CSTR+MBR+雙膜法工藝在水泥窯協(xié)同處理垃圾項(xiàng)目中的工程應(yīng)用

徐洪衛(wèi)，嵇 磊，吳香香，吳鴻宇，姚瑞宏

（1.溧水天山水泥有限公司，江蘇 南京 211200；2.中材國(guó)際環(huán)境工程（北京）有限公司，江蘇 南京 211000）

1 引言

城鎮(zhèn)生活垃圾經(jīng)水泥窯協(xié)同處理后產(chǎn)生的滲濾液主要是垃圾分選后的篩下物（有機(jī)部分）經(jīng)過(guò)制漿、除雜、除砂之后的漿料（良漿）。其含有大量的溶解性有機(jī)物（DOM）、鹽類、重金屬和其他有機(jī)化合物，處理不當(dāng)，對(duì)周圍的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅[1]。我國(guó)處理工藝主要分為生物法和物化法[2-3]，本工程采用生物膜法與活性污泥法相結(jié)合的生物處理系統(tǒng)，去除難以降解的物質(zhì)，使出水達(dá)到循環(huán)利用的要求。

2 工程概況

2.1 滲濾液來(lái)源設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

溧水天山水泥有限公司利用水泥窯協(xié)同處置生活垃圾項(xiàng)目處理量為500 t/d，不斷有漿料產(chǎn)出，厭氧單元按照360 t/d規(guī)模設(shè)計(jì)，后續(xù)水處理段（MBR+膜深度處理）按照平均145 t/d規(guī)模處理，考慮到夏季3個(gè)月垃圾含水率增加，因此后續(xù)段水處理（MBR+膜深度處理）最大處置能力為180 t/d。水質(zhì)可生化性較低，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 良漿進(jìn)出水水質(zhì)

2.2 處理工藝流程

本項(xiàng)目采用“CSTR厭氧+預(yù)處理（離心脫水+氣浮+格柵）+MBR（兩級(jí)A/O+外置管式超濾）+NF+RO+DTRO”的處理工藝。

工藝流程圖見(jiàn)圖1。含固率8%～10%的良漿先進(jìn)入均質(zhì)罐，均化水質(zhì)水量之后，通過(guò)厭氧進(jìn)水泵輸送至CSTR厭氧系統(tǒng)。在厭氧微生物作用下，有機(jī)物經(jīng)過(guò)甲烷菌的降解，產(chǎn)生沼氣，沼氣從罐體頂部排出進(jìn)行收集，發(fā)酵后產(chǎn)水自流入沼液池。為保證厭氧系統(tǒng)反應(yīng)溫度，設(shè)置套管換熱系統(tǒng)，將物料溫度升至35±2℃，滿足厭氧發(fā)酵對(duì)溫度的要求。同時(shí)在發(fā)酵罐和換熱器間設(shè)置漿液循環(huán)管路，并設(shè)置溫度傳感器，保證厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。厭氧出水沼液進(jìn)行固液分離。首先由污泥進(jìn)料泵輸送至離心脫水機(jī)，脫水濾液一部分經(jīng)泵輸送至前端制漿系統(tǒng)用作渣相沖洗水，另一部分先進(jìn)入格柵機(jī)，去除碎屑等雜質(zhì)，再進(jìn)入一體化氣浮裝置，目的是去除廚余垃圾中含有的油分，為后續(xù)的生化及膜深度處理提供保障。氣浮裝置處理后的產(chǎn)水進(jìn)入調(diào)節(jié)池，經(jīng)過(guò)水量和水質(zhì)的均化后由生化進(jìn)水泵輸送進(jìn)入外置式兩級(jí)硝化反硝化系統(tǒng)。

圖1 漿液處理工藝流程

在兩級(jí)硝化反硝化系統(tǒng)中，通過(guò)硝化液回流，在交替缺氧、好氧條件下，漿液中的剩余有機(jī)物、氨氮、硝態(tài)氮等得到降解去除。生化系統(tǒng)的泥水混合物通過(guò)超濾系統(tǒng)分離后，清液進(jìn)入膜系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，濃縮污泥（硝化液）部分回流，部分排入生化污泥池。系統(tǒng)脫水后的干污泥含水率≤80%，沼液含固率低于0.5%，沼渣和干污泥輸送系統(tǒng)合并輸送。脫水沼液含固率小于0.5%，膜深度處理系統(tǒng)產(chǎn)水率大于80%。

