MVR-MBR-活性炭工藝處理穩(wěn)定化飛灰滲濾液工程實例

徐鵬飛

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司， 南京 210000）

生活垃圾焚燒時， 部分細(xì)微顆粒隨著氣流進(jìn)入尾氣處理工段中， 在除塵裝置（通常為靜電除塵器或布袋除塵器）被捕集， 這部分細(xì)微顆粒物即為生活垃圾焚燒飛灰［1］。 飛灰富集了較高濃度的揮發(fā)態(tài)重金屬， 且焚燒改變了其形態(tài)， 使其轉(zhuǎn)化為更易遷移的形式。 飛灰中含有較高浸出濃度的鉛、 銅、鎘、 鋅等重金屬及鹽類， 以及高毒性有機(jī)物如呋喃、 多環(huán)芳烴等， 多數(shù)國家已經(jīng)明確規(guī)定垃圾焚燒飛灰為危險廢物， 飛灰的處置必須嚴(yán)格按照危險廢物的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行［2］。 GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中明確飛灰中有害物質(zhì)需通過強(qiáng)化預(yù)處理手段減少其浸出毒性并達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，其穩(wěn)定化產(chǎn)物可以進(jìn)入生活垃圾填埋場單獨(dú)分區(qū)填埋［3］。 常見的焚燒飛灰穩(wěn)定化方式包括水泥固化、磷酸或磷酸鹽穩(wěn)定化、 硫化物穩(wěn)定化以及有機(jī)螯合劑穩(wěn)定化等。 其中， 有機(jī)螯合劑通過與飛灰中的重金屬發(fā)生螯合反應(yīng)實現(xiàn)重金屬的穩(wěn)定化， 不僅藥劑使用量少， 同時具有增容體積小及穩(wěn)定效果好等優(yōu)點， 廣泛應(yīng)用于飛灰的穩(wěn)定化處理中［4-7］。

飛灰本身含水率較低， 基本不會滲出滲濾液，滲濾液來源主要是填埋作業(yè)中的降雨， 在填埋的過程中， 堆體中超過持水率的水作為滲濾液排出。 目前， 國內(nèi)此類穩(wěn)定化飛灰填埋場的建設(shè)剛剛起步，對此尚缺乏專門的研究， 更無專門的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范， 大都參考生活垃圾填埋場相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。 因此， 飛灰滲濾液的處理工藝設(shè)計也缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范， 處理工程運(yùn)行缺乏相關(guān)的經(jīng)驗參考。 南方某填埋場為專門的穩(wěn)定化飛灰填埋場， 穩(wěn)定化飛灰經(jīng)檢測達(dá)到GB 16889—2008 中規(guī)定的入場條件后進(jìn)入該填埋場進(jìn)行填埋。 本文對該飛灰滲濾液處理系統(tǒng)進(jìn)行介紹， 對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 為飛灰滲濾液的處理工藝設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 工程概況

南方某穩(wěn)定化飛灰填埋場一期占地面積19.06萬m2， 其中飛灰填埋庫區(qū)7.29 萬m2， 填埋庫容30萬m3， 使用年限為5 a， 平均填埋量為135 t／d。 飛灰在生活垃圾焚燒廠內(nèi)進(jìn)行有機(jī)螯合劑穩(wěn)定化處理， 達(dá)到GB 16889—2008 中6.3 條的規(guī)定后， 進(jìn)入飛灰填埋場填埋。 飛灰滲濾液主要來源于填埋過程中降雨， 主要污染物為氯離子、 COD、 NH3－N等。 本工程設(shè)計采用MVR－MBR－活性炭組合工藝處理飛灰滲濾液， 出水達(dá)到GB 16889—2008 中表2 限值要求后， 排至焚燒廠用作回用水。

2 設(shè)計規(guī)模及水質(zhì)

2.1 設(shè)計規(guī)模

本工程滲濾液設(shè)計處理規(guī)模為48 m3／d。

2.2 設(shè)計水質(zhì)

