MBR/NF/RO 處理老齡垃圾滲濾液的改造工程

肖揚帆，陳峻松，胡 魏

（1.宜昌建投水務(wù)有限公司，湖北 宜昌 443000；2.宜昌城市建設(shè)投資控股集團有限公司，湖北宜昌 443000）

1 引言

滲濾液是一種高濃度有機廢水，具有污染物種類多、成分復(fù)雜、極易變化的特點。我國生活垃圾處理以填埋方式為主，多年來，針對垃圾填埋場產(chǎn)生的滲濾液，形成了“預(yù)處理+生物處理+深度處理”的工藝模式，其中，深度處理單元以膜處理、高級氧化處理、蒸發(fā)處理等方式最為常見。當前垃圾分類正全面實施，易腐垃圾作為垃圾滲濾液的主要產(chǎn)生來源備受關(guān)注。為避免滲濾液快速老齡化，做好垃圾分類，尤其是有機垃圾的分類回收意義重大。由于滲濾液在填埋場運營過程中水質(zhì)變化較大，滲濾液出現(xiàn)老齡化后，原工藝不再適應(yīng)老齡化滲濾液水質(zhì)特征，工藝改造勢在必行。以湖北省宜昌市某垃圾填埋場為例，分析了填埋場垃圾滲濾液處理運行過程中存在的問題及原因，并提出相關(guān)技術(shù)改造方案，以期為同類項目改造提供經(jīng)驗及借鑒。

2 工程概況

湖北省宜昌市某垃圾填埋場一期填埋區(qū)總庫容2.37×106m3，有效庫容為1.931×106m3，設(shè)計近期日均處理垃圾150 t，遠期350 t，配套滲濾液處理規(guī)模200 m3/d［1］。2014 年7 月啟動運行，由于城市快速發(fā)展，運行3 a 后日均垃圾處理量達到900 t，超設(shè)計負荷近2.6 倍，故啟動填埋場二期擴建工程，并于2017 年9 月投產(chǎn)運行。擴建工程總占地面積為25.64 hm2，其中填埋庫區(qū)占地面積為17.55 hm2，總庫容為2.89×106m3，設(shè)計處理規(guī)模為1 000 t/d，服務(wù)年限6 a?，F(xiàn)狀及擴建工程總庫容為5.383×106m3，總使用年限為12 a。填埋場庫區(qū)增加2#、3#庫，滲濾液處理能力增加300 m3/d，采用MBR（兩級AO） +NF＋RO 工藝。隨著垃圾填埋場的運行，滲濾液水質(zhì)會出現(xiàn)嚴重的老齡化趨勢，C/N 極速降低，基本維持在2 以內(nèi)［2-3］；同時由于垃圾分類不到位，廚余垃圾未有效分離，有機成分超過50%，其中含氮有機物大量轉(zhuǎn)化為氨氮，氨氮濃度較運行初期翻倍，同時總氮濃度升高［4-6］，導(dǎo)致滲濾液處理難度急劇增加。本研究項目為湖北省宜昌市某垃圾填埋場，一期配套建設(shè)200 m3/d，滲濾液系統(tǒng)為一級AO+UF+NF+RO 工藝，填埋場運行初期較為穩(wěn)定。水質(zhì)出現(xiàn)老齡化后，無法滿負荷穩(wěn)定運行，最多日處理量為120 t。為了將產(chǎn)能充分利用，在完成二期300 m3/d 滲濾液處理設(shè)施建設(shè)投產(chǎn)后，啟動原200 m3/d 滲濾液處理系統(tǒng)改造工程迫在眉睫。

