MBR系統(tǒng)處理滲濾液蒸餾廢水影響條件的研究

吳啟龍

(佛山水務(wù)環(huán)保股份有限公司，廣東 佛山 528000)

引 言

目前，我國城市生活垃圾處理主要以焚燒和衛(wèi)生填埋為主，儲存和處理過程，會產(chǎn)生污染物濃度高、成分極復(fù)雜的垃圾滲濾液[1-2]。垃圾滲濾液若處理不當(dāng)，容易對人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響[3-5]。因此，焚燒廠和填埋場產(chǎn)生的垃圾滲濾液，必須進行無害化處理，處理后達到國家和地方排放標(biāo)準后，才能對外排放[6-7]。

目前,垃圾滲濾液處理工藝主要有MBR-NF-RO工藝(膜生物反應(yīng)器-納濾-反滲透過濾工藝)、DT-RO工藝(蝶式反滲透過濾工藝)和MVC-DI工藝(機械蒸發(fā)-離子交換工藝)等組合工藝[8-11]。但上述處理工藝，都存在各自的缺陷[12]。MBR-NF-RO工藝，由于采用了納濾和反滲透膜，膜深度處理后，約25%～30%的濃縮液，富集了大量濃度高且難降解的COD，并會大量累積鹽分[13-15]。由于濃縮液的處理尚缺乏成熟穩(wěn)定和經(jīng)濟的處理技術(shù)，只能通過填埋場回灌，以及回噴焚燒爐或市政污水廠外運處理[16-17]。隨著垃圾填埋場的老齡化，垃圾滲濾液中的碳氮比失衡，可生化性降低，導(dǎo)致原生化系統(tǒng)需要投加大量碳源，進行脫氮，引起處理成本不斷升高[18-21]。DTRO膜的主要問題是使用壽命較短，運行成本高。隨運行時間延長，出水量顯著下降，若膜質(zhì)量不過關(guān)，容易出現(xiàn)氨氮超標(biāo)情況，難高效持續(xù)的運行[22]。

“MVC-DI工藝”問題主要體現(xiàn)在蒸發(fā)器易結(jié)垢，需要頻繁沖洗和化學(xué)清洗，導(dǎo)致系統(tǒng)運行穩(wěn)定性不高，產(chǎn)水量較低[8,23]。但通過混凝、沉淀和活性炭吸附等預(yù)處理工藝能高效去除滲濾液中的有機物，大大減輕MVC機械蒸發(fā)的結(jié)垢問題[24-26]。而通過蒸發(fā)可將鹽分結(jié)晶，將雜鹽打包填埋，實現(xiàn)垃圾滲濾液的全量處理。但機械蒸發(fā)的冷凝水仍含有一定的有機物和氨氮，需要通過后續(xù)處理，實現(xiàn)污染物的去除，使出水達標(biāo)排放[23,27]。

由于生化處理具有運行成本低、二次污染少，運行穩(wěn)定等特點，因此，通過生化處理垃圾滲濾液蒸餾水，具有一定的研究價值[24-25]。本文通過陶瓷膜MBR系統(tǒng)，對垃圾滲濾液蒸餾廢水進行生化處理，并研究生化處理效果的影響因素及其運行條件，對新的組合工藝應(yīng)用于垃圾滲濾液全處理具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實驗裝置和方法

1.1 原水

垃圾滲濾液的進水水量為400 m3/t～800 m3/t，進水的水質(zhì)如第191頁表1所示。原液經(jīng)過機械蒸發(fā)器MVC蒸發(fā)后，分別經(jīng)硫酸和堿液吸收后，冷凝水進入陶瓷膜MBR生化系統(tǒng)。通過改變運行曝氣量，陶瓷膜通量，以及進水水質(zhì)，研究陶瓷膜MBR生化系統(tǒng)對垃圾滲濾液蒸發(fā)冷凝水處理效果的影響因素，及運行效果。

