采用CASS工藝協(xié)同處理滲濾液與城鎮(zhèn)污水的準(zhǔn)入負(fù)荷

曾曉嵐，丁文川，徐洲，張勤，張智

(重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400045)

三峽庫(kù)區(qū)蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)水體環(huán)境的保護(hù)提出了更高要求。對(duì)滲濾液進(jìn)行有效收集和妥善處理，是垃圾填埋場(chǎng)亟待解決的環(huán)境問(wèn)題[1]。目前，將晚期垃圾滲濾液按一定比例與鄰近小城鎮(zhèn)生活污水協(xié)同處理，因技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，實(shí)用性強(qiáng)，可作為生活垃圾滲濾液處理的有效方法[2]，并且在其接入量不超過(guò)允許范圍時(shí)，污水處理廠能夠正常運(yùn)行[3]。由于滲濾液水質(zhì)特性在不同填埋場(chǎng)差別較大，且即使在同一填埋場(chǎng)其季節(jié)性波動(dòng)也比較大[4]。雖然在污水廠運(yùn)行管理中控制滲濾液的體積混合比具有較好的操作性，但是，由于滲濾液的水質(zhì)波動(dòng)較大，相應(yīng)于同一體積混合比的滲濾液中有機(jī)污染物含量差別較大，因此，即使對(duì)滲濾液混合比進(jìn)行控制，依然會(huì)對(duì)污水廠的正常運(yùn)行帶來(lái)沖擊[5-6]。為了提供一個(gè)保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的相對(duì)穩(wěn)定控制指標(biāo)，本文作者引入準(zhǔn)入負(fù)荷概念，針對(duì)典型的污水處理CASS工藝，通過(guò)研究滲濾液與城鎮(zhèn)污水進(jìn)行直接協(xié)同處理以及滲濾液經(jīng)MAP法預(yù)處理后與城鎮(zhèn)污水進(jìn)行協(xié)同處理情況下的滲濾液最大CODcr和TN準(zhǔn)入負(fù)荷，以準(zhǔn)確量化不同情況下滲濾液能夠接入CASS工藝并與城鎮(zhèn)污水協(xié)同處理的最大負(fù)荷量，從而為對(duì)進(jìn)入污水處理廠的污染負(fù)荷進(jìn)行有效控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持[7-8]。

1 試驗(yàn)材料、裝置與方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

本研究采用的CASS反應(yīng)器有效容積為208 L，反應(yīng)池長(zhǎng)為1.32 m(其中生物選擇區(qū)長(zhǎng)為0.12 m，缺氧區(qū)長(zhǎng)為0.12 m，主反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)為1.08 m)，寬為0.40 m，高為0.50 m(有效水深為0.40 m)，進(jìn)水流量為100 L/h。反應(yīng)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)用污泥取自重慶市江北區(qū)唐家沱污水處理廠二次曝氣池出口。

圖1 CASS反應(yīng)器Fig.1 CASS reactor

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)采用滲濾液取自重慶市黑石子垃圾填埋場(chǎng)，屬于晚期滲濾液，CODcr、氨氮、TN和TP平均質(zhì)量濃度分別為5 100.00，2 141.45，3 233.60和24.28 mg/L；污水采用重慶大學(xué)校內(nèi)生活污水，CODcr、氨氮、TN和TP平均質(zhì)量濃度分別為185.00，46.03，48.72和3.57 mg/L。

1.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

CASS工藝采用間接運(yùn)行模式[9]，其運(yùn)行參數(shù)為曝氣2.0 h，沉淀1.0 h，浸水0.5 h，閑置充水0.5 h，試驗(yàn)1周期為4 h，每天共6個(gè)周期。對(duì)每周期的進(jìn)、出水指標(biāo)進(jìn)行分析，每次取水做平行樣，最終結(jié)果取2次的平均值。因適宜的污泥負(fù)荷有利于提高CODcr和氨氮的去除率，同時(shí)有利于減少剩余污泥的排放[10]，本研究將CASS反應(yīng)器中污泥質(zhì)量濃度保持在2 500～3 500 mg/L，好氧區(qū)溶解氧濃度穩(wěn)定在2～3 mg/L，待CASS反應(yīng)器處理生活污水的出水常規(guī)指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)后進(jìn)行試驗(yàn)。在對(duì)垃圾滲濾液與城鎮(zhèn)污水進(jìn)行直接協(xié)同處理時(shí)，采用體積混合比(即滲濾液占混合液的混合比)0.50%，1.00%，1.50%，2.00%，2.50%，3.00%和3.50%；當(dāng)滲濾液經(jīng)MAP法預(yù)處理后，其生化性大大提高，故可提高進(jìn)行協(xié)同處理的體積混合比范圍，即采用體積混合比1.00%，2.50%，3.00%，3.50%，4.00%和5.00%，以確定相應(yīng)的準(zhǔn)入負(fù)荷。由于對(duì)生物處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，CODcr和TN是出水中較難達(dá)標(biāo)的參數(shù)[11]，因此，本文選擇其作為準(zhǔn)入負(fù)荷的研究對(duì)象，即考察CODcr與TN準(zhǔn)入負(fù)荷隨不同滲濾液混合比的變化，探討CASS工藝對(duì)垃圾滲濾液的最大CODcr和TN準(zhǔn)入負(fù)荷。

