溫度對MBR工藝處理垃圾滲濾液的影響初探

施慶文

(上海市廢棄物管理處，上海 200063)

垃圾滲濾液組成復雜，污染物濃度高，處理難度大[1-2]。膜生物反應器工藝具有出水水質好、污泥產量少以及運行管理方便等特點，廣泛應用于生活污水和工業廢水處理工程[3]。近年來，大量垃圾滲濾液處理工程采用MBR工藝，取得了良好的處理效果[4]。

溫度是決定MBR系統運行穩定性的重要因素之一。一方面，污泥的黏性及胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)會隨溫度變化而變化，易導致污泥膨脹現象[5]；另一方面，溫度會改變微生物的活性和種群結構，溫度過高或過低都會抑制微生物生長，影響MBR系統脫氮除磷的效果[6-7]。另外，溫度變化會加劇膜污染速率，影響MBR運行穩定性[8]。近年來，許多學者展開了溫度變化對MBR影響的相關研究。王賀等[9]發現，溫度變化會顯著影響MBR系統污泥性質，當溫度從25 ℃降低到10 ℃時，污泥RNA質量濃度從0.822 g/L降低到0.123 g/L；張凱等[6]研究發現，夏季溫度較高時，污泥菌群中參與脫氮的微生物相對豐度較高，脫氮效果好。但是，目前相關研究大多以小型MBR反應器為試驗對象，鮮少有研究關注溫度對實際污水處理廠MBR系統的影響。

根據《生活垃圾滲瀝液處理技術導則》(RISN-TG 023—2016)，MBR工藝處理滲濾液溫度宜為20～35 ℃。受氣候變化影響，一般活性污泥系統實際運行溫度通常在5～30 ℃，如表1所示。

表1 活性污泥系統設計溫度和實際運行溫度Tab.1 Design and Practical Operation Temperature of Activated Sludge System

老港四期滲濾液處理廠的原設計處理能力為3 200 m3/d。由于填埋場滲濾液老齡化嚴重，滲濾液碳氮比不足，如采用傳統工藝需投加大量碳源。因此，在結合老港四期填埋場的實際情況下，老港四期滲濾液廠升級改造工程采用“汽提脫氨+膜生物反應器(MBR)+納濾(NF)”的工藝路線，出水水質提高至《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)中的表2標準。由于工程前端的汽提脫氨的使用，MBR進水的水溫常年穩定在30℃左右。本文通過分析比較水溫變化與MBR實際運行數據之間的關系，確定MBR設計和運行水溫控制值。

1 老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站概述

老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理廠在升級改造前的總處理規模為3 200 m3/d，包括5條生產線，3種生化處理工藝(SBR法、AO工藝、兩級AO工藝)，全廠工藝流程及各生產線處理水量如圖1所示。原設計出水CODCr≤1 000 mg/L，BOD5≤600 mg/L，SS≤400 mg/L，對NH3-N、TN排放指標無要求。

為使滲濾液處理廠出水水質達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)中的表2標準(CODCr≤100 mg/L，NH3-N≤25 mg/L，TN≤40 mg/L)，2017年老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站實施了升級改造工程。升級改造工程設計規模維持3 200 m3/d，其中，新鮮滲濾液約為500 m3/d，老齡滲濾液約為2 700 m3/d，兩股滲濾液原液水質及混合后的設計進水水質如表2所示。升級改造工程滲濾液預處理采用汽提脫氨技術，生物處理采用“兩級AO工藝+外置式超濾膜分離”技術，深度處理采用高清液回收率的“納濾+納濾濃縮液3級減量”技術，工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后工藝流程Fig.2 Process Flow after Upgrading

表2 滲濾液處理廠設計進水水質Tab.2 Design of Influent Water Quality in Leachate Treatment Plant

由于本工程為升級改造工程，用地條件限制較大，同時需充分考慮工藝系統的順暢。設置脫氨預處理系統1套，布置于原機修車間與組合水池所在地塊內，脫氨裝置充分利用現狀場地條件進行系統布置。各MBR生化反應池僅對現狀池體進行內部分隔改造，最大程度降低對土建的影響。改造原膜處理車間為超濾車間，與5座MBR生化反應池一一對應。一期鼓風機房更換3臺鼓風機，提高碳源儲量達到180 m3。新建膜深度處理車間(納濾、濃縮液處理)1座，布置于現狀停車場，在填埋氣發電廠新建余熱鍋爐，蒸汽送預處理脫氨系統。平面布置如圖3所示。

