UASB-MBR-NF-RO工藝在垃圾滲濾液處理中的應用

葛 琴

（北京機電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027）

隨著城市化進程的加快和經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國城市生活垃圾以平均每年8%～10%的速度增長，垃圾處理問題日益突出[1]。目前，城市生活垃圾最主要的處理方法有衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥及綜合利用等。其中，衛(wèi)生填埋法由于具有成本低、技術(shù)成熟、管理方便等優(yōu)點，在垃圾處理中的應用較為廣泛。然而，在垃圾填埋過程中，由于雨水、地表水、地下水滲入填埋場，以及生物和化學反應對垃圾的降解作用，產(chǎn)生了含有高濃度懸浮物和高濃度有機和無機成分的滲濾液，其色度高、毒性強，不僅含有大量有機污染物，還含有各類重金屬污染物。若處置不當，會對垃圾填埋場周圍的地下水和地表水、土壤、大氣，以及生物等多方面造成嚴重的二次污染，并會通過食物鏈直接或間接進入人體，危害人類身體健康。因此，以環(huán)境保護為目的，為使衛(wèi)生填埋真正成為垃圾“無害化”的處理方式，必須對垃圾滲濾液進行達標處理。

本文在比較目前國內(nèi)應用較多的三種垃圾滲濾液處理技術(shù)的基礎上，依托呼和浩特市生活垃圾滲濾液處理工程的基礎資料，通過技術(shù)分析，選用經(jīng)濟技術(shù)合理的工藝對呼和浩特市垃圾填埋場滲濾液進行了有效處理。

1 垃圾滲濾液的來源及特點

垃圾滲濾液是垃圾填埋場伴生的二次污染物，受降水、外部地表水、垃圾本身的內(nèi)含水以及微生物分解產(chǎn)生的水和部分地下水的滲入等多方面因素的影響，水量變化較大。

垃圾滲濾液最突出的特性為：1）色度高，外觀呈茶色或黑褐色，有腐臭味；2）含大量有毒有害有機物，氨氮濃度高，重金屬含量高，抑制微生物的繁殖與生長；3）含有大量病毒、致病菌等有害物質(zhì)；4）水質(zhì)隨垃圾成分、填埋工藝、填埋時間、氣候、季節(jié)等變化，呈現(xiàn)明顯的非周期性特點，可生化性差[2]。因此，垃圾滲濾液是一種組分復雜的高濃度有機廢水，常規(guī)污水處理裝置在運行過程中難以適應。

2 國內(nèi)常見滲濾液處理技術(shù)

由于垃圾填埋場的環(huán)境條件不同，以及使用年限的差異，垃圾滲濾液的水質(zhì)特征也不盡相同?！渡罾l(wèi)生填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）的頒布實施，為垃圾滲濾液的處理提出了更高的要求。近年來，為滿足新頒布的排放標準，絕大部分垃圾滲濾液處理廠進行了運行工藝優(yōu)化，在滲濾液處理領(lǐng)域逐漸涌現(xiàn)了幾類技術(shù)較為成熟、性價比較好的滲濾液處理技術(shù)。典型工藝主要包括低能耗MVC蒸發(fā)技術(shù)、碟管式反滲透技術(shù)、生化與膜處理相結(jié)合的技術(shù)。

2.1 低能耗MVC蒸發(fā)技術(shù)

機械壓縮蒸發(fā)工藝（MVC）源于美國海軍的海水淡化技術(shù)，距今已有近40年的應用和發(fā)展歷史[3]。該技術(shù)利用蒸汽壓縮蒸發(fā)分離的原理，即通過加熱使垃圾滲濾液沸騰氣化，由于所有重金屬和無機物以及大部分有機物的揮發(fā)性均比水弱，水首先汽化從滲濾液中沸出，污染物殘留在濃縮液中，實現(xiàn)污染物與水的分離，達到水質(zhì)凈化的目的。

同時，MVC技術(shù)利用氣體被壓縮時溫度升高的特性，將蒸發(fā)器中沸騰廢水蒸發(fā)出來的二次蒸汽通過壓縮機的絕熱壓縮，提高壓力、溫度及熱焓后再送回蒸發(fā)器的加熱室，作為加熱蒸汽使用，使蒸發(fā)器內(nèi)的溶液繼續(xù)蒸發(fā)，而其本身則冷凝成水，由此蒸汽的潛熱得到反復利用，實現(xiàn)了節(jié)約能耗。

