蘇州某垃圾滲濾液處理工程生化段脫氮優(yōu)化工程實例

高碧霄，張星宇，潘 楊，2，仇慶春

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.城市生活污水資源化利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇 蘇州 215009；3.蘇州市環(huán)境衛(wèi)生管理處，江蘇 蘇州 215009）

蘇州某垃圾填埋場滲濾液處理工程，主體采用兩級A/O+MBR+RO的工藝，設(shè)計處理規(guī)模為950 m3/d。由于填埋場投入使用近30年，在封場后滲濾液產(chǎn)量減少，并伴有明顯的季節(jié)性變化，實際每日需要處理量約為630 m3/d，滲濾液自身已屬于老齡化階段，B/C為0.2，C/N為0.36，營養(yǎng)元素嚴(yán)重失調(diào)，可生化性差，運行過程需要補充大量丙二醇作為反硝化碳源。近期由于生化段脫氮能力降低，給后端深度處理段帶來較大壓力，日均處理量降低至320 m3/d。為了提高生化段脫氮效能，恢復(fù)正常生產(chǎn)，決定對滲濾液處理站進(jìn)行技術(shù)改造，在原有工藝及構(gòu)筑物的基礎(chǔ)上，通過對構(gòu)筑物功能作用進(jìn)行改進(jìn)和工藝運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在保證出水氨氮及總氮達(dá)標(biāo)的前提下，提升生化段脫氮效能和系統(tǒng)進(jìn)水量，節(jié)約運行成本。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)有處理工藝

滲濾液處理站主體工藝為兩級A/O+MBR+RO工藝，具體工藝流程圖如圖1所示，設(shè)計COD污泥負(fù)荷3.18 kg/（kgMLSS/d）；氨氮污泥負(fù)荷0.036 5 kg/（kgMLSS/d）；MLSS為15.9 g/L；泥齡27 d。調(diào)節(jié)池采用圍堰覆蓋黑色土工膜，容積為70 000 m3。初沉池容積為100 m3，使用丙二醇為外加碳源與原水在均質(zhì)池混合，均質(zhì)池有效容積338 m3，一級缺氧池有效容積1 451 m3，一級好氧池分為兩組，單組有效容積2 736 m3。二級缺氧池有效容積797.2 m3。二級好氧池有效容積797.2 m3。MBR為外置管式膜，通量為50 m3/h。RO膜通量為40 m3/h，采率為70%，濃縮液委托第三方處理。污泥采用離心方式進(jìn)行脫水，脫水后的污泥在填埋場回填。

圖1 工藝流程圖

1.2 存在問題

1.2.1 進(jìn)水SS濃度波動大

于調(diào)節(jié)池容積較大，且投入使用時間較長，內(nèi)部沉淀物淤積量大，雨季流入調(diào)節(jié)池滲濾液水量波動，導(dǎo)致淤積物被攪起，原有沉淀池?zé)o法滿足生產(chǎn)需要，導(dǎo)致進(jìn)水SS濃度高且波動大。

1.2.2 進(jìn)水量達(dá)不到生產(chǎn)需求

生化段污泥濃度MLSS為36 g/L，MLVSS/MLSS為0.45，泥齡120 d，COD及氨氮污泥負(fù)荷分別為0.018 kg/（kgMLSS/d）和0.003 kg/（kgMLSS/d），負(fù)荷低、污泥活性差。運行過程中生化段脫氮效率低，后端深度處理壓力大。受限于生化段脫氮能力的影響，不得不降低進(jìn)水量，確保最終出水達(dá)標(biāo)。

1.2.3 運行費用高

老齡滲濾液C/N比失衡，COD多為難降解有機物，可生化性差，運行過程中噸水投加碳源丙二醇為6.4 kg/m3，約合64元/m3，導(dǎo)致處理站整體運行費用高。

