垃圾渗滤液作为一种污染物浓度高、成分复杂的有机废水, 水质、水量特性多变。其中填埋垃圾种类, 填埋区域与年限, 当地的气候及年降水量以及填埋场库容大小等都将影响垃圾渗滤液的水质浓度和入库水量, 一般具有有机污染物种类繁多、成分复杂、水质波动范围大、BOD₅/COD季节性变化大以及有机物浓度高、营养元素比例失调等特点, 因此处理难度是一般城市生活污水处理厂所无法比拟的。

据调研和文献资料, 国内外大多数生活垃圾渗滤液厂均采用以微生物处理为主体的MBR工艺, 并结合膜深度处理工艺以确保水质达标, 人工湿地法作为后续工艺的保障系统, UASB厌氧处理和好氧活性污泥处理在各工程实例中应用广泛^[1,2]。

长沙市生活垃圾渗滤液处理工程总设计处理规模为2 700m³/d (含一、二期) , 并采用国内先进的“水质均衡+外置式MBR+NF/RO系统深度处理”相结合的处理工艺, 最终使处理清液出水水质达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》 (GB 16889—2008) 表2的要求。长沙项目设计进、出水水质见表1。

随着填埋时间的推移, 中、老龄化填埋场所产生的渗滤液, 其可生化性和碳氮比将逐渐下降, 选择的处理工艺应具有抗水质、水量冲击负荷能力强、对有机物去除效果好、高效脱氮能力等特点, 长沙项目设计了水质调配池, 合理地将填埋堆体产生的新鲜渗滤液与垃圾渗滤液调节池 (调节池为现状构筑物) 的老龄渗滤液混合调配, 达到合适的C/N, 依据长沙项目运行经验, 将进水C/N控制在4.5~5.6, 具有十分显著的效果, 既能保证工艺稳定运行, 又能降低运行成本;为防止颗粒物、纤维、泥砂等进入后续的膜 (UF/NF/RO) 系统, 均衡池内新、老渗滤液由水泵提升后先经过滤精度为600~800μm的袋式过滤器, 进行前端预处理后的渗滤液进入MBR生化系统, 其由一级反硝化/硝化 (一级脱氮系统) , 二级反硝化/硝化 (二级脱氮系统) 和外置式UF组成, 项目运营时MBR生化池内微生物浓度控制在15~20g/L, 出水稳定无菌体和悬浮物。长沙项目采用MBR两级生物脱氮, 运营数据总结证明, COD的去除率可维持在93.3%以上, 氨氮的去除率可达99%以上。超滤出水主要存在COD及总氮未达标的情况;故长沙项目MBR仅作为垃圾渗滤液的前段处理工艺, 本工程设计了与纳滤系统并联使用的反渗透系统作为总氮达标的保障措施, 外置式膜生化反应器内硝态氮浓度较高时, 反渗透系统将与纳滤组合排水, 两者出水混合达到排放标准。而膜处理产生的部分浓缩液则外运至城市污水处理厂集中处理。NF/RO组合深度处理工艺, 在一定程度上确保了渗滤液处理厂的稳定运营。

为保持外置式MBR生化反应池内微生物的浓度, 超滤系统回流的剩余污泥先进入污泥池储存, 再经离心脱水系统使污泥含水率不高于80%后, 将脱水污泥运至湖南军信污泥处置公司进行集中处理。长沙市生活垃圾渗滤液处理工艺流程见图1。

(1) 水质均衡系统, 合理将新鲜渗滤液与老龄渗滤液进行C/N调配, C/N控制在4.5~5.6。

(2) 反硝化池, 在缺氧环境中缺氧菌利用渗滤液中的有机污染物和回流的硝氮, 进行生物繁殖及反硝化作用, 从而达到脱氮的目的, 也降低了COD。实际运行参数如下:污泥浓度18g/L, 反硝化速率:0.128kgNO₃^--N/ (kgMLSS·d) , 反硝化池2座, 单座池水力停留时间在2.5~4h (并根据池内硝氮及时调整回流比) , 硝酸盐回流比 (20~25) ∶1, 反硝化池溶解氧控制0.5~1.0mg/L, 生化池温度32~36℃。

(3) 硝化池, 在好氧环境中好氧硝化菌将渗滤液中的氨氮转化呈硝氮和亚硝氮, 并分解反硝化池内未利用完的有机污染物。实际运行工艺参数如下:污泥浓度18g/L, 硝化污泥龄17.35d, 氨氮负荷总量3 200kg NH₃-N/d, COD负荷总量16 160kg COD/d, COD去除率93.3%, 硝化需氧量71 414kg O₂/d, 曝气风量18 000Nm³/h (单台6 000Nm³/h) , 硝化池溶解氧1.8~2.5mg/L。

(4) 膜系统。UF采用德国某管式超滤膜, 膜孔经20nm, 膜通量70L/ (m²·h) ;NF、RO系统得率分别为85%和75%, 美国某品牌膜, 膜通量分别为17L/ (m²·h) 和12L/ (m²·h) 。

相比于传统的好氧生物处理工艺, MBR抗冲击负荷能力强, 外置式超滤膜替代了传统二沉池, 使得活性污泥中微生物菌体与净化水能够充分的分离, 本工艺中生长缓慢、繁殖时间较长的反硝化/硝化菌可以在膜生化反应器内很好地存活下来, 使得生化池内COD、BOD、氨氮、硝态氮的去除率处于较高的水平^[3]。尽管如此, MBR系统运行过程中, 也存在很多问题, 如曝气器堵塞, 生化池水温偏高, 季节性碳源不足, 以及膜污堵严重, 运行成本高等, 解决好这些运行问题对渗滤液处理工程具有深远的意义。