3 運行中存在問題及原因分析

3.1 脫氮能力不足

一般垃圾填埋場滲濾液出現(xiàn)老齡化現(xiàn)象多為填埋運行10 a［7］以上的垃圾場，但從表1 中數(shù)據(jù)可知，該垃圾填埋場運行僅5 a 就出現(xiàn)了急劇老齡化的滲濾液水質(zhì)特征。老齡化加速主要原因是氨氮、總氮濃度急劇上升。二期項目投產(chǎn)前濃縮液全部回灌，投產(chǎn)后仍有一半濃縮液回灌，累計回灌量超過2.0×105m3，導(dǎo)致無機鹽離子在滲濾液中反復(fù)濃縮，使得滲濾液老齡化；垃圾超負荷進場導(dǎo)致滲濾液產(chǎn)生量增加，設(shè)計滲濾液產(chǎn)生率30%，而經(jīng)驗統(tǒng)計值約50%，每天滲濾液產(chǎn)生量約500 m3，滲濾液處理系統(tǒng)一直處于超負荷狀態(tài)，膜產(chǎn)水率下降，難降解有機物在濃縮液中快速積累，滲濾液可生化性下降。

表1 不同填埋時間的滲濾液特征

2015 年氨氮、總氮年均值分別為1 186、1 459 mg/L，2019 年其值分別達到了2 543、2 879 mg/L，氨氮和總氮指標均呈現(xiàn)了中老齡化趨勢。一級AO 系統(tǒng)在2018 年運行過程中出現(xiàn)了出水氨氮和總氮嚴重超標情況，氨氮、總氮分別達到1 459、1 712 mg/L。在2018 年初運行時出現(xiàn)了污泥大面積死亡的現(xiàn)象，超濾膜1 d 內(nèi)通量下降80%，檢測生化系統(tǒng)氨氮濃度幾乎無去除效果，游離氨（FA） 在200 mg/L 以上，硝化菌和反硝化菌均受到抑制，判斷系統(tǒng)運行癱瘓。采取了補充活性污泥、清水置換、調(diào)降進水量的措施，使得生化系統(tǒng)氨氮逐漸降低，進水量維持在50～60 m3/d，氨氮和總氮指標年均值分別為143.5、231.7 mg/L，見表2?，F(xiàn)有一級AO 無法適應(yīng)高氨氮、總氮的水質(zhì)，脫氮能力嚴重不足，提升脫氮效能刻不容緩。

表2 滲濾液進出水水質(zhì)統(tǒng)計

原水COD 數(shù)值較低，碳氮比基本在1.5 以下，需要補充碳源。理論上為了保證總氮達標，需要保證水處理C∶N≥4∶1，因此需要增加碳源，實踐中使用葡萄糖作為碳源進行補充。另一方面，設(shè)計進水氨氮濃度為1 500 mg/L，而實際進水濃度超過了2 500 mg/L，超出了系統(tǒng)處理能力，因此運行中實際處理能力僅為100～120 t/d。由于近5 年的濃縮液均采用回灌處理，2015 年滲濾液中溶解性固體總量（TDS） 為6 000～10 000 mg/L，2019 年達到了20 000～25 000 mg/L。

3.2 池容不足

池容設(shè)計偏小，有效容積嚴重不足。滲濾液進水COD 范圍2 000～3 000 mg/L，氨氮范圍2 200～2 900 mg/L，以此數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進行核算?，F(xiàn)場設(shè)備反硝化罐有效容積為120 m3，停留時間1.2 d，污泥濃度取10 g/L，脫氮速率（以MLSS 計） 為0.05 kg/（kg·d），所需池體有效容積為317 m3，即所需池體有效容積最少需要320 m3，停留時間3.2 d，原有池容無法滿足要求，需新增反硝化池；現(xiàn)場硝化罐有效容積為360 m3，停留時間3.6 d，按照污泥濃度取12 g/L，設(shè)計硝化速率（以MLSS 計）為0.03 kg/（kg·d），所需池體有效容積為604 m3，即所需池體有效容積最少需要610 m3，停留時間6 d，原有池容無法滿足要求，需新增硝化池。