經(jīng)外置式膜生化反應(yīng)器處理的超濾出水進(jìn)入后續(xù)的深度處理系統(tǒng)，膜深度處理系統(tǒng)采用納濾+反滲透工藝，納濾系統(tǒng)主要將廢水中有機(jī)物、SS、微生物等去除，降低色度。反滲透系統(tǒng)主要將NH3-N等進(jìn)一步去除，即剩余有機(jī)污染物大部分被納濾和反滲透膜攔截于濃縮液中，透過(guò)液排入清液池。納濾及反滲透產(chǎn)生的濃縮液統(tǒng)一收集，經(jīng)過(guò)DTRO濃液減量化系統(tǒng)進(jìn)一步濃縮后統(tǒng)一收集至濃液池，最終濃液收集至濃液池，再由濃縮液回噴系統(tǒng)噴至水泥窯。NF+RO+濃縮液減量化系統(tǒng)產(chǎn)水率達(dá)到80%。出水中75%的清水回用至水泥工廠循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)充水，約25%的濃縮液設(shè)計(jì)回噴水泥窯高溫段（窯頭罩）焚燒處置，產(chǎn)生的污泥經(jīng)脫水后含水率降至80%跟可燃物一起送入水泥窯焚燒處置，無(wú)廢水外排。

整套處理系統(tǒng)密封良好，臭氣收集管道及風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)完善，臭氣正常情況下送接入垃圾處理系統(tǒng)除臭管道，且系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣全部用于發(fā)電。整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中由PLC系統(tǒng)在線控制，可以通過(guò)操作界面參數(shù)如膜通量、運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)來(lái)了解整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)化運(yùn)行程度高。

2.3 常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)

為分析本項(xiàng)目的運(yùn)行情況，主要采用現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行分析，主要的檢測(cè)進(jìn)出水中SS、BOD5、COD、NH3-N 和 pH 值等指標(biāo)。COD可以采用重鉻酸鉀滴定法，NH3-N采用納氏試劑分光光度法、SS采用量重法、pH值采用便攜式酸度計(jì)測(cè)定。為分析系統(tǒng)產(chǎn)沼氣和產(chǎn)水率狀況，采用流量計(jì)和沼氣分析儀分析單位分解的揮發(fā)固體產(chǎn)甲烷量和厭氧消化罐出氣甲烷含量，取樣口為厭氧罐沼氣管路；采用流量計(jì)在MBR系統(tǒng)和清水池出水測(cè)定膜深度處理系統(tǒng)產(chǎn)水率。采用重量法測(cè)定脫水沼液含固率，采用灼燒法測(cè)定揮發(fā)固體分解率。

3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 厭氧系統(tǒng)

采用CSTR反應(yīng)器，運(yùn)行溫度為35±2℃，COD容積負(fù)荷為3.7kg/（m3·d-1），水力停留時(shí)間25 d，有效容積為9000m3，反應(yīng)器直徑為26 m，高為17 m。

冷卻系統(tǒng)冷卻塔應(yīng)設(shè)置浮球自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)。沼氣配置緩沖氣囊（采用雙模氣柜，容積1 000 m3，能以恒壓輸出沼氣）+沼氣風(fēng)機(jī)+阻回火器的方式，同時(shí)配置應(yīng)急火炬。

3.2 MBR系統(tǒng)

生化系統(tǒng)池體上部為密封構(gòu)筑物，內(nèi)部設(shè)置檢修吊裝設(shè)施，并設(shè)置足夠的檢修空間；生化系統(tǒng)配套的泵、管道、儀表、風(fēng)機(jī)等設(shè)備應(yīng)布置在室內(nèi)；超濾系統(tǒng)采用外置式管式超濾膜，為解決腐殖酸的過(guò)濾問(wèn)題，超濾膜采用進(jìn)口膜。硝化池設(shè)計(jì)自動(dòng)消泡劑添加裝置。MBR反應(yīng)池采用兩級(jí)A/O與外置管式超濾組合工藝，一級(jí)反硝化池尺寸為12.5 m×6.5 m×9.0 m，有效容積為650 m3，水力停留時(shí)間為3.4 d；二級(jí)反硝化池尺寸為5.5 m×5.0 m×9 m，有效容積為220 m3，水力停留時(shí)間為1.2 d；一級(jí)硝化池尺寸為12.5 m×12.0 m×9.0 m，有效容積為1 200 m，水力停留時(shí)間為6.4 d；二級(jí)硝化池尺寸為5.5 m×7.0 m×9 m，有效容積為220 m3，水力停留時(shí)間為1.7 d。曝氣池內(nèi)曝氣方式為射流曝氣，曝氣量為40 m3/min，出水溶解氧（DO）濃度為2 mg/L。

3.3 輔助處理系統(tǒng)

漿液均質(zhì)系統(tǒng)：儲(chǔ)量≥400 m3，并有妥善的防積泥措施。

除臭系統(tǒng)：設(shè)計(jì)完善的臭氣收集管道及風(fēng)機(jī)，與除臭主管道接口前端需設(shè)置電動(dòng)閥門，并與臭氣入窯風(fēng)機(jī)連鎖，同時(shí)設(shè)置應(yīng)急備用除臭（塔）系統(tǒng)，以備水泥窯停窯時(shí)應(yīng)急使用。

