某填埋場滲濾液不同工藝處理效果研究

李 翔，宋哲華，張慶喜，關(guān) 元，鐘建勛，景建兵

（1.北京環(huán)境衛(wèi)生工程集團安定園區(qū)運營管理分公司，北京 100101；2.北京環(huán)境衛(wèi)生工程集團南宮園區(qū)運營管理分公司，北京 100101）

1 引言

隨著城市不斷發(fā)展，生活垃圾產(chǎn)生量不斷增大，2021 年我國生活垃圾清運量達(dá)到2.7×108t［1］，城市垃圾總堆積量約為7.0×109t［2］。由于填埋處理成本低，21 世紀(jì)初我國普遍采用該方式處置生活垃圾［3-4］，但是垃圾填埋過程中因有機廢物分解、降雨下滲等多種因素影響，會產(chǎn)生大量垃圾滲濾液［5-6］。垃圾滲濾液是一種成分復(fù)雜、污染物濃度較高的有機廢水［7-9］，且具有氨氮含量高、有機物濃度高、水質(zhì)變化大、可生化性差、重金屬含量高等特點［10-12］。隨著生活垃圾種類以及人工合成材料的增多，垃圾滲濾液的成分也日趨復(fù)雜［13-15］，若處理不當(dāng)，則會對地表水、地下水甚至人體健康產(chǎn)生不利影響［16］。

經(jīng)過十幾年的努力，我國已經(jīng)建成了數(shù)百座垃圾滲濾液處理項目，對改善自然環(huán)境起到了重要作用［17］。滲濾液處理工藝也由最初以生物處理為主，逐步發(fā)展為以膜生物反應(yīng)器+深度處理組合處理為主［18-19］。在此基礎(chǔ)上又不斷發(fā)展、改良出新的滲濾液處理工藝，通過研究對比不同處理工藝之間的運行特點，可以更好地掌握滲濾液運行規(guī)律，保證滲濾液得到及時有效的處理。因此，筆者選取北方某生活垃圾填埋場配套的3 座滲濾液處理設(shè)施，研究不同處理設(shè)施對滲濾液COD、總氮、氨氮的去除效果及對出水電導(dǎo)率的影響，以期為實際運行工作提供參考借鑒。

2 材料與方法

2.1 工藝介紹

垃圾滲濾液由北方某填埋堆體產(chǎn)生，該填埋場于1996 年正式投入使用，運營時間已超過20 a，隨著垃圾填埋量的日益增多，其滲濾液產(chǎn)生量顯著提高，原配套340 m3/d 滲濾液處理設(shè)施無法滿足其生產(chǎn)需求。為進一步提高園區(qū)垃圾滲濾液處理處置能力，2017 年新投入使用1 200 m3/d 處理設(shè)施（以下簡稱“設(shè)施A”），原配套340 m3/d 滲濾液處理設(shè)施于2019 年進行工藝改造（以下簡稱“設(shè)施B”，本研究討論的是改造后的新工藝），2019 年新投入使用500 m3/d 生物轉(zhuǎn)盤處理設(shè)施（以下簡稱“設(shè)施C”，該設(shè)施已于2022 年底停用），3 座滲濾液處理設(shè)施總體運行平穩(wěn)，確保廠區(qū)滲濾液及時處理處置。設(shè)施A、B、C 共用1 座調(diào)節(jié)池，可保證進水水質(zhì)相同。

設(shè)施A 設(shè)計時考慮接收部分堆肥、餐廚等高濃度COD 滲濾液，故前端使用能耗較低、有機物去除效率高的厭氧工藝，其處理流程如圖1 所示，采用工藝為：調(diào)節(jié)池+厭氧反應(yīng)器+MBR 系統(tǒng)（兩級硝化反硝化系統(tǒng)+超濾系統(tǒng)）+膜深度處理系統(tǒng)（納濾系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)）。

圖1 滲濾液處理設(shè)施A 工藝流程示意Figure 1 Process flow schematic of leachate treatment facility A

設(shè)施B 改造時為加強老齡化滲濾液對氮類污染物、尤其是總氮污染物的去除效果，增加反硝化池容積，未采用厭氧工藝，其處理流程如圖2所示，采用工藝為：調(diào)節(jié)池+MBR 系統(tǒng)（兩級硝化反硝化系統(tǒng)+超濾系統(tǒng)）+膜深度處理系統(tǒng)（高壓反滲透系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)）。

圖2 滲濾液處理設(shè)施B 工藝流程示意Figure 2 Process flow schematic of leachate treatment facility B

