溫度對MBR工藝處理垃圾滲濾液的影響初探

施慶文

(上海市廢棄物管理處，上海 200063)

垃圾滲濾液組成復(fù)雜，污染物濃度高，處理難度大[1-2]。膜生物反應(yīng)器工藝具有出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)量少以及運行管理方便等特點，廣泛應(yīng)用于生活污水和工業(yè)廢水處理工程[3]。近年來，大量垃圾滲濾液處理工程采用MBR工藝，取得了良好的處理效果[4]。

溫度是決定MBR系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的重要因素之一。一方面，污泥的黏性及胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)會隨溫度變化而變化，易導(dǎo)致污泥膨脹現(xiàn)象[5]；另一方面，溫度會改變微生物的活性和種群結(jié)構(gòu)，溫度過高或過低都會抑制微生物生長，影響MBR系統(tǒng)脫氮除磷的效果[6-7]。另外，溫度變化會加劇膜污染速率，影響MBR運行穩(wěn)定性[8]。近年來，許多學(xué)者展開了溫度變化對MBR影響的相關(guān)研究。王賀等[9]發(fā)現(xiàn)，溫度變化會顯著影響MBR系統(tǒng)污泥性質(zhì)，當(dāng)溫度從25 ℃降低到10 ℃時，污泥RNA質(zhì)量濃度從0.822 g/L降低到0.123 g/L；張凱等[6]研究發(fā)現(xiàn)，夏季溫度較高時，污泥菌群中參與脫氮的微生物相對豐度較高，脫氮效果好。但是，目前相關(guān)研究大多以小型MBR反應(yīng)器為試驗對象，鮮少有研究關(guān)注溫度對實際污水處理廠MBR系統(tǒng)的影響。

根據(jù)《生活垃圾滲瀝液處理技術(shù)導(dǎo)則》(RISN-TG 023—2016)，MBR工藝處理滲濾液溫度宜為20～35 ℃。受氣候變化影響，一般活性污泥系統(tǒng)實際運行溫度通常在5～30 ℃，如表1所示。

表1 活性污泥系統(tǒng)設(shè)計溫度和實際運行溫度Tab.1 Design and Practical Operation Temperature of Activated Sludge System

老港四期滲濾液處理廠的原設(shè)計處理能力為3 200 m3/d。由于填埋場滲濾液老齡化嚴(yán)重，滲濾液碳氮比不足，如采用傳統(tǒng)工藝需投加大量碳源。因此，在結(jié)合老港四期填埋場的實際情況下，老港四期滲濾液廠升級改造工程采用“汽提脫氨+膜生物反應(yīng)器(MBR)+納濾(NF)”的工藝路線，出水水質(zhì)提高至《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)中的表2標(biāo)準(zhǔn)。由于工程前端的汽提脫氨的使用，MBR進水的水溫常年穩(wěn)定在30℃左右。本文通過分析比較水溫變化與MBR實際運行數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，確定MBR設(shè)計和運行水溫控制值。

1 老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站概述

老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理廠在升級改造前的總處理規(guī)模為3 200 m3/d，包括5條生產(chǎn)線，3種生化處理工藝(SBR法、AO工藝、兩級AO工藝)，全廠工藝流程及各生產(chǎn)線處理水量如圖1所示。原設(shè)計出水CODCr≤1 000 mg/L，BOD5≤600 mg/L，SS≤400 mg/L，對NH3-N、TN排放指標(biāo)無要求。

為使?jié)B濾液處理廠出水水質(zhì)達到《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)中的表2標(biāo)準(zhǔn)(CODCr≤100 mg/L，NH3-N≤25 mg/L，TN≤40 mg/L)，2017年老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站實施了升級改造工程。升級改造工程設(shè)計規(guī)模維持3 200 m3/d，其中，新鮮滲濾液約為500 m3/d，老齡滲濾液約為2 700 m3/d，兩股滲濾液原液水質(zhì)及混合后的設(shè)計進水水質(zhì)如表2所示。升級改造工程滲濾液預(yù)處理采用汽提脫氨技術(shù)，生物處理采用“兩級AO工藝+外置式超濾膜分離”技術(shù)，深度處理采用高清液回收率的“納濾+納濾濃縮液3級減量”技術(shù)，工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后工藝流程Fig.2 Process Flow after Upgrading