本工程進(jìn)水為飛灰填埋作業(yè)過程中產(chǎn)生的滲濾液， 同生活垃圾填埋場滲濾液不同， 本工程的飛灰滲濾液具有高鹽、 高氯離子、 高COD 和高NH3－N等特征。 出水排至焚燒廠用作回用水， 水質(zhì)要求達(dá)到GB 16889—2008 中表2 限值要求， 具體指標(biāo)要求如表1 所示。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Design influent and effluent water quality

3 飛灰滲濾液處理工藝

由飛灰滲濾液水質(zhì)特征可知， 飛灰滲濾液較難處理， 主要需解決2 個難點問題： ①水質(zhì)高鹽問題； ②去除較高濃度的COD、 NH3－N， 確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放。 雖然GB 16889—2008 表2 中對鹽分無要求， 但高鹽水質(zhì)大大限制了處理工藝的選擇， 導(dǎo)致常用的生化處理技術(shù)和膜分離技術(shù)都無法正常運(yùn)行。 為確保工藝的正常運(yùn)行， 需先進(jìn)行脫鹽處理，目前僅有蒸發(fā)技術(shù)適用于去除高鹽問題［8］。 根據(jù)上述滲濾液水質(zhì)特征， 確定本工程采用MVR－MBR－活性炭的處理工藝， 具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 飛灰滲濾液處理工藝Fig.1 Treatment process of fly ash leachate

滲濾液首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池進(jìn)行水質(zhì)、 水量調(diào)節(jié)，然后泵提至MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)脫鹽， 以利于后續(xù)生化處理， 同時部分重金屬也隨結(jié)晶鹽去除。 蒸發(fā)冷凝水首先進(jìn)行水解酸化， 改善廢水可生化性， 隨后進(jìn)入MBR 一體化工藝單元， 具體為兩級A／O 和內(nèi)置式平板微濾膜工藝。 水解酸化池出水進(jìn)入兩級A／O， 降解COD 等有機(jī)物， 并發(fā)生硝化反應(yīng)， 將NH3-N 轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮， 二級好氧池混合液分別回流至兩級缺氧池， 通過反硝化達(dá)到去除總氮的目的。 在二級好氧池內(nèi)設(shè)內(nèi)置式平板微濾膜， 微生物被完全截流在生化系統(tǒng)內(nèi)， 可有效提高污水中的活性污泥濃度， 提升對COD 等的去除效果， 保證了良好的出水水質(zhì)， 且對進(jìn)水負(fù)荷的變化有很好的適應(yīng)性； 同時， 通過膜的高效分離作用， 使出水懸浮物和濁度極低。 在膜組件的底部采用大氣泡曝氣產(chǎn)生紊流， 以沖刷膜表面并促使累積在膜表面的顆粒脫落， 控制膜污染， 提供好氧細(xì)菌生物降解所需要的氧氣［9-10］。 活性炭濾罐內(nèi)部裝填石英砂墊層及優(yōu)質(zhì)活性炭濾層， 能夠吸附去除小分子有機(jī)物、 異味、 膠體、 色素及重金屬離子等污染物質(zhì)。

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

（1） MVR 主體蒸發(fā)設(shè)備。 采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)＋FC 結(jié)晶器， 整體過程采用晶種法運(yùn)行。 主要設(shè)備包括加熱器、 結(jié)晶器、 壓縮機(jī)、 循環(huán)泵、 預(yù)熱器、冷凝器和其他的泵閥、 管道、 支架裝置構(gòu)成。

蒸發(fā)加熱器。 1 臺， 規(guī)格為DN 900 mm×7 718 mm， 總換熱面積為185 m2。 換熱管外徑為32 mm，壁厚1.5 mm。 管板采用一體式高強(qiáng)度管板， 材質(zhì)為鈦復(fù)合316L 材質(zhì)。

FC結(jié)晶分離器。 1 臺， 規(guī)格為DN 1 800 mm×6 103 mm， TA2 材質(zhì)， 全容積為16 m3。

蒸汽壓縮機(jī)。 2 臺國產(chǎn)三葉輪羅茨壓縮機(jī)， 溫升為8.8 ℃， 串聯(lián)使用， 葉輪和殼體材質(zhì)為鎳基合金鋼。 均為變頻控制， 功率分別為75 和55 kW。