1.2.3 主要測(cè)定指標(biāo)與方法

本研究的檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目及方法Table1 Detecting items and methods

2 結(jié)果與討論

2.1 準(zhǔn)入負(fù)荷的概念

為給接納垃圾滲濾液進(jìn)行協(xié)同處理的污水處理工藝提供一個(gè)穩(wěn)定的有效控制指標(biāo)，本文在每立方米池容積每日負(fù)擔(dān)有機(jī)物量的容積負(fù)荷[12]概念基礎(chǔ)上，提出準(zhǔn)入負(fù)荷概念，即在達(dá)標(biāo)排放的前提下，工藝系統(tǒng)在處理城鎮(zhèn)污水的同時(shí)，能夠額外接納的每立方米池容積每日負(fù)擔(dān)的有機(jī)物量，計(jì)量單位通常以kg/(m3·d)表示。計(jì)算方法為：將《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度減去經(jīng)反應(yīng)后的出水質(zhì)量濃度，再乘以進(jìn)水流量后除以反應(yīng)器有效容積，即得所規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)下的準(zhǔn)入負(fù)荷Fz，其計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：ρ0為標(biāo)準(zhǔn)排放質(zhì)量濃度，mg/L；ρ2為出水質(zhì)量濃度，mg/L；Q為進(jìn)水流量，m3/d；V為反應(yīng)器有效池容，m3

2.2 滲濾液與城鎮(zhèn)污水采用CASS工藝協(xié)同處理的CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷

CASS工藝直接協(xié)同處理不同體積混合比滲濾液與城鎮(zhèn)污水的CODcr去除效能如圖2所示。

圖2 CASS工藝直接協(xié)同處理不同混合比滲濾液與城鎮(zhèn)污水的CODcr去除效能Fig.2 CODcr removal of leachate and domestic wastewater with different volume ratios by CASS direct co-treatment

由圖2可見(jiàn)：隨著滲濾液占混合液的體積混合比的增加，出水CODcr質(zhì)量濃度上升趨勢(shì)明顯；當(dāng)單獨(dú)處理城鎮(zhèn)污水時(shí)，出水CODcr平均質(zhì)量濃度為25 mg/L，當(dāng)體積混合比為0.50%時(shí)，出水CODcr平均質(zhì)量濃度提高1.5 mg/L；隨著體積混合比增至3.50%，出水CODcr平均質(zhì)量濃度達(dá)到63 mg/L，超出《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中CODcr一級(jí)B標(biāo)規(guī)定的60 mg/L。其相應(yīng)的去除率也明顯降低，原因可能是垃圾滲濾液過(guò)高的有機(jī)負(fù)載影響了CASS工藝的生化系統(tǒng)。

在滲濾液占混合液的不同體積混合比下，CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷與CASS工藝直接協(xié)同處理出水CODcr質(zhì)量濃度關(guān)系如圖3所示。

圖3 相應(yīng)不同體積混合比的CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷與CASS工藝直接協(xié)同處理出水CODcr濃度關(guān)系Fig.3 CODcr mass concentration of effluent and CODcr entry load with different volume ratios by CASS direct co-treatment

從圖3可知：隨著體積混合比的增加，CASS工藝相應(yīng)的CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷逐漸減小；當(dāng)體積混合比取值小于等于3.00%時(shí)，出水CODcr質(zhì)量濃度均可達(dá)到一級(jí)B標(biāo)規(guī)定(60 mg/L)，根據(jù)式（1）計(jì)算得出的CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷為正值，即CASS工藝仍能繼續(xù)接納CODcr負(fù)荷量，若體積混合比超出3.00%，出水CODcr質(zhì)量濃度超過(guò)60 mg/L，即3.00%為該研究中最大體積混合比，根據(jù)式（1）計(jì)算得出的CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷為負(fù)值，即CASS工藝不能再接納CODcr負(fù)荷量，其出水CODcr質(zhì)量濃度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的量為與之橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)值的絕對(duì)值，此時(shí)滲濾液與城鎮(zhèn)污水采用CASS工藝進(jìn)行直接協(xié)同處理的效果受到影響。在最大體積混合比3.00%時(shí)，CASS工藝仍能夠接納的CODcr負(fù)荷量為23.0 g/(m3·d)，即最大CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷為23.0 g/(m3·d)。