表1 原水水質(zhì)情況

1.2 工藝流程和方法

試驗裝置和工藝流程及平面圖如第191頁圖1、圖2所示。試驗采用的是一體化碳鋼設(shè)備，設(shè)備長度為16 m，高度為4.5 m，寬度為6 m。設(shè)備分生化區(qū)和膜區(qū)，生化區(qū)內(nèi)置推流器和微孔曝氣器，膜區(qū)內(nèi)置曝氣系統(tǒng)和平板陶瓷超濾膜系統(tǒng)，形成陶瓷膜MBR生物反應(yīng)器。

圖1 試驗裝置示意圖

圖2 試驗裝置平面分區(qū)圖

垃圾滲濾液蒸餾廢水在微氧區(qū)(2)進入(1)生化池，在(10)推流器的作用下，進入(12)微孔曝氣區(qū)域。垃圾滲濾液在微氧區(qū)和兼氧區(qū)之間不斷循環(huán)流動。(12)微孔曝氣區(qū)域，通過(7)鼓風(fēng)機提供空氣。當(dāng)(1)生化池水位大于(11)過流孔下邊高度時，經(jīng)生化處理后的滲濾液通過(11)過流孔進入(2)膜池。經(jīng)(12)微孔曝氣區(qū)域曝氣后，在(4)膜抽吸泵的抽吸作用下，膜出水從(13)膜組件進入(3)清水池。(9)回流泵以1倍～3倍的回流比，從(2)膜池抽水向(1)生化池不?；亓鳌?4)膜抽吸泵每運行10 min～30 min，(5)反吸泵自動開啟，從(3)清水池抽水，對(13)膜組件進行自動反沖洗，反沖洗時間為30 s～60 s。當(dāng)膜通量下降到設(shè)定值或跨膜壓差上升至一定值時，需要對膜組件進行化學(xué)清洗。通過(6)化學(xué)清洗泵，將(8)藥劑桶中的化學(xué)試劑，投加至(13)膜組件中，進行浸泡。約浸泡1 h后，啟動(4)膜抽吸泵進行正常產(chǎn)水。

1.3 材料與分析方法

MBR系統(tǒng)中采用的膜為平板陶瓷超濾膜，來源為深圳市華遠環(huán)境科技有限公司，陶瓷膜的數(shù)量為1 000 m3。

氨氮采用納氏試劑分光光度法；亞硝酸鹽氮采用重氮偶合分光光度法；COD采用重鉻酸鉀法；硝酸鹽氮采用麝香草酚分光光度法；溶解氧采用Thermo公司Orion 3 star溶氧儀。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 污染物的去除研究

保持生化池的溶解氧為0.1 mg/L～2 mg/L，膜池溶解氧大于2 mg/L，膜通量介于15 mg/L～30 mg/L，污泥質(zhì)量濃度為2 000 mg/L～15 000 mg/L，連續(xù)運行6個月，系統(tǒng)對垃圾滲濾液蒸餾廢水中有機物的去除情況，如圖3所示。

圖3 陶瓷膜MBR系統(tǒng)對有機物的去除曲線

如圖3所示，在保持相對恒定的溶解氧和運行通量的情況下，雖然進水COD質(zhì)量濃度在332 mg/L～496 mg/L之間波動，但出水COD質(zhì)量濃度始終小于87 mg/L。系統(tǒng)對污染物的去除率介于82%～88%之間。陶瓷膜生化系統(tǒng)對蒸餾廢水中COD的去除高效且穩(wěn)定，耐受進水COD濃度變化的沖擊。

陶瓷膜MBR系統(tǒng)對垃圾滲濾液蒸餾廢水中氨氮和總氮的去除情況，如圖4和圖5所示。雖然進水氨氮和總氮存在一定波動，氨氮最高為78 mg/L，總氮為96 mg/L，但經(jīng)陶瓷膜MBR系統(tǒng)處理后，出水氨氮穩(wěn)定低于25 mg/L，總氮低于 40 mg/L，符合《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準》(GB16889-2008)對氨氮和總氮的要求。