強(qiáng)制循環(huán)泵。 1 臺， 流量為900 m3／h， 揚(yáng)程為4 m， 功率為45 kW。

冷凝水預(yù)熱器。 1 臺， 采用板式換熱器， 利用蒸發(fā)冷凝水將原液預(yù)熱， 換熱面積為5 m2。

不凝氣冷凝器。 1 臺， 采用板式換熱器， 換熱面積為1.2 m2。

（2） 水解酸化池。 2 座， 尺寸分別為1.70 m×2.50 m×3.80 m 和1.05 m×2.50 m×3.80 m（與一級缺氧池合建）， 有效水深為3.5 m， 不銹鋼304 材質(zhì)， 水力停留時間為12 h。 設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)1 臺， 功率為1.5 kW。

（3） 一級缺氧池。 與水解酸化池一個池體， 分2 格布置。 尺寸為0.65 m×2.50 m×3.80 m， 有效水深為3.50 m， 不銹鋼304 材質(zhì)， 水力停留時間為3 h。 設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)1 臺， 功率為1.5 kW。

（4） 一級好氧池。 尺寸為1.20 m×2.50 m×3.80 m， 有效水深為3.50 m， 不銹鋼304 材質(zhì)， 水力停留時間為5 h。 設(shè)管式微孔曝氣器1 套； 曝氣風(fēng)機(jī)2 臺， 流量為1.8 m3／min， 風(fēng)壓為30 kPa， 功率為2.2 kW， 負(fù)責(zé)一級好氧池和MBR 膜組件曝氣。

（5） 二級缺氧池。 與一級好氧池一個池體， 分2 格布置。 尺寸為0.50 m×2.50 m×3.80 m， 有效水深為3.50 m， 不銹鋼304 材質(zhì)， 水力停留時間為2 h。 設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)1 臺， 功率為1.5 kW。

（6） 二級好氧池兼膜池。 尺寸為1.80 m×2.50 m×3.80 m， 有效水深為3.50 m， 不銹鋼304 材質(zhì)，水力停留時間為8 h。 設(shè)管式微孔曝氣器1 套； 膜組件1 套， 膜材質(zhì)PVDF， 支架材質(zhì)SS304， 通量為400 L／（m2·d）， 總面積為120 m2； 潛水回流泵2臺， 流量為8 m3／h， 揚(yáng)程為10 m， 功率為0.55 kW； 自吸泵2 臺， 流量為2.5 m3／h， 揚(yáng)程為10 m，吸程為4 m， 功率為0.55 kW； 膜組件在線清洗系統(tǒng)包括： PE 罐1 個400 L， 計量泵2 臺， 流量為720 L／h， 揚(yáng)程為8 m。

（7） 乙酸鈉投加系統(tǒng)。 PE 罐1 個400 L， 計量泵2 臺， 流量為100 L／h， 揚(yáng)程為8 m。

（8） 活性炭罐。 1 座， 尺寸為φ 1 000 mm×4 000 mm， 采用粒徑為2 ～4 mm 的煤質(zhì)顆?；钚蕴?， 活性炭裝填高度約為2.4 m。 設(shè)反洗水泵1 臺， 流量為15 m3／h， 揚(yáng)程為15 m， 功率為1.5 kW； 反洗風(fēng)機(jī)1 臺， 風(fēng)量為0.25 m3／min， 風(fēng)壓為40 kPa， 功率為0.37 kW。

5 工程設(shè)計特點

（1） 針對飛灰滲濾液高鹽問題， 采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮工藝， 將鹽分脫除的同時可去除部分COD 和NH3-N。 該工藝可以有效實現(xiàn)長周期抗結(jié)垢運(yùn)行， 清洗周期能達(dá)6 個月以上。