2 優(yōu)化思路與具體措施

2.1 優(yōu)化思路

針對初沉池?zé)o法滿足現(xiàn)有進(jìn)水SS狀況，可選擇占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、運行操作簡單的氣浮工藝[1]。對于生化段污泥泥齡長、負(fù)荷低、活性差及生化段脫氮效能低的問題，應(yīng)降低生化段污泥濃度、縮短泥齡，以提高污泥負(fù)荷，解決污泥處于貧營養(yǎng)狀態(tài)的問題，以提高污泥活性[2]。另外，降低污泥濃度可以減小氧氣在混合液中的傳質(zhì)阻力，提高好氧池的DO，有利于COD及氨氮的去除[3]。一級生化段高的硝化液回流比并沒有帶來高的脫氮效率，反而會由于硝化液回流攜帶回的大量溶解氧，一方面消耗短鏈脂肪酸等易降解的有機物，使容易被反硝化利用的碳源減少[4]；另一方面大量回流的溶解氧破壞缺氧環(huán)境，影響反硝化菌的正常工作[5]。因此，應(yīng)當(dāng)減小硝化液回流比，減少帶回的溶解氧干擾反硝化反應(yīng)。對于老齡滲濾液可生化性差，需要投加大量碳源，運行費用高的問題，可引入新鮮滲濾液混合，提高進(jìn)水可生化性，替代部分外加碳源，節(jié)省運行費用[6-7]。

2.2 具體措施

2.2.1 進(jìn)水SS波動大的改造措施和污泥濃度的調(diào)控措施

增設(shè)的氣浮設(shè)備取代原有的沉淀池，將原有沉淀池進(jìn)出水管道接入氣浮設(shè)備，并在氣浮設(shè)備前使用管道混合器使原水與藥劑混合，氣浮設(shè)備產(chǎn)生的浮渣利用管道輸送至污泥脫水機房。另外，啟用備用離心機加大每日生化段排泥量，經(jīng)計算按照含水率80%核算，每日排泥量約為30 t左右。加大排泥過程中做好常規(guī)指標(biāo)監(jiān)測與分析，若生化段污染物去除效果受到影響及時作出調(diào)整。

2.2.2 脫氮優(yōu)化調(diào)控措施

一級A/O段內(nèi)回流包括兩組硝化液回流和兩組冷卻回流，冷卻回流其實質(zhì)也是硝化液回流，冷卻回流需要經(jīng)過冷卻塔，其在管線內(nèi)停留時間要長于硝化液回流，有利于降低帶回溶解氧，所以保持原有冷卻回流量不變，降低硝化液回流量。并在缺氧池硝化液回流入口附近的固定點位，設(shè)置溶解氧監(jiān)測點，觀察回流比調(diào)節(jié)過程中該點位的溶解氧變化。在滿足COD及氨氮去除的前提下，盡可能降低好氧池DO，一方面節(jié)省曝氣風(fēng)機能耗，另一方面盡可能減小回流帶回溶解氧的影響。

2.2.3 提高進(jìn)水可生化性改造措施

采用新鮮滲濾液與處理站原水混合，以提高進(jìn)水可生化性，減少碳源投加，降低運行費用。新鮮滲濾液來自附近垃圾焚燒站儲存?zhèn)}內(nèi)，其留存時間短，不受雨水和垃圾堆體等因素影響，有機物含量高，可生化性較好。新鮮滲濾液采用罐車運輸，將處理站內(nèi)原有初沉池改為新鮮滲濾液儲存池，利用計量泵打入均質(zhì)池與原水按照一定比例混合。第一階段，新鮮滲濾液每天混入量為10 m3，并減少相應(yīng)COD當(dāng)量的丙二醇投加，運行穩(wěn)定無異常，進(jìn)行下一階段，新鮮滲濾液每日投加量增加10 m3，若出現(xiàn)異常，分析問題并及時調(diào)整。

3 工藝優(yōu)化結(jié)果與討論

3.1 進(jìn)水SS及污泥濃度調(diào)控

通過添加的氣浮設(shè)備，在調(diào)試正常運行后，氣浮設(shè)備進(jìn)水SS濃度為2 100～12 800 mg/L，平均濃度為7 436 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差為2 530 mg/L；按照每升原水平均投加PAC 20 mg，PAM 1.5 mg的使用量，出水SS濃度為800～1 860 mg/L，平均濃度為1 314 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差為397 mg/L，其對原水中SS的平均去除率達(dá)81%，出水SS濃度標(biāo)準(zhǔn)差較進(jìn)水降低2 133 mg/L，氣浮設(shè)備對進(jìn)水SS去除效果明顯，能有效改善生化段進(jìn)水SS波動大的問題。