近年來，低能耗MVC技術(shù)的實際應用主要有廣州從化、潮州錫崗、鶴山馬山及興寧黃泥坑垃圾填埋場[4]。該技術(shù)的優(yōu)點是能源利用率高、設備操作簡單、污泥及殘渣產(chǎn)量較少。但由于蒸餾水中含有較多的氨，需經(jīng)后續(xù)離子交換系統(tǒng)去除，在樹脂再生過程中會產(chǎn)生廢液的二次污染問題；蒸發(fā)系統(tǒng)的不銹鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常會受高濃度的滲濾液冷熱交替接觸，造成設備的腐蝕和結(jié)垢；在運行經(jīng)驗上還不夠充足，該技術(shù)相對更加適用于小規(guī)模的滲濾液處理。

2.2 碟管式反滲透技術(shù)

碟管式反滲透（DTRO）是反滲透的一種形式，專門用來處理高濃度污水的膜組件，其核心技術(shù)是碟管式的膜片膜柱。該技術(shù)由美國PALL公司于1982年開發(fā)成功，并自1988年首次應用于垃圾滲濾液處理以來，在全球各地已經(jīng)有200多個工程實例[5]。該系統(tǒng)由六個子系統(tǒng)組成，包括預處理系統(tǒng)（砂濾器和濾芯過濾器）、兩級反滲透系統(tǒng)、自動清洗系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、除味系統(tǒng)、濃縮液處理系統(tǒng)。

DTRO技術(shù)在國內(nèi)滲濾液處理中的應用主要有重慶長生橋垃圾填埋場、北京安定垃圾填埋場、沈陽老虎沖垃圾填埋場、東營市垃圾填埋場等[6]。該技術(shù)處理滲濾液，工程建設周期短，調(diào)試、啟動迅速，自動化程度高，操作運行方便，且原水無需生化預處理直接進入DTRO設備，受外界影響因素較小。但DTRO設備造價高，且由于是一個純粹的過濾工藝，濃縮液中有機物和鹽離子含量非常高，回灌填埋區(qū)后再次進入調(diào)節(jié)池，會導致進水有機物和含鹽量越來越高，所需反滲透壓力越來越高，最終會導致該設備崩潰，無法運行。因此，近年來，考慮到國內(nèi)生活垃圾滲濾液水質(zhì)的特殊性，DTRO技術(shù)也開始與生化預處理進行聯(lián)合應用。

2.3 生化與膜處理相結(jié)合技術(shù)

生化與膜處理相結(jié)合技術(shù)是目前國內(nèi)垃圾滲濾液處理市場的一種主體工藝。其中應用較為典型的是膜生物反應器（MBR）+納濾（NF）+反滲透（RO）的組合工藝。MBR工藝是生物處理與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種工藝，以膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的泥水分離技術(shù)，提高了生化反應器中的污泥濃度，使生化處理效率更高，抗沖擊負荷能力更強[7]。為保證出水達到直接排放標準，采用納濾/反滲透作為深度處理，進一步分離去除難生化降解的有機物及金屬等有毒有害物質(zhì)。

該組合工藝在國內(nèi)垃圾滲濾液處理中成功應用的工程主要有青島小澗西垃圾填埋場、北京阿蘇衛(wèi)垃圾填埋場、北京高安屯垃圾填埋場、哈爾濱西部垃圾填埋場、常州夾山垃圾填埋場、山東滕州垃圾填埋場等[8-10]。該組合工藝的優(yōu)點為抗沖擊負荷能力強，氨氮去除率較高，前端的生化預處理可以去除滲濾液中的大部分污染物，降低了后續(xù)膜系統(tǒng)的運行負荷，增加膜的使用壽命。同時使用納濾膜可讓部分鹽分與出水一起通過排除，使?jié)饪s液含鹽量不存在越來越高的問題，保證整套設備的長期運行。生化與膜處理相結(jié)合的技術(shù)既利用了生化過程和膜技術(shù)各自的優(yōu)點，又避免了單純反滲透工藝的缺點，工藝過程簡單，操作方便。

3 呼和浩特市垃圾填埋場滲濾液處理工程實例

3.1 工程概況

呼和浩特市生活垃圾綜合處理廠位于呼和浩特市區(qū)東南賽罕區(qū)境內(nèi)，場地東西寬約865m，南北長約770m。綜合處理廠內(nèi)包括垃圾焚燒、餐廚垃圾處理、市政污泥處理、垃圾填埋等主要單元。為確保其中生活垃圾填埋場啟用后的污染控制，該工程配置了完善先進的滲濾液處理系統(tǒng)，庫區(qū)的垃圾滲濾液由管道收集流入調(diào)節(jié)池，經(jīng)滲濾液處理站處理達標后直接排放，或用于綠化、沖刷場地等。

3.2 設計進出水水質(zhì)

