生活垃圾焚燒廠滲濾液水質(zhì)的季節(jié)性差異及其處理特性分析

楊 韜，張瑞娜，曹瑞杰

(1.上海環(huán)云再生能源有限公司，上海 201603；2.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計院有限公司，上海 200232；3.上海市固體廢物處理與資源化工程研究中心，上海 200232)

據(jù)我國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，2019年全國城市生活垃圾清運總量達24 206.2萬t[1]，為使大量的生活垃圾得到有效處置，國家發(fā)改委出臺了《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，倡導(dǎo)焚燒作為我國垃圾處置的主要方式，并計劃到2020年底，全國設(shè)市城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力的50%以上，且全部達到清潔焚燒標準[2]。

垃圾焚燒因具有減量化效果明顯、可產(chǎn)生電能等優(yōu)點[3-4]，近年來發(fā)展十分迅速。2010年，我國生活垃圾焚燒處置的比例僅為18.8%[5]，但到了2019年，該比例已高達50.70%[1]，焚燒已取代成為目前我國最主要的垃圾處置方式。然而，垃圾含水量較高，進爐焚燒前需在垃圾貯坑中堆酵3～7 d，用于瀝除水分、提高熱值，所以這個過程會產(chǎn)生大量的垃圾滲濾液[6-8]，它是一種成分復(fù)雜、污染物濃度高的有機廢水[9-12]，處理難度很大。目前，滲濾液常規(guī)處理工藝為“調(diào)節(jié)池+厭氧反應(yīng)器+MBR系統(tǒng)(兩級AO+外置式超濾膜)+納濾系統(tǒng)”[13]，但MBR系統(tǒng)中的兩級AO處理單元受各種不同要素的影響，尤其是隨季節(jié)變化，垃圾組分、滲濾液水質(zhì)特征等發(fā)生改變都會影響生化處理單元的處理性能，進而影響后續(xù)膜過濾單元的處理性能。

因此，本研究從季節(jié)變化的角度出發(fā)，對上海大型生活垃圾焚燒廠滲濾液處理廠進行了一年的水質(zhì)監(jiān)測監(jiān)控，旨在通過研究季節(jié)變化對滲濾液水質(zhì)及現(xiàn)行工藝的主要處理單元處理性能的影響，為采用“調(diào)節(jié)池+厭氧罐+MBR(兩級AO+外置式超濾膜)+納濾”工藝的滲濾液處理工程的運行和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 工藝簡介

該生活垃圾焚燒廠滲濾液處理站采用常規(guī)的處理工藝，工藝流程為“調(diào)節(jié)池+厭氧+MBR(兩級AO+外置式超濾膜)+納濾”，處理規(guī)模約為500 m3/d，工藝流程如圖1所示。

圖1 城市生活垃圾焚燒廠滲濾液處理工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Municipal Solid Waste Incineration Leachate Treatment Process

垃圾貯坑中的調(diào)節(jié)池進水先進入調(diào)節(jié)池進行水質(zhì)水量調(diào)節(jié)，然后通過提升泵提升至厭氧反應(yīng)器內(nèi)，通過厭氧消化反應(yīng)去除大量有機物后進入MBR系統(tǒng)。MBR系統(tǒng)包括生化處理單元和膜分離單元，生化處理采用兩級AO工藝，生化出水經(jīng)外置式超濾膜實現(xiàn)泥水分離，濃縮后的泥水混合液通過內(nèi)回流泵內(nèi)流至首端缺氧池中進行反硝化脫氮。經(jīng)超濾單元實現(xiàn)泥水分離的超濾清液進入納濾單元進行深度處理。最后，納濾清液中各項污染物指標達到上海市地標《污水綜合排放標準》(DB 31/199—2018)三級排放標準。

1.2 研究方法和監(jiān)測項目

本研究的監(jiān)測周期為2019年3月—2020年2月，監(jiān)測頻率為每月2次，分別于每月的10號和20號對“調(diào)節(jié)池+厭氧罐+MBR(兩級AO+外置式超濾膜)+納濾”工藝的5個主要處理單元進行取樣，分別為調(diào)節(jié)池進水、厭氧出水、生化出水、超濾出水和納濾出水。同時，根據(jù)上海的氣候條件，將3月—5月劃分為春季，6月—8月劃分為夏季，9月—11月劃分為秋季，12月—次年2月劃分為冬季。

水質(zhì)監(jiān)測方法采用《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標準》(GB/T 31962—2015)規(guī)定監(jiān)測方法，pH采用《水質(zhì) pH值的測定 玻璃電極法》(GB/T 6920—1986)，SS采用《城鎮(zhèn)污水水質(zhì)標準檢驗方法》(CJ/T 51—2018)，CODCr采用《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(HJ 828—2017)，氨氮采用《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)，TN采用《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)。