长沙工程设计时考虑到渗滤液的成分相对复杂、入库量存在波动、季节和环境因素变化、填埋区域改变, 渗滤液老龄化、填埋导渗系统不健全等都会对渗滤液有机物浓度造成很大的影响, 随着长沙未来生活垃圾清洁焚烧厂的建立, 会有一股非常新鲜的渗滤液, 可作为填埋场渗滤液的碳源补充, 因此本项目中水质均衡调配系统的设计具有针对性与适用性。本项目中生化系统采用二级反硝化/硝化工艺, 垃圾渗滤液中的COD在生化系统中被好氧菌去除掉, 不能降解的COD则通过纳滤与反渗透膜系统进行深度处理, 避免因生化系统出水不稳定, 造成后续超滤出水COD过高, 造成出水指标不达标的情况, 采用反渗透、纳滤系统进行深度处理, 利用反渗透、纳滤膜对有机物的高度截留、分离作用, 保证最终出水COD稳定达标。并且外置式MBR工艺可以将活性污泥浓度控制在设计范围内, 超滤膜分离孔径的特殊性其对微生物的完全截留作用, 有利于世代周期很长 (SRT) 的微生物的繁殖和驯化。本项目设计、试运行时, 反应池内污泥浓度控制在15~20g/L, 在生化反应池容积一定的情况下, 降低了污泥的有机物负荷, MBR出水水质稳定 (见图2、图3) 。

垃圾渗滤液中总氮以氨氮、硝态氮、亚硝态氮、有机氮为主, 其中氨氮占绝大多数, 在生化反应池内发生硝化作用 (硝化菌) 与反硝化作用 (反硝化菌) , 并控制生化池内溶解氧与水力停留时间、回流比, 氨氮的去除率在99%以上。长沙市生活垃圾渗滤液处理厂的运行数据表明, 生化池工艺指标正常的下, MBR超滤出水氨氮浓度长期在15mg/L以下 (见图4) 。GB 16889—2008标准中规定出水总氮需控制在40mg/L以下, 因后续深度膜处理系统对总氮的截留率是一定的, 生化池内总氮本底值的高低影响出水总氮是否超标, MBR生化系统中的总氮能够得到高效去除 (见图5) , 其中反硝化前置可以有效地利用垃圾渗滤液中有机碳源物质作为反硝化菌 (兼氧异养型) 发生反硝化反应的能源物质, 一定程度上减少碳源投加量, 节约生产辅料成本。

长沙项目一期工程2010年投产, 规模1 500m³/d, 二期工程2015年投产, 规模1 200m³/d, 投产以来, 出水稳定达标, 生化系统是该工艺稳定运行的关键, 总结工程调试运行经验如下:

(1) 污泥培养。本工程采用射流曝气, 污泥驯化期从城市污水处理厂拖运离心脱水污泥, 直接投入至反硝化生化池, 并注入50%液位的清水, 启动搅拌机, 待硝化池液位涨至5.5m后, 启动鼓风机进行曝气, 曝气方式采取间歇曝气, 并实时检测池内氨氮及硝氮情况, 约20d后, 可见较多数量的呈黄色活性污泥出现, 待生化池内的污泥浓度涨至8~9g/L时可连续进水并提高进水负荷, 直至污泥涨至15~20g/L, 完成污泥培养。

(2) 生化池泡沫。由于污泥负荷波动, 温度、溶解氧以及pH异常都将引起丝状菌的大量繁殖, 从而产生大量的泡沫, 采取方式提高搅拌机高度, 降低进水负荷以及提高风量, 回流比在 (20~25) ∶1, 生化池pH 6.8~7.8, 温度32~36℃, 二级DO池溶解氧1.8~2.5mg/L。

(3) 均衡进水。生化进水负荷的日平均波动幅度应控制在5%~8%, 如果生化不稳定水量降低, 需进行二次提升, 则提升幅度每天不超过5%。

(4) 适当节能。当生化系统运行良好、氨氮负荷低、DO充足时, 关闭一级、二级硝化池的部分射流泵以及消泡回流泵, 可节约单位水量电耗3kWh/m³。

(5) 制定合理的各段工艺操作规程及工艺考核制度。因渗滤液水质波动大、负荷高, 生化池的工艺参数需及时调整, 考核细则能提升运行部操作员的工作责任心, 有助于生化系统的稳定运行。

(6) 膜系统。作为该工艺的核心部分, 膜机组的日常维护保养异常重要, 利于延长膜使用寿命, NF/RO机组每运行8h, 停机冲洗0.5h, 每月进行一次化学清洗, 清洗温度38~41℃, 碱洗pH 10.5~11.5, 酸洗pH 2~4, 超滤系统当循环流量低于240m³/h, 或运行压力高于0.6 MPa, 及时对超滤进行化学清洗, 清洗温度38~42℃, 碱洗pH 11~11.5, 酸洗pH 1~2, 碱洗时投加1‰~3‰的次氯酸钠, 应用以上方式的化学清洗方法及运行方式, 膜机组产水通量和使用年限均高于设计值。

“水质均衡+外置式MBR+膜深度处理工艺”是近年来国内主流的一种新型高效生物处理技术, 并有不少实际工程案例。随着国家对环保法律法规的不断重视, 传统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.今后主要研究如何处理老龄高浓度氨氮的渗滤液, 解决膜污堵严重化学清洗频繁等问题, 在保证出水达标的情况下, 最大程度上降低生产电耗成本与生产辅料成本。