基于前置微好氧的垃圾焚燒廠滲瀝液新型生化處理工藝

顧士貞

(上海環(huán)境集團(tuán)再生能源運(yùn)營管理有限公司，上海 200336)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國生活垃圾產(chǎn)生量逐年增加[1]。國家統(tǒng)計(jì)局公布數(shù)據(jù)顯示，2020年我國城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)2.35億t，無害化處理率達(dá)99.7%，并且其清運(yùn)量仍呈逐年增加的趨勢[2]。作為一種行之有效的減量及能源回收技術(shù)，焚燒在垃圾處置中的占比約為50%[2]。而垃圾焚燒廠每年產(chǎn)生大量的新鮮滲瀝液，約占生活垃圾總量的15%～25%[3]。垃圾焚燒廠滲瀝液具有高有機(jī)質(zhì)含量、高氨氮、高含鹽等特征，是極難處理的高濃度有毒廢水的典型代表，如未得到有效處理，易對生態(tài)環(huán)境及人類健康造成危害。

垃圾焚燒廠滲瀝液具有較好的生化性，生化處理技術(shù)因其處理效果穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)成為主體處理工藝[4]。2014年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布并實(shí)施新修訂的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)，相比舊標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)對COD、BOD、氨氮和TN等指標(biāo)提出了更加嚴(yán)格的要求。針對該標(biāo)準(zhǔn)，厭氧消化(AD)+膜生物反應(yīng)器(MBR)+膜驅(qū)動(dòng)工藝被廣泛應(yīng)用于滲瀝液處理中[5]。該工藝可以有效去除垃圾滲瀝液中的大部分有機(jī)污染物，但前置AD導(dǎo)致系統(tǒng)反硝化碳源不足，引起系統(tǒng)TN去除效果不佳。目前多采用外源投加碳源來增強(qiáng)反硝化性能，達(dá)到去除TN的目的，但也同時(shí)增加了處理成本。

本研究針對垃圾焚燒廠滲瀝液傳統(tǒng)生化處理工藝TN去除效果不佳的問題，提出前置微好氧的改進(jìn)生化工藝，對比分析了相同運(yùn)行條件下傳統(tǒng)生化工藝和改進(jìn)生化工藝對垃圾滲瀝液的處理效果，并優(yōu)化了前置微好氧生化處理工藝的運(yùn)行工藝參數(shù)條件。研究結(jié)果可為焚燒廠垃圾滲瀝液處理的達(dá)標(biāo)排放提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)用水及接種污泥

本試驗(yàn)所使用的垃圾滲瀝液取自上海某大型生活垃圾焚燒廠，其主要水質(zhì)特征如表1所示。所用接種污泥取自該生活垃圾焚燒廠的二沉池，其混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)約為5.2 g/L，可揮發(fā)懸浮物(VSS)/懸浮物(SS)約為0.7。在試驗(yàn)過程中，經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)和馴化，逐漸成為適合降解垃圾滲瀝液的活性污泥。

表1 垃圾滲瀝液的主要水質(zhì)特征Tab.1 Main Characteristics of Leachate

圖1 傳統(tǒng)生化處理工藝示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Traditional Biochemical Treatment Process

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行

圖1為垃圾滲瀝液傳統(tǒng)生化處理工藝(不包含厭氧單元)示意圖。缺氧池和好氧池均為有機(jī)玻璃長方體，缺氧池1、好氧池1、缺氧池2和好氧池2的有效容積分別為10、5、10 L和20 L。好氧池1和好氧池2底部設(shè)有曝氣裝置，使用氣體流量計(jì)控制曝氣量，保持其溶解氧質(zhì)量濃度分別為2～3 mg/L和3～4 mg/L。缺氧池1和缺氧池2中配有攪拌器，通過繼電器控制其攪拌頻率為1次/h，每次攪拌時(shí)長為1 min。好氧池1和好氧池2中的混合液通過蠕動(dòng)泵分別回流到缺氧池1和缺氧池2。整個(gè)反應(yīng)器在室溫下運(yùn)行。

圖2 改進(jìn)生化處理工藝示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Improved Biochemical Treatment Process

