內(nèi)外循環(huán)厭氧反應(yīng)器在垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液工程中的應(yīng)用

黃松宇 趙永志 尹云軍 于 淼 田麗森 曹 迪

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

日益增加的城市生活垃圾排放量已經(jīng)成為阻礙經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境治理的重要因素。垃圾焚燒處理技術(shù)具有能夠使垃圾減量化、無害化和資源化等優(yōu)點，近年來逐漸得到廣泛應(yīng)用，是未來重點發(fā)展的垃圾處理技術(shù)[1]。然而，垃圾焚燒前堆積發(fā)酵提高熱值的過程會產(chǎn)生大量成分復(fù)雜、污染物濃度高以及毒性大的難處理滲濾液[2]。隨著垃圾焚燒技術(shù)的快速推廣和應(yīng)用，滲濾液難處理問題日益凸顯。

垃圾焚燒廠滲濾液具有有機污染物含量高、可生化性好的特點[3]，實際工程中大多采用“厭氧+好氧(MBR) +深度處理”的組合工藝進行處理，而厭氧處理單元能夠削減大量有機污染物(去除率為60%～95.5%[4])，且具有能耗低、污泥產(chǎn)率低、可回收沼氣等優(yōu)點，是垃圾焚燒廠滲濾液處理過程中的核心單元[5]。目前，上流式厭氧污泥床(UASB)[6]、上流式污泥床過濾器(UBF)[7]、膨脹顆粒污泥床(EGSB)[8]、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)[9]等在垃圾焚燒廠滲濾液厭氧處理過程中均有被采用。內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器是第三代高效、多級內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器，具有負荷高、抗負荷沖擊能力強等特點。基于內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，筆者公司通過對反應(yīng)器布水系統(tǒng)、三相分離系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等進行二次開發(fā)，提出了一種耦合內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)的厭氧反應(yīng)器(IC-EC)。本文分析了處理量150 t/d 的IC-EC 反應(yīng)器的運行效能，為焚燒廠滲濾液厭氧處理系統(tǒng)的設(shè)計及運行提供一定的參考。

1 工程概況

某垃圾發(fā)電項目設(shè)計焚燒量為1 200 t/d，滲濾液產(chǎn)生量約300 m3/d。滲濾液由垃圾儲存坑經(jīng)籃式過濾器流入調(diào)節(jié)池，隨后進入IC-EC 反應(yīng)器進行厭氧處理，再通過兩級A/O-MBR 系統(tǒng)進行硝化和反硝化作用脫氮，最后經(jīng)過納濾和反滲透系統(tǒng)完成深度處理，工程最終出水水質(zhì)達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923—2005)中敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補水水質(zhì)指標。項目設(shè)2 座相同的IC-EC厭氧反應(yīng)器，設(shè)計處理量為150 m3/d，下文僅對其中一座厭氧反應(yīng)器的運行效能進行分析討論。

2 IC-EC 厭氧反應(yīng)器介紹

IC-EC 反應(yīng)器采用鋼結(jié)構(gòu)，直徑10 m，高21.5 m。反應(yīng)器主要由罐體、三相分離系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、布水系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)、外循環(huán)系統(tǒng)組成。三相分離系統(tǒng)包括上下兩組三相分離器，每組包含3 層分離單元，兩組三相分離器呈90°擺放，使反應(yīng)器內(nèi)生物量得到有效滯留。氣液分離系統(tǒng)設(shè)置在反應(yīng)器頂部，回流水通過下排水主管和分水椎體從分水支管流出，通過分水支管向四周噴射，形成旋流，進一步加大水力攪拌。布水系統(tǒng)通過在環(huán)形布水管上設(shè)置多個對稱交叉的斜角布水支管，有效強化泥水混合效果，增強傳質(zhì)作用。排泥系統(tǒng)包括排泥主管、設(shè)在排泥主管上的排泥泵、中心匯管及均勻設(shè)置在中心匯管各個方向上的多個排泥支管。排泥系統(tǒng)配合厭氧反應(yīng)器底部錐形結(jié)構(gòu)以及上述布水系統(tǒng)提高污泥排放效率。此外，反應(yīng)器還設(shè)置了外循環(huán)泵，循環(huán)泵進口端連接上層三相分離器下端的下排水直管，出水端連接布水系統(tǒng)進水管，不僅可以根據(jù)實時水量和水質(zhì)調(diào)節(jié)進水量和運行負荷，還可以增加布水系統(tǒng)進水壓力和流量，強化泥水混合效果，防止布水堵塞。IC-EC 厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 IC-EC 厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 滲濾液水質(zhì)及測定方法