圖4 陶瓷膜MBR系統(tǒng)對氨氮的去除曲線

圖5 陶瓷膜MBR系統(tǒng)對總氮的去除曲線

2.2 陶瓷膜MBR系統(tǒng)運行的影響因素研究

1)進水氨氮對膜池pH值的影響

進水氨氮濃度對膜池pH值的影響，如圖6所示。由圖6可知，保持膜池的溶解氧濃度不變，隨著進水氨氮濃度的波動及快速升高，膜池中的pH值也存在較大波動，且pH值的下降與進水氨氮濃度呈一定的反相關(guān)，隨著進水氨氮濃度的增大，膜池pH值快速下降，甚至降低到3.8，呈現(xiàn)一定的酸性。推測進水氨氮濃度突然升高，在溶解氧充足的情況下，硝化作用增強，大量氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。但反硝化過程滯后，未能將亞硝酸鹽和硝酸鹽最終轉(zhuǎn)化為氮氣，因此導(dǎo)致了亞硝酸根和硝酸根的累積，導(dǎo)致亞硝酸和硝酸的生成，導(dǎo)致pH值顯著下降。隨著運行時間的延長，反硝化細菌的快速增殖，堿度會逐漸回升。

圖6 陶瓷膜MBR系統(tǒng)膜池pH值與氨氮去除的相關(guān)曲線

2)風(fēng)機頻率對氨氮去除量的影響

風(fēng)機頻率對氨氮去除量的影響，如第193頁圖7所示。由圖7可知，隨著風(fēng)機的頻率從33 Hz，升高到50 Hz，蒸餾廢水中氨氮的去除量從31 mg/L提高至56 mg/L，風(fēng)機的頻率與氨氮的去除量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，R2達0.97?？梢?，通過提高曝氣量，能實現(xiàn)氨氮的有效去除。推測為氨氮的去除，主要通過硝化菌的硝化作用。將1 mg/L的氨氮完全轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，需要消耗4.75 mg/L的溶解氧。當(dāng)提高曝氣量，可為垃圾滲濾液蒸餾廢水提供大量的溶解氧，硝化菌利用風(fēng)機提供的溶解氧將水中的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，從而提高氨氮去除。

圖7 陶瓷膜MBR系統(tǒng)風(fēng)機頻率與氨氮去除的相關(guān)曲線

3)有機物濃度對跨膜壓差的影響

有機物濃度對跨膜壓差的影響，如第193頁圖8所示。由圖8可知，隨進水有機物質(zhì)量濃度從332 mg/L升高至496 mg/L，陶瓷膜跨膜壓差的絕對值也從13 kPa升高至45 kPa，且有機物濃度與跨膜壓差的絕對值呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.94。推測是有機物，尤其是難降解有機物容易堵塞膜孔，當(dāng)有機物濃度升高，部分難降解有機物被膜截留而發(fā)生膜孔堵塞，導(dǎo)致跨膜壓差升高。

圖8 陶瓷膜MBR系統(tǒng)有機物對跨膜壓差的影響曲線

3 結(jié)論

當(dāng)蒸餾廢水的COD質(zhì)量濃度小于500 mg/L，陶瓷膜MBR生化系統(tǒng)對垃圾滲濾液蒸餾廢水中的有機物去除效率為82%～88%，出水COD小于87 mg/L。系統(tǒng)對氨氮和總氮的去除率分別為68%～85%和58%～86%。出水氨氮小于24 mg/L，總氮小于36 mg/L，符合《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準》(GB16889-2008)表2對水污染物排放質(zhì)量濃度限值的要求。

進水氨氮濃度與膜池pH值的變化呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.94。進水氨氮濃度的大幅度波動，容易引起陶瓷膜MBR生化系統(tǒng)中，膜池pH值的波動，甚至出現(xiàn)膜池pH值降低至3.8的情況。為了保持生化系統(tǒng)中微生物的相對穩(wěn)定，需要關(guān)注進水氨氮濃度的變化。隨著氨氮的去除量從31 mg/L提高至56 mg/L，風(fēng)機的頻率從33 Hz，升高到50 Hz，進水氨氮濃度顯著影響生化系統(tǒng)溶解氧的消耗，從而影響風(fēng)機頻率，最終影響能耗。

陶瓷膜MBR生化系統(tǒng)跨膜壓差的絕對值與蒸餾廢水的有機物濃度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.94。蒸餾廢水的有機物濃度，主要對膜通量和跨膜壓差的影響顯著。當(dāng)進水COD質(zhì)量濃度達96 mg/L的較高值時，跨膜壓差達到-42 kPa。