生活垃圾填埋渗滤液处理中试研究

李军1* 王宝贞2 聂梅生2 王淑莹1 赵红静2
（1北京工业大学建筑工程学院，北京，100022;
2 哈尔滨工业大学市政与环境工程学院，哈尔滨，150008）

　　摘 要：本文研究开发了高浓度垃圾渗滤液的适宜处理流程，并首次采用了复合式厌氧反应器和A/O淹没式生物膜曝气池及碱化吹脱塔三项技术，有效地去除了渗滤液中的COD、BOD₅和NH₄⁺-N。该研究成果已用于深圳下坪垃圾卫生填埋场渗滤液的设计，也可应用于其他有机废水的处理，具有较重要的理论意义和较大的工程实践价值。
　　关键词：生活垃圾填埋渗滤液；复合式厌氧反应器；A/O淹没式生物膜曝气池；碱化吹脱塔。

A Pilot Scale Study on the Treatment of Sanitary Landfill Leachate

Li Jun1* Wang Baozhen2 Nie Meisheng2 WangShuYing1 ZhaoHongjing2
(1College of Civil Engineering & Architecture, Beijing Polytechnic University, Beijing, 100022;
2 College of Municipal & Environmental Engineering, Harbin University of Technology , Harbin, 150008)

　　ABSTRACT：A system was studied and developed for the treatment of a high-strength sanitary landfill leachate, which mainly consisted of (a) an upflow anaerobic sludge blanket/anaerobic filter(UASB-AF)hybrid anaerobic reactor,(b) an air stripper for NH3 removal ,and(c)an anoxic zone/aerobic zone(A/O) submerged biofilm aeration basin. these three units were used to treat high-strength leachate, with high removal efficiencies for COD, BOD₅, and NH₄⁺-N. The research results have already been applied in the design if the treatment station of sanitary landfill leachate at Xiaping Sanitary Landfill, Shenzhen City. The system is also available for the treatment of other kinds of organic waste water.
　　Key Words: Landfill Leachate， Hybrid Anaerobic Reactor， A/O Submerged Biofilm Aeration Basin， Ammonia Stripper

前 言

　　垃圾填埋是一种广泛应用的垃圾处置方法，而其生产的渗滤液会导致地下水和地表水的二次污染[1-3]，为防止渗滤液的污染，必须尽量减少渗滤液的产生量并根据渗滤液的水质、水量特点及排放要求采用切实可行的方法。深圳市垃圾渗滤液的COD、BOD₅和NH₄⁺-N浓度明显高于国内外其他城市，见表1。深圳市下坪垃圾填埋渗滤液处理后出水排入城市下水道，然后入宾河污水处理厂做最后处理。深圳环保局规定，垃圾渗滤液的出水需达到：COD < 600mg/l、NH+4-N <25mg/l。在充分研究了深圳市渗滤液特点和处理排放标准后，笔者进行了处理系统和工艺流程的研究探讨。

　　由表1知深圳市垃圾填埋渗滤液水质与其他城市相比，具有COD、 BOD和NH₄⁺-N浓度高的特点。
　　根据试验期间对深圳市垃圾填埋场渗滤液的试验结果，深圳市生活垃圾渗滤液BOD₅/COD一般在0.4-0.7左右，属于易生物降解的有机废水，但COD 典型值高达25000 mg/l，若要达到处理后出水COD<600mg/l，则其去除率要达到98.6%。故须选用高效节能的厌氧生物处理技术，后接好氧生物处理。同时，该渗滤液含氨氮高达400-1500 mg/l，若要处理后出水达NH₄⁺-N <25 mg/l，必须进行脱氮处理。碱化鼓风吹脱，是首先将渗滤液加碱呈碱性（PH>9）使其中的氨离子转化为游离氨(NH3)，然后送入吹脱塔中以喷淋方式和通过鼓风吹脱去除游离氨，以使后续的A/O淹没式生物膜曝气池进水C/N趋于合理，并在其中进行硝化，将氨氮转化为硝态氮，同时通过回流硝化混合液在去除COD的同时，去除TN。为了确保处理出水COD < 600 mg/l，可在二沉池中辅以同步化学沉淀。因此，确定试验流程如下：
　　原生渗滤液è复合式厌氧反应器è碱化吹脱塔èA/O两段淹没式生物膜曝气池è混凝沉淀二沉池è城市下水道

