兩級DTRO工藝處理垃圾滲濾液工程實踐

蔣麗娟 鈕春全 陳麗莎 李 佳 周 巖 張 著 盧炎豐

(北京天地人環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100176)

垃圾滲濾液的水質(zhì)受垃圾成分、處理規(guī)模、降水量、氣候、填埋工藝及填埋場使用年限等因素的影響，通常具有如下特點：

(1)滲濾液前、后期水質(zhì)變化大[1]。滲濾液的水質(zhì)變化幅度很大，同一年內(nèi)各個季節(jié)水質(zhì)差別很大，濃度變幅可高達幾倍，并且隨著填埋年限的增加，水質(zhì)特征也在不斷發(fā)生變化。

(2)有機物濃度高[2-4]。垃圾滲濾液中的CODCr和BOD5濃度最高可達幾萬毫克/升，與城市污水相比，濃度非常高。隨著填埋場填埋年限的增加，BOD5與COD比值將逐漸降低。

(3)部分重金屬離子含量高。垃圾滲濾液含有十多種重金屬離子，其中鐵和鋅在酸性發(fā)酵階段濃度較高，據(jù)報道，有的填埋場鐵的濃度可高達2 000 mg/L左右，鋅的濃度可達130 mg/L左右，均超過一般的排放標(biāo)準(zhǔn)，需進行處理。

(4)氨氮含量高。由于大部分填埋場為厭氧填埋，堆體內(nèi)的厭氧環(huán)境造成滲濾中氨氮濃度極高，并且隨著填埋年限的增加而不斷升高，有時可高達1 000～3 000 mg/L。當(dāng)采用生物處理系統(tǒng)時，需采用很長的停留時間，以避免氨氮或其氧化衍生物對微生物的毒害作用。

(5)營養(yǎng)元素比例失調(diào)[5-7]。滲濾液中的BOD/COD介于0.19～0.48之間[8]，老齡填埋場的滲濾液的BOD5/NH3-N還經(jīng)常小于1，可生化性極差，要使用生物法處理時，需要補充碳源，不可降解部分需要加膜法才能達標(biāo)。

(6)鹽分含量高。填埋場滲濾液通常含有大量的鹽分，總的含鹽量通常高達10 000 mg/L以上，采用生化處理會因為含鹽量過高造成啟動困難，運行不穩(wěn)，甚至無法運行。

1 工程概況

本文以江西某垃圾滲濾液處理項目為研究對象，采用兩級DTRO處理工藝，項目建設(shè)周期2周，經(jīng)過調(diào)試2天出水，并實驗記錄3月1號至3月15號監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析論證。

2 水質(zhì)水量及排放標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計水質(zhì)水量

江西某垃圾填埋場，根據(jù)環(huán)評日產(chǎn)垃圾滲濾液量最大值150 t/d，經(jīng)過原水檢測及相關(guān)項目經(jīng)驗，設(shè)計進水水質(zhì)如表1。

表1 進水水質(zhì)一覽表

根據(jù)環(huán)評批復(fù)的要求，本項目出水水質(zhì)需達《生活垃圾填埋污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)表2中的污染物排放濃度限制標(biāo)準(zhǔn)要求，出水水質(zhì)見下表2。

表2 設(shè)計出水水質(zhì)

2.2 清水排放及濃縮液處理

本工程產(chǎn)生達標(biāo)清水不小于112.5 m3/d，總回收率不小于75%。

濃縮液產(chǎn)量為37.5 m3/d，濃縮液可采用回灌處理。

3 滲濾液處理工藝介紹

3.1 工藝選擇

3.1.1 水量、水質(zhì)的適應(yīng)性

滲濾液主要處理工藝有“兩級DTRO”及“MBR+NF+RO”?！皟杉塂TRO”對有機物、氨氮、總氮等污染物截留率均達到99%以上，并且不受滲濾液可生化性影響，流程簡單水質(zhì)適應(yīng)性強；采用“MBR+NF+RO”工藝，其生化處理效果受進水可生化性及碳氮比影響，滲濾液可生化性差，碳氮比失調(diào)，生化處理系統(tǒng)的處理過程需要投加大量碳源。

3.1.2 季節(jié)影響

兩級DTRO設(shè)計運行溫度范圍在15～30℃范圍內(nèi)。由于北方地區(qū)一年中滲濾液產(chǎn)生量分布不均，主要滲濾液產(chǎn)量在6—8月雨季。冬季滲濾液產(chǎn)量很低。當(dāng)冬季水溫低于10℃時，兩級DTRO停止運行，冬季產(chǎn)生的滲濾液暫存于調(diào)節(jié)池中。