厭氧反應(yīng)器滲濾液進水來自滲濾液處理站調(diào)節(jié)池，其化學(xué)需氧量(COD)濃度為22 030～56 890 mg/L，氨氮濃度為1 135～1 852 mg/L，pH 為5.3～6.5，總磷(TP)濃度為40.1～132.5 mg/L，堿度為11 262～15 015 mg/L，硬度為5 605～10 084 mg/L。

COD 采用重鉻酸鉀法測定，pH 值采用玻璃電極法測定，和TP 濃度采用分光度法測定，混合液懸浮固體濃度(MLSS)采用重量法測定，堿度(以CaCO3計)采用滴定法，硬度采用EDTA 滴定法[10]。

4 工程調(diào)試及運行效果分析

4.1 污泥接種及調(diào)試啟動

厭氧反應(yīng)器取已投產(chǎn)滲濾液處理系統(tǒng)剩余的污泥作為接種污泥，分3 d 進行，共接種約300 t 污泥。接種完成后，利用廠區(qū)反滲透產(chǎn)水注滿厭氧反應(yīng)器，開始連續(xù)進水，初始進水量約為80 m3/d，外循環(huán)泵流量維持在50 m3/h 左右，以防止污泥結(jié)塊。待出水COD 基本穩(wěn)定后，逐漸調(diào)高進水量，每次提高10～20 m3。每次提高進水量，COD 一般需要3～7 d 才會穩(wěn)定。此外，通過蒸汽加熱保持反應(yīng)器中的溫度為33～35 ℃。

調(diào)試階段反應(yīng)器的運行變化如圖2 所示。由圖2 可知，在啟動階段，由于進水量小(進水量80 m3/d)且反應(yīng)器中有清水，出水COD 濃度較低，但隨著反應(yīng)的進行，清水逐漸被替換，出水COD 濃度逐漸提高，7～10 d 后，COD 去除率基本維持在90%左右。進水量提高至100 m3/d 后，出水COD 濃度明顯增加至5 000 mg/L 以上，但經(jīng)過5 d 的培養(yǎng)，出水COD濃度降至5 000 mg/L 以下，去除率基本穩(wěn)定在88%左右。進水量進一步提高至110 m3/d、120 m3/d 和140 m3/d 后，出水COD 濃度經(jīng)過短暫增長，最終均可維持在5 000 mg/L 以下。30 d 后，進水量提高到設(shè)計流量150 m3/d，經(jīng)過3 d 的適應(yīng)，出水COD 濃度降至5 000 mg/L 以下。反應(yīng)器持續(xù)運行至45 d，出水COD 濃度穩(wěn)定，去除率為87%左右，反應(yīng)器完成調(diào)試啟動。

圖2 調(diào)試階段反應(yīng)器運行變化

4.2 工程運行效果分析

4.2.1 進水量波動情況

垃圾焚燒廠滲濾液具有水質(zhì)和進水量波動大的特點[2]，因此應(yīng)對進水量變化的能力是厭氧反應(yīng)器性能穩(wěn)定的重要條件。該厭氧反應(yīng)器2020 年進水量波動情況如圖3 所示。從圖3 可以看出，反應(yīng)器2月平均日進水量最低，約為64.8 m3；而5 月平均日進水量最高，可達142.5 m3，接近設(shè)計上限流量。進水量的波動一方面是因為雨水、環(huán)境濕度等的增加提高了滲濾液的產(chǎn)生量，需要提高處理量以應(yīng)對滲濾液產(chǎn)量的增加；另一方面也和廠區(qū)生產(chǎn)調(diào)度有關(guān)，兩座厭氧反應(yīng)器需相互協(xié)調(diào)配合。

