曝氣吹脫預處理滲濾液影響因素的中試研究

曾曉嵐，萬鵬，丁文川，韓樂，劉建棟，王雙雙，劉嬌

(重慶大學 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶，400045)

垃圾滲濾液是一種被公認的污染物濃度高、水質水量(即滲濾液各項水質指標和滲濾液產生量)變化大的有機廢水，是由高濃度有機及無機污染物組成的富含腐殖酸、氨氮、重金屬、病菌和無機鹽的混合物[1]。與普通生活污水相比，垃圾滲濾液具有營養元素比例失調、氨氮含量高、磷含量偏低、溶解性固體含量過高、水質變化較大、毒性較高等特點，其含有相當多對人體有毒有害的物質[2-3]，是地表水以及地下水的潛在污染源[4-5]。目前，國內外對垃圾滲濾液的處理方案可分為場內處理和場外處理 2種[6]。場內處理是在垃圾填埋場內另建單獨的滲濾液處理系統，而場外處理是將滲濾液輸送至污水處理廠與城市污水合并，利用污水處理系統本身的潛能對其進行處理，以節省單獨建設滲濾液處理系統的高額費用，從而降低處理成本。發達國家多采用填埋場內預處理及外送與城市污水合并處理的方法，以達到良好出水效果[7]。研究表明[8-10]：垃圾滲濾液中高濃度氨氮對微生物活性有抑制作用，會降低生化系統對有機污染物的降解效率，從而導致出水難于達標排放。為了使滲濾液能進行生物處理，必須對高氨氮采取預處理。雖然對接入生物處理工藝滲濾液氨氮限制質量濃度的研究尚未達成共識，但認為有生物抑制作用的氨氮限制質量濃度為50～100 mg/L[11-12]。目前，針對滲濾液高氨氮的預處理技術主要有 MAP法，曝氣吹脫法和厭氧生物法等[13]。其中，曝氣吹脫處理垃圾滲濾液不僅可以吹脫掉其中大量的氨氮，還可以去除部分苯酚、氰化物、硫化物及其他難去除、對生化有抑制作用、毒性大的揮發性物質，為后續的生物處理提供有利條件[14]。但吹脫法吹脫出大量有毒有害的揮發性氣體易造成環境二次污染[15-16]，需對吹脫出的氨進行吸收處理。為此，本文作者在前期對曝氣吹脫預處理垃圾滲濾液的小試研究基礎上，針對主要的影響因素如溫度、曝氣時間、氣液比等[17]，通過在重慶市涪陵區污水處理廠進行中試研究，考察其對滲濾液氨氮去除效果的影響，以便為垃圾滲濾液與城鎮污水協同處理的預處理技術選擇及其生產性應用等提供技術支持。

1 試驗裝置、材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

研究采用的曝氣吹脫工藝流程如圖1所示。該工藝裝置如下：前置調節池，長×寬×高為 3.0 m×0.8 m×3.0 m；曝氣吹脫池，長×寬×高為 1.3 m×1.0 m×1.0 m，池內布置兩排可變孔徑微孔曝氣軟管；后置調節池，長×寬×高為 1.3 m×1.0 m×1.5 m；SR80型三葉羅茨風機1臺，功率為3 kW，流量為4.2 m3/min，壓力為20 kPa，轉速為1 560 r/min；LZB80玻璃轉子流量計1臺。

1.2 試驗水樣

試驗用垃圾滲濾液取自重慶市涪陵某垃圾填埋場，呈黑色，有惡臭，pH=8.3，其平均水質(質量濃度)如表1所示。

表1 重慶市涪陵某垃圾填埋場滲濾液平均水質(質量濃度)Table 1 Quality of leachate from fuling landfill mg/L

1.3 主要測定指標與方法

加400 L滲濾液原液于吹脫池中，用工業級氫氧化鈉調節pH，開啟羅茨風機，對滲濾液進行曝氣吹脫，保持滲濾液水溫,反應一段時間后靜置20 min，取上清液測定氨氮、TN質量濃度和pH。檢測方法和儀器如表2所示。

圖1 曝氣吹脫工藝流程圖Fig.1 Ammonia stripping process flow diagram

2 結果及討論

2.1 pH對氨吹脫效果的影響

NaOH的投加量與相應pH的關系見表3。

試驗固定曝氣吹脫時間為4 h，氣液比為1 050，控制滲濾液溫度為(15±1) ℃，觀察不同pH下滲濾液氨氮、TN的去除效果，如圖2所示。

由圖2可知：pH低于10.25時的斜率比pH高于10.25時的斜率大。其原因可能是廢水中的酸堿緩沖體系被打破；當pH大于10.25時，繼續提高滲濾液的pH，氨氮、TN的去除效率升高變緩。并且由表3可知：過高的pH不但要求在調節時加入大量的NaOH,而且在吹脫處理后，需要將過高含量的堿用酸回調，直到滲濾液接近中性才可進入后續生化處理系統，這極大地增加了運行成本；同時，高 pH容易導致吹脫過程中產生大量黏性氣泡，降低曝氣吹脫池的容積利用率。

表3 NaON投加量與pH的關系Table 3 Relationship between NaOH amount and pH

圖2 pH對氨氮和TN去除率的影響Fig.2 Influence of pH on ammonia nitrogen and TN removal rate

2.2 曝氣吹脫時間對氨吹脫效果的影響

中試用垃圾滲濾液初始pH和氨氮質量濃度分別為8.32和950 mg/L，用氫氧化鈉調節pH至10.5，固定氣液比為1 050，曝氣吹脫時間分別取30，60，120，180，240，300和 360 min，氨氮和 TN去除效率見圖3。