3.3 設(shè)備處理能力不足

1） 換熱器。生化系統(tǒng)配套的冷卻塔設(shè)計偏小，在夏季的高溫期會導(dǎo)致生化溫度過高，致使系統(tǒng)無法正常運行。100 t 處理線所需冷卻塔處理能力為150 t/h，板式換熱器面積為40 m2。根據(jù)計算循環(huán)水量100 t/h，即冷卻塔至少選擇100 t/h，考慮到生化池溫度對COD 和氨氮去除效果影響較大，冷卻塔參數(shù)選擇100 t/h?，F(xiàn)有設(shè)備冷卻塔處理能力為80 t/h，板式換熱器面積為25 m2，如遇高峰負荷時，冷卻能力有限，影響生化處理效果。

2） 鼓風(fēng)機。鼓風(fēng)機曝氣風(fēng)量設(shè)計偏小，未考慮到水質(zhì)變化造成的影響。硝化池采用射流曝氣方式，運行過程中會出現(xiàn)泡沫超出安全液位的情況，需要控制曝氣風(fēng)機，也間接導(dǎo)致溶解氧偏低。曝氣風(fēng)機風(fēng)量，單條處理線經(jīng)核算風(fēng)機曝氣量為24.5 m3/min。現(xiàn)有設(shè)備為4 臺，單條處理線為100 m3/d，空氣風(fēng)機20 m3/min，1 用1 備，高負荷時需要2 臺同啟，同時開啟又經(jīng)常出現(xiàn)泡沫外溢情況。

3） 膜系統(tǒng)。膜系統(tǒng)采用外置式MBR，NF 和RO 均采用一級一段式設(shè)置，膜采用并聯(lián)方式運行。由于5 a 運行濃縮液均采用回灌處理，滲濾液中的TDS［8］達到了20 000 mg/L 以上，膜系統(tǒng)綜合產(chǎn)水率從65%降至50%。系統(tǒng)設(shè)計回收率為75%，實際產(chǎn)水率較低。

4 技術(shù)改造方案

4.1 工藝流程及進出水指標

二級AO 系統(tǒng)是對單級AO 脫氮系統(tǒng)的強化，增加了1 個后置反硝化池和后曝氣池，由4 個反應(yīng)池構(gòu)成。好氧池中的混合液進入后置反硝化池，同時后置反硝化池中需投加外部碳源，進行反硝化反應(yīng)，進一步去除殘留的總氮［9］。兩級AO 系統(tǒng)能夠滿足總氮去除率要求較高的場景，二級反硝化增加了脫氮達標的保障，但是需要外部投加碳源，增加了一級好氧系統(tǒng)，增加了藥耗和能耗。目前200 m3/d 系統(tǒng)主要問題是生化系統(tǒng)的總氮處理能力不足，康廣鳳等［10］研究表明，MBR 采用兩級反硝化、硝化，脫氮效果更有保障。杜昱等［11］研究發(fā)現(xiàn)單級硝化反硝化系統(tǒng)在進水氨氮濃度較低時，單級生物脫氮后仍有一定量的硝酸鹽在系統(tǒng)中，增加二級硝化反硝化能夠進一步去除剩余硝酸鹽、亞硝酸鹽。因此二級的硝化反硝化系統(tǒng)串聯(lián)是一種較好的總氮去除處理方式，是一級AO 系統(tǒng)脫氮效能改造的較好選擇。

現(xiàn)狀處理工藝為“MBR（單級AO） +NF+RO”，分兩組100 m3/d 處理規(guī)模運行，但不能達產(chǎn)，改造對象為現(xiàn)狀200 m3/d 生化處理單元。現(xiàn)狀A(yù)O 池均為鋼制罐體，單組反硝化罐、硝化罐有效容積分別為120、360 m3。如圖1 所示，原反硝化罐、硝化罐改成第二級AO 單元，新增第一級AO 系統(tǒng)。

圖1 工藝流程示意

總體工藝單元可分為4 個系統(tǒng)：滲濾液生化系統(tǒng)（AO+MBR 系統(tǒng)）、膜深度處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、濃縮液處理系統(tǒng)。其中MBR 系統(tǒng)可分為生化系統(tǒng)（一級、二級反硝化及硝化單元）、UF 系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。