2 調(diào)節(jié)池進水水質(zhì)的季節(jié)性變化特征

本節(jié)主要討論了調(diào)節(jié)池進水中pH、SS、CODCr、氨氮和TN濃度的季節(jié)性變化特征，本研究的監(jiān)測頻率為每月2次，本節(jié)討論的每個月調(diào)節(jié)池進水的pH、SS、CODCr、氨氮和TN濃度均為月平均數(shù)值。

2.1 pH變化特征

由圖2可知，不同季節(jié)調(diào)節(jié)池進水總體呈弱酸性[14]，調(diào)節(jié)池進水的pH值為6.24～6.72，不同季節(jié)調(diào)節(jié)池進水的pH差異較小，春季、夏季、秋季和冬季調(diào)節(jié)池進水的平均pH值分別為6.58、6.48、6.34和6.54。

圖2 調(diào)節(jié)池進水pH值的變化特征Fig.2 pH Values Variation Characteristics of Leachate Influent

2.2 SS變化特征

由圖3可知，夏季和秋季調(diào)節(jié)池進水中SS的質(zhì)量濃度變化較小，分別為22 820～24 550 mg/L和22 310～24 830 mg/L；而春季和冬季調(diào)節(jié)池進水中SS的質(zhì)量濃度變化較大，分別為9 310～19 460 mg/L和7 270～24 160 mg/L。

由圖3可知，夏季和秋季調(diào)節(jié)池進水中SS的濃度普遍高于春季和冬季，其主要原因是垃圾滲濾液是生活垃圾在垃圾貯坑中經(jīng)數(shù)天堆酵所形成的，其主要組成成分為垃圾自身所含的水分、垃圾中的易降解物質(zhì)堆酵產(chǎn)生的水分、垃圾中溶出的污染物以及細小懸浮物[15]。上海夏季和秋季的氣溫普遍高于春季和冬季，較高的氣溫會促進垃圾堆酵過程中細小顆粒物的溶出，因此，夏季和秋季調(diào)節(jié)池進水中SS的濃度普遍高于春季和冬季。

圖3 調(diào)節(jié)池進水SS的變化特征Fig.3 SS Variation Characteristics of Leachate Influent

2.3 CODCr變化特征

由圖4可知，調(diào)節(jié)池進水中CODCr的濃度在該年內(nèi)波動幅度較大，質(zhì)量濃度為65 900～73 850 mg/L，相差約7 950 mg/L，差幅比近11.4%。

圖4 調(diào)節(jié)池進水CODCr的變化特征Fig.4 CODCr Variation Characteristics of Leachate Influent

由圖4可知，春季調(diào)節(jié)池進水中CODCr的平均質(zhì)量濃度最低，為69 067 mg/L，秋季最高，為73 117 mg/L，夏季和冬季滲濾液調(diào)節(jié)池進水中CODCr的平均質(zhì)量濃度相差不大，分別為70 600 mg/L和70 800 mg/L。產(chǎn)生這種季節(jié)性變化的主要原因是，夏季是一年中氣溫最高的季節(jié)，較高的氣溫會促進生活垃圾中微生物的活性，并且，相比其他季節(jié)，夏季垃圾中微生物的種類和數(shù)量也更多[16]，較多的微生物數(shù)量和較高的微生物活性會顯著促進垃圾堆酵過程中更多有機物污染物的溶出。因此，夏季垃圾滲濾液中CODCr的平均濃度相較于其他季節(jié)較高，但夏季的降雨量相較于其他季節(jié)也更大，這會使垃圾滲濾液得到一定稀釋，但相比春季，夏季調(diào)節(jié)池進水中CODCr的平均質(zhì)量濃度仍提升了約1 533 mg/L，這與樓紫陽等[17]的研究結(jié)果是相似的。進入秋季，氣溫雖相較于夏季有所下降，但仍明顯高于春季和冬季，秋季生活垃圾中微生物的數(shù)量和活性仍保持在較高的水平，同時，秋季降雨量逐漸減少。因此，調(diào)節(jié)池進水中CODCr的平均濃度在秋季達到了該年的峰值，這與姚遠等[18]報道的結(jié)果是一致的。進入冬季后，調(diào)節(jié)池進水中CODCr的濃度逐漸降低，其主要原因是，雖然冬季降雨量較少，但冬季生活垃圾的產(chǎn)量相較于其他季節(jié)也更少，同時，冬季較低的氣溫會顯著降低垃圾中微生物的活性，進而影響垃圾堆酵過程中有機物的釋放，因此，冬季調(diào)節(jié)池進水中CODCr的平均質(zhì)量濃度相較于秋季約降低了2 317 mg/L。