設(shè)施C 為應(yīng)急處理設(shè)施，結(jié)合建設(shè)周期、場地等多種因素，最終選擇組裝方便、占地面積小、能源消耗低的回轉(zhuǎn)圓盤式生物轉(zhuǎn)盤工藝，其處理流程如圖3 所示，采用工藝為：調(diào)節(jié)池+預(yù)處理生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)+MBR 系統(tǒng)（一級硝化反硝化池+超濾系統(tǒng)）+膜深度處理系統(tǒng)（高壓反滲透系統(tǒng)）。微生物附著在盤內(nèi)板狀回轉(zhuǎn)體上，通過控制轉(zhuǎn)速比，使廢水循環(huán)進行兼氧、好氧、厭氧處理，充分降解污水中的BOD、COD 等有機物質(zhì)和氮類物質(zhì)。

圖3 滲濾液處理設(shè)施C 工藝流程示意Figure 3 Process flow schematic of leachate treatment facility C

設(shè)施A、B、C 運行階段參數(shù)主要有兩點不同：①設(shè)施A、B 生化污泥濃度保持在20 mg/L 左右，設(shè)施C 生化污泥濃度保持在10 mg/L 左右；②設(shè)施A、B 溶解氧保持在1.5～2.0 mg/L 左右，設(shè)施C 溶解氧保持在1.0 mg/L 左右。

2.2 進水水質(zhì)

該填埋場垃圾滲濾液水質(zhì)特點如下：①COD指標(biāo)隨季節(jié)波動明顯，總體呈現(xiàn)夏季高冬季低的特點，夏季最高可達(dá)16 000 mg/L 左右，冬季最低為6 500～7 000 mg/L；②總氮、氨氮指標(biāo)常年較高，不隨季節(jié)波動，原水總氮在3 000 mg/L 左右，氨氮在2 800 mg/L 左右；③含鹽量常年較高，不隨季節(jié)波動，原水電導(dǎo)率接近40 000 μS/cm。本研究選取1 a 中滲濾液水質(zhì)較有代表性的3 種進水水質(zhì)，以更好地研究不同處理工藝對該填埋場滲濾液的處理效果，具體水質(zhì)如表1 所示。

表1 不同階段滲濾液原水水質(zhì)Table 1 Leachate quality in each stage

2.3 實驗方法

COD、總氮、氨氮指標(biāo)檢測采用分光光度法，使用WTW 7600 分光光度計；電導(dǎo)率指標(biāo)檢測采用WTW Multi 3510 IDS 多參數(shù)水質(zhì)測定分析儀。

3 結(jié)果與討論

3.1 COD 變化情況

圖4～圖6 分別為水樣1、2、3 在設(shè)施A、B、C的MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水COD 變化情況；設(shè)施A、B、C 各環(huán)節(jié)對COD 的去除率如表2 所示。

表2 各設(shè)施各環(huán)節(jié)對COD 的去除率Table 2 The COD removal rate for each part of each facility

圖4 水樣1 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水COD 變化情況Figure 4 The effluent COD changes of sample 1 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖5 水樣2 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水COD 變化情況Figure 5 The effluent COD changes of sample 2 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖6 水樣3 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水COD 變化情況Figure 6 The effluent COD changes of sample 3 on MBR and the advanced treatment system of each facility

由圖4～圖6 和表2 可知，設(shè)施A、B、C 對COD 的去除率始終保持在較高水平，總?cè)コ士蛇_(dá)99.8%以上。其中，設(shè)施A 厭氧+好氧工藝段總停留時間接近14.4 d，有機污染物在厭氧菌和好氧菌的作用下得到有效去除；設(shè)施B 無厭氧工藝，但其好氧階段總停留時間最長，達(dá)到11.5 d，好氧微生物可以進行充分地代謝，降解、吸附有機污染物，且設(shè)施B 深度處理系統(tǒng)采用兩級反滲透膜設(shè)備，對污染物的截留能力更強，效果更好；設(shè)施C 通過生物轉(zhuǎn)盤裝置富集大量Bacillus菌，通過強降解作用進行兼氧、好氧、厭氧處理，充分降解COD。

當(dāng)進水COD 較高時（15 575 mg/L），設(shè)施A的MBR 出水COD 更低，COD 去除率達(dá)93.2%，因其前端有厭氧工藝段，在厭氧菌的作用下使有機物發(fā)生水解、酸化，去除廢水中的有機物，還能提高廢水的可生化性，有利于后續(xù)處理。當(dāng)進水COD 分別為10 918 mg/L 和6 832 mg/L 時，設(shè)施B 的MBR 對COD 的去除率更高，分別為91.6% 和86.9%。在實際工程應(yīng)用中，若進水COD 較高，厭氧系統(tǒng)可以起到很好的緩沖作用，抗高濃度有機負(fù)荷沖擊能力較強；若進水COD 不高，且考慮到厭氧反應(yīng)器去除有機物效果較好，可能造成進入膜生化反應(yīng)器的滲濾液碳氮比失調(diào)，運行時部分可生化性和碳氮比較好的滲濾液可直接超越厭氧系統(tǒng)進入MBR 系統(tǒng)，比如設(shè)施A 在實際運行中當(dāng)COD 超過10 000 mg/L 才會考慮啟用厭氧工藝。