從圖3可見：氨氮和TN去除率隨曝氣吹脫時間的增加而增大，但當曝氣吹脫時間增大到一定程度時，吹脫效率增大不顯著；吹脫效率在4 h內增加的速度較快，而在4 h以后，增加的速度明顯降低。這可能與氨氮、TN本身濃度有關，在吹脫初期，滲濾液中氨氮、TN濃度高，有利于氨的吹脫，去除率增加較快；隨著吹脫的進行，滲濾液中氨氮、TN質量濃度降低，去除率增長緩慢。

圖3 曝氣吹脫時間對氨氮和TN去除率的影響Fig.3 Influence of air stripping time on ammonia nitrogen and TN removal rate

2.3 氣液比對氨吹脫效果的影響

通過增加氣液界面的表面張力可以提高氨氮的吹脫效果，因此，選擇適當的氣液比也是提高吹脫效果的重要條件。氣液比反映的是空氣對滲濾液的擾動程度，隨著氣液比的增加，游離氨從水中逸出到大氣中速率增大，去除率也相應增大。在pH為10.5，原水水溫為15 ℃的條件下，研究不同氣液比對氨氮、TN去除率的影響，其結果見圖4。

圖4 氣液比對氨氮和TN去除率的影響Fig.4 Influence of air-liquid ratio on ammonia nitrogen and TN removal rate

由圖4可見：當氣液比為400～1 200時，氨氮、TN在氣液界面能達到平衡，吹脫效率與氣液比近呈線性關系；當氣液比為1 200～1 800時，吹脫過程中單位吹脫效率提高較平緩，這主要在高度湍流情況下氣液兩相達到平衡較困難所致。

2.4 溫度對氨吹脫效果的影響

當試驗水樣水溫為7～26 ℃。調節pH為10.5，氣液比為1 050時，針對不同的滲濾液水溫進行試驗，其結果如圖5所示。

圖5 溫度對氨氮和TN去除率的影響Fig.5 Influence of temperature on ammonia nitrogen and TN removal rate

從圖5可見：當控制水樣溫度為15 ℃時，氨氮去除率＞85%；當水溫為10～15 ℃時，氨氮去除率與之基本呈線性關系；當水溫＞15 ℃時,氨氮去除率趨于平緩。試驗結果表明：當水溫在15 ℃以下時，水溫降低，對氨氮和TN的去除率有顯著影響。

2.5 經濟分析

考慮到一般后續生物處理系統對氨氮有一定的去除能力，在選用曝氣吹脫作為預處理工藝時，其操作參數可結合后續生物處理需要的吹脫效率來確定。因曝氣吹脫處理滲濾液的運行成本主要由調節 pH的NaOH(工業級)和電耗組成，本研究針對曝氣吹脫預處理氨氮去除率為55%以下的情況進行分析。NaOH投加量與費用的關系、曝氣吹脫時間與電耗費用的關系以及氨氮去除率與總處理費用的關系分別見圖6、圖7和圖8。

圖6 NaOH投加量與費用的關系Fig.6 Relationship between NaOH mass concentration and cost

圖7 曝氣吹脫時間與電耗費用的關系Fig.7 Relationship between stripping time and cost

圖8 氨氮去除率與總費用的關系Fig.8 Relationship between ammonia nitrogen removal rate and total cost

從圖6可以看出：當NaOH投加量為2.5 kg/m3之前，垃滲透液的pH快速增大；當滲透液pH達10.25后，其增速減緩。其原因可能是在pH為10.25之前，破壞垃圾滲濾液的酸堿平衡需要消耗大量的堿；而在pH為11.75(NaOH投加量為3.5 kg/m3)后，滲濾液pH隨NaOH投加量的增加增速減慢。因此，NaOH投加量對滲濾液pH值影響的取值范圍為2.5～3.5 kg/m3。

從圖7可以看出：當氨氮去除率為0～50%時，隨著曝氣時間的增加，垃圾滲濾液的氨氮去除率增大，兩者呈現出良好的線性關系。而曝氣時間與電耗費用也具有明顯的線性關系，這意味著高氨氮去除率的獲得是以增加電耗費用為代價的。因此，后接生物處理工藝的曝氣吹脫預處理應盡量減少曝氣時間，從而達到降低滲濾液處理費用的目的。

從圖 8可以算出：總處理費用中的電耗費用占70%左右，比藥劑費用高，因此，確定曝氣吹脫預處理最優的操作參數時應主要以控制曝氣時間為主。本試驗是在氣液比為250，水度為15 ℃條件下開展的，在pH為10.5，曝氣時間為4 h，NH3-N的去除率為52%左右時，對應的總去除費用為17.5元/m3。

廖玲玲等[18]采用吹脫塔處理垃圾滲濾液進行研究發現：在pH為10.5～11.0，氣液比為3 150，進水水溫為 16 ℃的試驗條件下，NH3-N的去除率為68%。與吹脫塔工藝相比，本研究采用的微孔曝氣軟管曝氣方式具有明顯低氣液比優勢，低氣液比即意味著低能耗，因此，可以認為曝氣吹脫方式是經濟和高效的。

3 結論

(1) pH、吹脫時間、氣液比和溫度對曝氣吹脫預處理垃圾滲濾液的吹脫效率影響顯著。各因素的較佳取值如下：pH為10.25～11.75，曝氣吹脫時間≤4 h，氣液比為400～1 200，滲濾液水溫為10～15 ℃。

(2) 在同等氨氮去除率條件下，與傳統吹脫塔工藝相比，采用曝氣軟管曝氣的吹脫方式具有氣液比低的優勢。

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