呼和浩特市生活垃圾填埋場滲濾液處理站的設計出水規(guī)模為75m3/d，設計出水水質(zhì)達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）表2規(guī)定的要求。該垃圾滲濾液處理站設計進出水水質(zhì)如表1所示。

表1 滲濾液處理站設計進出水水質(zhì)

3.3 工藝流程

選擇合適的滲濾液處理工藝主要由技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境等多項指標綜合決定。該工程通過對上述目前三種常用的工藝進行比較，并結(jié)合呼市生活垃圾填埋場滲濾液的特點及工程投資的可行性分析，確定采用“上流式厭氧污泥床反應器（UASB）+膜生化反應器（MBR）+納濾（NF）+反滲透（RO）”的處理工藝。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

3.4 主要處理單元分析

3.4.1 UASB系統(tǒng)

該項目的UASB反應器采用搪瓷拼裝結(jié)構(gòu)，設計反應溫度為35℃，設計容積負荷為3.0kgCODCr/m3·d，停留時間為2.8d，污泥濃度為10g/L。反應器內(nèi)設置三相分離器和布水系統(tǒng)，頂部設沼氣收集系統(tǒng)，經(jīng)三相分離器分離后的沼氣引至垃圾焚燒系統(tǒng)回收利用?？紤]到呼和浩特市冬季溫度低的特點，整個反應器加蓋，外部做保溫處理，并設置加熱設施。在冬季運行時，進水通過換熱器加熱到35℃左右再進入UASB反應器。

垃圾滲濾液首先從調(diào)節(jié)池通過提升泵提升，經(jīng)袋式過濾器去除較大顆粒物后進入UASB反應器的配水箱，通過罐底布水器均勻地在池斷面上分開并向上流，保證上升流速的同時起到水力攪拌的作用。滲濾液以一定的流速上升通過污泥床，與污泥充分混合，污泥中的微生物分解有機物，CODCr在這個階段被大量去除（去除率約達到50%），并明顯提高了滲濾液的可生化性。經(jīng)污泥床后，滲濾液挾帶著污泥和沼氣一起往上走，經(jīng)過氣液固三相分離器，將水、污泥和沼氣三相分開。分離后的污水通過出水管排出反應器，污泥則回落到污泥床中，沼氣被收集進入沼氣利用系統(tǒng)。

3.4.2 MBR系統(tǒng)

經(jīng)UASB三相分離器分離后的滲濾液出水自流進入MBR系統(tǒng)。MBR是將生物降解作用與膜的高效分離技術(shù)結(jié)合而成的一種新型高效的污水處理技術(shù)，特別適用于高負荷有機廢水的處理。該系統(tǒng)是一種分體式膜生化反應器，包括生化反應器和超濾兩個單元，其中生化反應器包括前置式反硝化和硝化兩部分。

（1）生化反應單元

該工程的反硝化罐采用搪瓷拼裝結(jié)構(gòu)，設計硝化污泥脫氮負荷為0.16kgNO3-N/kgMLSS·d，停留時間1.2d，污泥濃度15g/L。內(nèi)設水下攪拌機1臺，功率2.2kW。

硝化反應罐采用搪瓷拼裝結(jié)構(gòu)，設計污泥負荷為0.2kgCOD/kgMLSS·d，停留時間2.4d，混合液污泥濃度15g/L。溶解氧量4～5mg/L，供氣量1800m3/h，氣水比400 ∶1。為提高氧的利用率，該工程采用特殊設計的射流式曝氣機構(gòu)，保證氧的利用率達到30%以上。設置1臺射流循環(huán)泵，流量為400m3/h，揚程為10m，功率為37kW。設置2臺羅茨風機，1用1備，變頻控制，單臺風機性能參數(shù)為流量30m3/min，風壓58.8kPa，功率55kW。

滲濾液在硝化罐中，通過高活性的好氧微生物作用，降解大部分有機物，一部分氨氮通過微生物合成去除，大部分氨氮在高效硝化菌的作用下轉(zhuǎn)變成硝酸鹽和亞硝酸鹽，通過超濾設備回流到反硝化罐，在缺氧環(huán)境中還原成氮氣排出，達到生物脫氮的目的。

（2）超濾膜單元

超濾系統(tǒng)由超濾進水過濾器、環(huán)路循環(huán)泵、超濾膜組件、清洗設施、產(chǎn)水罐及附屬閥門、管路、儀表等組成。本工程選用孔徑為0.02μm的錯流式有機管式超濾膜組件，工作壓力0.4MPa。超濾系統(tǒng)進水流量500m3/d，產(chǎn)水量100m3/d。設超濾循環(huán)泵1臺，流量240m3/h，揚程20m，功率30kW。