3.2 氨氮變化情況

圖7～圖9 分別為水樣1、2、3 在設(shè)施A、B、C 的MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水氨氮變化情況；設(shè)施A、B、C 各環(huán)節(jié)對氨氮的去除率如表3所示。

表3 各設(shè)施各環(huán)節(jié)對氨氮的去除率Table 3 The NH3-N removal rate for each part of each facility

圖7 水樣1 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水氨氮變化情況Figure 7 The effluent NH3-N changes of sample 1 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖8 水樣2 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水氨氮變化情況Figure 8 The effluent NH3-N changes of sample 2 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖9 水樣3 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水氨氮變化情況Figure 9 The effluent NH3-N changes of sample 3 on MBR and the advanced treatment system of each facility

由圖7～圖9 和表3 可知，設(shè)施A、B、C 對氨氮的去除率始終保持在較高水平，總?cè)コ士蛇_(dá)99.9% 以上。其中，設(shè)施B 的MBR 階段、膜深度處理階段出水氨氮均最低，對氨氮的去除效果最好。設(shè)施B 硝化段停留時間最長，長達(dá)11.5 d，約是設(shè)施A 和設(shè)施C 硝化段停留時長的1.4 倍，氨氮污染物在設(shè)施B 中可以進行更為充分的硝化反應(yīng)，在硝化菌的作用下被充分氧化為亞硝酸鹽，再進一步被氧化為硝酸鹽。膜分離技術(shù)中，納濾和反滲透都可以對分子級別的污染物進行分離去除，不同的是納濾膜對二價鹽及大分子污染物截留率較高，對一價鹽類截留率很低，尤其是對氨氮污染的去除率明顯低于反滲透膜，所以設(shè)施B的兩級反滲透工藝對氨氮污染物的去除效果明顯優(yōu)于納濾+反滲透（設(shè)施A）和單級反滲透（設(shè)施C）。

設(shè)施A、B、C 的MBR 系統(tǒng)對3 個水樣氨氮的平均去除率分別為99.4%、99.7% 和99.4%，深度處理系統(tǒng)對氨氮的平均去除率分別為89.6%、90.9% 和92.3%，說明氨氮去除主要發(fā)生在MBR 階段。

3.3 總氮變化情況

圖10～圖12 分別為水樣1、水樣2、水樣3 在設(shè)施A、B、C 的MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水總氮變化情況；設(shè)施A、B、C 各環(huán)節(jié)對總氮的去除率如表4 所示。

表4 各設(shè)施各環(huán)節(jié)對總氮的去除率Table 4 The TN removal rate for each part of each facility

圖10 水樣1 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水總氮變化情況Figure 10 The effluent TN changes of sample 1 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖11 水樣2 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水總氮變化情況Figure 11 The effluent TN changes of sample 2 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖12 水樣3 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水總氮變化情況Figure 12 The effluent TN changes of sample 3 on MBR and the advanced treatment system of each facility

由圖10～圖12 和表4 可知，設(shè)施A、B、C 對總氮的去除率始終保持在較高水平，總?cè)コ士蛇_(dá)99.6% 以上。其中，設(shè)施B 總氮去除率最高，其MBR 階段、膜深度處理階段出水總氮值均最低，對總氮的去除效果最好。設(shè)施B 反硝化段停留時間最長，長達(dá)8.4 d，分別是設(shè)施A、C 反硝化段停留時長的1.8 倍、2.1 倍；設(shè)施B 反硝化池容積/硝化池容積約為0.7，高于設(shè)施A 和設(shè)施C，更加強化系統(tǒng)對于總氮的去除效率；設(shè)施B 中可以進行更為充分的反硝化反應(yīng)，在微生物的作用下更好地將硝酸鹽還原為氮氣。反滲透膜對總氮的去除效率高于納濾膜，所以設(shè)施B 膜深度處理出水總氮最低。

設(shè)施A、B、C 的MBR 系統(tǒng)對3 個水樣總氮的平均去除率分別為90.1%、94.3% 和91.1%，深度處理系統(tǒng)對總氮的平均去除率分別為95.8%、95.2%和95.6%，膜深度處理階段對總氮的去除率更高，單純的依靠微生物處理很難保證出水總氮達(dá)標(biāo)排放，需依靠膜設(shè)備的截留能力保障對總氮的去除。

