AnMBR處理垃圾滲濾液的運(yùn)行效能及膜過濾特性分析

肖誠斌，古 創(chuàng)，張海波，李 燦，童勝寶

(光大環(huán)境科技<中國>有限公司，江蘇南京 210000)

城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展帶來日益增長的生活垃圾清運(yùn)量，生活垃圾在收集、運(yùn)輸和處理過程中會形成滲濾液。滲濾液的組分包括高濃度的有機(jī)污染物、氨、重金屬和無機(jī)鹽等[1]，若未能正確收集和處理，會對水體造成嚴(yán)重污染。

近年來，常用的垃圾滲濾液處理工藝通常為組合技術(shù)，即通過物理、化學(xué)和生物方法的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)高效處理的效果。其中，厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)是將厭氧發(fā)酵和膜技術(shù)有效結(jié)合的污水處理工藝[2]。該工藝具備厭氧生物處理的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)配合膜的過濾截留作用，有效提高了出水水質(zhì)。AnMBR解決了反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物的生長速度低和生物質(zhì)的保留能力差的問題[3]，進(jìn)一步提高了有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化效率，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)厭氧生物處理工藝的不足。此外，該工藝可以分別控制水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)，通過延長SRT進(jìn)而縮小厭氧發(fā)酵槽的體積[4]。

濾膜孔徑直接影響膜的分離性能，因此，評價(jià)濾膜孔徑的性質(zhì)甚為重要。廢水中的微小粒子或溶質(zhì)大分子沉積在膜表面或吸附在膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成孔堵塞而引起的膜結(jié)垢是膜處理過程中的一個(gè)嚴(yán)重的問題[5]。同時(shí)，微生物濃度(微生物粒徑為0.1～15.0 μm)也對膜的過濾效能和污堵速率造成較大的影響[6]。因此，在應(yīng)用AnMBR處理滲濾液時(shí)，應(yīng)選擇孔徑適宜的膜，以利于系統(tǒng)的高效運(yùn)行，減少膜污染的影響。一般來說，相對于較大的膜孔徑，膜孔徑越小膜污染越嚴(yán)重，MBR的最佳膜孔徑在0.1～0.4 μm[7]。

本系統(tǒng)采用浸沒式平板膜生物反應(yīng)器進(jìn)行垃圾滲濾液處理試驗(yàn)，選用3種不同的平板膜與相同的厭氧反應(yīng)器組合，主要考察AnMBR系統(tǒng)在HRT為10.0 d、設(shè)計(jì)進(jìn)料量為2.5 L/d的條件下，對垃圾滲濾液的處理效果及系統(tǒng)中不同平板膜過濾效能的對比情況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

AnMBR試驗(yàn)裝置如圖1所示，該系統(tǒng)主要由進(jìn)料單元、AnMBR反應(yīng)單元組成。其中進(jìn)料單元設(shè)置兩個(gè)用于暫存進(jìn)料的進(jìn)料罐，單個(gè)容積為15.0 L，罐頂設(shè)置攪拌裝置以保持進(jìn)料水質(zhì)均勻，對基質(zhì)罐保持4 ℃的冷卻狀態(tài)。

圖1 AnMBR系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Flow Diagram of AnMBR System

AnMBR反應(yīng)單元包括厭氧反應(yīng)器及其內(nèi)部3種有機(jī)平板膜和氣泵。反應(yīng)器總?cè)莘e為43.2 L，試驗(yàn)有效容積為25.0 L，厭氧反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度維持在37 ℃。每個(gè)膜片配備1臺出料泵出水，并在膜出口和泵之間設(shè)置膜壓計(jì)。

本試驗(yàn)裝置采用3種不同的有機(jī)平板膜，分別是膜面積為0.116 m2、膜孔徑為0.2 μm、膜材質(zhì)為氯化聚乙烯(C-PVC)的膜1；膜面積為0.1 m2、膜孔徑為0.2 μm、膜材質(zhì)為聚四氟乙烯(PTFE)的膜2；膜面積為0.1 m2、膜孔徑<0.1 μm、膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF)的膜3。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中所用垃圾滲濾液原液取自位于天津某生活垃圾填埋廠項(xiàng)目的調(diào)節(jié)池。垃圾滲濾液原料密封保存在4 ℃環(huán)境中，經(jīng)過檢測分析，其中總化學(xué)需氧量(TCODCr)質(zhì)量濃度達(dá)到(87.8±2.7) g/L，B/C約為0.7，具有良好的可生化性，具體水質(zhì)情況如表1所示。

表1 天津某生活垃圾填埋廠滲濾液水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Leachate from a Domestic Waste Landfill Plant in Tianjin