垃圾滲濾液經(jīng)調(diào)節(jié)池提升泵提升至進水池MBR 系統(tǒng)的生化段，生化段由兩級A/O 組成，滲濾液依次流經(jīng)一級反硝化池、一級硝化池、二級反硝化罐、二級硝化罐。通過內(nèi)回流，在交替缺氧、好氧條件下，滲濾液中的有機物、氨氮、硝態(tài)氮得到降解去除。生化系統(tǒng)的泥水混合物通過UF 系統(tǒng)分離后，清液進入膜系統(tǒng)深度處理，濃縮污泥回流至生化系統(tǒng)。經(jīng)過UF 系統(tǒng)單元處理后的清液進入NF+RO 系統(tǒng)后，剩余有機污染物及鹽類大部分被膜攔截于NF 和RO 濃縮液中，透過的清液排入NF、RO 清液池。NF 清液達標可直接排放，若不達標進入RO 系統(tǒng)進一步處理后達標排放；濃縮液排入濃縮液池后，進入濃縮液蒸發(fā)系統(tǒng)進行處理。

進出水水質(zhì)指標按照表3 數(shù)據(jù)執(zhí)行，進水參考現(xiàn)狀水質(zhì)情況和我國多地區(qū)水質(zhì)統(tǒng)計情況綜合確定。出水執(zhí)行GB 16889—2008 生活垃圾填埋場污染控制標準中表2 限值。

表3 設(shè)計水質(zhì)指標

4.2 生化系統(tǒng)

原來一級AO 系統(tǒng)改造成第二級反硝化硝化系統(tǒng)，新增第一級反硝化硝化系統(tǒng)，均分兩座布置，每座處理能力100 m3/d。一級反硝化池和硝化池有效容積分別為306、688 m3，二級反硝化罐和硝化罐有效容積分別為120、360 m3。如表4 所示，二級反硝化罐和硝化罐設(shè)計水力停留時間（HRT） 分別為1、2 d，由于罐體易產(chǎn)生泡沫外溢，因此將有效液位適當降低，確保HRT 同時保證泡沫不發(fā)生外溢。一級反硝化池脫氮速率取0.05 kg/（kg·d）（以MLSS計），污泥濃度取12 g/L；一級硝化池污泥負荷取0.18 kg/（kg·d）（以MLSS 計），污泥濃度取12 g/L。

表4 生化系統(tǒng)、脫泥系統(tǒng)主要設(shè)備及工藝參數(shù)統(tǒng)計

20 ℃標準供氧量62 kg/h，氧利用率22%，原4 臺45 kW 風(fēng)機保留2 臺向二級硝化罐供氧，新增2 臺110 kW 向新建一級硝化池供氧。原硝化液回流泵、射流循環(huán)泵、冷卻循環(huán)泵等均作了適當調(diào)整，確保處理效果同時降低能耗。UF 膜、NF 膜、RO 膜除了正常更換膜組件外其他未做改動，相關(guān)設(shè)備規(guī)格指標［1］仍保持原狀。

4.3 脫泥系統(tǒng)

原脫泥系統(tǒng)為板框壓濾機，過濾面積8 m2，功率1.5 kW，為手動拉板式工作模式，工作效率十分低下。此次改造將脫泥機更換為疊螺脫水機，絕干污泥處理流量Q=60～100 kg/h，N=1.65 kW。在運行過程中發(fā)現(xiàn)，雖然MBR 理論上可以無限延長污泥齡，但投加葡萄糖后污泥生長速度較快，仍然需要定時脫泥，因此增大脫泥效率十分必要，有助于生化系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

5 運行效果分析

5.1 MBR 運行情況

改造前單套系統(tǒng)日處理滲濾液50 t，加入葡萄糖250 kg，改造后日處理100 t，加入葡萄糖750 kg。經(jīng)過長時間運行，在運行穩(wěn)定情況下取樣監(jiān)測。