圖3 平面布置Fig.3 Layout Plan

2 SBR池改造為MBR池介紹

老港四期滲濾液處理廠在改造前共有5座生化反應池，其中3座為SBR池，系滲濾液處理廠一期工程所建的生化池，于2006年建成運行，采用穿孔曝氣形式。原SBR池出水采用潷水器，后經廠內技改為超濾出水。本次升級改造工程為提高SBR池處理能力及處理效果，將SBR池改造為外置式MBR池，如圖4所示。改造的池子共有3座，分別編號為：3#MBR池、4#MBR池、5#MBR池，主要設計參數如表3所示，MBR池工藝設計如圖5所示。

圖4 SBR池改造為MBR池改造圖Fig.4 Transformation Diagram of SBR Pool to MBR Pool

圖5 MBR池工藝設計Fig.5 Design Diagram of MBR Pool

表3 MBR主要設計參數Tab.3 Main Design Parameters of MBR

3 MBR系統溫度對脫氮反應速度的影響

影響老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站MBR系統溫度的主要因素有以下幾點。

(1)由于老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站系統使用汽提脫氨預處理單元，脫氨后通過冷卻塔滲濾液水溫為28～35 ℃。

(2)MBR生物反應器進水的COD和TN負荷很高，生物降解過程中，有機物和TN化學能轉化為熱能，使溫度升高。

(3)受設備如風機、攪拌器和水泵的影響，部分機械能轉化為熱能，水溫升高。

(4)MBR系統本身配有的循環污泥冷卻系統的運行狀況。

圖6為2020年1月—6月MBR各池的運行溫度曲線，可知MBR的運行溫度維持在30～35 ℃。與設計溫度25 ℃相比，實際運行水溫常年偏高5～10 ℃。

圖6 MBR系統溫度變化Fig.6 Temperature Variation of MBR System

圖7 MBR系統進水TN和出水水質曲線Fig.7 MBR Influent TN Load and Effluent Water Quality

4 MBR系統溫度對出水氮磷的影響

由于進水負荷較大，MBR系統易出現溫度過高的問題。當MBR溫度超過40 ℃時，整個MBR生化系統進入自熱式高溫好氧消化(autothermal thermophilic aerobic digestion, ATAD)過程。自熱式高溫好氧消化主要由污泥中的固體顆粒物質在嗜熱微生物胞外酶的作用下發生溶胞和水解，轉化成溶解性可降解產物，在嗜熱微生物細胞的作用下，轉化成羧酸、二氧化碳等代謝產物或者嗜熱微生物的細胞。由于污泥固體顆粒物質以生物質〗為主，當生物質發生水解時，生物質中的氮和磷被釋放出來，會導致MBR反應池和出水的氮磷增加[13]。

圖8為5#MBR池溫度以及池內NH3-N、TP和納濾出水TN、TP的變化。在老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站的實際運行中，當MBR運行超過40 ℃時，多次出現磷在MBR系統中釋放和富集的情況。MBR池中TP正常值為1～2 mg/L，隨著溫度的增加，TP增加到20 mg/L以上。即便在MBR后設置納濾系統對MBR出水進行深度處理，但由于納濾系統運行pH值為6.2～6.5，MBR出水中TP會有部分以磷酸二氫鹽形式存在。通過陶氏或其他納濾膜設計模擬軟件模擬，發現納濾系統對正磷酸鹽攔截能力有限，因此，納濾后出水仍有TP超標的風險。由于磷在MBR池內的富集時間較長，即便在溫度降回到40 ℃以下，由于MBR系統池容體量大，系統也需要10 d左右時間才能將釋放的磷再次吸收，使得TP降回正常水平。

圖8 5#MBR系統溫度和出水水質曲線Fig.8 5#MBR Temperature and Effluent Water Quality

在MBR溫度超過40 ℃時，在生物水解的作用下，生物細胞內蛋白質含有的有機氮也有可能存在釋放現象。但同時期運行數據中，NH3-N和硝酸鹽并沒有隨溫度的變化有明顯變化。造成這個現象的原因可能是，盡管部分有機氮釋放，但部分氮在ATAD系統中會以氣態方式(N2、NO2和NH3)被去除。此外，有一部分有機氮和不可生物降解COD結合在一起，由于工藝中在MBR出水后使用納濾系統進行深度處理，這部分有機氮被納濾系統截留。因此，在出廠水的指標中沒有反映出來。

5 結論

通過對老港四期生活垃圾填埋場滲濾液處理站MBR系統溫度和出水水質比較分析，總結如下。

(1)MBR系統運行溫度控制在30～35 ℃時，可以提高硝化和反硝化反應速率，使MBR系統出水更穩定確保達標。

(2)當MBR系統溫度超過40 ℃，生物系統中污泥發生水解，污泥中磷的釋放明顯，可以在MBR系統中富集。即便有納濾系統對MBR出水進行深度處理，TP還是有超標的風險。

(3)當MBR系統溫度超過40 ℃，理論上會有污泥有機氮的釋放，但從實際運行數據上分析，出水NH3-N、硝酸鹽和TN沒有明顯變化。