"A/O/MBR+RO"工藝處理垃圾滲濾液的中試研究

黃磊 張崢 萬美玲 韋烽 陳業祖 鄧冬梅

摘? ? 要： 垃圾滲濾液是一種成分復雜的高濃度有機廢水，若不加處理而直接排入環境，會造成嚴重的環境污染，研發高效可行的滲濾液處理工藝具有重要意義.通過建立“缺氧（A）/好氧（O）/膜生物反應器（MBR）+反滲透（RO）”中試設備，現場處理實際垃圾滲濾液，探討進水濃度和溫度條件對垃圾滲濾液中污染物去除影響，考察"A/O/MBR+RO"工藝處理垃圾滲濾液的工藝可行性.結果表明：該工藝在冬季時（5～15 °C）對COD、NH3-N、TN去除率仍可達60%、63%和47%左右.冬季低溫時，MBR出水中含有一定的NO2-N，而此時COD滿足不了完全反硝化需求，初步說明可能存在一定的短程硝化反硝化.對MBR出水進行RO深度處理后，出水中NH3-N、COD和TN等水質指標均達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）要求.

關鍵詞：垃圾滲濾液;MBR;短程硝化反硝化;總氮

中圖分類號：X703? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.007

0? ? 引言

垃圾滲濾液是由于垃圾填埋場中的雨水和水分滲透形成的高強度廢水[1].滲濾液含有有機和無機污染物的混合物，包括腐殖酸、氨氮、重金屬、異生素和無機鹽，其成分取決于垃圾填埋年齡，廢物的質量和數量，處置過程中發生的生物和化學過程，垃圾填埋場中的垃圾，降雨密度和水滲透率[2-3].要提高垃圾滲濾液處理效果，脫氮是關鍵步驟.目前，我國垃圾滲濾液處理大多采用“生化處理+深度處理”工藝，實驗室小試研究表明：通過控制水質和溫度等條件，序批式生物反應器（SBR）等反應器中可以實現短程硝化反硝化，從而提高脫氮效率[4].目前，膜生物反應器（MBR）是我國垃圾滲濾液生化處理的主流工藝[5]，實驗室研究表明，MBR中也可實現短程硝化反硝化[6].但在中試或工程規模上，MBR現場處理垃圾滲濾液時，溫度和水質均有一定變化.在此情況下，其脫氮性能及是否可實現短程硝化反硝化有待進一步探討.

本試驗采用內置式平板MBR，構建"A/O/MBR+RO"工藝的中試設備，處理實際垃圾滲濾液，考察不同進水濃度和溫度條件下垃圾滲濾液的氮污染物去除影響，以期為利用平板MBR處理垃圾滲濾液提供參考.

1? ? 材料與方法

1.1? ?實驗裝置

A/O/MBR+RO工藝流程圖如圖1所示，由MBR生物處理和RO兩部分組成.MBR生物處理部分材質為不銹鋼，分為缺氧（A）、好氧（O）和MBR池3個部分，其中A池容積6 m3、O池容積12 m3、MBR池容積12 m3，如圖2所示.

A池安裝攪拌器裝置，在MBR池內放置SMBRP-PVDF-1.4型平板MBR膜組件（柳州森淼環保技術開發有限公司），MBR膜為PVDF超濾膜（孔徑0.08 μm，膜過濾面積50 m2），MBR池底部安裝穿孔曝氣管，曝氣供氧并且使得在膜面形成一定的紊流，減緩膜污染.垃圾滲濾液由進水箱經進水泵從底部進入A池后，經過上部溢流至MBR池;在膜組件的過濾后回流至A池，回流比為2.如圖2所示整個反應裝置中進水、回流水、出水流量及曝氣量由轉子流量計監測.如圖1所示MBR出水經保安過濾器，泵至RO膜組件，RO膜組件出水2∶1回流至RO膜組件進水處，RO膜組件為HPA2-4040（美國海德能）.反滲透系統由低壓泵、保安過濾液、高壓泵和RO膜組件構成，低壓泵運行壓力為0.1 MPa，高壓泵運行壓力為1.5 MPa.

1.2? ?啟動及運行

以柳州市立沖溝垃圾滲濾液為中試設備的進水，接種柳州市市白沙污水廠剩余污泥到MBR生物處理部分，連續進水，生物處理部分HRT=120 h，開始馴化，當MRB出水中水質穩定時作為啟動成功，開始運行，通過調節進水流量大小來控制HRT.在除掉運行異常和調試適應期，共穩定運行330 d.在運行過程中1～2個月排泥1次，使MBR池污泥質量濃度控制在9 000～12 000 mg/L范圍，MBR池中DO值控制為3～6 mg/L，A池DO控制為0～0.5 mg/L，O池DO值控制為0.5～2.0 mg/L.在運行206 d后開始啟動RO處理.實驗過程中，MBR或RO膜通量持續快速下降時，即進行一次化學在線清洗.