濃縮液系統(tǒng)：尺寸為150 m3，所有濃縮液都送入水泥窯焚燒。

4 運(yùn)行情況

該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)3個(gè)月調(diào)試運(yùn)行后，系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)到《GB/T19923—2005城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》中敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水標(biāo)準(zhǔn)，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊能力強(qiáng)。根據(jù)7周采樣結(jié)果表明，CSTR+MBR+雙膜法處理工藝對(duì)水泥窯協(xié)同處理垃圾項(xiàng)目良漿中污染物去除效果好。

4.1 組合工藝對(duì)COD去除效率的影響

組合工藝對(duì)COD的去除效果如圖2和表2所示，當(dāng)進(jìn)水COD濃度為5 300～7 300 mg/L時(shí)，CSTR厭氧系統(tǒng)出水濃度為5 444～10 391 mg/L，MBR單元出水濃度為400～800 mg/L，納濾單元出水濃度為78～90 mg/L?？?cè)コ蔬_(dá)到99.99%以上。CSTR單元的微生物充分利用良漿中可生物降解有機(jī)物進(jìn)行自身新陳代謝作用，可去除81.12%～91.61%的COD，這表明，厭氧過(guò)程可降解大部分的有機(jī)物，且降低了后處理單元的負(fù)荷。CSTR系統(tǒng)出水經(jīng)過(guò)外置式MBR系統(tǒng)的好氧曝氣和生物處理，可降解89.60%～94.78%的COD。超濾過(guò)程維持了系統(tǒng)中的污泥濃度，對(duì)有機(jī)物的去除起到了關(guān)鍵性作用。再經(jīng)過(guò)納濾單元的處理，殘留的COD，COD出水濃度為81～90 mg/L，去除率為79.75%～89.63%。納濾出水經(jīng)過(guò)DTRO單元，出水濃度達(dá)到4.9～5.3 mg/L，總?cè)コ蔬_(dá)到99.99%以上。出水滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且厭氧消化罐出氣甲烷含量大于55%，揮發(fā)固體分解率大于70%，單位分解的揮發(fā)固體產(chǎn)甲烷量大于450 L/kg。

表2 COD濃度變化 mg/L

圖2 組合工藝對(duì)COD的去除效果

4.2 組合工藝對(duì)NH3-N去除效率的影響

為研究系統(tǒng)工藝對(duì)的去除效果，在CSTR厭氧罐進(jìn)出水處、MBR出水處、超濾出水處和排水口測(cè)定NH3-N濃度。處理效果如圖3和表3所示。

表3 NH3-N濃度變化 mg/L

圖3 組合工藝對(duì)NH3-N去除效果

CSTR進(jìn)水氨氮濃度為786～1 467 mg/L，出水濃度為1 272～2 012 mg/L，對(duì)氨氮沒(méi)有去除效果，可能是由于在厭氧條件下，原水中的有機(jī)氮水解生成NH3-N，形成了進(jìn)水NH3-N比出水濃度高的局面。MBR系統(tǒng)出水濃度為10～15 mg/L，去除率達(dá)到了98.82%以上。最后通過(guò)深度處理，進(jìn)一步去除污染物，NH3-N出水濃度達(dá)到0 mg/L，去除率達(dá)到100%。由此可見(jiàn)，NH3-N的去除主要是通過(guò)MBR系統(tǒng)。主要是由于膜組件將微生物截留在系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)中微生物含量高，有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，硝化效率增加，從而實(shí)現(xiàn)NH3-N的高效去除。

5 小結(jié)

采用“CSTR+MBR+RO+DTRO”組合工藝處理垃圾滲濾液，能高效降解良漿中的NH3-N及可生物降解有機(jī)物，充分發(fā)揮了各工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。首先通過(guò)CSTR系統(tǒng)去除難生物降解物質(zhì)，再通過(guò)后續(xù)的生物化學(xué)等過(guò)程使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。運(yùn)行結(jié)果表明，COD的去除主要通過(guò)厭氧反應(yīng)罐和MBR系統(tǒng)，去除率分別可達(dá)80%以上，氨氮的去除主要通過(guò)MBR系統(tǒng)，去除率可達(dá)98%以上，經(jīng)過(guò)深度處理，組合工藝對(duì)良漿中COD、NH3-N去除率分別達(dá)到99.99%和100%，且該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定良好的運(yùn)行。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《GB/T19923—2005城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》中敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水標(biāo)準(zhǔn)要求。工藝可以連續(xù)運(yùn)行，投資及運(yùn)行費(fèi)用低，同時(shí)該工藝具有自動(dòng)化程度高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，因此，該工藝具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。