1.3 試驗(yàn)方法

AnMBR系統(tǒng)在啟動前利用N2保壓的方式進(jìn)行系統(tǒng)的密封性能檢查。系統(tǒng)的HRT為10.0 d，設(shè)計(jì)進(jìn)料量為2.5 L/d。反應(yīng)器的運(yùn)行過程分為兩個(gè)階段，第Ⅰ階段SRT為250.0 d，第Ⅱ階段SRT為83.3 d。試驗(yàn)裝置總共運(yùn)行80.0 d。

膜片固定在反應(yīng)器內(nèi)部，采用蠕動泵控制膜出液量，每個(gè)膜片配備1臺蠕動泵，并在膜出口和蠕動泵之間設(shè)置膜壓計(jì)，膜壓用無紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄,膜滲透性為膜通量與膜壓的比值。本試驗(yàn)采用AnMBR自身產(chǎn)生的沼氣對系統(tǒng)和平板膜表面進(jìn)行沖刷和抖動，以防止膜污染。每片膜對應(yīng)的曝氣量為9.0 L/min，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置安全氣袋以保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。膜片采用間歇運(yùn)行(運(yùn)行4 min，暫停1 min)模式，平均通量為5 L/(m2·h)。

1.4 分析方法

化學(xué)需氧量(CODCr)采用重鉻酸鉀法測定；pH采用Mettler-Toledo pH計(jì)測定；沼氣氣體成分用氣相色譜儀(島津，GC-8A)進(jìn)行測定；沼氣產(chǎn)量根據(jù)濕式氣體流量計(jì)讀數(shù)變化計(jì)算。

1.5 計(jì)算方法

膜滲透性是表征膜運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，其計(jì)算如式(1)。

(1)

其中：P——膜滲透性，L/(m2·h·kPa)；

Fave——平均膜通量，L/(m2·h)；

TMP——跨膜壓差，kPa。

CODCr去除率計(jì)算如式(2)。

(2)

其中：R——CODCr去除率；

Cin——進(jìn)料中的CODCr質(zhì)量濃度，mg/L；

Cp——膜出液CODCr質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 AnMBR產(chǎn)氣效能分析

通過厭氧消化反應(yīng)，可將廢水中高濃度的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷，從而實(shí)現(xiàn)能源回收，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義[8]。為考察反應(yīng)器SRT對運(yùn)行效果的影響，將反應(yīng)器的運(yùn)行分為兩個(gè)階段。第Ⅰ階段為運(yùn)行開始后的1.0～10.0 d，SRT為250.0 d；運(yùn)行達(dá)10.0 d后進(jìn)入第Ⅱ階段，SRT從250.0 d降低至83.3 d。

第Ⅰ階段為AnMBR運(yùn)行初期，這一階段微生物濃度逐步得到積累，使得在此期間系統(tǒng)的產(chǎn)氣量迅速上升，沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。該階段內(nèi)CODCr去除率隨運(yùn)行時(shí)間的延長不斷下降，這是由于系統(tǒng)尚處于不穩(wěn)定階段。

系統(tǒng)進(jìn)入反應(yīng)的第Ⅱ階段后，通過不斷將N2排出，沼氣中的甲烷含量不斷上升，最高值顯示沼氣中甲烷的含量已接近80.0%，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷含量(40.0%～65.0%)。但經(jīng)過調(diào)整后，系統(tǒng)的氣體產(chǎn)量在經(jīng)過峰值后迅速下降，表現(xiàn)在3.0 d內(nèi)沼氣氣量與甲烷產(chǎn)量的下降幅度分別約22.9%和25.9%，這是系統(tǒng)在降低SRT的同時(shí)帶來CODCr轉(zhuǎn)化率的下降造成的[9]。在第11.0～70.0 d的運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的沼氣和甲烷產(chǎn)量均進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，兩者分別穩(wěn)定在(65.52±1.67)L/d和(51.22±2.47)L/d，其中甲烷含量穩(wěn)定在78.2%±2.5%。CODCr去除率也在該期間內(nèi)逐步上升，最終可穩(wěn)定在85.0%以上。如圖2所示，在運(yùn)行至35.0 d之后，各產(chǎn)氣指標(biāo)均處于相對穩(wěn)定的范圍，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，耐沖擊負(fù)荷較強(qiáng)。

圖2 CODCr去除效率及產(chǎn)氣效果Fig.2 CODCr Removal Efficiency and Biogas Production Effect

2.2 AnMBR厭氧穩(wěn)定性能分析

通過對TVFA、pH和堿度進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測，能夠掌握AnMBR 的運(yùn)行狀況，確保反應(yīng)器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。TVFA作為厭氧消化的中間產(chǎn)物，也是判斷產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌活性的重要指標(biāo)[9]。

