同進(jìn)水濃度和溫度條件下垃圾滲濾液的氮污染物去除影響，以期為利用平板MBR處理垃圾滲濾液提供參考.

1? ? 材料與方法

1.1? ?實(shí)驗(yàn)裝置

A/O/MBR+RO工藝流程圖如圖1所示，由MBR生物處理和RO兩部分組成.MBR生物處理部分材質(zhì)為不銹鋼，分為缺氧（A）、好氧（O）和MBR池3個(gè)部分，其中A池容積6 m3、O池容積12 m3、MBR池容積12 m3，如圖2所示.

A池安裝攪拌器裝置，在MBR池內(nèi)放置SMBRP-PVDF-1.4型平板MBR膜組件（柳州森淼環(huán)保技術(shù)開發(fā)有限公司），MBR膜為PVDF超濾膜（孔徑0.08 μm，膜過(guò)濾面積50 m2），MBR池底部安裝穿孔曝氣管，曝氣供氧并且使得在膜面形成一定的紊流，減緩膜污染.垃圾滲濾液由進(jìn)水箱經(jīng)進(jìn)水泵從底部進(jìn)入A池后，經(jīng)過(guò)上部溢流至MBR池;在膜組件的過(guò)濾后回流至A池，回流比為2.如圖2所示整個(gè)反應(yīng)裝置中進(jìn)水、回流水、出水流量及曝氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)監(jiān)測(cè).如圖1所示MBR出水經(jīng)保安過(guò)濾器，泵至RO膜組件，RO膜組件出水2∶1回流至RO膜組件進(jìn)水處，RO膜組件為HPA2-4040（美國(guó)海德能）.反滲透系統(tǒng)由低壓泵、保安過(guò)濾液、高壓泵和RO膜組件構(gòu)成，低壓泵運(yùn)行壓力為0.1 MPa，高壓泵運(yùn)行壓力為1.5 MPa.

1.2? ?啟動(dòng)及運(yùn)行

以柳州市立沖溝垃圾滲濾液為中試設(shè)備的進(jìn)水，接種柳州市市白沙污水廠剩余污泥到MBR生物處理部分，連續(xù)進(jìn)水，生物處理部分HRT=120 h，開始馴化，當(dāng)MRB出水中水質(zhì)穩(wěn)定時(shí)作為啟動(dòng)成功，開始運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量大小來(lái)控制HRT.在除掉運(yùn)行異常和調(diào)試適應(yīng)期，共穩(wěn)定運(yùn)行330 d.在運(yùn)行過(guò)程中1～2個(gè)月排泥1次，使MBR池污泥質(zhì)量濃度控制在9 000～12 000 mg/L范圍，MBR池中DO值控制為3～6 mg/L，A池DO控制為0～0.5 mg/L，O池DO值控制為0.5～2.0 mg/L.在運(yùn)行206 d后開始啟動(dòng)RO處理.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，MBR或RO膜通量持續(xù)快速下降時(shí)，即進(jìn)行一次化學(xué)在線清洗.

1.3? ?分析方法

運(yùn)行穩(wěn)定期的1～330 d，每2 d測(cè)一次中試設(shè)備進(jìn)水和MBR出水的COD、NH3-N、NO2-N、NO3-N和TN質(zhì)量濃度.在運(yùn)行穩(wěn)定期的206～330 d，除MBR進(jìn)出水外，補(bǔ)充檢測(cè)反滲透系統(tǒng)進(jìn)水箱水質(zhì)和反滲透出水中的COD、NH3-N和TN質(zhì)量濃度，測(cè)試為2 d/次.利用分光光度法測(cè)定COD，納氏試劑分光光度法測(cè)定NH3-N，NO2-N和NO3-N分別用酚二磺酸光度法和N-（1-萘基）-乙二胺光度法進(jìn)行測(cè)定，TN通過(guò)TN/TOC分析儀（multi N/C3000，德國(guó)耶拿）測(cè)定[7].