生化段原有運行狀態(tài)，如圖2（a）所示，MLSS為36 g/L，MLVSS為15 g/L，MLSS/MLVSS約為0.42，生化段溶解氧為0.8 mg/L。經(jīng)過加大每日排泥量，生化段MLSS逐漸下降，MLVSS/MLSS值逐漸增大，并且由于生化段MLSS逐漸降低，溶解氧在混合液中傳質(zhì)阻力的減小，好氧池溶解氧逐漸增高。運行過程中，當(dāng)MLSS達(dá)到20 g/L左右時，好氧池后端溶解氧上升明顯，濃度為5～6 mg/L，為了避免浪費能耗及硝化回流帶回大量溶解氧影響反硝化，因此對好氧段溶解氧進(jìn)行調(diào)整，使其保持在2.0～2.5 mg/L之間。生化段加大排泥期間，如圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）所示，生化段對COD，氨氮及TN去除率明顯提升。運行過程中當(dāng)MLSS低于16 g/L時，繼續(xù)降低生化段污泥濃度，好氧池溶解氧會繼續(xù)升高，但由于硝化菌生物量減少，硝化反應(yīng)受到影響，出水氨氮濃度升高，氨氮去除率明顯降低，出水TN去除率也受到影響。隨后將生化段污泥濃度MLSS提升至16 g/L左右，穩(wěn)定運行后，MLSS/MLVSS約為0.64，好氧池溶解氧穩(wěn)定在2.0 mg/L以上。生化段污泥濃度調(diào)控前后對比，好氧池溶解氧濃度提升1.5 mg/L以上，污泥活性提升22%，COD去除率提升10%，氨氮去除率提升3%，TN去除率提升5%。這說明在高污泥濃度的膜生物反應(yīng)器中，在保證充足生物量的前提下，適當(dāng)降低污泥濃度，可以有效提高污泥活性，提升生化段去污能力[8-9]。

圖2 污泥濃度調(diào)控前后運行效果圖

3.2 回流比調(diào)控

一級A/O段混合液回流共有：兩組硝化液回流各130 m3/h；兩組冷卻回流各75 m3/h。冷卻回流需要進(jìn)入熱交換器，其實質(zhì)也是硝化液回流，所以一級A/O硝化液回流量為410 m3/h。在進(jìn)水量為720 m3/d時，硝化液回流比為13.7倍。

硝化液回流比與生化段出水TN濃度及TN去除率和回流入口附近固定監(jiān)測點的溶解氧關(guān)系如圖3所示，在回流比有13.7降低至7.7的過程中，固定監(jiān)測點的溶解氧隨著回流比減小而減小。出水TN濃度隨著硝化液回流比的減小，先降低后升高，TN去除率隨著硝化液回流比的減小，先升高后降低。在硝化液回流比為9.7時，生化段出水TN濃度最低，生化段TN去除率最高。在回流比分別為13.7和9.7倍下，一級A池反硝化效果如圖4所示，在硝化液回流比為13.7時，一級A池進(jìn)水硝酸鹽氮濃度約為75 mg/L，出水硝酸鹽氮含量＜2 mg/L，亞硝酸鹽氮含量在8～10 mg/L之間。硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮濃度總和約為11 mg/L。反硝化效率約為85%。在硝化液回流比為9.7時，進(jìn)水硝酸鹽氮濃度約為85 mg/L，出水亞硝酸鹽濃度與回流比為13.7時明顯降低，出水硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮總和＜5 mg/L，反硝化效率約為95.4%。硝化液回流比為9.7倍與13.7倍相比，一級A池反硝化效率提高10.4%，生化段出水TN濃度降低20 mg/L。在回流比由13.7降低到9.7的過程中，回流口附近溶解氧不斷降低至0.5以下，TN去除率升高，說明減小回流比可以有效減少硝化液帶回溶解氧的影響[10]?；亓鞅扔?.7降低帶7.7的過程，溶解氧雖然繼續(xù)降低，但TN去除率也降低，說明回流比減小帶回的硝酸鹽及亞硝酸鹽氮總量減少，影響整體脫氮效果。