改造前和改造后分別對MBR 系統(tǒng)出水1 個月內(nèi)間隔取樣10 次，檢測結(jié)果顯示COD、氨氮、總氮3 個指標均明顯改善，如表5 和圖2～4 所示。改造前原水COD 在1 800～3 100 mg/L，均值2 469.2 mg/L，MBR 出水COD 在1 200～2 400 mg/L，均值2 017.5 mg/L；改造后滲濾液原水COD 在3 100～7 800 mg/L，均值4 643.9 mg/L，MBR 出水COD 在800～1 200 mg/L，均值1 030.2 mg/L。

表5 改造前后水質(zhì)情況對比

圖2 COD 變化趨勢

圖3 氨氮變化趨勢

圖4 總氮變化趨勢

如表5 所示，改造前原水氨氮均值2 062.9 mg/L，MBR 出水氨氮均值為546.2 mg/L，MBR 氨氮去除率均值僅為73.52%。改造后氨氮原水均值為2 459.7 mg/L，MBR 出水氨氮均值為36.5 mg/L，MBR 出水氨氮去除率均值達到了98.52%。經(jīng)過改造氨氮的去除率得到了較大提高。改造前滲濾液原液總氮均值為2 285.9 mg/L ，MBR 出水總氮的均值為696.8 mg/L，改造后滲濾液原水總氮均值為2 718 mg/L，MBR 出水總氮均值僅為115.9 mg/L，總氮去除效果也較為明顯。

5.2 膜深度處理系統(tǒng)運行情況

COD 去除率均值從81.35%增加到98.27%；氨氮主要在生化階段去除，膜系統(tǒng)對氨氮的去除效果有限?？偟コ示祻?0.06%提升至99.15%（表5）。改造后相關(guān)出水指標均能達到表3 設(shè)計值，符合GB 16889—2008 中表2 要求。

6 經(jīng)濟指標分析

改造前直接運行成本為53.93 元，主要包含電費30.5 元/t，藥劑費18.2 元/t；改造后運行費用有所增加，電費達到35.08 元/t，藥劑費因葡萄糖等碳源投加量猛增達到了24.32 元/t，總共噸均處理成本65.85 元，如表6 所示。將蒸發(fā)系統(tǒng)單獨核算，每噸濃縮液處理成本約80 元。

表6 系統(tǒng)運行直接成本 元

7 結(jié)論和建議

7.1 結(jié)論

1） 滲濾液老齡化原因。老齡化加速主要原因是氨氮、總氮濃度急劇上升；濃縮液回灌導(dǎo)致無機鹽離子在滲濾液中反復(fù)濃縮；垃圾超負荷進場導(dǎo)致滲濾液產(chǎn)生量增加，經(jīng)驗統(tǒng)計值約50%，每天滲濾液產(chǎn)生量約500 m3，滲濾液處理系統(tǒng)一直處于超負荷狀態(tài)，膜產(chǎn)水率下降，難降解有機物在濃縮液中快速積累，滲濾液可生化性下降。

2） 改造效果良好。MBR/NF/RO 系統(tǒng)將一級AO 改造成兩級AO 后運行效果良好，不僅使得200 m3/d 系統(tǒng)滿負荷運行，而且水質(zhì)各項指標均能達到設(shè)計值，出水滿足GB 16889—2008 中表2 要求。COD 去除率達到98.27%，總氮去除率達到99.15%，MBR 氨氮去除率達到98.52%。

3） 經(jīng)濟指標。由于長期處于超負荷處理生活垃圾狀態(tài)，垃圾滲濾液C/N 低至1.5∶1 以下，水質(zhì)老齡化趨勢明顯，直接運行費用較早期滲濾液處理明顯增加，改造后噸滲濾液處理費用達到65.85 元。

7.2 建議

為避免快速老齡化，建議做好垃圾分類，對于有機垃圾盡量分類回收，避免過多有機成分進入填埋場。老齡垃圾滲濾液突出的問題是總氮去除效果較差，MBR 一級AO 系統(tǒng)改造成兩級AO 系統(tǒng)，強化脫氮是一種行之有效的改造方法，建議類似的垃圾填埋場可以借鑒此方法進行改造，以應(yīng)對垃圾滲濾液老齡化問題。