表2 滲濾液處理廠設(shè)計進水水質(zhì)Tab.2 Design of Influent Water Quality in Leachate Treatment Plant

由于本工程為升級改造工程，用地條件限制較大，同時需充分考慮工藝系統(tǒng)的順暢。設(shè)置脫氨預(yù)處理系統(tǒng)1套，布置于原機修車間與組合水池所在地塊內(nèi)，脫氨裝置充分利用現(xiàn)狀場地條件進行系統(tǒng)布置。各MBR生化反應(yīng)池僅對現(xiàn)狀池體進行內(nèi)部分隔改造，最大程度降低對土建的影響。改造原膜處理車間為超濾車間，與5座MBR生化反應(yīng)池一一對應(yīng)。一期鼓風(fēng)機房更換3臺鼓風(fēng)機，提高碳源儲量達到180 m3。新建膜深度處理車間(納濾、濃縮液處理)1座，布置于現(xiàn)狀停車場，在填埋氣發(fā)電廠新建余熱鍋爐，蒸汽送預(yù)處理脫氨系統(tǒng)。平面布置如圖3所示。

圖3 平面布置Fig.3 Layout Plan

2 SBR池改造為MBR池介紹

老港四期滲濾液處理廠在改造前共有5座生化反應(yīng)池，其中3座為SBR池，系滲濾液處理廠一期工程所建的生化池，于2006年建成運行，采用穿孔曝氣形式。原SBR池出水采用潷水器，后經(jīng)廠內(nèi)技改為超濾出水。本次升級改造工程為提高SBR池處理能力及處理效果，將SBR池改造為外置式MBR池，如圖4所示。改造的池子共有3座，分別編號為：3#MBR池、4#MBR池、5#MBR池，主要設(shè)計參數(shù)如表3所示，MBR池工藝設(shè)計如圖5所示。

圖4 SBR池改造為MBR池改造圖Fig.4 Transformation Diagram of SBR Pool to MBR Pool

圖5 MBR池工藝設(shè)計Fig.5 Design Diagram of MBR Pool

表3 MBR主要設(shè)計參數(shù)Tab.3 Main Design Parameters of MBR

3 MBR系統(tǒng)溫度對脫氮反應(yīng)速度的影響

影響老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站MBR系統(tǒng)溫度的主要因素有以下幾點。

(1)由于老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站系統(tǒng)使用汽提脫氨預(yù)處理單元，脫氨后通過冷卻塔滲濾液水溫為28～35 ℃。

(2)MBR生物反應(yīng)器進水的COD和TN負荷很高，生物降解過程中，有機物和TN化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，使溫度升高。

(3)受設(shè)備如風(fēng)機、攪拌器和水泵的影響，部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，水溫升高。

(4)MBR系統(tǒng)本身配有的循環(huán)污泥冷卻系統(tǒng)的運行狀況。

圖6為2020年1月—6月MBR各池的運行溫度曲線，可知MBR的運行溫度維持在30～35 ℃。與設(shè)計溫度25 ℃相比，實際運行水溫常年偏高5～10 ℃。

圖6 MBR系統(tǒng)溫度變化Fig.6 Temperature Variation of MBR System

圖7 MBR系統(tǒng)進水TN和出水水質(zhì)曲線Fig.7 MBR Influent TN Load and Effluent Water Quality