1.3? ?分析方法

運行穩定期的1～330 d，每2 d測一次中試設備進水和MBR出水的COD、NH3-N、NO2-N、NO3-N和TN質量濃度.在運行穩定期的206～330 d，除MBR進出水外，補充檢測反滲透系統進水箱水質和反滲透出水中的COD、NH3-N和TN質量濃度，測試為2 d/次.利用分光光度法測定COD，納氏試劑分光光度法測定NH3-N，NO2-N和NO3-N分別用酚二磺酸光度法和N-（1-萘基）-乙二胺光度法進行測定，TN通過TN/TOC分析儀（multi N/C3000，德國耶拿）測定[7].

2? ? 結果與討論

如圖3所示，垃圾滲濾液進水COD質量濃度波動較大，其中在運行的1～122 d，進水COD較低，平均值為2 134 mg/L（1 314 ～3 328 mg/L），之后COD開始升高，其中，在運行124～212 d，COD有較大波動，平均值為3 581 mg/L（2 122～4 746 mg/L）.在第214天進水COD值持續升高，直至第266天達到最大值? ? ? ?8 666 mg/L，之后又逐步下降.在整個運行期間，COD去除率平均為70%，在44%～87%之間波動，而冬季（5～15 oC）的去除率為63%（45%～76%），低于其他時間的去除率.孫曉杰等 [8]也發現垃圾滲濾液反應器其中COD 質量濃度的平均去除率從秋季的70%左右降至冬季的44%.冬季垃圾滲濾液的可生化性一般較差，這也可能是冬季出水COD質量濃度增加的原因[9].

垃圾滲濾液進水COD質量濃度隨溫度有些波動，其中低溫時進水COD質量濃度較高，其中運行第151～240天（5～15 oC），進水COD質量濃度在此低溫期間波動范圍為2 402～4 542 mg/L，此時設備對COD質量濃度的去除明顯低于其他時段，原因可能是由于低溫降低了反應池中微生物的活性而導致去除率下降.但當去除率下降到一定時間后又隨著進水COD質量濃度的上升而開始回升，MBR池中的微生物開始適應了低溫的環境后開始發揮作用，使得COD去除率回升，而整個運行過程中去除率隨著進水COD質量濃度明顯上下波動，說明在此條件下，COD去除率和進水COD濃度成正比.

在整個設備運行的過程中，垃圾滲濾液進水NH3-N波動也較大，其中低溫時進水NH3-N較高，其中運行第151～240天（5～15 oC），進水NH3-N平均為1 701 mg/L（1 222 ～2 252 mg/L），運行的第1～150天（15～35 oC）和第241～330天（15～25 oC）進水NH3-N平均分別為1 002 mg/L和1 262 mg/L（圖4）.冬季降水少可能是導致冬季進水氨氮較高的原因之一.對于硝化反應，文獻[10]報道適宜溫度范圍為20～30 oC，一般溫度低于15 oC時，硝化速率明顯降低，硝化反應受到明顯抑制.本研究結果表明，冬季溫度在5～15 oC波動時，A/O/MBR對氨氮的去除率雖有些下降，但仍保持有60%的去除率，這可能是因為冬季溫度為緩慢降低，硝化細菌對低溫環境有更好的適應性[11].盡管本研究中冬季垃圾滲濾液進水氨氮質量濃度比較高，但由于立沖溝垃圾填埋場為分層填埋，填埋過程中，垃圾滲濾液中進水含有較多的堿度（7 000～8 000 mg/L，數據未展示），使運行過程中MBR出水的pH維持在7～9，這也有助于低溫下硝化反應的進行.而在運行中，NH3-N質量濃度的去除率隨進水NH3-N升高和溫度的降低而有下降趨勢，到后邊在溫度回升和進水NH3-N質量濃度下降后去除率又有明顯上升（圖4），說明水樣中的NH3-N和溫度共同影響NH3-N的去除效率.由圖4可知，在系統運行前期（1～100 d）和系統運行后期（260～330 d）中，進水NH3-N質量濃度總體處于同一水平，而前期運行的溫度要大于后期運行溫度且NH3-N去除率也要大于后期，這說明了溫度的升高有利于系統對NH3-N的降解.在運行的中期（104～160 d）和系統運行后期（260～330 d）中，兩者的溫度波動范圍一致，但中期進水中NH3-N質量濃度要大于后期的進水濃度，運行結果是后期的NH3-N去除率明顯大于中期，說明此濃度下水中NH3-N質量濃度的增加提高了系統運行負荷導致去除率降低.