2? ? 結(jié)果與討論

如圖3所示，垃圾滲濾液進(jìn)水COD質(zhì)量濃度波動(dòng)較大，其中在運(yùn)行的1～122 d，進(jìn)水COD較低，平均值為2 134 mg/L（1 314 ～3 328 mg/L），之后COD開始升高，其中，在運(yùn)行124～212 d，COD有較大波動(dòng)，平均值為3 581 mg/L（2 122～4 746 mg/L）.在第214天進(jìn)水COD值持續(xù)升高，直至第266天達(dá)到最大值? ? ? ?8 666 mg/L，之后又逐步下降.在整個(gè)運(yùn)行期間，COD去除率平均為70%，在44%～87%之間波動(dòng)，而冬季（5～15 oC）的去除率為63%（45%～76%），低于其他時(shí)間的去除率.孫曉杰等 [8]也發(fā)現(xiàn)垃圾滲濾液反應(yīng)器其中COD 質(zhì)量濃度的平均去除率從秋季的70%左右降至冬季的44%.冬季垃圾滲濾液的可生化性一般較差，這也可能是冬季出水COD質(zhì)量濃度增加的原因[9].

垃圾滲濾液進(jìn)水COD質(zhì)量濃度隨溫度有些波動(dòng)，其中低溫時(shí)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度較高，其中運(yùn)行第151～240天（5～15 oC），進(jìn)水COD質(zhì)量濃度在此低溫期間波動(dòng)范圍為2 402～4 542 mg/L，此時(shí)設(shè)備對(duì)COD質(zhì)量濃度的去除明顯低于其他時(shí)段，原因可能是由于低溫降低了反應(yīng)池中微生物的活性而導(dǎo)致去除率下降.但當(dāng)去除率下降到一定時(shí)間后又隨著進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的上升而開始回升，MBR池中的微生物開始適應(yīng)了低溫的環(huán)境后開始發(fā)揮作用，使得COD去除率回升，而整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中去除率隨著進(jìn)水COD質(zhì)量濃度明顯上下波動(dòng)，說(shuō)明在此條件下，COD去除率和進(jìn)水COD濃度成正比.

在整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，垃圾滲濾液進(jìn)水NH3-N波動(dòng)也較大，其中低溫時(shí)進(jìn)水NH3-N較高，其中運(yùn)行第151～240天（5～15 oC），進(jìn)水NH3-N平均為1 701 mg/L（1 222 ～2 252 mg/L），運(yùn)行的第1～150天（15～35 oC）和第241～330天（15～25 oC）進(jìn)水NH3-N平均分別為1 002 mg/L和1 262 mg/L（圖4）.冬季降水少可能是導(dǎo)致冬季進(jìn)水氨氮較高的原因之一.對(duì)于硝化反應(yīng)，文獻(xiàn)[10]報(bào)道適宜溫度范圍為20～30 oC，一般溫度低于15 oC時(shí)，硝化速率明顯降低，硝化反應(yīng)受到明顯抑制.本研究結(jié)果表明，冬季溫度在5～15 oC波動(dòng)時(shí)，A/O/MBR對(duì)氨氮的去除率雖有些下降，但仍保持有60%的去除率，這可能是因?yàn)槎緶囟葹榫徛档?，硝化?xì)菌對(duì)低溫環(huán)境有更好的適應(yīng)性[11].盡管本研究中冬季垃圾滲濾液進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度比較高，但由于立沖溝垃圾填埋場(chǎng)為分層填埋，填埋過(guò)程中，垃圾滲濾液中進(jìn)水含有較多的堿度（7 000～8 000 mg/L，數(shù)據(jù)未展示），使運(yùn)行過(guò)程中MBR出水的pH維持在7～9，這也有助于低溫下硝化反應(yīng)的進(jìn)行.而在運(yùn)行中，NH3-N質(zhì)量濃度的去除率隨進(jìn)水NH3-N升高和溫度的降低而有下降趨勢(shì)，到后邊在溫度回升和進(jìn)水NH3-N質(zhì)量濃度下降后去除率又有明顯上升（圖4），說(shuō)明水樣中的NH3-N和溫度共同影響NH3-N的去除效率.由圖4可知，在系統(tǒng)運(yùn)行前期（1～100 d）和系統(tǒng)運(yùn)行后期（260～330 d）中，進(jìn)水NH3-N質(zhì)量濃度總體處于同一水平，而前期運(yùn)行的溫度要大于后期運(yùn)行溫度且NH3-N去除率也要大于后期，這說(shuō)明了溫度的升高有利于系統(tǒng)對(duì)NH3-N的降解.在運(yùn)行的中期（104～160 d）和系統(tǒng)運(yùn)行后期（260～330 d）中，兩者的溫度波動(dòng)范圍一致，但中期進(jìn)水中NH3-N質(zhì)量濃度要大于后期的進(jìn)水濃度，運(yùn)行結(jié)果是后期的NH3-N去除率明顯大于中期，說(shuō)明此濃度下水中NH3-N質(zhì)量濃度的增加提高了系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷導(dǎo)致去除率降低.