2. 实验装置

2．1 复合式厌氧反应器
　　本试验采用复合式厌氧反应器，它由底部的UASB和上部ABF（厌氧生物膜区）组成，因而具有这两种厌氧反应器的优点。由于其上部的生物膜载体填料（盾式复合材料）对悬浮污泥具有很好的捕集截留效能，而且也不影响气体的分离，因此其上部不必设三相分离器，只设溢流出水槽和集气室即可。其生物量大，生物相丰实，可承受较高的有机负荷，这样的厌氧反应器比UASB构造简单，且处理效果好。
　　试验用的复合式厌氧反应器，呈圆筒形，直径0.8m，底部为截头圆锥体，顶部为溢流堰槽和集气室组成，总高度为2.5m。反应器主体分为上下两部分，下部为污泥床，高1.1m，其中锥体部分0.5m；上部为淹没式生物膜区，高0.9m，其中装填复合式填料。淹没式生物膜层之上有0.25m高的澄清区,澄清水经周边式溢流堰流入圆环形集水槽中。厌氧反应器的总容积为1.16m3, 其中污泥床区占0.4 m3, 淹没式生物膜区0.43 m3, 澄清区0.13 m3和集气室0.2 m3。在稳定运行时,进水量Q=20l/h(0.48 m3/d), 其水力停留时间为2天, 从第3个月至第6个月, 厌氧反应器内温度为20℃至34℃。
2.2　碱化吹脱塔
　　厌氧反应器出水氨氮含量很高, 达1000mg/l以上, 且COD/NH₄⁺-N比值仅为4左右,若让其直接进入A/O淹没式生物膜曝气池,很难实现生物脱氮,因此利用鼓风吹脱塔进行部分脱氮,以增加COD/ NH₄⁺-N的比值和减少氨氮的浓度,有利于在A/O池中进行有效的生物脱氮.试验用的吹脱塔用圆筒形,直径0.8m, 高2.0m, 其中装填1.2m高的球形塑料填料,厌氧反应器出水流入循环水池,用泵抽送至吹脱塔顶部进行喷淋布水,在吹脱塔后部安装两台鼓风机,强制空气流自上而下流经填料,与水滴逆流接触。
　　从循环贮水池用泵抽循环水Qr=500l/h至吹脱塔，从该池排出的水量为20l/h，循环比为25:1; 鼓风机吹送空气量为70 m3/h/台,2台供气量为140 m3/h, 气水比为280:1。循环集水槽内水的体积为102L,其水力停留时间(HRT)为5h。
2.3 淹没式生物膜A/O池
　　A/O淹没式软填料生物膜法的优点是通过在载体上附着形成的生物膜,在不同的部位有不同的优势菌种,即在A段有以反硝化和降解有机物的异氧菌为主的微生物群落,而在O段的前部和后部分别以降解有机物的异氧菌和硝化菌为优势菌种[5]。由于在淹没式生物膜中硝化和反硝化菌各有自己的专用领地,其生存环境远比活性污泥法优越,因此完成硝化和反硝化的时间短,约为延时曝气池法的1/3-1/2.此外,淹没式软填料生物膜的另一个优点是生物膜上的生物菌种更为多样性,相交构成的食物链长,增长的生物膜大部分被原生动物和后生动物作为食料消耗掉。所以,其剩余生物膜仅为活性污泥法剩余污泥量的1/10-1/5[6，7]。
2.4 厌氧污泥和生物膜的培养
　　厌氧反应器接种城市污水厂消化池污泥,随着培养时间的延长,其COD去除率逐渐提高。三个月后,COD去除率达70%, 并有沼气产生,此时底部的厌氧污泥和填料上生物膜趋于成熟；淹没式生物膜A/O池采用城市污水处理厂二沉池中污泥接种,动态培养,历时二个月后,O池中,前段生物膜厚,后段生物膜薄,颜色为棕褐色,生物相镜检发现有大量草履虫和线虫,A池中填料上生物膜呈黑褐色,密度较大并有小气泡吸付在填料表面,这说明反硝化菌已开始在填料表面上初步形成,将少量的硝酸盐还原成氮气。