圖3 一年內(nèi)厭氧反應(yīng)器進水量波動情況

4.2.2 COD 的去除效果

厭氧反應(yīng)器是去除焚燒場滲濾液中有機物的核心裝置。近一年每天的COD 去除效果如圖4 所示。從圖4 可以看出，進水COD 濃度在22 030～56 890 mg/L波動，主要集中在30 000～50 000 mg/L。盡管COD濃度會出現(xiàn)起伏，同時進水量也有波動(圖3)，但出水COD 濃度基本維持在5 000 mg/L 以下，COD 去除率為81.2%～94.1%。由此可見，厭氧反應(yīng)器維持了較高的COD 去除率，且出水COD 濃度較穩(wěn)定，有利于后續(xù)好氧生化反應(yīng)。

圖4 近一年COD 去除效果

4.2.3 pH 值和堿度的變化

pH 和堿度是厭氧反應(yīng)的重要指標。厭氧反應(yīng)器的進水pH 值、出水pH 值和堿度如圖5 所示。從圖5 可以看出，進水呈酸性，pH 值低于7，主要因為垃圾在堆酵和調(diào)節(jié)池中產(chǎn)生酸性物質(zhì)。而出水pH值明顯增加至7.8 左右。進水堿度為11 262～15 015 mg/L，出水堿度降低至9 009～11 861 mg/L。堿度之所以偏高，一方面是因為垃圾焚燒廠滲濾液中含有高濃度，另一方面是因為滲濾液的水質(zhì)特性。高堿度具有良好的緩沖作用，不僅能夠改善進水的偏酸性，還能緩沖酸化過程產(chǎn)生的有機酸對pH 值的影響，也解釋了雖然進水偏酸但不用投加堿進行調(diào)節(jié)就能滿足厭氧甲烷菌對pH 值的要求。

圖5 pH 值和堿度變化

4.2.4 反應(yīng)器底部及出水污泥濃度變化

反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度直接影響反應(yīng)器的處理效能和運行穩(wěn)定性。取厭氧罐底的泥水混合液測試反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度。反應(yīng)器內(nèi)和出水污泥濃度變化如圖6 所示。從圖6 可以看出，雖然進、出水量及水質(zhì)不斷波動，但反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度和出水污泥濃度基本維持穩(wěn)定。反應(yīng)器底部污泥月平均濃度為32.2～38.3 g/L，而出水污泥濃度較低，為1.8～2.5 g/L，說明反應(yīng)器三相分離器泥水分離效果好，能夠有效減少污泥的流失，維持反應(yīng)器內(nèi)較高污泥濃度。反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度不僅能夠高效穩(wěn)定地去除COD，還能夠抵抗沖擊負荷，提高反應(yīng)器運行的穩(wěn)定性。

圖6 反應(yīng)器底部及出水污泥濃度變化

5 結(jié)論

1)工程實踐表明，利用內(nèi)循環(huán)耦合外循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC-EC)處理垃圾焚燒廠滲濾液，在處理量150 m3/d，維持外循環(huán)流量50 m3/d，反應(yīng)溫度33～35 ℃，接種廠區(qū)剩余污泥的條件下，逐漸提高進水量，可在35 d 左右快速啟動。

2)反應(yīng)器具有較高的穩(wěn)定性和COD 去除效果，在水質(zhì)和進水量不斷波動的情況下，反應(yīng)器COD 去除率維持在81.2%～94.1%。

3)IC-EC 厭氧反應(yīng)器底部污泥濃度為32.2～38.3 g/L，出水污泥濃度僅為1.8～2.5 g/L，說明反應(yīng)器具有較好的泥水分離效果，能夠減少污泥流失，很好地將微生物保留在反應(yīng)器內(nèi)。