圖2為垃圾滲瀝液改進(jìn)生化處理工藝示意圖。微氧池、沉淀池、缺氧池、好氧池1和好氧池2都為有機(jī)玻璃長方體，其有效容積分別為10、5、3、10 L和20 L。微氧池、好氧池1和好氧池2底部均設(shè)有曝氣設(shè)備，曝氣量采用氣體流量計(jì)控制，保持微氧池、好氧池1和好氧池2的溶解氧質(zhì)量濃度為0.2～0.5、2.0～3.0 mg/L和3.0～4.0 mg/L。缺氧池中配有攪拌器，通過繼電器控制其每攪拌頻率為1次/h，每次攪拌時(shí)長為1 min。好氧池1、好氧池2中的混合液以及沉淀池底部的活性污泥通過蠕動(dòng)泵部分回流到微氧池中。整個(gè)反應(yīng)器在室溫下運(yùn)行。

每2 d分別從兩個(gè)滲瀝液處理系統(tǒng)取樣，每次取3個(gè)平行樣，以3個(gè)測試結(jié)果的平均值作為最終值。所有采集的樣品均用0.45 μm膜過濾，使用前在黑暗中4 ℃條件下保存。

1.3 分析方法

2 結(jié)果和討論

2.1 改進(jìn)生化處理工藝的優(yōu)化

2.1.1 混合液回流比對處理效果的影響

設(shè)定混合液回流比為300%、500%和700%，考察改進(jìn)生化處理工藝對滲瀝液中主要污染物的去除效果，具體如圖3所示。

圖3 混合液回流比對滲瀝液處理效果的影響Fig.3 Effect of Mixed Liquor Reflux Ratio on Leachate Treatment

改進(jìn)生化工藝對滲瀝液中CODCr的去除效果如圖3(a)所示，可以看出，當(dāng)控制混合液回流比為300%時(shí)，出水CODCr平均質(zhì)量濃度為1 542.20 mg/L，平均去除率為96.87%。在第98 d時(shí)調(diào)整混合液回流比為500%，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)出水CODCr質(zhì)量濃度在1 368.60 mg/L左右，平均去除率提高至97.37%。在第116 d，調(diào)整混合液回流比至700%，好氧池內(nèi)泡沫增多，一級(jí)好氧池中活性污泥逐漸變黑，沉降性能變差，出水CODCr平均質(zhì)量濃度升高至2 029.40 mg/L，平均去除率降至96.04%。

結(jié)合CODCr和TN的去除效果，選擇500%作為系統(tǒng)的最佳混合液回流比。

2.1.2 混合液回流分配比對處理效果的影響

將混合液回流分配比定為1∶1、3∶2和4∶1，考察其對滲瀝液中主要污染物的去除效果，具體如圖4所示。

圖4 混合液回流分配比對滲瀝液處理效果的影響Fig.4 Influence of Mixture Reflux Distribution Ratio on Leachate Treatment

滲瀝液中CODCr的去除效果如圖4(a)所示，通過調(diào)節(jié)一級(jí)好氧池和二級(jí)好氧池連接回流蠕動(dòng)泵的流量，使回流分配比為1∶1，此時(shí)出水CODCr平均質(zhì)量濃度為2 033.20 mg/L，平均去除率達(dá)96.07%。當(dāng)調(diào)整混合液回流分配比為3∶2時(shí)，出水CODCr質(zhì)量濃度在1 368.20 mg/L左右，平均去除率升至97.38%。當(dāng)調(diào)整混合液回流分配比至4∶1時(shí)，出水CODCr平均質(zhì)量濃度為1 432.60 mg/L，平均去除率降為97.15%。

綜合考慮，選擇3∶2作為最佳的混合液回流分配比。

2.1.3 水力停留時(shí)間(HRT)對處理效果的影響

當(dāng) HRT分別為8、10 d和12 d時(shí)，研究改進(jìn)生化處理工藝對滲瀝液去除效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 HRT對滲瀝液處理效果的影響Fig.5 Effect of HRT on Leachate Treatment

由圖5(a)可知，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵流量控制HRT為8 d時(shí)，出水CODCr平均質(zhì)量濃度為2 572.60 mg/L，平均去除率為94.99%。當(dāng)調(diào)整HRT為10 d時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)出水CODCr質(zhì)量濃度約為1 368.80 mg/L，平均去除率為97.36%，遠(yuǎn)大于HRT為8 d時(shí)的去除率(p=8.24×10-11<0.01)。當(dāng)調(diào)整HRT為12 d時(shí)，出水CODCr平均質(zhì)量濃度為1 278.20 mg/L，平均去除率為97.49%，大于HRT為10 d的去除率(p=0.002 9<0.01)。結(jié)果表明，過短的HRT會(huì)影響生化系統(tǒng)對滲瀝液中有機(jī)物的去除效果，導(dǎo)致部分有機(jī)物不能得到有效降解。