當(dāng)滲濾液經(jīng)MAP法預(yù)處理后與城鎮(zhèn)污水混合，采用CASS工藝協(xié)同處理，在不同體積混合比下，CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷與CODcr出水質(zhì)量濃度關(guān)系如圖4所示。由圖4可見(jiàn)：CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷均隨體積混合比的增大而增大，當(dāng)體積混合比達(dá)到3.50%時(shí)，出水CODCr平均質(zhì)量濃度超出《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)B標(biāo)規(guī)定的60 mg/L。即3.00%為最大體積混合比，根據(jù)式(1)計(jì)算得出此時(shí)的CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷已為負(fù)值，CASS工藝不能再接納CODcr負(fù)荷量。在最大體積混合比3.00%時(shí)，CASS工藝仍能夠接納的CODcr負(fù)荷量為27.0 g/(m3·d)，即最大CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷為27.0 g/(m3·d)。

通過(guò)對(duì)CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷的研究發(fā)現(xiàn)：由于MAP法對(duì)CODcr 基本上沒(méi)有去除率，所以，在滲濾液預(yù)處理前后，CODcr質(zhì)量濃度變化不大。CASS工藝在對(duì)垃圾滲濾液與城鎮(zhèn)污水的混合液進(jìn)行直接協(xié)同處理以及對(duì)經(jīng)磷酸銨鎂沉淀法(MAP法)預(yù)處理后的滲濾液與城鎮(zhèn)污水混合液進(jìn)行協(xié)同處理時(shí)，隨著體積混合比的提高，其能夠承擔(dān)的滲濾液負(fù)荷量均隨之降低，且在最大體積混合比時(shí)滲濾液最大CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷相差不大，后者較前者僅提高14.81%。

圖4 滲濾液預(yù)處理后，相應(yīng)不同混合比的CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷與CASS工藝協(xié)同處理出水CODcr濃度關(guān)系Fig.4 CODcr mass concentration of effluent and CODcr entry load with different volume ratios by CASS co-treatment after leachate pretreatment

2.3 滲濾液與城鎮(zhèn)污水采用CASS工藝協(xié)同處理的TN準(zhǔn)入負(fù)荷

污水處理廠在處理城鎮(zhèn)生活污水時(shí)，脫氮本身便是處理的難題[13-14]，而當(dāng)城鎮(zhèn)污水與高氨氮質(zhì)量濃度的垃圾滲濾液混合以后，氨氮負(fù)荷大大增加。過(guò)高的氨氮質(zhì)量濃度不但會(huì)抑制系統(tǒng)中微生物的活性，影響CASS工藝的正常運(yùn)行，還會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)中C和N質(zhì)量濃度比嚴(yán)重失衡，此時(shí)系統(tǒng)中的反硝化菌不僅將有機(jī)物用作電子供體進(jìn)行反硝化反應(yīng)，還將其用于合成細(xì)胞物質(zhì)[15]。因此，盡管CASS工藝有良好的硝化效果，但有機(jī)碳源不足，硝化過(guò)程就會(huì)受到抑制，從而影響脫氮效果。由圖5可知：當(dāng)滲濾液投加比例增加至1%時(shí)，出水TN平均質(zhì)量濃度穩(wěn)定在34.99 mg/L；當(dāng)滲濾液體積混合比繼續(xù)增加至2.50%時(shí)，出水TN平均質(zhì)量濃度達(dá)94.35 mg/L，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)規(guī)定的TN質(zhì)量濃度20 mg/L。實(shí)際上，在滲濾液投加比例為0.50%時(shí)，TN質(zhì)量濃度便已超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)，并且TN去除率在混合比為1.00%，2.00%和2.50%時(shí)出現(xiàn)大幅度下降，分別為55%，45%和30%。

圖5 CASS工藝直接協(xié)同處理不同體積混合比滲濾液與城鎮(zhèn)污水的TN去除效能Fig.5 TN removal of leachate and domestic wastewater with different volume ratios by CASS direct co-treatment

