MBR+双膜法(NF/RO)处理垃圾渗滤液的工程案例
随着我国城市生活水平的不断提高, 生活垃圾量也在不断增大, 我国兴建了一批生活垃圾处理厂,处理方式主要有垃圾焚烧、填埋、堆肥以及综合利用等[1] . 其中, 垃圾填埋以其运行费用相对较低、管理相对方便、技术较为成熟等优点成为我国现阶段特别是中小城镇广泛采用的垃圾处理方式. 垃圾填埋过程中产生的渗滤液是目前世界上公认污染严重、难于处理、性质复杂的高浓度污染废水[2] . 建设垃圾填埋场渗滤液处理系统, 要综合考虑处理技术、处理效果、投资与运行成本等各因素, 随着《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889- 2008)的实施, 出水排放指标要求更加严格, 这就对处理技术及工艺相应提出了新的要求.
近年来, 国内外应用较多, 处理效果较好的组合工艺有生化+ 膜处理组合工艺、物化+ 生化组合工艺等. MBR+ 双膜法(NF /RO)是近年发展较快的一种新型组合工艺, 是以MBR 单元为工作核心的一种新型系统. 膜分离技术与活性污泥法相结合是该工艺的技术特点. MBR 具有: 1)能有效降解主要污染物COD、BOD 和氨氮; 2) 100%生物菌体分离, 使出水无细菌和固性物; 3) 反应器高效集成, 占地面积小; 4)剩余污泥量小、不存在浓缩液处理的问题; 5)运行费用小等优点. 然而, 单一的MBR 工艺出水不能达到国家二级以上的排放标准, 往往需要配合NF、RO 等后续处理工艺以满足新的渗滤液排放标准. 青岛小涧西垃圾填埋场、北京北神树垃圾填埋场、佛山高明白石坳填埋场、苏州七子山、山东泰安等多家垃圾处理厂采用MBR + 双膜组合工艺处理垃圾渗滤液[3], 都取得了良好的处理效果.
本文在简述当今国内外应用较广的渗滤液处理技术的基础上, 重点介绍MBR + 双膜(NF纳滤/RO反渗透)法的组合工艺, 及该工艺在山东滕州生活垃圾填埋场渗滤液处理工程的具体应用, 为我国生活垃圾填埋场渗滤液处理方案的选择提供参考.
1 垃圾渗滤液来源及特点
垃圾渗滤液的产生受诸多因素影响, 水量变化大且几乎无规律性. 其主要来源于以下几个方面[4]：1)降水的渗入; 2)外部地表水的流入; 3)垃圾本身含有的水分; 4)微生物的厌氧分解产生的水; 5)地下水的渗入.
各填埋场的渗滤液一般具有以下特点[5]: 1)色、嗅: 渗滤液均具有很高的色度, 其外观多呈茶色、暗褐色或黑色, 色度可达2 000~ 4 000倍(稀释倍数),垃圾腐败臭味极其明显; 2) pH: 垃圾填埋初期, 渗滤液的pH 在6~ 7之间, 随着填埋时间的推移和填埋场的稳定, pH 可提高至7 ~ 8; 3) BOD、COD 浓度: 填埋初期BOD、COD 浓度较低, 为数千mg /L, 在填埋6个月至2. 5年后, BOD 可高达10 000 mg /L, COD 可高达30 000mg /L. 此后浓度开始下降, 但BOD浓度下降的速度要大于COD, 直至6~ l5年后达到稳定;4)生物降解特性: 填埋场前期BOD /COD值在0. 4~0. 5之间, 生物降解性能良好; 中、后期由于BOD、COD 浓度的下降速度不同. BOD /COD 值逐渐降至最后的0. 05~ 0. 2, 生物降解性能逐渐变差; 5)悬浮物: 浓度一般在300 ~ 1 000 mg /L; 6)氨氮(NH3 -N)：氨氮浓度较高, 一般在400 mg /L左右, 有时高达1 000 mg /L, 甚至更高; 7)重金属: 由于生活垃圾分类收集和填埋场分捡不到位, 致使许多重金属废物存在其中, 导致渗滤液中的重金属含量增加.
2 山东滕州垃圾填埋场渗滤液处理工程实例
2. 1 工程概况
山东滕州生活垃圾填埋场设计日处理垃圾450吨, 2009年3月投入运行, 初期垃圾日填埋量约350吨. 垃圾填埋产生的渗滤液由管道直接流入调节池,经渗滤液处理站处理达标后直接排放或者用于绿化、冲刷场地等. 渗滤液处理站于9月投入调试, 目前运行良好, 出水达标.