如圖3所示，系統(tǒng)運(yùn)行的第Ⅰ階段，厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的TVFA濃度迅速上升，運(yùn)行至第7 d時(shí)質(zhì)量濃度達(dá)1 4 000 mg/L。這可能是因?yàn)檫\(yùn)行初期反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌活性不高，其利用TVFA的能力不足，反應(yīng)器內(nèi)pH值產(chǎn)生較大波動，下降至7.7左右(圖4)，該值對反應(yīng)器的運(yùn)行負(fù)面影響不顯著。此外，該階段總堿度和碳酸氫鹽堿度的不斷上升也是穩(wěn)定反應(yīng)器的重要原因，避免了酸化對反應(yīng)器的沖擊。運(yùn)行10.0 d之后，總堿度和碳酸氫鹽堿度均超過了10 000 mg/L。

圖3 運(yùn)行過程中TVFA變化Fig.3 Changes of TVFA during Operation

圖4 AnMBR運(yùn)行中膜出液pH值變化Fig.4 Change of pH Value of Membrane Effluent in AnMBR Operation

系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入第Ⅱ階段后，TVFA含量迅速降低，最終下降程度約為70.0%，系統(tǒng)的酸化風(fēng)險(xiǎn)解除，此時(shí)反應(yīng)器逐步進(jìn)入穩(wěn)定期。在運(yùn)行的10.0～31.0 d，乙酸被逐漸消耗，而丙酸仍保持一定濃度，31.0 d之后隨著乙酸的消耗殆盡，丙酸也在3.0 d內(nèi)被迅速降解轉(zhuǎn)化。最終產(chǎn)水中TVFA各成分的低濃度值表明它們均已轉(zhuǎn)化為沼氣，這也表明TVFA是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所必須考慮的重要參數(shù)。

整個(gè)運(yùn)行期間，系統(tǒng)的氨氮濃度呈增長趨勢，質(zhì)量濃度從初始的1 657 mg/L升高到2 570 mg/L。與初始濃度相比，運(yùn)行期間廢水中氨氮的高濃度可能是厭氧條件下含氮有機(jī)化合物的不斷降解或氨化導(dǎo)致的。在系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后未檢測到明顯的氨氮降低情況，因此，與有效的CODCr去除相比，AnMBR用作去除廢水中氨氮存在較大缺陷。這表明AnMBR的出水需進(jìn)一步處理才能達(dá)到嚴(yán)格的出水排放標(biāo)準(zhǔn)。

除了CODCr去除率對厭氧系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析有重要指示作用，能夠直接指示反應(yīng)器對滲濾液的處理效能外，膜出液的pH指標(biāo)同樣重要，能夠反映滲濾液水解酸化情況以及反應(yīng)器內(nèi)TVFA累積情況。而在反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)氣速率的變化程度能夠作為重要的能源回收經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)。因此，通過pH、CODCr去除率和產(chǎn)氣速率等指標(biāo)綜合分析，能夠判斷反應(yīng)器運(yùn)行工況并及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

2.3 TMP與膜滲透性分析

膜的運(yùn)行性能是評價(jià)AnMBR運(yùn)行效能的重要參數(shù)，因此，本研究對比了3種不同膜的過濾性能。通過對膜運(yùn)行過程中的TMP和膜滲透性進(jìn)行監(jiān)測可確認(rèn)膜的運(yùn)行狀態(tài)，判定該膜是否正常運(yùn)行。本研究運(yùn)行過程中的TMP和膜滲透性變化分別如圖5、圖6所示。試驗(yàn)中調(diào)整蠕動泵保持3張膜片的平均膜通量為5 L/(m2·h)。

圖5 運(yùn)行過程中TMP變化Fig.5 Change of TMP in Operation

圖6 運(yùn)行過程中膜滲透性變化Fig.6 Change of Membrane Permeability in Operation

在運(yùn)行的第Ⅰ階段，3張膜的TMP均幾乎保持穩(wěn)定。而膜3的TMP在運(yùn)行的第Ⅱ階段不斷上升，增加速率在0.17 kPa/d左右。分析原因?yàn)樵撃た讖捷^小，表面孔隙率較低，更易被廢水中大量被截留污染物堵塞膜孔，造成膜污染。運(yùn)行至40.0 d左右，為維持膜3平均通量，增加了蠕動泵的轉(zhuǎn)速造成膜3的TMP大幅度上升。而膜1和膜2在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的兩個(gè)階段內(nèi)，TMP的上升速率均較低，分別為0.02 kPa/d和0.05 kPa/d左右。圖中顯示膜1和膜2在運(yùn)行40.0 d之后，雖然膜污染導(dǎo)致膜壓上升速率逐漸升高，但不影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