綜合考慮，選擇10 d作為改進(jìn)生化工藝對滲瀝液的最佳HRT。

2.1.4 污泥齡(SRT)對處理效果的影響

將系統(tǒng)SRT分別設(shè)定為10、15 d和20 d，考察改進(jìn)生化處理工藝對滲瀝液的處理效果。

不同污泥齡條件下，改進(jìn)生化處理系統(tǒng)對CODCr的去除效果如圖6(a)所示。控制體系的SRT為10 d時(shí)，系統(tǒng)出水CODCr的平均質(zhì)量濃度為2 616.80 mg/L，平均去除率達(dá)94.94%。調(diào)整SRT為15 d時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)出水CODCr質(zhì)量濃度在1 514.40 mg/L左右，平均去除率提升至97.04%。調(diào)整SRT至20 d，出水CODCr的平均質(zhì)量濃度為1 478.60 mg/L，平均去除率為97.10%。

圖6 SRT對滲瀝液處理效果的影響Fig.6 Effect of SRT on Leachate Treatment

綜合考慮，選擇15 d作為該工藝的最佳SRT參數(shù)。

2.2 改進(jìn)生化處理工藝對滲瀝液的處理效果

針對上述研究結(jié)果，采用本試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)條件：混合液回流比為500%，HRT為10 d，混合液回流分配比為3∶2，SRT為15 d。在相同運(yùn)行條件下，比較傳統(tǒng)生化處理工藝與改進(jìn)生化處理工藝對垃圾滲瀝液的去除效果，結(jié)果如表2所示。

表2 傳統(tǒng)生化工藝與改進(jìn)生化工藝滲瀝液處理效果對比Tab.2 Comparison of Treatment Effect between Traditional and Improved Biochemical Process

由表2可知，在相同運(yùn)行條件下，與傳統(tǒng)生化工藝出水相比，改進(jìn)生化工藝的出水CODCr質(zhì)量濃度降低了44.16%，出水氨氮和TN的質(zhì)量濃度分別降低了16.74%和44.63%。可以證實(shí)，改進(jìn)后的生化處理工藝具有更好的有機(jī)物降解性能及脫氮效果。

3 結(jié)論

(1)改進(jìn)生化處理工藝參數(shù)優(yōu)化表明：500%為最佳混合液回流比，過低的回流比(300%)會(huì)因缺乏反硝化電子受體而導(dǎo)致反硝化效果不佳，過高的回流比(700%)會(huì)破壞反硝化的氧化還原環(huán)境使反硝化優(yōu)勢菌得不到有利生長；混合液回流分配比為3∶2或4∶1時(shí)，主要污染物的去除效果優(yōu)于回流分配比為1∶1的情況；過短的HRT(8 d)會(huì)使主要污染物去除效果明顯變差，HRT為10 d或12 d時(shí)，主要污染物去除效果差別不大；過短的SRT(10 d)會(huì)使反應(yīng)體系中微生物數(shù)量大量減少，使得改進(jìn)生化工藝對主要污染物的去除效果變差，SRT為15 d或20 d時(shí)，改進(jìn)生化工藝對主要污染物的去除效果相近，但過長的SRT(20 d)會(huì)使活性污泥的沉降性能變差。優(yōu)化后的工藝參數(shù)如下：回流比為500%，回流分配比為3∶2，HRT為10 d，SRT為15 d。

(2)最佳工藝參數(shù)條件下，改進(jìn)生化工藝較傳統(tǒng)生化工藝具有更好的有機(jī)物和氮素去除性能，出水CODCr濃度降低了44.16%，出水氨氮濃度降低了16.74%，出水TN濃度降低了44.63%。

(3)改進(jìn)生化處理工藝可以有效降低生化出水的TN濃度，降低后續(xù)膜濾后濃縮液的產(chǎn)生量，有效減少垃圾滲濾液的處理成本，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。