2. 2 设计规模、水质
系统设计日处理量80m3. 设计进水指标及出水排放指标见表1 所示. COD、BOD、SS、氨氮、总氮及pH 等为污染排放主要控制指标, 第四列及第五列分别为以上各指标在GB16889- 2008及DB37 /599-2006中的排放限制, 第六列为两标准的较严格值, 为保证出水达标, 本设计各污染物排放值(第七列)应低于相应第六列限值.
表1 设计进、出水指标(仅列出部分主要指标)
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2. 3 工艺流程
工艺流程如图1所示: 来自填埋场内的渗滤液由调节池收集后, 经袋式过滤器(精度为400 μm)去除较大颗粒物后进入MBR 系统, MBR 是一种分体式膜生化反应器, 通过MBR 降解大部分有机物, 出水在超滤膜水泥分离作用后进入纳滤系统, 纳滤采用浓水内循环式系统, 回收率保证在85%以上, 出水COD去除率在75%左右. 当NF出水满足排放要求时, 即可关闭图1 中RO 进水阀门, 若NF出水水质不佳, 打开RO进水阀门, NF出水经清液罐调节后进入RO 系统进行深度处理. 系统产生的剩余污泥和浓缩液分别流入污泥池和浓缩液池, 污泥池上层清液回至调节池, 底层污泥和浓缩液通过特定管路打入填埋区进行填埋.
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图1 MBR + 双膜法(NF/RO)组合工艺流程图
2. 4 主要处理单元
1)调节池. 调节池为原已建设施, 池容8 000m3.
2)分体式MBR. MBR是一种分体式膜生化反应器, 包括生化反应器和UF 两个单元. 生化反应器分为前置式反硝化和硝化两部分. 在硝化罐中, 通过高活性的好氧微生物作用, 降解大部分有机物, 氨氮一部分通过生物合成去除, 大部分在高效的硝化菌作用下转变成为硝酸盐和亚硝酸盐, 回流到反硝化罐,在缺氧环境中还原成氮气排出, 达到生物脱氮的目的. 硝化罐出水进入UF系统, 通过UF膜进行水泥分离, 污泥回流使生化反应器保持较高的污泥浓度,经过不断驯化形成的微生物菌群, 对渗滤液中难生物降解的有机物逐步降解, MBR 系统出水无菌, 无悬浮物.
(1)缺氧反应器. 在缺氧反应器中缺氧菌利用水中有机污染物和回流水中的硝态氮, 进行生物合成及反硝化作用. 把硝态氮转变为气态氮, 同时降低COD, 使有机污染物转变为微生物体组分和二氧化碳、水、总氮脱除的主要环节. 主要设计参数如下:
污泥浓度: 15 g /m3; 反硝化污泥负荷: 0. 15 kg-NO3 - N /kgMLSS; 罐体尺寸φ3 800 mm×9 000mm; 水力停留时间24 h.
(2)好氧反应器. 主要用于氨氮硝化, 在好氧状态下, 硝化菌把氨氮转化为硝态氮. 主要设计参数如下:
污泥浓度: 15 g /m3; 好氧污泥泥龄17 d; 最大去除氨氮量: 160 NH3 - Nkg /d; 设计COD 处理率:93%; 消耗氧量: 2 170 kgO2/d; 曝气量: 18. 84 m3/min; 罐体尺寸: φ7 000mm×9 000mm; 水力停留时间92 h.
(3) UF系统. 设于膜处理车间内; 德国BEEG-HOF公司6寸φ168 mm×3 000 mm 有机管式超滤膜(孔径: 0. 02 μm) 4支; 膜通量: 70 L / h×m2
3) NF系统. 设于膜处理车间内, 采用浓水内循环式; 回收率: 85%以上; 美国陶氏化学NF270- 400卷式膜: 6支; 膜通量JNF= 22 L /h×m2
4) RO系统. 设于膜处理车间内, 采用浓水内循环式; 回收率: 85%以上; 美国陶氏化学BW30- 365- FR卷式膜: 6支; 膜通量JNF = 22 L /h×m2.
5) 膜清洗系统. 为有效防止膜污染, 保证出水率、出水量和处理效果, 必须对对膜定期清洗, 所以配置膜清洗系统.
(1) UF的清洗. 化学清洗(水洗、酸洗或碱洗)一般1~ 1. 5个月清洗一次; UF循环水量一般为150m3 /h, 当循环量低于135 m3 /h 时, 则要先进行人工疏通, 然后化学清洗. 清洗步骤如下:
①停止需进行清洗的UF 系统, 设定清洗时间为4h, 开启清洗罐阀门.