我公司2019年8月成功中標(biāo)雙鴨山項目，處置規(guī)模800 m3/d。滲濾液積存在地下調(diào)節(jié)池內(nèi)，上覆蓋土工膜，調(diào)節(jié)池容積5萬m3，2020年春季開機運行。如果冬季運行，可在原水罐(10 m3)內(nèi)設(shè)置加熱器，運行溫度5～10℃。

在冬季低溫情況下，調(diào)節(jié)池內(nèi)污水溫度很低，最低溫度接近0℃。生化系統(tǒng)溫度過低會導(dǎo)致生化污泥活性降低，導(dǎo)致出水不達標(biāo)；更嚴(yán)重的會造成活性污泥死亡、導(dǎo)致生化系統(tǒng)崩潰。

3.1.3 自動化程度及運行人員要求

DTRO工藝系統(tǒng)為全自動式，整個系統(tǒng)設(shè)有完善的監(jiān)測、控制系統(tǒng)，PLC可以根據(jù)傳感器參數(shù)自動調(diào)節(jié)，適時發(fā)出報警信號或停機，對系統(tǒng)形成保護，兩級DTRO系統(tǒng)正常運行只需2～4人即可滿足系統(tǒng)運行要求。相反生化系統(tǒng)工藝路線長，設(shè)備數(shù)量多，要求運行人員有良好專業(yè)素質(zhì)，人員需求多。

3.1.4 運行靈活程度

DTRO系統(tǒng)作為一套物理分離設(shè)備，操作十分靈活，可以連續(xù)運行，也可間歇運行，還可以調(diào)整系統(tǒng)的串并聯(lián)方式，來適應(yīng)水質(zhì)水量的要求。而生化系統(tǒng)一經(jīng)啟動需要連續(xù)運行，中斷運行會導(dǎo)致死泥，重新啟動則耗費大量人力、財力。

3.1.5 調(diào)試周期

兩級DTRO工藝的核心組件均在工廠組裝完畢，輔以配套的廠房、水池建設(shè)，規(guī)模很小，建設(shè)速度快。設(shè)備運抵現(xiàn)場后只需兩周左右的時間安裝調(diào)試工作就可完成。生化系統(tǒng)啟動慢、生化調(diào)試周期長，一般由調(diào)試到出水達到設(shè)計指標(biāo)至少需要1～2個月時間。

3.1.6 能耗

本項目中，DTRO系統(tǒng)總裝機容量為128.1 kW，運行功率為86.32 kW；而傳統(tǒng)“MBR+NF+RO”系統(tǒng)，此規(guī)模運行功率為200 kW左右[2]。因為“MBR+NF+RO”工藝生化部分曝氣、換熱、冷卻及污泥脫水都需要較大能耗。

通過以上對比可以看出，相對于“MBR+NF+RO”而言，兩級DTRO工藝能適應(yīng)填埋場全生命周期的滲濾液處理而不需要補充碳源等營養(yǎng)物質(zhì)，而且占地面積小，基建投資少，運行費用低，建設(shè)周期和調(diào)試周期明顯低于“MBR+NF+RO”工藝，運行管理靈活。

3.2 本項目工藝路線

填埋場按照填埋氣組成等參數(shù)可以大致分為五個階段：第一階段為好氧階段，導(dǎo)氣管中引出的氣體主要為空氣，此時產(chǎn)生的滲濾液COD濃度較高，氨氮濃度較低，可生化性較好；第二階段為酸化階段，垃圾堆體中以酸化反應(yīng)為主，填埋氣主要為氮氣、二氧化碳、氫氣，滲濾液水質(zhì)與第一階段類似；第三階段為不穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷段，堆體中厭氧產(chǎn)甲烷菌開始逐漸成為優(yōu)勢菌種，甲烷氣體的比重開始上升，滲濾液中的有機物開始下降，滲濾液的可生化性下降；第四階段為穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷階段，填埋氣主要由二氧化碳和甲烷組成，滲濾液的可生化性已經(jīng)比較差，易于生化的有機物急劇下降；到最后一個階段即結(jié)束階段，垃圾中的有機物已經(jīng)分解殆盡，此時的滲濾液已不具備可生化性。

本項目滲濾液水質(zhì)將完整經(jīng)歷所有5個階段，水質(zhì)變化極大，要求滲濾液處理系統(tǒng)既可以處理前期濃度高可生化性好的滲濾液，亦可處理三五年后濃度低但可生化性差的滲濾液，保證系統(tǒng)出水穩(wěn)定達標(biāo)。根據(jù)以上要求及技術(shù)經(jīng)濟比較，確定本項目處理工藝為“兩級DTRO”工藝，工藝流程見圖1。

圖1 兩級DTRO工藝流程圖

3.3 兩級DTRO工藝介紹

3.3.1 膜系統(tǒng)預(yù)處理

滲濾液pH值隨著廠齡的增加、環(huán)境等各種條件的變化而變化，其組成成分復(fù)雜，存在鈣、鎂、鋇、硅等多種難溶鹽。故在進入反滲透前須對原水進行pH值調(diào)節(jié)，防止碳酸鹽類無機鹽的結(jié)垢。