系統(tǒng)進(jìn)入第Ⅱ階段后的第10.0～30.0 d，膜1和膜2的膜滲透性變化總體比較平穩(wěn)。與初始膜滲透性相比，運(yùn)行至30.0 d時(shí)，膜1和膜2的膜滲透性比系統(tǒng)啟動時(shí)分別下降21.0%和20.0%，這表明0.2 μm孔徑膜至少能在30.0 d內(nèi)保持較高的膜滲透性。此后膜2的膜滲透性能從第30.0 d開始下降比較明顯，與之相比，膜1運(yùn)行至50.0 d后才出現(xiàn)比較明顯的膜滲透性能波動和下降的現(xiàn)象。但運(yùn)行直至60.0 d時(shí)，膜1和膜2的滲透性仍能保持在1.0 L/(m2·h·kPa)以上。綜上，0.2 μm孔徑膜具有較好的長期運(yùn)行穩(wěn)定性，而采用C-PVC作為膜材料的膜1能在高膜滲透性條件下維持穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間最長?？讖?0.1 μm的膜3的滲透性從第10.0 d開始便逐步下降，下降速率為0.032 L/(m2·h·kPa·d)。運(yùn)行至第40.0 d，膜3的滲透性已經(jīng)低于0.5 L/(m2·h·kPa)，可見該膜片表面已經(jīng)產(chǎn)生一定污染。

在影響膜性能的生化動力學(xué)參數(shù)中，混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)是一個(gè)重要的影響因素[10]。如圖7所示，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長，MLSS不斷升高，對應(yīng)的TMP也不斷升高，導(dǎo)致膜滲透性的下降，從而削弱了整個(gè)膜生物反應(yīng)器的處理能力。

圖7 運(yùn)行過程中MLSS變化Fig.7 Variation of MLSS in Operation

綜合3種膜的TMP和膜滲透性在運(yùn)行期間內(nèi)的變化情況分析，3種膜的膜污染程度均隨運(yùn)行時(shí)間的延長而加劇，導(dǎo)致TMP增大?？讖綖?.2 μm的膜1和膜2的TMP增量和滲透壓降低程度均優(yōu)于孔徑<0.1 μm的膜3。微生物濃度是影響膜工藝的主要生物參數(shù)，其中微生物粒徑分布在0.1～15.0 μm[6]。膜3能夠?qū)⑦@些微生物全部攔截，這些微生物在代謝活動期間會產(chǎn)生胞外聚合物和溶解性微生物產(chǎn)物作為結(jié)垢劑[11]，從而造成膜表面大量結(jié)垢，最終影響膜的過濾效能。

3 結(jié)論

通過考察3種平板膜應(yīng)用于AnMBR系統(tǒng)對滲濾液的凈化效果，并對比3種膜的性能，得到以下結(jié)論。

(1)構(gòu)建的AnMBR在HRT為10.0 d、設(shè)計(jì)進(jìn)料量為2.5 L/d條件下，可以在無膜清洗的情況下穩(wěn)定運(yùn)行80.0 d；反應(yīng)器對CODCr的去除率在運(yùn)行穩(wěn)定后可以達(dá)到80.0%以上。

(2)反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行后高效產(chǎn)氣，沼氣產(chǎn)量穩(wěn)定在(65.52±1.67)L/d，其中甲烷含量穩(wěn)定在78.2%±2.5%，具有較高的資源回收效益。

(3)MLSS對AnMBR的TMP影響較大，適當(dāng)控制系統(tǒng)的MLSS可穩(wěn)定膜滲透性能。

(4)3種不同平板膜的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比顯示，孔徑小于0.1 μm的膜在運(yùn)行40.0 d后出現(xiàn)較嚴(yán)重的膜污染，而孔徑為0.2 μm的膜在60.0 d內(nèi)仍能在較高的膜滲透性[>1.0 L/(m2·h·kPa)]條件下穩(wěn)定運(yùn)行。因此，孔徑為0.2 μm的膜比孔徑為0.1 μm的膜更適合應(yīng)用于本AnMBR系統(tǒng)。C-PVC作為膜材料在控制污染和高膜滲透性條件下維持穩(wěn)定運(yùn)行方面表現(xiàn)最好，更適用于滲濾液處理。

(5)厭氧MBR技術(shù)相對于傳統(tǒng)厭氧技術(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行、污染物去除及沼氣產(chǎn)氣率等方面具有明顯的優(yōu)勢，在選取合適膜元件的條件下可有效應(yīng)用于滲濾液處理領(lǐng)域。