在運(yùn)行期間，溫度和進(jìn)水物質(zhì)濃度共同影響著TN的去除效率（圖5）.當(dāng)進(jìn)水濃度相一致時(shí)（1～95 d和284～330 d兩個(gè)時(shí)間段），溫度較高（23～35? oC）的時(shí)間段1～95 d的TN去除率要高于溫度較低? ? ? ? ? ? ? ?（15～25? oC）的284～330 d.在同一溫度范圍內(nèi)，第104～150 天進(jìn)水TN濃度要高于260～330 d，去除率卻低于后者，說(shuō)明在此條件下進(jìn)水TN濃度的升高降低了TN的去除率.整個(gè)過(guò)程TN的去除率波動(dòng)范圍為41%～83%，和COD、NH3-N類似，溫度較高時(shí)，總氮的去除率較高，運(yùn)行的第1～150天（15～35 oC）和第241～330天（15～25 oC）TN去除率平均分別為66%和63%（圖5）.值得注意的是，運(yùn)行的第151～240天（5～15 oC），TN的平均去除率盡管低于較高溫度，但仍達(dá)47%.在此低溫期間，COD波動(dòng)范圍為2 402～ 4 542 mg/L，且多為難降解有機(jī)物，理論上滿足不了完全反硝化對(duì)COD的要求.對(duì)運(yùn)行期間進(jìn)水和出水中的NO2-N和NO3-N分析表明，在運(yùn)行第156～252天及276～330天，出水中均出現(xiàn)NO2-N積累，積累的NO2-N量分別為227（±92）mg·L-1和131（±39） mg·L-1，其含量接近NO3-N（圖6）.據(jù)報(bào)道，NO2-數(shù)量占總氮的一半時(shí)，一般會(huì)發(fā)生短程硝化反硝化，本研究結(jié)果初步證明短程反硝化存在.因?yàn)閬喯趸鷮?duì)低溫有更強(qiáng)的適應(yīng)性，利用SBR處理垃圾滲濾液時(shí)，也發(fā)現(xiàn)低溫下短程硝化反硝化的存在[12]，這可能是因?yàn)閬喯跛峒?xì)菌對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性明顯高于硝酸細(xì)菌.利用MBR處理晚期垃圾滲濾液時(shí)，發(fā)現(xiàn)晚期垃圾滲濾液中COD所含有毒物質(zhì)、底物和產(chǎn)物等會(huì)抑制短程硝化反硝化的效率，其中有毒物質(zhì)的抑制作用最強(qiáng)烈[13].本研究中，冬季垃圾滲濾液成分更接近晚期垃圾滲濾液，而短程硝化反硝化為部分反硝化，這也可能是垃圾滲濾液中毒性物質(zhì)的作用導(dǎo)致，需對(duì)這些因素的進(jìn)一步探討，對(duì)提高冬季MBR對(duì)垃圾滲濾液的脫氮效率有重要意義.