原水罐經(jīng)過pH調(diào)節(jié)的出水進入石英砂過濾器。砂濾器進、出水端都有壓力表，當(dāng)壓差超過2.5 bar的時候須執(zhí)行反洗程序。砂濾出水后進入芯式過濾器，且在芯式過濾器前加入一定量的阻垢劑防止硅垢及硫酸鹽結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3.2 兩級DTRO系統(tǒng)

滲濾液經(jīng)過芯式過濾器由高壓泵進入膜組件，膜組件采用碟管式反滲透膜柱，抗污染性強，物料交換效果好。

膜系統(tǒng)為兩級反滲透，膜柱組出水分為兩部分。第一級反滲透的透過液排向第二級反滲透的進水端，濃縮液排入濃縮液池。第二級反滲透的透過液進入清水池，回用或外排，濃縮液進入第一級反滲透的進水端，進行進一步的處理。兩級反滲透的濃縮液端各有一個壓力調(diào)節(jié)閥，用于控制膜組內(nèi)的壓力，以產(chǎn)生必要的凈水回收率。

3.3.3 清水脫氣及pH值調(diào)節(jié)

由于滲濾液中含有一定的溶解性氣體，經(jīng)脫氣塔脫除透過液中溶解的酸性氣體后，pH值能顯著上升，此時系統(tǒng)將自動加少量堿回調(diào)pH值至排放要求。出水pH回調(diào)在清水罐中進行，清水排放管中安裝有pH值傳感器，PLC判斷出水pH值并自動調(diào)節(jié)計量泵的頻率以調(diào)整加堿量，最終使排水pH值達到排放要求。

3.3.4 去除效果預(yù)測

各工段污染物去除效果見表3。

表3 各工藝段去除效果預(yù)測表 單位：mg/L

3.3.5 濃縮液回灌

滲濾液處理規(guī)模150 m3/d，每天產(chǎn)濃縮液量占滲濾液量的25%，濃縮液產(chǎn)量小于37.5 m3/d，濃縮液可采用回灌處理。垃圾填埋場是一個用垃圾作為填料的準(zhǔn)好氧生物反應(yīng)器，垃圾表面有很多菌膠團，吸附降解水中的有機物。垃圾分解過程是一個非常復(fù)雜的生物、化學(xué)和物理過程，其一部分中間產(chǎn)物形成填埋氣排出垃圾場，另一部分被滲入的雨水沖刷、溶解，經(jīng)過收集系統(tǒng)排出，產(chǎn)生了滲濾液。滲濾液回灌是讓已經(jīng)流出的中間產(chǎn)物再回到其生物反應(yīng)的過程中，繼續(xù)參與生物降解。

4 土建工程

4.1 車間廠房

反滲透裝置設(shè)計為室內(nèi)安裝型，全部反滲透設(shè)備及罐系統(tǒng)均安裝在綜合車間內(nèi)。綜合車間建筑面積248.4 m2，框架結(jié)構(gòu)，膜處理車間梁下凈高度5.6 m。內(nèi)設(shè)膜處理間、配電室、值班室等。車間內(nèi)設(shè)排水溝以及通風(fēng)系統(tǒng)，膜柱系統(tǒng)頂部設(shè)置手動單軌吊車用于設(shè)備檢修。處理車間內(nèi)放置酸堿加藥罐的基礎(chǔ)做防腐處理。

規(guī)格：9.0 m×27.6 m×5.6m(H)(凈高)，新建。

數(shù)量：主廠房1層，框架結(jié)構(gòu)，考慮通風(fēng)、照明、避雷等措施。

4.2 濃縮液池

尺寸：9 m×8 m×4.5m(H)(超高0.5)

有效容積：288m3

數(shù)量：1座

停留時間：7.7 d

結(jié)構(gòu)形式：鋼砼結(jié)構(gòu)、半地下

4.3 DTRO清水池

尺寸：2 m×8.0 m×4.5m(H)(超高0.5)

有效容積：64 m3

數(shù)量：1座

停留時間：0.57 d

結(jié)構(gòu)：鋼砼、半地下

5 工程運行效果

5.1 出水水質(zhì)分析

5.1.1 進水水質(zhì)分析

本項目取3月份15天運行數(shù)據(jù)進行進水水質(zhì)分析，設(shè)備開機調(diào)整進水流量為120 t/d左右，后期調(diào)整為150 t/d，期間由于下雨影響，滲濾液水質(zhì)變化較大，如圖2-6。