在運行期間，溫度和進水物質濃度共同影響著TN的去除效率（圖5）.當進水濃度相一致時（1～95 d和284～330 d兩個時間段），溫度較高（23～35? oC）的時間段1～95 d的TN去除率要高于溫度較低? ? ? ? ? ? ? ?（15～25? oC）的284～330 d.在同一溫度范圍內，第104～150 天進水TN濃度要高于260～330 d，去除率卻低于后者，說明在此條件下進水TN濃度的升高降低了TN的去除率.整個過程TN的去除率波動范圍為41%～83%，和COD、NH3-N類似，溫度較高時，總氮的去除率較高，運行的第1～150天（15～35 oC）和第241～330天（15～25 oC）TN去除率平均分別為66%和63%（圖5）.值得注意的是，運行的第151～240天（5～15 oC），TN的平均去除率盡管低于較高溫度，但仍達47%.在此低溫期間，COD波動范圍為2 402～ 4 542 mg/L，且多為難降解有機物，理論上滿足不了完全反硝化對COD的要求.對運行期間進水和出水中的NO2-N和NO3-N分析表明，在運行第156～252天及276～330天，出水中均出現NO2-N積累，積累的NO2-N量分別為227（±92）mg·L-1和131（±39） mg·L-1，其含量接近NO3-N（圖6）.據報道，NO2-數量占總氮的一半時，一般會發生短程硝化反硝化，本研究結果初步證明短程反硝化存在.因為亞硝化菌對低溫有更強的適應性，利用SBR處理垃圾滲濾液時，也發現低溫下短程硝化反硝化的存在[12]，這可能是因為亞硝酸細菌對低溫環境的適應性明顯高于硝酸細菌.利用MBR處理晚期垃圾滲濾液時，發現晚期垃圾滲濾液中COD所含有毒物質、底物和產物等會抑制短程硝化反硝化的效率，其中有毒物質的抑制作用最強烈[13].本研究中，冬季垃圾滲濾液成分更接近晚期垃圾滲濾液，而短程硝化反硝化為部分反硝化，這也可能是垃圾滲濾液中毒性物質的作用導致，需對這些因素的進一步探討，對提高冬季MBR對垃圾滲濾液的脫氮效率有重要意義.

由于出水中仍有部分COD和TN，垃圾滲濾液必須有后續處理，納濾和反滲透是常見后處理方式[14].盡管進入反滲透膜的進水COD、NH3-N和TN平均分別達到了1 164 mg/L、62 mg/L和585 mg/L，出水COD、NH3-N和TN質量濃度穩定低于50 mg/L、25 mg/L和40 mg/L，達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）要求，證明了“平板MBR+反滲透”工藝可以穩定用于垃圾滲濾液的處理.

在穩定運行的206～330 d中，MBR和RO對水中各個指標的去除貢獻率如表1所示，在設備運行過程中，A/O/MBR工藝對垃圾滲濾液的去除起到主要作用，特別是對NH3-N的去除中，貢獻值達到? ? ? ? ? ? ? ?96（±4.4）%的值.運行的206～330 d中，有3個月的時間（151～241 d，5～15 oC）是屬于冬季的，此時的? ?A/O/MBR仍能起到主要去除作用，說明雖然溫度降低，但是MBR池中的生物仍有較高的去除效率，說明MBR對垃圾滲濾液的脫氮效率有較大意義.

3? ? 結論

本論文建立的 “缺氧（A）/好氧（O）/膜生物反應器（MBR）+反滲透（RO）”中試設備，現場處理實際垃圾滲濾液中考察不同進水濃度和溫度條件下對垃圾滲濾液的氮污染物去除影響.得出A/O/MBR工藝在冬季時（5～15 oC）對COD、NH3-N、TN可以保持60%、63%和47%的去除率，在其他溫度較高時，去除率也隨之提高.在本試驗條件下，進水COD質量濃度的提高促進了COD的去除，而進水NH3-N和TN質量濃度的提高則會降低系統的去除效果.在運行的完整工藝（206～330 d）對垃圾滲濾液處理中，A/O/MBR對COD、NH3-N、TN的去除貢獻率分別為73（±6.9）%、96（±4.4）%、59（±9.2）%，說明A/O/MBR工藝在處理垃圾滲濾液中起到主要作用.冬季低溫時，MBR出水中含有一定的NO2-N，而此時COD滿足不了完全反硝化需求，初步說明可能存在一定的短程硝化反硝化.在利用RO進一步處理MBR出水，RO出水中COD、? NH3-N和TN穩定達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）要求，初步證實“A/O/MBR+RO”工藝處理垃圾滲濾液穩定可行，以期為利用平板MBR處理垃圾滲濾液提供參考.

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A pilot study on the treatment of landfill leachate by

"A/O/MBR+RO" process

HUANG Lei1，2， ZHANG Zheng1，2， WAN Meiling1，2， WEI Feng1，2， CHEN Yezu1，2， DENG Dongmei*1，2

（1.School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources（Guangxi University of? ? ?Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstracts： Landfill leachate is a high-concentration organic wastewater with complex composition. If discharged into the environment without treatment， it will cause serious environmental pollution. It is of great significance to develop a highly efficient and feasible leachate treatment process. By building? ?"anoxic （A） / aerobic （O） / membrane bioreactor （MBR） + reverse osmosis （RO）" pilot plant， on-site treatment of actual landfill leachate was done; the impact of influent concentration and temperature? conditions on the removal of pollutants in landfill leachate was explored; the feasibility of the "A/O/MBR+RO" process for treating landfill leachate was examined. The results show that the removal rate of