CSTR+MBR+雙膜法工藝在水泥窯協同處理垃圾項目中的工程應用

徐洪衛，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.中材國際環境工程（北京）有限公司，江蘇 南京 211000）

1 引言

城鎮生活垃圾經水泥窯協同處理后產生的滲濾液主要是垃圾分選后的篩下物（有機部分）經過制漿、除雜、除砂之后的漿料（良漿）。其含有大量的溶解性有機物（DOM）、鹽類、重金屬和其他有機化合物，處理不當，對周圍的環境和生態系統構成潛在威脅[1]。我國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合的生物處理系統，去除難以降解的物質，使出水達到循環利用的要求。

2 工程概況

2.1 滲濾液來源設計進出水水質

溧水天山水泥有限公司利用水泥窯協同處置生活垃圾項目處理量為500 t/d，不斷有漿料產出，厭氧單元按照360 t/d規模設計，后續水處理段（MBR+膜深度處理）按照平均145 t/d規模處理，考慮到夏季3個月垃圾含水率增加，因此后續段水處理（MBR+膜深度處理）最大處置能力為180 t/d。水質可生化性較低，設計進出水水質見表1。

表1 良漿進出水水質

2.2 處理工藝流程

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

工藝流程圖見圖1。含固率8%～10%的良漿先進入均質罐，均化水質水量之后，通過厭氧進水泵輸送至CSTR厭氧系統。在厭氧微生物作用下，有機物經過甲烷菌的降解，產生沼氣，沼氣從罐體頂部排出進行收集，發酵后產水自流入沼液池。為保證厭氧系統反應溫度，設置套管換熱系統，將物料溫度升至35±2℃，滿足厭氧發酵對溫度的要求。同時在發酵罐和換熱器間設置漿液循環管路，并設置溫度傳感器，保證厭氧系統穩定運行。厭氧出水沼液進行固液分離。首先由污泥進料泵輸送至離心脫水機，脫水濾液一部分經泵輸送至前端制漿系統用作渣相沖洗水，另一部分先進入格柵機，去除碎屑等雜質，再進入一體化氣浮裝置，目的是去除廚余垃圾中含有的油分，為后續的生化及膜深度處理提供保障。氣浮裝置處理后的產水進入調節池，經過水量和水質的均化后由生化進水泵輸送進入外置式兩級硝化反硝化系統。

圖1 漿液處理工藝流程

在兩級硝化反硝化系統中，通過硝化液回流，在交替缺氧、好氧條件下，漿液中的剩余有機物、氨氮、硝態氮等得到降解去除。生化系統的泥水混合物通過超濾系統分離后，清液進入膜系統進行深度處理，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合并輸送。脫水沼液含固率小于0.5%，膜深度處理系統產水率大于80%。

經外置式膜生化反應器處理的超濾出水進入后續的深度處理系統，膜深度處理系統采用納濾+反滲透工藝，納濾系統主要將廢水中有機物、SS、微生物等去除，降低色度。反滲透系統主要將NH3-N等進一步去除，即剩余有機污染物大部分被納濾和反滲透膜攔截于濃縮液中，透過液排入清液池。納濾及反滲透產生的濃縮液統一收集，經過DTRO濃液減量化系統進一步濃縮后統一收集至濃液池，最終濃液收集至濃液池，再由濃縮液回噴系統噴至水泥窯。NF+RO+濃縮液減量化系統產水率達到80%。出水中75%的清水回用至水泥工廠循環冷卻系統補充水，約25%的濃縮液設計回噴水泥窯高溫段（窯頭罩）焚燒處置，產生的污泥經脫水后含水率降至80%跟可燃物一起送入水泥窯焚燒處置，無廢水外排。

整套處理系統密封良好，臭氣收集管道及風機設計完善，臭氣正常情況下送接入垃圾處理系統除臭管道，且系統產生的沼氣全部用于發電。整個系統在運行過程中由PLC系統在線控制，可以通過操作界面參數如膜通量、運行參數等數據來了解整個系統運行狀態，自動化運行程度高。

2.3 常規指標檢測

為分析本項目的運行情況，主要采用現場取樣，對一段時間內的進出水水質進行分析，主要的檢測進出水中SS、BOD5、COD、NH3-N 和 pH 值等指標。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測定。為分析系統產沼氣和產水率狀況，采用流量計和沼氣分析儀分析單位分解的揮發固體產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；采用流量計在MBR系統和清水池出水測定膜深度處理系統產水率。采用重量法測定脫水沼液含固率，采用灼燒法測定揮發固體分解率。

3 主要構筑物及設計參數

3.1 厭氧系統

采用CSTR反應器，運行溫度為35±2℃，COD容積負荷為3.7kg/（m3·d-1），水力停留時間25 d，有效容積為9000m3，反應器直徑為26 m，高為17 m。