圖2 進水COD變化曲線圖

圖3 進水TN變化曲線圖

圖4 進水C/N變化曲線圖

圖5 進水電導(dǎo)率變化曲線圖

由圖2可知，滲濾液進水COD變化范圍為2435～4720 mg/L，平均值為3901 mg/L。由圖3可知總氮變化范圍為1425～1659 mg/L，平均值達1613 mg/L。BOD 由于現(xiàn)場無法檢測，由項目經(jīng)驗，取文獻參考值，BOD/COD=0.5[8]，由圖4可知，本項目C/N范圍僅為0.74～1.46，根據(jù)可生化性原理，要求C/N>20，可見本項目水質(zhì)可生化性極差，碳源嚴(yán)重不足。由圖5可見，電導(dǎo)率變化范圍最為明顯，14.1～23.3 cs/cm，平均值高達20.8 cs/cm。其中11號受下雨影響，水質(zhì)變化比較大，其中氨氮及電導(dǎo)率下降最為明顯。

5.1.2 產(chǎn)水水質(zhì)分析

由圖6可知此次檢測范圍內(nèi)，滲濾液產(chǎn)水COD變化范圍為8.5～16.9 mg/L，平均值為12.2 mg/L。氨氮變化范圍為7.1～11.38 mg/L，平均值達8.4 mg/L?？偟兓秶鸀?5.3～18.43 mg/L，平均值達14.0 mg/L。兩級DTRO產(chǎn)水受水質(zhì)變化影響較小，通過調(diào)節(jié)壓力及產(chǎn)水量，控制出水水質(zhì)，系統(tǒng)運行可靠。

圖6 產(chǎn)水水質(zhì)曲線

5.1.3 運行壓力分析

圖7 水量和高壓泵運行壓力變化曲線

由圖7可知，滲濾液進水含鹽量高，且進水電導(dǎo)率變化比較大，膜通量及電導(dǎo)率變化均影響膜運行壓力，一級高壓泵平均運行壓力達41.9 bar，二級高壓泵平均運行壓力達26.7 bar。后期膜進水量增加后，膜通量增加，運行壓力明顯上升。

5.1.4 產(chǎn)水率分析

本次分析采用3.1-3.15日項目檢測數(shù)據(jù)，開機初始處置處理規(guī)模約為120 t/d，后期運行穩(wěn)定增至150 t/d，項目平均進水量為124 t/d，由圖8可見，平均產(chǎn)水率為75.3%。DTRO系統(tǒng)可以適應(yīng)水量水質(zhì)變化，保持較高的系統(tǒng)回收率，并能較好的維持設(shè)備的平穩(wěn)運行。

圖8 產(chǎn)水回收率分析曲線圖

5.2 運行成本分析

運行費用主要包括能耗、藥劑消耗、操作人員工資、膜更換維修費用及水費等方面。兩級DTRO為成套裝置，自動化程度高，操作維護工作量小，因此一般配置2～4人參與運行，本項目預(yù)測共需4人(1人/班)，人員費用支出以5000元/月·人計，電費以0.8元/度計，進水按照平均124元/噸，運行費用估算如下：藥劑費合計23.6元/噸，換膜費及設(shè)備維護費15.0元/噸，合計38.6元/噸。

6 結(jié)論與展望

DTRO系統(tǒng)處理垃圾滲濾液，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，水質(zhì)變化適應(yīng)性強，特別是電導(dǎo)率越低設(shè)備穩(wěn)定性越高，相對回收率也越高。

隨著人類自然環(huán)境的不斷發(fā)展，各地政府對于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制定越來越嚴(yán)格，不斷優(yōu)化和集成現(xiàn)有技術(shù)工藝，開發(fā)高效、穩(wěn)定、節(jié)能的污水處理工藝，開發(fā)易于運行管理又達到排放標(biāo)準(zhǔn)的新型集成式聯(lián)合處理技術(shù)，降低垃圾滲濾液處理工程建設(shè)費用及日常運營成本，開發(fā)易于管理和控制的現(xiàn)代化運行系統(tǒng)，是環(huán)保發(fā)展的新方向。目前我國膜制造工藝取得不少成就，但是主要核心膜片尤其是RO膜制造技術(shù)仍然薄弱，進口膜片價格昂貴，成為兩級DTRO制造和運行主要成本之一。積極研發(fā)我國反滲透膜產(chǎn)品生產(chǎn)自主技術(shù)，從而代替進口膜產(chǎn)品，提高現(xiàn)有進口膜系統(tǒng)運營水平，增加系統(tǒng)抗污染性，延長使用壽命，仍然任重道遠。

本文以江西某垃圾填埋場滲濾液為研究對象，通過水質(zhì)實測數(shù)據(jù)，深入探討進水水質(zhì)變化對產(chǎn)水率及高壓泵工作壓力的影響，全面分析項目占地及運行費用，對該地區(qū)滲濾液處理技術(shù)乃至整個行業(yè)提供指導(dǎo)依據(jù)。