由此可知：采用CASS工藝對(duì)滲濾液進(jìn)行協(xié)同處理可使主要污染物達(dá)標(biāo)排放。TN是一個(gè)重要的限制性指標(biāo)，因?yàn)闈B濾液中氨氮含量質(zhì)量濃度很高，往往加入少量滲濾液，會(huì)帶來(lái)極高的沖擊負(fù)荷，造成CASS工藝不能正常運(yùn)行。當(dāng)然，對(duì)工藝脫氮效果的影響除了沖擊負(fù)荷因素以外，進(jìn)水中的碳源問(wèn)題也是關(guān)系到反硝化效果的主要影響因素之一[16]。因此，本文對(duì)不同CODcr與TN質(zhì)量濃度比下出水中TN質(zhì)量濃度變化情況進(jìn)行考察，并根據(jù)式(1)計(jì)算相應(yīng)于不同混合比的滲濾液TN準(zhǔn)入負(fù)荷。滲濾液TN準(zhǔn)入負(fù)荷、出水TN質(zhì)量濃度與混合液CODcr與TN質(zhì)量濃度比的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：隨著滲濾液體積混合比的增加，CODcr與TN質(zhì)量濃度比逐漸減小，可生化性降低，出水TN質(zhì)量濃度大幅度提高；在滲濾液體積混合比為0.50%時(shí)，對(duì)應(yīng)的TN準(zhǔn)入負(fù)荷點(diǎn)剛好處于其標(biāo)準(zhǔn)出水質(zhì)量濃度線下方，故可以將0.50%作為最大體積混合比。 在最大體積混合比0.50%時(shí)，根據(jù)式(1)計(jì)算得，CASS工藝仍能夠接納的TN負(fù)荷量為2.8 g/(m3·d)，即最大 TN準(zhǔn)入負(fù)荷為2.8 g/(m3·d)。

當(dāng)滲濾液經(jīng)過(guò)MAP法預(yù)處理后，95%以上的氨氮被去除，出水中氨氮質(zhì)量濃度明顯下降，在與城鎮(zhèn)污水混合，采用CASS工藝進(jìn)行協(xié)同處理時(shí)，營(yíng)養(yǎng)比例和碳源分別得到了調(diào)整和補(bǔ)充，滲透液的毒性被稀釋?zhuān)阅芤驳玫礁纳?，C和N質(zhì)量濃度比均處在可生化性范圍內(nèi)，所以，處理效能明顯提升。由式(1)計(jì)算出相應(yīng)于不同體積混合比的TN準(zhǔn)入負(fù)荷，獲得滲濾液經(jīng)MAP法預(yù)處理后在不同混合比時(shí)TN準(zhǔn)入負(fù)荷、出水TN質(zhì)量濃度與混合液CODcr/TN的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)體積混合比2.50%時(shí)，出水TN質(zhì)量濃度依然在一級(jí)B標(biāo)規(guī)定的20 mg/L以下，即體積混合比2.50%為最大體積混合比，隨著體積混合比增加至3%時(shí)，出水TN質(zhì)量濃度超過(guò)一級(jí)B標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)式(1)計(jì)算出相應(yīng)于滲濾液體積混合比為2.50%時(shí)，CASS工藝仍能接納的TN負(fù)荷量為17.0 g/(m3·d)，即最大TN準(zhǔn)入負(fù)荷為17.0 g/(m3·d)。由此可知：與直接協(xié)同處理相比，在最大體積混合比提高至2.50%時(shí)，CASS工藝仍能接納相應(yīng)的TN負(fù)荷量，即在各自不同的最大體積混合比條件下，經(jīng)MAP法預(yù)處理后進(jìn)行協(xié)同處理的滲濾液具有更高的最大TN準(zhǔn)入負(fù)荷，即最大TN準(zhǔn)入負(fù)荷與直接協(xié)同處理相比提高83.53%。

圖6 CASS工藝直接協(xié)同處理TN準(zhǔn)入負(fù)荷、出水TN質(zhì)量濃度與混合液CODcr/TN比的關(guān)系Fig.6 Relationship of CODcr entry load, TN concentration and mass concentration ratio of CODcr to TN by CASS direct co-treatment

圖7 CASS工藝協(xié)同處理預(yù)處理后滲濾液與城鎮(zhèn)污水的TN準(zhǔn)入負(fù)荷、出水TN質(zhì)量濃度與混合液CODcr/TN質(zhì)量濃度比的關(guān)系Fig.7 Relationship of TN entry load, TN mass concentration and mass concentration ratio of CODcr to TN by CASS co-treatment after leachate pretreatment

3 結(jié)論

(1)CASS工藝對(duì)垃圾滲濾液與城鎮(zhèn)污水的混合液進(jìn)行直接協(xié)同處理時(shí)，滲濾液的最大CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷為23.0 g/(m3·d)，最大TN準(zhǔn)入負(fù)荷為2.8 g/(m3·d)。

(2)CASS工藝對(duì)經(jīng)MAP法預(yù)處理后的垃圾滲濾液與城鎮(zhèn)污水的混合液進(jìn)行協(xié)同處理時(shí)，滲濾液的最大CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷為27.0 g/(m3·d)，最大TN準(zhǔn)入負(fù)荷為17.0 g/(m3·d)。

(3)采用MAP法對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行預(yù)處理，可有效提高CASS工藝協(xié)同處理滲濾液與城鎮(zhèn)污水時(shí)滲濾液最大TN準(zhǔn)入負(fù)荷(提高83.53%)，但對(duì)最大CODcr準(zhǔn)入負(fù)荷的提高作用不大(僅提高14.81%)。

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