圖3 不同回流比下固定點位DO及生化段TN去除效果圖

圖4 不同回流比下一級A池反硝化效果圖

3.3 引入新鮮滲濾液補充碳源

新鮮滲濾液水質(zhì)指標(biāo)如表1所列。

表1 新鮮垃圾滲濾液水質(zhì) mg·L-1

新鮮滲濾液投加過程中，生化段出水COD穩(wěn)定在800 mg/L左右，與未投加時基本相同，這說明新鮮滲濾液可生化性較好，容易被微生物降解利用。新鮮滲濾液投加量與氨氮及TN去除效果關(guān)系如圖5所示，新鮮滲濾液投加量由10 m3/d提升至100 m3/d過程中，生化段進(jìn)水TN濃度約為1 700 mg/L，生化段出水TN濃度先降低后升高的，在投加量為80 m3/d時，生化段出水TN濃度最低，TN去除率最高。整個投加過程中，生化段出水氨氮濃度持續(xù)升高，這要是由于新鮮滲濾液中有機氮含量在TN中占比遠(yuǎn)高于老齡滲濾液，隨著新鮮滲濾液投加量的增加，生化段進(jìn)水的有機氮含量也在增加，有機氮在生化段后端水解釋放氨氮[11]，導(dǎo)致出水氨氮濃度升高。

圖5 新鮮滲濾液投加量與氨氮及TN去除效果關(guān)系圖

投加量由10 m3/d提升至80 m3/d過程中，外加碳源丙二醇用量相應(yīng)減少，盡管生化段出水氨氮濃度升高，但出水TN濃度降低，這主要由于新鮮滲濾液中VFA及結(jié)構(gòu)簡單的小分子有機物較多，優(yōu)先作用于反硝化[12]，提高了反硝化效率，使出水TN濃度降低。投加量由80 m3/d提升至100 m3/d，外加碳源丙二醇使用量繼續(xù)相應(yīng)減少，但由于反硝化效率不再提升，出水氨氮濃度的升高，導(dǎo)致出水TN濃度升高。為避免出水氨氮濃度超標(biāo)影響，新鮮滲濾液投加量定為80 m3/d，在穩(wěn)定運行一段時間后，生化段TN去除率為95.7%，較之前提升2.5%，丙二醇投加量由6.4 kg/m3降低至1.84 kg/m3，每立方原水節(jié)省4.56 kg丙二醇。

3.4 優(yōu)化后運行效果及經(jīng)濟評價

經(jīng)過對各控制條件的優(yōu)化，處理站在進(jìn)水量：720 m3/d；MLSS：16 g/L；SRT:42 d；回流比：9.7倍；原水與新鮮滲濾液混合比例：8∶1；外加丙二醇使用量1.84 kg/m3的條件下運行，生化段進(jìn)水TN平均濃度1 700 mg/L，生化段出水TN平均濃度為60 mg/L，生化段TN平均去除率約為96%。生化段進(jìn)水COD濃度11 000 mg/L，生化段出水COD濃度約為800 mg/L左右，生化段COD去除率約為93%。

優(yōu)化前后相關(guān)參數(shù)見表2。整體優(yōu)化運行后較優(yōu)化前：進(jìn)水負(fù)荷提升1.25倍,TN去除率提升了9.7%，COD去除率提升了21%，氨氮污泥負(fù)荷提了 升0.014 2 kg NH3-N/（kgMLSS*d），COD污泥負(fù)荷提升了0.083 kg COD/（kgMLSS*d），碳源費用節(jié)省45.6元/m3，電耗節(jié)省0.65元/m3。

表2 優(yōu)化前后相關(guān)參數(shù)對照表

4 結(jié)語

本次優(yōu)化改造有效的解決了進(jìn)水SS波動大、生化段污泥活性差、脫氮效能低、運行費用高等問題。通過對污泥濃度、溶解氧、回流比等運行參數(shù)優(yōu)化調(diào)控，實現(xiàn)了污泥活性及脫氮效能的提升，并通過混入新鮮垃圾滲濾液，提高進(jìn)水可生化性，節(jié)省外加碳源丙二醇的使用量。優(yōu)化運行后，進(jìn)水負(fù)荷、COD及TN去除率分別提升了1.25倍、21%、9.7%，噸水電耗節(jié)省0.65元/m3，碳源丙二醇節(jié)省45.6元/m3。