4 MBR系統(tǒng)溫度對出水氮磷的影響

由于進水負荷較大，MBR系統(tǒng)易出現(xiàn)溫度過高的問題。當(dāng)MBR溫度超過40 ℃時，整個MBR生化系統(tǒng)進入自熱式高溫好氧消化(autothermal thermophilic aerobic digestion, ATAD)過程。自熱式高溫好氧消化主要由污泥中的固體顆粒物質(zhì)在嗜熱微生物胞外酶的作用下發(fā)生溶胞和水解，轉(zhuǎn)化成溶解性可降解產(chǎn)物，在嗜熱微生物細胞的作用下，轉(zhuǎn)化成羧酸、二氧化碳等代謝產(chǎn)物或者嗜熱微生物的細胞。由于污泥固體顆粒物質(zhì)以生物質(zhì)〗為主，當(dāng)生物質(zhì)發(fā)生水解時，生物質(zhì)中的氮和磷被釋放出來，會導(dǎo)致MBR反應(yīng)池和出水的氮磷增加[13]。

圖8為5#MBR池溫度以及池內(nèi)NH3-N、TP和納濾出水TN、TP的變化。在老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站的實際運行中，當(dāng)MBR運行超過40 ℃時，多次出現(xiàn)磷在MBR系統(tǒng)中釋放和富集的情況。MBR池中TP正常值為1～2 mg/L，隨著溫度的增加，TP增加到20 mg/L以上。即便在MBR后設(shè)置納濾系統(tǒng)對MBR出水進行深度處理，但由于納濾系統(tǒng)運行pH值為6.2～6.5，MBR出水中TP會有部分以磷酸二氫鹽形式存在。通過陶氏或其他納濾膜設(shè)計模擬軟件模擬，發(fā)現(xiàn)納濾系統(tǒng)對正磷酸鹽攔截能力有限，因此，納濾后出水仍有TP超標(biāo)的風(fēng)險。由于磷在MBR池內(nèi)的富集時間較長，即便在溫度降回到40 ℃以下，由于MBR系統(tǒng)池容體量大，系統(tǒng)也需要10 d左右時間才能將釋放的磷再次吸收，使得TP降回正常水平。

圖8 5#MBR系統(tǒng)溫度和出水水質(zhì)曲線Fig.8 5#MBR Temperature and Effluent Water Quality

在MBR溫度超過40 ℃時，在生物水解的作用下，生物細胞內(nèi)蛋白質(zhì)含有的有機氮也有可能存在釋放現(xiàn)象。但同時期運行數(shù)據(jù)中，NH3-N和硝酸鹽并沒有隨溫度的變化有明顯變化。造成這個現(xiàn)象的原因可能是，盡管部分有機氮釋放，但部分氮在ATAD系統(tǒng)中會以氣態(tài)方式(N2、NO2和NH3)被去除。此外，有一部分有機氮和不可生物降解COD結(jié)合在一起，由于工藝中在MBR出水后使用納濾系統(tǒng)進行深度處理，這部分有機氮被納濾系統(tǒng)截留。因此，在出廠水的指標(biāo)中沒有反映出來。

5 結(jié)論

通過對老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站MBR系統(tǒng)溫度和出水水質(zhì)比較分析，總結(jié)如下。

(1)MBR系統(tǒng)運行溫度控制在30～35 ℃時，可以提高硝化和反硝化反應(yīng)速率，使MBR系統(tǒng)出水更穩(wěn)定確保達標(biāo)。

(2)當(dāng)MBR系統(tǒng)溫度超過40 ℃，生物系統(tǒng)中污泥發(fā)生水解，污泥中磷的釋放明顯，可以在MBR系統(tǒng)中富集。即便有納濾系統(tǒng)對MBR出水進行深度處理，TP還是有超標(biāo)的風(fēng)險。

(3)當(dāng)MBR系統(tǒng)溫度超過40 ℃，理論上會有污泥有機氮的釋放，但從實際運行數(shù)據(jù)上分析，出水NH3-N、硝酸鹽和TN沒有明顯變化。