3. 试验结果及讨论

　　为了优化各构筑物的运行参数,探索最佳运行条件,下面将对各单体的构筑物进行优化试验。
3.1复合式厌氧反应器
　　图2为复合式厌氧反应器在两种不同运行温度下的进出水COD和BOD₅变化曲线.
　　由图2可见,厌氧反应器的COD去除效率受温度影响较大。20℃时, COD和BOD₅的平均去除率分别为70.9%和77.3%;水温34℃时, COD和BOD₅的平均去除率上升到83.3%和88.4%,此时进水的COD和BOD₅的均值为23888 mg/l和15250 mg/l, 出水的COD和BOD₅均值为4060 mg/l和1771 mg/l, 故适合的处理温度为34℃, 此时的水力停留时间为2天，平均COD容积负荷为9.5kgCOD/m3/d。
　　图3为复合式厌氧反应器进水和出水的总有机挥发酸TVA和碱度变化曲线。由图2和图3可见,TVA与COD变化趋势基本一致, 出水TVA随着出水COD降低而降低, 当出水TVA为700 mg/l左右时,出水COD<4500 mg/l。 实验证明, TVA积累过多,将会抑制甲烷菌的活性,因此TVA可作为厌氧反应器是否正常运行的主要判断和控制指标。
　　厌氧反应器出水碱度和PH均较进水高，这是由于甲烷菌将挥发脂肪酸转化为甲烷的同时,产生了重碳酸盐，因而使出水碱度和PH上升。出水碱度在2500-5000之间，说明该渗滤液碱度有一定的缓冲能力。

3.2 碱化吹脱塔
　　图4为在水温20℃的条件下，不同PH时NH₄⁺-N随吹脱时间的变化曲线。由该图可见,氨氮随吹脱时间延长而下降，在吹脱时间为5 h和PH=8.0的条件下(即厌氧出水直接进吹脱塔)时, NH₄⁺-N去除率为35.3%; 将PH用石灰调到9.1时，NH₄⁺-N去除率上升到67.8%。这是由于PH对水中游离氨和铵离子分布的影响, PH=8.0时，NH3占8%， PH=9.1时，NH3占37.4%，所以在相同的吹脱时间条件下， PH=9.1时的NH₄⁺-N去除率显著高于PH=8.0时的去除率。从节省药剂和提高除氨率的折衷考虑,确定适宜的PH为9.1、吹脱时间为5 h、气水比为280：1。

　　吹脱后，COD也得到了部分去除,其去除率为19.7%， 吹脱后出水的COD/ NH₄⁺-N为8,水中DO<0.2 mg/l， 有利于后续的A/O池的脱氮。此外，取吹脱塔内塑料环填料上的生物膜做镜检分析，发现其生物相丰满、呈多样性,有钟虫、累枝虫等原生动物。因此空气吹脱逸出氨气的同时，微生物对COD和BOD也有一定的降解作用。
3.3 淹没式生物膜A/O池
　　深圳市垃圾渗滤液NH₄⁺-N含量高，经碱化吹脱塔除氨后出水NH₄⁺-N仍在300 mg/l左右,但此时COD/ NH₄⁺-N为8左右，趋于合理,因此选择A/O淹没式生物膜曝气池处理吹脱塔出水，在去除COD的同时，可脱氮。为了进一步探索A/O池运行的最佳条件，进行了混合液回流比、水力停留时间等因素的影响试验。
　　回流比是影响A/O池脱氮效果的一个重要因素。理论上，总氮去除率与回流比的关系为：