3.4 電導(dǎo)率變化情況

圖13～圖15 分別為水樣1、2、3 在設(shè)施A、B、C 的MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水電導(dǎo)率變化情況；設(shè)施A、B、C 各環(huán)節(jié)電導(dǎo)率降低率如表5 所示。

表5 各設(shè)施各環(huán)節(jié)對電導(dǎo)率的降低率Table 5 The conductivity reduction rate for each part of the facilities

圖13 水樣1 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水電導(dǎo)率變化情況Figure 13 The effluent conductivity changes of sample 1 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖14 水樣2 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水電導(dǎo)率變化情況Figure 14 The effluent conductivity changes of sample 2 on MBR and the advanced treatment system of each facility

圖15 水樣3 在各設(shè)施MBR 系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)的出水電導(dǎo)率變化情況Figure 15 The effluent conductivity changes of sample 3 on MBR and the advanced treatment system of each facility

由圖13～圖15 和表5 可知，設(shè)施A、B、C 內(nèi)電導(dǎo)率的降低率始終保持在較高水平，總降低率可達(dá)95.0% 以上。其中，設(shè)施B 內(nèi)電導(dǎo)率的降低率更高，基本維持在98% 以上，因深度處理系統(tǒng)采用兩級反滲透膜設(shè)備，電導(dǎo)率的下降效果更好。

電導(dǎo)率在MBR 階段降低率不高，一般通過沉淀、吸附等方式去除部分金屬離子，效果并不明顯；電導(dǎo)率下降主要發(fā)生在深度處理階段，通過膜設(shè)備對離子進行截留。設(shè)施A、B、C 的MBR 系統(tǒng)對3 個水樣電導(dǎo)率的平均降低率分別為44.0%、47.7%和39.4%，深度處理系統(tǒng)內(nèi)電導(dǎo)率的平均降低率分別為93.5%、97.4%和96.0%。

通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析，可知從處理效果來看，設(shè)施B 對各污染物的去除率較高，設(shè)施C 對各主要污染物的去除效果僅略好于設(shè)施A，并無明顯差距。

從能源消耗、運營成本、濃縮液產(chǎn)生量等方面進行分析，以設(shè)施A 相關(guān)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，具體結(jié)果見表6。

由表6 可知，能源消耗方面，設(shè)施C 最低，設(shè)施B 次之，設(shè)施A 最高，因設(shè)施C 生物轉(zhuǎn)盤溶解氧維持在1.0 mg/L 左右，大功率曝氣風(fēng)機耗電量較少，設(shè)施A 和設(shè)施B 溶解氧均維持在1.5～2.0 mg/L，但設(shè)施B 無厭氧工藝，整體耗電量較設(shè)施A 低；運營成本方面，設(shè)施C 最低，設(shè)施A 和設(shè)施B 無明顯差距，主要滲濾液進入設(shè)施C 后先經(jīng)過生物轉(zhuǎn)盤進行預(yù)處理，為后續(xù)反應(yīng)創(chuàng)造有利條件，在動力費、藥劑費等方面減少成本支出；濃縮液產(chǎn)生量方面，設(shè)施B 最少（每噸進水產(chǎn)生反滲透濃縮液共計0.38 t），設(shè)施A（每噸進水產(chǎn)生納濾濃縮液和反滲透濃縮液共計0.43 t）和設(shè)施C（每噸進水產(chǎn)生反滲透濃縮液共計0.44 t）無明顯差別。因此，生物轉(zhuǎn)盤工藝具有能源消耗低、運行成本低等優(yōu)點，采用MBR 系統(tǒng)+高壓反滲透系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)工藝代替MBR 系統(tǒng)+納濾系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)工藝具有良好的實際效果。

4 結(jié)論

1）3 座滲濾液處理設(shè)施在不同水質(zhì)下對各主要污染物有很好的去除效果，對COD、氨氮、總氮的平均去除率均在99.0% 以上，設(shè)施內(nèi)電導(dǎo)率降低率在95.0%以上。

2）從能源消耗、運營成本、濃縮液產(chǎn)生量、處理效果等多方面進行綜合分析，采用MBR 系統(tǒng)+高壓反滲透系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)工藝代替MBR 系統(tǒng)+納濾系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)工藝具有良好的實際效果，尤其是可以加強對總氮的去除。

3）對比MBR 系統(tǒng)和膜深度處理系統(tǒng)對污染物的處理效果，可知膜深度處理系統(tǒng)對COD、總氮的去除率更高，該系統(tǒng)內(nèi)電導(dǎo)率降低率也更高；MBR 系統(tǒng)對氨氮的去除率更高。

4）生物轉(zhuǎn)盤工藝具有能源消耗低、運行成本低、占地面積小等優(yōu)點，作為預(yù)處理可改善進水可生化性，為后續(xù)反應(yīng)創(chuàng)造有利條件。