②若碱洗, 加碱调节pH 值至10~ 11; 若酸洗,加酸调节pH值至1~ 2.
③清洗过程中记录温度及pH, 清洗温度达到40摄氏度时, 停止清洗, 否则会造成膜的不可恢复的损坏.
④为保证良好的清洗效果, 膜清洗结束后, 膜管及管路浸泡2~ 3 h后, 继续清洗20min, 然后水洗20m in, 若有必要可重复水洗.
(2) NF及RO 的清洗. 一般1个月清洗一次(或视情况而定). 清洗步骤如下:
①停止NF或RO 系统, 设置清洗时间为2 h.
②先清水冲洗, 放空清洗罐(膜管中存在一定量的浓缩液, 所以需要去除).
③清洗罐加水, 再进行酸洗, 在清洗刚开始时,加酸性清洗剂, 用量约10 L, 调节pH = 2左右.
④清洗过程中记录温度、压力、pH 及各膜管的出水量, 清洗温度达到40摄氏度时, 停止清洗, 若达到清洗时间后, 温度未到40摄氏度并发现清洗效果不理想时可重新启动继续清洗, 直至达到良好的清洗效果或清洗温度为止, 然后水洗10m in.
⑤若酸洗效果不明显, 可继续采用碱洗(加碱性清洗剂, 调节pH= 10~ 11) , 方法同酸洗.
6)污泥及浓缩液处理系统. 工艺中各系统均须维持一定的污泥浓度, 当污泥浓度超过一定范围时,许多老化的污泥会自我降解转化为有机污染物; 同时, 过高的污泥浓度会对膜处理产生很大的影响, 所以需定期排泥. 系统设计硝化系统污泥浓度控制在15~ 20 g /L, 当污泥浓度超过该范围, 即开始人工排泥. 通过调节手动闸阀, 将系统污泥经排泥管道自流到污泥池. 污泥池同时起到浓缩沉淀的作用, 上清液回调节池或前端处理系统, 污泥回灌填埋场.
浓缩液中含有大量的难降解物质和大量SO42-,为避免这些物质在系统中积累而影响系统的正常运行, 本设计将浓缩液用泵打至浓缩液池, 然后回灌填埋区.
7)自动控制系统. 渗滤液处理装置自动控制系统充分利用现代计算机控制技术, 采用上位机+PLC 控制方式, 自动控制系统将覆盖全套渗滤液处理装置, 可实现全过程程序控制、信号状态监视及故障报警等功能.
2. 5 进出水水质
经2009年9月至2010年3月的监测, 本场垃圾渗滤液原水及各阶段出水水质波动范围如表2所示.
表2 原水及各阶段出水水质
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由上表显示, 各阶段均保持较高的污染物去除率较高, 最终出水达标排放.
2. 6 投资及运行成本分析
目前大多渗滤液处理工艺流程复杂、构筑物繁多, 导致吨水投资较高(5~ 9万元) , 而本工程前期做了较为全面技术及市场调研, 最终确定工艺流程简洁, 并且在能保证设备性能可靠的前提下, 优先选用国产品牌, 构筑物选材及设备选型较为经济, 吨水投资仅4. 3万. 此外根据实际运行费用测算, 渗滤液处理站吨水运行成本为20~ 28元, 其中吨水耗电量约为18. 2度(当地电价1元/度) , 电费18. 2 元, 约占运行成本的75%~ 80%左右, 其余为人工费和药剂费. 目前系统的工作状态已达到并高于设计标准,可以认为该成本为实际运行成本.
3 工程经验与总结
3. 1 工程经验
整套设备自9月投入使用以来, 经1 个月调试成功, 目前系统已良好运行5个月. 实践证明, 生化系统(反硝化及硝化系统)是该组合工艺良好运行的关键, 工程经验总结如下:
1)污泥培养. 从污水处理厂取回活性污泥200吨左右抽入生化系统进行曝气, 曝气量调到500 ~1 000 m3 /h. 所取的活性污泥的COD 约小于30 mg /L, NH3 - N 为小于10 mg /L, 颜色为黄褐色, 污泥浓度为20 g /L左右(污泥浓缩池中的污泥), 本工程采用射流曝气法. 经过数日曝气、循环(视SV30的体积增加的变化)之后约2~5 d即可连续进水, 并开启超滤进水泵和超滤设备超滤浓液和清液都回流到反硝化池并流至硝化池循环运行, 约10~ 20 d 可见有较多数量的活性污泥出现, 则可加大进水量, 提高负荷, 使污泥浓度和运行负荷达到设计值, 即使渗滤液经处理后达标排放所需要的污泥浓度和运行负荷.