滲濾液經(jīng)生化處理后進入超濾系統(tǒng)，首先經(jīng)手搖式過濾器過濾后，通過孔徑為0.02μm的有機管式超濾膜，分離凈化水和菌體。通過超濾膜組件的清水作為產(chǎn)水流入超濾產(chǎn)水罐，未通過膜的濃縮液帶著活性污泥回流至反硝化罐。該系統(tǒng)可使生化反應器中的污泥濃度達到15～20g/L，經(jīng)過不斷馴化形成的微生物菌群，對滲濾液中難生物降解的有機物也能逐步降解。

3.4.3 納濾系統(tǒng)

納濾系統(tǒng)由加藥裝置、納濾保安過濾器、高壓泵、環(huán)路循環(huán)泵、納濾膜組件、清洗設施、產(chǎn)水罐及附屬閥門、管路、儀表等組成。采用卷式納濾膜，材質(zhì)為聚酰胺復合膜，截留分子量≥500，操作壓力2.5MPa，系統(tǒng)裝機功率11.1kW。

超濾產(chǎn)水罐出水流入納濾系統(tǒng)，超濾產(chǎn)水首先經(jīng)加藥裝置添加阻垢劑與鹽酸，調(diào)節(jié)水質(zhì)后通過保安過濾器過濾，截留大于5μm的顆粒，過濾出水通過高壓泵增壓后進入納濾膜組件，通過納濾膜組件的清水流入產(chǎn)水罐，繼而進入反滲透系統(tǒng)，未通過納濾膜組件的濃縮液通過室內(nèi)排水溝排至污泥池，最終回灌至填埋區(qū)處置。

在滲濾液處理中采用納濾的最大優(yōu)點是出水水質(zhì)好、不會導致濃液中鹽離子的富集。MBR出水氨氮指標已經(jīng)基本達標，但部分難降解有機物尚不能去除，采用納濾可以進一步分離難降解的較大分子有機物、部分含氮有機物、二價以上鹽的離子等，確保后續(xù)反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.4.4 反滲透系統(tǒng)

為保證達到嚴格的排放標準，該工程在納濾系統(tǒng)后又增加了反滲透系統(tǒng)，由加藥裝置、反滲透保安過濾器、高壓泵、環(huán)路循環(huán)泵、反滲透膜組件及清洗設施等組成，該系統(tǒng)實現(xiàn)對污水的進一步分離凈化。反滲透采用卷式有機復合膜，材質(zhì)聚酰胺復合膜，脫鹽率95%～99%，操作壓力2.5MPa，系統(tǒng)裝機功率7.3kW。處理達標出水排放至廠區(qū)東北部集水區(qū)或作為中水利用，濃縮液回流至超濾產(chǎn)水箱。

3.4.5 污泥與濃液處理系統(tǒng)

污泥與濃液處理系統(tǒng)由污泥池和回灌系統(tǒng)組成。滲濾液處理工藝中各系統(tǒng)均須維持一定的污泥濃度，當系統(tǒng)污泥濃度超過一定范圍時，老化的污泥會自我降解轉(zhuǎn)化為有機污染物；同時，過高的污泥濃度會對膜組件產(chǎn)生較大影響，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要定期排泥。該系統(tǒng)設計污泥濃度控制在15～20g/L，當污泥濃度超過該范圍，通過調(diào)節(jié)手動閘閥，將剩余污泥排至污泥池。同時納濾濃縮液也排至污泥池，與剩余污泥一起回灌至填埋場處置。

污泥池內(nèi)設兩臺潛污泵，1用1備，單泵流量16m3/h，揚程25m，電機功率3kW，根據(jù)液位控制，自動運行。

3.5 運行效果

呼和浩特市垃圾滲濾液處理站自調(diào)試后進入運行以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)達到國家現(xiàn)行《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）。項目實際處理進出水水質(zhì)如表2所示，各工藝段出水效果對比如圖2所示。

表2 滲濾液處理效果

圖2 各工藝段出水效果

4 結(jié)論

（1）“UASB+MBR+NF+RO”工藝充分發(fā)揮了厭氧、好氧生化處理與膜處理相結(jié)合的技術(shù)優(yōu)勢，在呼和浩特市生活垃圾填埋場滲濾液處理工程中得到了較好的應用，該工藝流程合理，設備運行穩(wěn)定，管理維護方便。

（2）運行結(jié)果表明，系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，主要技術(shù)指標CODCr和氨氮的平均去除率均達到99.5%，出水水質(zhì)滿足設計要求，達到國家現(xiàn)行《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）。

（3）運行實踐表明，該組合工藝用于垃圾滲濾液處理切實可行，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，可為我國生活垃圾填埋場滲濾液處理的工程應用提供技術(shù)參考。

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