2.4 氨氮變化特征

由圖5可知，調(diào)節(jié)池進水中氨氮的濃度在該年內(nèi)變化顯著，質(zhì)量濃度為1 050～2 450 mg/L，相差近1 400 mg/L，差幅比高達80%。

圖5 調(diào)節(jié)池進水氨氮的變化特征Fig.5 Ammonia Nitrogen Variation Characteristics of Leachate Influent

不同季節(jié)滲濾液調(diào)節(jié)池進水中氨氮的平均濃度變化規(guī)律為夏季>秋季>冬季>春季，夏季和秋季滲濾液調(diào)節(jié)池中氨氮濃度普遍高于春季和冬季，其中，夏季和秋季調(diào)節(jié)池進水中氨氮平均質(zhì)量濃度分別為2 285 mg/L和2 023 mg/L，春季和冬季分別為1 423 mg/L和1 433 mg/L。研究指出，垃圾滲濾液中有機氮的主要來源于蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)的分解速率受溫度的影響較大[19]。上海夏季和秋季的氣溫普遍高于春季和冬季，較高的氣溫有利于提高微生物活性、促進微生物活動，從而加速蛋白質(zhì)中有機氮的釋放，因此，夏季和秋季調(diào)節(jié)池進水中氨氮的濃度相較于春季和冬季普遍更高。

2.5 TN變化特征

由圖6可知，調(diào)節(jié)池進水中TN的濃度變化較大，質(zhì)量濃度為1 800～3 450 mg/L，相差約1 650 mg/L，差幅比高達62.9%。這說明該年內(nèi)調(diào)節(jié)池進水中TN的濃度差異顯著。

圖6 調(diào)節(jié)池進水TN的變化特征Fig.6 TN Variation Characteristics of Leachate Influent

氨氮是TN的重要組成，垃圾滲濾液中氨氮占TN的比例高達85%以上[20]。不同季節(jié)調(diào)節(jié)池進水中TN的平均濃度變化規(guī)律與氨氮的變化相似，為夏季>秋季>春季>冬季。夏季調(diào)節(jié)池進水中TN的濃度普遍高于其他季節(jié)，平均質(zhì)量濃度高達3 167 mg/L，春季和秋季調(diào)節(jié)池進水中TN的平均濃度相當，分別為2 410 mg/L和2 417 mg/L，冬季調(diào)節(jié)池進水中TN的平均質(zhì)量濃度最低，為2 233 mg/L。分析產(chǎn)生這種季節(jié)性變化的原因是，調(diào)節(jié)池進水中TN的主要成分為氨氮，夏季的氣溫普遍高于其他季節(jié)，釋放出更多的氨氮化合物，所以氨氮化合物為TN的主要成分。

3 季節(jié)變化對主要處理單元處理性能的影響

3.1 CODCr去除性能

厭氧反應(yīng)器作為前置處理單元，能通過厭氧消化反應(yīng)去除滲濾液中大量的有機物。由表1可知，不同季節(jié)厭氧單元對調(diào)節(jié)池進水中CODCr的去除效果存在一定差異，夏季厭氧單元CODCr的去除效果最好，平均去除率為86.7%，春季、秋季和冬季厭氧單元CODCr的平均去除率分別為85.7%、83.8%和83.5%，這與徐昌文[21]的研究結(jié)果是相似的。

表1 季節(jié)變化對主要處理單元CODCr去除性能的影響Tab.1 Effect of Seasonal Variation on CODCr Removal Efficiency in Main Treatment Unit

由表1可知，不同季節(jié)生化系統(tǒng)CODCr的去除效果也存在一定差異，春季生化系統(tǒng)CODCr的去除效果最差，春季生化出水CODCr的平均質(zhì)量濃度仍高達1 092 mg/L，平均去除率僅為89.0%。研究指出，生化出水中有機物濃度過高會導(dǎo)致膜濃縮液產(chǎn)量增多并嚴重影響到后續(xù)膜過濾單元的處理性能，對此需提高警惕[22]。夏季、秋季和冬季生化系統(tǒng)CODCr的平均去除率均高于90%，分別為91.6%、91.6%和93.4%。生化出水經(jīng)超濾單元實現(xiàn)泥水分離后，超濾出水需經(jīng)納濾單元深度處理后方能達標排放。不同季節(jié)納濾出水中CODCr的平均濃度以及納濾單元CODCr的去除率差異較小，主要原因是納濾作為深度處理單元，其良好的污染物截留能力可以保證不同季節(jié)超濾出水經(jīng)納濾單元處理后，納濾出水中CODCr的濃度總能達到規(guī)定的排放標準。