2)均匀进水. 系统进水量是否均匀对生化系统的影响很大, 故要严格按照操作规程, 保证均匀进水, 并多次检测污泥性状, 发现异常需及时调整进水量、曝气量、温度及pH等.
3)污泥膨胀. 由于污泥负荷、溶解氧、温度、pH等的不适引起的丝状菌大量、快速繁殖导致硝化罐中污泥膨胀, 产生大量泡沫的现象是渗虑液处理中较常见的问题. 一般, 污染负荷高、溶解氧较低、温度较高时易产生污泥膨胀, 应根据进水水质及时调整系统运行参数加以预防; 在发生污泥膨胀时, 应及时投加阻垢剂, 适当降低曝气量来减小污泥膨胀的程度, 避免活性污泥的大量流失.
4)适当节能. 当生化系统运行良好、NF 出水就已达到排放要求时, 可关闭RO系统, NF出水直接排放, 或用于绿化及场地冲刷等. 此部分吨水节电约为4度, 即吨水运营成本降低4元.
5)操作人员的责任心. 由于渗虑液具有水质水量变化大的特点, 要根据其变化不断调整运行参数,这就需要操作人员具有较强的责任心以及端正的工作态度, 这将有助于系统良好稳定运行.
6)为周边地区渗滤液处理工程提供参考. 由于鲁南地区气候条件及生活习惯的相似, 该工程可为周边地区甚至山东大部生活垃圾填埋场渗滤液处理工程工艺的选择提供参考. 依据本工程特点, 对于垃圾渗滤液原水浓度偏低、雨水较为充沛的地区, 本工程主体工艺可提供一定的参考价值; 对于NH3 - N浓度较高的渗滤液原水, 为防止过高的NH3 - N 对生化系统微生物产生不利影响, 可考虑在此主体工艺基础上增加氨吹脱塔, 降低进入生化系统的NH3-N 浓度.
3. 2 总结
MBR+ 双膜法(NF/RO)组合工艺是传统工艺与现代水处理技术的有机结合, 该工艺流程简单(建构筑物较少)、污染物的削减能力较强, 调试周期短, 易于操作管理; 此外该组合工艺有着投资低、运行成本低的优点, 是一套性价比较高的组合工艺, 适合在周边地区甚至我国大部中小城镇垃圾渗滤液处理工程中广泛推广.
4 展望
MBR+ 双膜法(NF /RO)组合工艺虽具有许多优势, 也存在些许不足, 需进一步讨论、研究:
1)随着垃圾场龄的增加, 渗滤液的可生化性会逐渐变差, 难生化降解物质将成为对该组合工艺的考验. 故该组合工艺对老垃圾渗滤液的处理效果有待研究.
2)膜处理会带来浓缩液的处理处置问题. 目前采用较多的浓缩液处理法是回灌、高级氧化法等. 季节对回灌效果的影响较大, 例如夏季往往出现垃圾堆体水分饱和, 浓缩液无法回灌的情况; 高级氧化法的成本较高, 对于中小城镇垃圾填埋场将是一笔很高的开销. 故性价比高的浓缩液处理技术将成为研究的热点.
3)随着国家环保标准的进一步严格, 单一技术已不能完全解决渗滤液处理难题, 更多组合工艺将会成为专家研究的方向.
参考文献:
[1] 张凯, 李多松, 蒋滔. 城市生活垃圾渗滤液处理方案及工艺分析[J]. 环保科技, 2007, 4: 44 48.
[2] 张益, 陶华. 垃圾处理处置技术及工程实例[M].北京: 化学工业出版社, 2002: 8-9.
[3] 江智清. MBR - 纳滤工艺在垃圾渗滤液处理中的应用[J]. 海峡科学, 2009, 6: 111-112.
[4] 王宝贞, 王琳. 城市固体废物渗滤液处理与处置[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004: 13-14.
[5] 曾忠平. 膜生物反应器+ 双膜法工艺在生活垃圾渗滤液处理中的应用[J]. 西南给排水, 2009, 31(2): 5-7.
[6] 中国环境科学研究院, 同济大学, 清华大学, 等. GB16889- 2008生活垃圾填埋污染物控制标准[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2008.
[7] 山东省环境保护科学研究设计院, 青岛理工大学. DB37/599- 2006山东省南水北调沿线水污染物综合排放标准[S]. 济南: 山东省环境保护局, 山东省质量监督局, 2006.
第一作者: 张旭(1984-), 女, 硕士研究生.
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