（2） 蒸發(fā)冷凝水采用完整的生化處理工藝， 包括水解酸化、 兩級A／O 和內(nèi)置平板膜工藝， 具有工藝成熟可靠、 運(yùn)行成本低等特點。

（3） 深度處理采用活性炭保障工藝。 利用活性炭對COD、 色度、 重金屬等的吸附過濾作用， 可保障出水達(dá)到GB 16889—2008 中表2 限值要求。

6 工程運(yùn)行效果

經(jīng)定期抽檢發(fā)現(xiàn)， 滲濾液原液中COD、 NH3-N和氯離子含量均較高， 重金屬含量較低。 通過MVR蒸發(fā)結(jié)晶， 冷凝水的氯離子質(zhì)量濃度基本降至200 ～300 mg／L， 說明MVR 蒸發(fā)設(shè)備可有效去除滲濾液鹽分， 同時冷凝水重金屬均已達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 以2018年7 月2 日水質(zhì)檢測結(jié)果為例， 水質(zhì)情況見表2。

表2 滲濾液原液和冷凝水水質(zhì)Tab. 2 Quality of leachate raw liquid and condensate water

通過一段時間內(nèi)滲濾液原液和冷凝水的水質(zhì)對比， 發(fā)現(xiàn)滲濾液經(jīng)蒸發(fā)處理后， COD 和NH3-N 均有一定程度的降低， 且去除率穩(wěn)定。 此外由于調(diào)節(jié)池滲濾液不具備良好的取樣條件及填埋場現(xiàn)場試驗條件限制， 因此， 滲濾液處理系統(tǒng)運(yùn)行期間， 每日只對MVR 出水、 MBR 出水、 活性炭出水的COD和NH3-N 進(jìn)行自檢， 2019 年6 月29 日至7 月26日的檢測數(shù)據(jù)如圖2 和圖3 所示。

圖2 各工段出水COD 濃度Fig.2 COD concentration in effluent water of different sections

圖3 各工段出水NH3-N 濃度Fig.3 NH3-N concentration in effluent water of different sections

由圖2 和圖3 可知， 雖然MVR 出水COD 和NH3-N 波動性較大， 無明顯規(guī)律性， 但MBR 出水COD 和NH3-N 均相對穩(wěn)定， 說明MBR 工藝有一定的抗沖擊負(fù)荷能力； MBR 出水COD 均高于排放標(biāo)準(zhǔn)， 須增加活性炭等物化處理工藝； MBR 出水NH3-N 基本達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)， 活性炭對NH3-N 基本無吸附效果。

綜上所述， 該滲濾液處理工藝可行， 飛灰滲濾液經(jīng)處理后能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。 但需注意的是， 在運(yùn)行過程中， 由于冷凝水可生化性低， 為維持較好的污泥活性， 需定期投加葡萄糖、 磷酸二氫鉀等營養(yǎng)物質(zhì)， 以維持適應(yīng)于微生物生存的碳氮磷比； 在冬季時， 由于生物活性的降低， 需要投加硝化菌劑，以維持較高的NH3-N 去除率。 因此， 將冷凝水通過生化工藝處理， 雖然可去除部分COD 和NH3-N， 但同時也造成操作復(fù)雜、 運(yùn)行費(fèi)用高等問題。

7 結(jié)語

（1） 采用MVR－MBR－活性炭工藝處理穩(wěn)定化飛灰滲濾液， 處理出水能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)， 滿足GB 16889—2008 中表2 排放限值要求。

（2） 蒸發(fā)冷凝水僅通過生化工藝處理后無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)， 必須增加活性炭等物化處理工藝， 但同時， 由于活性炭吸附周期較短， 且活性炭廢棄后需作為危廢進(jìn)行處置， 易造成運(yùn)行費(fèi)用的增加。

（3） 冷凝水可生化性較低， 通過生化處理雖可去除部分COD 和NH3-N， 同時也引起操作復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高等問題。 建議在今后的工藝設(shè)計中， 針對脫鹽后的蒸發(fā)冷凝水進(jìn)一步考慮可替代生化法的物化處理工藝， 如NF、 RO、 芬頓等。