3.2 氨氮去除性能

氨氮的去除主要發(fā)生在生化處理單元中的好氧單元。由表2可知，不同季節(jié)生化系統(tǒng)氨氮的去除率均為99.8%，不同季節(jié)生化出水中氨氮的平均質(zhì)量濃度為4～6 mg/L，該年內(nèi)生化出水中氨氮的濃度總遠低于規(guī)定的排放標準。

表2 季節(jié)變化對主要處理單元氨氮去除性能的影響Tab.2 Effect of Seasonal Variation on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency in Main Treatment Unit

雖然不同季節(jié)調(diào)節(jié)池進水中氨氮的濃度有較大波動，但良好的生化處理單元能解決不同季節(jié)調(diào)節(jié)池進水中氨氮濃度波動幅度大的問題，從而保證出水中氨氮的濃度總能遠低于規(guī)定的排放標準。

3.3 TN去除性能

由表3可知，春季和冬季生化處理單元TN的去除效果較差，平均去除率分別為94.9%和94.8%，夏季和秋季生化處理單元TN的去除效果，平均去除率分別為96.2%和96.5%。產(chǎn)生這種季節(jié)性差異主要原因是，春季和冬季的氣溫普遍低于夏季和秋季，低溫會顯著影響微生物的活性，雖然該垃圾焚燒廠有相應(yīng)的低溫防護措施，但春季和冬季生化處理單元的脫氮性能相較于夏季和秋季還是差一些。滲濾液經(jīng)生化單元處理后，生化出水中TN的濃度仍未達標，需要進行膜深度處理。生化出水經(jīng)超濾-納濾單元處理后，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)納濾出水中TN的總?cè)コ示S持在98%左右。納濾單元作為深度處理單元，其良好的污染物截留能力能保證納濾出水中TN的濃度不會因為季節(jié)變化而受到較大影響，從而保證納濾出水中TN的濃度總能達到規(guī)定的排放標準。但是，不同地區(qū)調(diào)節(jié)池進水的水質(zhì)特征以及生化單元的處理性能存在一定的差別，某些垃圾焚燒廠生化出水TN的濃度偏高，并且經(jīng)納濾處理后仍不能達標，為此，不得不啟用反滲透膜，這極大地增加了滲濾液的處理成本[23-25]。因此，亟需對傳統(tǒng)兩級AO生化處理工藝進行改進，以提高生化單元的處理性能，并降低滲濾液的處理成本。

表3 季節(jié)變化對主要處理單元TN去除性能的影響Tab.3 Effect of Seasonal Variation on TN Removal Efficiency in Main Treatment Unit

4 結(jié)論與建議

(1)不同季節(jié)調(diào)節(jié)池進水均呈弱酸性，pH值為6.24～6.72；調(diào)節(jié)池進水中CODCr平均質(zhì)量濃度為秋季>冬季>夏季>春季；夏季和秋季調(diào)節(jié)池進水中SS的濃度高于春季和冬季；氨氮的平均質(zhì)量濃度為夏季>秋季>冬季>春季；TN平均濃度為夏季>秋季>春季>冬季。

(2)不同季節(jié)厭氧單元CODCr的去除性能為夏季>春季>秋季>冬季；不同季節(jié)生化單元CODCr的去除性能為冬季>夏季=秋季>春季。生化單元氨氮的去除性能受季節(jié)變化影響較小，春季和冬季生化單元TN的平均去除率較低，分別為94.9%和94.8%，夏季和秋季生化單元TN的平均去除率較高，分別為96.2%和96.5%，不同季節(jié)氨氮的去除率均為99.8%，納濾單元抗水質(zhì)季節(jié)性變化能力較強，不同季節(jié)納濾出水中各項污染物指標的濃度均能穩(wěn)定達到排放的標準。

(3)不同季節(jié)納濾出水雖然總能達標排放，但仍需警惕季節(jié)變化對生化單元有機物去除和脫氮性能的影響，如春季生化出水CODCr平均質(zhì)量濃度仍高達1 092 mg/L，過高的有機物濃度會使膜濃縮液產(chǎn)量增大并影響后續(xù)膜過濾單元的處理性能；同時，季節(jié)變化會影響生化單元的脫氮性能，在實際運行中應(yīng)重視水質(zhì)及溫度變化等因素的影響，并加快滲濾液生化處理新工藝的研究和開發(fā)，以提高滲瀝液的處理效率并降低其處理成本。