　　η_TN=R/(1+R)　　　　　　　（１）
　　式中：R—回流比
　　　　　η_TN—总氮去除率

　　显然R越大，总氮的去除率越高,但实际上受缺氧段脱氮菌数量的限制及回流水溶解氧的影响,当回流比大于4时，硝态氮的去除率将会急剧下降。缺氧段内的硝态氮负荷与回流比是相互联系的，相应地进入缺氧段的硝态氮为：

　　[NO₃^--N]A={Q[NO₃^--N]_i +　RQ[NO₃^--N]e}/(Q+RQ)＝ R[NO₃^--N]e/(1+R)　　　（２）
　　式中：[NO₃^--N]A－缺氧段进水混合后的NO₃^--N浓度
　　　　　[NO₃^--N]ｉ－缺氧段进水的NO₃^--N浓度（近似为０）
　　　　　[NO₃^--N]e－出水的NO₃^--N浓度

　　当回流比增大时，[NO₃^--N]_A 降低，但进入缺氧段内氮负荷相应地增加；同时，由于回流水量的增加，而使硝态氮在缺氧段内的有效停留时间缩短，所以过多的增加回流比并不一定能提高脱氮率。
　　图5为HRT＝77.5ｈ、回流比R＝3时,硝酸盐氮、氨氮、碱度沿空间的变化曲线。由图5可见，在A段，氨氮、碱度表现为上升，这是由于有机氮氨化、反硝化产碱引起的；　NO₃^--N进水(混合后)为29.87 mg/l，　经缺氧段后为3.22 mg/l，去除率为89.0%；而在O段氨氮,碱度都表现为大幅度下降，NO₃^--N却上升,这是由于硝化的原因。经过A/O池后的总氮去除率为64.8%。

　　图６为不同回流比的NO₃^--N浓度在Ａ、Ｏ段的空间变化过程线。由图６可见，在Ｒ=３时脱氮效率最佳；此时的COD总去处率亦为最高，达68.6%，故选定回流比为3。在此基础上,提高进水量， 缩短HRT，试验在不同HRT时的去除情况以确定A/O池的最佳HRT。实验证明，当A/O池HRT从77.5h逐渐缩短至22.1h时,出水NH₄⁺-N <21 mg/l，见图7；当HRT继续减小至17.6h时则出水NH₄⁺-N >49 mg/l。为保证出水NH₄⁺-N达到小于25 mg/l的排放标准,所以HRT应不小于22.1h。
　　在上述各种条件下，A/O池进出水COD变化情况如图8所示,可见出水COD浓度在700 mg/l左右。
　　综上所述,淹没式生物膜A/O池适宜的运行条件为：HRT=22.1h（ 其中A段为6.5h、O段为15.6h）, R=3。在此运行条件下,当进水COD平均浓度为2290 mg/l、NH₄⁺-N平均浓度为218 mg/l时, 出水COD平均浓度为662 mg/l, COD平均去除率为71.1%, 出水NH₄⁺-N平均浓度为20mg/l ，NH₄⁺-N 平均去除率为90.8%。

3.4 混凝沉淀
　　选用PAC和FeCL3两种常用混凝剂进行对比试验，发现:同一药剂用量条件下，PAC对COD去除率高于FeCL3；PAC适宜的投加量为200-300 mg/l，相应去除率约为32.6%，从而使最后出水COD<600 mg/l。
3.5 系统串联运行试验
　　确定了各构筑物的优化运行参数后，做整个系统串联起来运行的试验。结果如图9,图10所示(图中数据为连续8次鉴测结果的均值)，可见该工艺可使处理后出水达到排入当地城市下水道标准。