由于出水中仍有部分COD和TN，垃圾滲濾液必須有后續(xù)處理，納濾和反滲透是常見后處理方式[14].盡管進(jìn)入反滲透膜的進(jìn)水COD、NH3-N和TN平均分別達(dá)到了1 164 mg/L、62 mg/L和585 mg/L，出水COD、NH3-N和TN質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于50 mg/L、25 mg/L和40 mg/L，達(dá)到《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-2008）要求，證明了“平板MBR+反滲透”工藝可以穩(wěn)定用于垃圾滲濾液的處理.

在穩(wěn)定運(yùn)行的206～330 d中，MBR和RO對(duì)水中各個(gè)指標(biāo)的去除貢獻(xiàn)率如表1所示，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，A/O/MBR工藝對(duì)垃圾滲濾液的去除起到主要作用，特別是對(duì)NH3-N的去除中，貢獻(xiàn)值達(dá)到? ? ? ? ? ? ? ?96（±4.4）%的值.運(yùn)行的206～330 d中，有3個(gè)月的時(shí)間（151～241 d，5～15 oC）是屬于冬季的，此時(shí)的? ?A/O/MBR仍能起到主要去除作用，說(shuō)明雖然溫度降低，但是MBR池中的生物仍有較高的去除效率，說(shuō)明MBR對(duì)垃圾滲濾液的脫氮效率有較大意義.

3? ? 結(jié)論

本論文建立的 “缺氧（A）/好氧（O）/膜生物反應(yīng)器（MBR）+反滲透（RO）”中試設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)處理實(shí)際垃圾滲濾液中考察不同進(jìn)水濃度和溫度條件下對(duì)垃圾滲濾液的氮污染物去除影響.得出A/O/MBR工藝在冬季時(shí)（5～15 oC）對(duì)COD、NH3-N、TN可以保持60%、63%和47%的去除率，在其他溫度較高時(shí)，去除率也隨之提高.在本試驗(yàn)條件下，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的提高促進(jìn)了COD的去除，而進(jìn)水NH3-N和TN質(zhì)量濃度的提高則會(huì)降低系統(tǒng)的去除效果.在運(yùn)行的完整工藝（206～330 d）對(duì)垃圾滲濾液處理中，A/O/MBR對(duì)COD、NH3-N、TN的去除貢獻(xiàn)率分別為73（±6.9）%、96（±4.4）%、59（±9.2）%，說(shuō)明A/O/MBR工藝在處理垃圾滲濾液中起到主要作用.冬季低溫時(shí)，MBR出水中含有一定的NO2-N，而此時(shí)COD滿足不了完全反硝化需求，初步說(shuō)明可能存在一定的短程硝化反硝化.在利用RO進(jìn)一步處理MBR出水，RO出水中COD、? NH3-N和TN穩(wěn)定達(dá)到《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-2008）要求，初步證實(shí)“A/O/MBR+RO”工藝處理垃圾滲濾液穩(wěn)定可行，以期為利用平板MBR處理垃圾滲濾液提供參考.

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A pilot study on the treatment of landfill leachate by

"A/O/MBR+RO" process

HUANG Lei1，2， ZHANG Zheng1，2， WAN Meiling1，2， WEI Feng1，2， CHEN Yezu1，2， DENG Dongmei*1，2

（1.School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources（Guangxi University of? ? ?Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstracts： Landfill leachate is a high-concentration organic wastewater with complex composition. If discharged into the environment without treatment， it will cause serious environmental pollution. It is of great significance to develop a highly efficient and feasible leachate treatment process. By building? ?"anoxic （A） / aerobic （O） / membrane bioreactor （MBR） + reverse osmosis （RO）" pilot plant， on-site treatment of actual landfill leachate was done; the impact of influent concentration and temperature? conditions on the removal of pollutants in landfill leachate was explored; the feasibility of the "A/O/MBR+RO" process for treating landfill leachate was examined. The results show that the removal rate of