冷卻系統冷卻塔應設置浮球自動補水系統。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）+沼氣風機+阻回火器的方式，同時配置應急火炬。

3.2 MBR系統

生化系統池體上部為密封構筑物，內部設置檢修吊裝設施，并設置足夠的檢修空間；生化系統配套的泵、管道、儀表、風機等設備應布置在室內；超濾系統采用外置式管式超濾膜，為解決腐殖酸的過濾問題，超濾膜采用進口膜。硝化池設計自動消泡劑添加裝置。MBR反應池采用兩級A/O與外置管式超濾組合工藝，一級反硝化池尺寸為12.5 m×6.5 m×9.0 m，有效容積為650 m3，水力停留時間為3.4 d；二級反硝化池尺寸為5.5 m×5.0 m×9 m，有效容積為220 m3，水力停留時間為1.2 d；一級硝化池尺寸為12.5 m×12.0 m×9.0 m，有效容積為1 200 m，水力停留時間為6.4 d；二級硝化池尺寸為5.5 m×7.0 m×9 m，有效容積為220 m3，水力停留時間為1.7 d。曝氣池內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

漿液均質系統：儲量≥400 m3，并有妥善的防積泥措施。

除臭系統：設計完善的臭氣收集管道及風機，與除臭主管道接口前端需設置電動閥門，并與臭氣入窯風機連鎖，同時設置應急備用除臭（塔）系統，以備水泥窯停窯時應急使用。

濃縮液系統：尺寸為150 m3，所有濃縮液都送入水泥窯焚燒。

4 運行情況

該項目經過3個月調試運行后，系統出水水質達到《GB/T19923—2005城市污水再生利用工業用水水質》中敞開式循環冷卻水系統補充水標準，且系統運行穩定，抗沖擊能力強。根據7周采樣結果表明，CSTR+MBR+雙膜法處理工藝對水泥窯協同處理垃圾項目良漿中污染物去除效果好。

4.1 組合工藝對COD去除效率的影響

組合工藝對COD的去除效果如圖2和表2所示，當進水COD濃度為5 300～7 300 mg/L時，CSTR厭氧系統出水濃度為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?？側コ蔬_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物進行自身新陳代謝作用，可去除81.12%～91.61%的COD，這表明，厭氧過程可降解大部分的有機物，且降低了后處理單元的負荷。CSTR系統出水經過外置式MBR系統的好氧曝氣和生物處理，可降解89.60%～94.78%的COD。超濾過程維持了系統中的污泥濃度，對有機物的去除起到了關鍵性作用。再經過納濾單元的處理，殘留的COD，COD出水濃度為81～90 mg/L，去除率為79.75%～89.63%。納濾出水經過DTRO單元，出水濃度達到4.9～5.3 mg/L，總去除率達到99.99%以上。出水滿足標準要求，且厭氧消化罐出氣甲烷含量大于55%，揮發固體分解率大于70%，單位分解的揮發固體產甲烷量大于450 L/kg。

表2 COD濃度變化 mg/L

圖2 組合工藝對COD的去除效果

4.2 組合工藝對NH3-N去除效率的影響

為研究系統工藝對的去除效果，在CSTR厭氧罐進出水處、MBR出水處、超濾出水處和排水口測定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NH3-N去除效果

CSTR進水氨氮濃度為786～1 467 mg/L，出水濃度為1 272～2 012 mg/L，對氨氮沒有去除效果，可能是由于在厭氧條件下，原水中的有機氮水解生成NH3-N，形成了進水NH3-N比出水濃度高的局面。MBR系統出水濃度為10～15 mg/L，去除率達到了98.82%以上。最后通過深度處理，進一步去除污染物，NH3-N出水濃度達到0 mg/L，去除率達到100%。由此可見，NH3-N的去除主要是通過MBR系統。主要是由于膜組件將微生物截留在系統中，使得系統中微生物含量高，有利于硝化細菌的生長，硝化效率增加，從而實現NH3-N的高效去除。

5 小結

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及可生物降解有機物，充分發揮了各工藝技術的優點。首先通過CSTR系統去除難生物降解物質，再通過后續的生物化學等過程使出水水質達標。運行結果表明，COD的去除主要通過厭氧反應罐和MBR系統，去除率分別可達80%以上，氨氮的去除主要通過MBR系統，去除率可達98%以上，經過深度處理，組合工藝對良漿中COD、NH3-N去除率分別達到99.99%和100%，且該系統能夠穩定良好的運行。各項指標均滿足《GB/T19923—2005城市污水再生利用工業用水水質》中敞開式循環冷卻水系統補充水標準要求。工藝可以連續運行，投資及運行費用低，同時該工藝具有自動化程度高、占地面積小等優點，因此，該工藝具有良好的經濟效益。