4. 填料上生物膜特性的研究

4.1生物膜表现特性及生物相观察
　　厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色的细小絮状体，较松散，臭味很浓；碱化吹脱塔内球形填料上的生物膜呈深褐色,底部生物膜最多，上部表层几乎没有，从上而下逐渐减少，洗脱下来观察呈絮状，个体较大，镜检发现底部有豆形虫，累枝虫，线虫等； A/O池缺氧段生物膜比好氧段生物膜生长速度慢，而且形成的生物膜也没有好氧段的膜丰满、密实, 外表看比较薄、颜色呈黑色有臭味。从纤维填料上洗脱下来观察，发现生物絮凝体较松散，个体较小，沿水流方向纤维填料上的生物膜基本趋于一致。A/O池好氧段生物膜呈棕褐色，无臭味，密实且丰满。好氧段前后端相比较而言，前端的膜较松散，后端的膜较密实。从纤维填料上洗脱下来观察，前端的膜片多呈絮状，个体较大，后端的膜片多呈粒状，个体较小。A/O池缺氧段填料上的生物膜通过镜检发现只有菌肢团；好氧段在稳定运行期, 生物膜上有大量豆形虫，线虫，累枝虫及少量钟虫，草履虫。
4.2 生物膜沉降特性及生物量测定
　　首先在A/O池中沿水流方向确定四个取样点，然后把有代表性的填料从系统中取出，编号为1#(A池)，2#(O池前端)，3#(O池中部)，4#(O池末端)， 同样在厌氧反应器中取出有代表性的填料编号为5#，从吹脱塔中取出有代表性的滤球编号为6#。将填料分别放入容器中加入一定量的自来水搓洗，把含洗脱膜的水转入1000ml量筒中，重复搓洗3-5次，直至填料上的膜全部洗脱下来而填料变成白色为止。再往盛洗脱膜的量筒中加蒸馏水至满刻度。把量筒中的混合液混均,然后让其进行静置沉淀，分别记下静沉时间及污泥沉淀层容积.实验结果汇于表2。

　　由表2知，碱化吹脱塔内球形填料上的生物膜和A/O池好氧段纤维填料上生物膜都具有较好的沉降性，O池中，后段生物膜较前段具有更好的沉降性，有利于脱落生物膜沉淀，使出水水质稳定。
　　分别取上述混匀的洗脱膜的混合液100 ml，测定103℃-105℃的烘干残渣，得各池中生物量为：
　　厌氧反应器中， MLSS=3389mg/l
　　碱化吹脱塔内， MLSS=2157mg/l
　　A/O池缺氧段， MLSS=2828mg/l
　　A/O池好氧段， MLSS=4699mg/l

5. 结论

　　深圳市垃圾渗滤液含有高浓度COD、BOD和NH₄⁺-N，其适合的处理系统为原生渗滤液è复合式厌氧反应器è碱化吹脱塔èA/O淹没式生物膜曝气池è混凝沉淀è出水。该系统出水COD<600 mg/l、NH4-N<25 mg/l，可达到排入当地城市下水道标准。
　　复合式厌氧反应器水力停留时间2.0d、容积负荷9.5kgCOD/m3/d、水温34℃时，COD去除率达83.3%、BOD₅去除率达88.4%；在PH9.1、HRT5h、水循环比25：1、汽水比280：1时，碱化吹脱塔NH₄⁺-N去除率达67.8%、同时COD去除率为19.7%，吹脱后出水C/N从4上升到8，有利于A/O池脱氮；A/O淹没式生物膜曝气池适合的HRT为22.1h（其中厌氧段6.5h、好氧段15.6h m3）、混合液回流比为3，在该工艺参数下COD去除率为71.7%、NH₄⁺-N去除率为90.8%；A/O池出水经同步化学沉淀，可使最终出水达到排入当地城市下水道标准。

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* E-mail : [email protected] 北京市科技新星项目9558100800
参加本实验工作的还有深圳市绿美实业公司的黄中林、南昌有色冶金设计总院的邹莲花、陈中等。

　　作者简介：李军（1964- ），男，山东淄博人，日本千叶大学博士后研究员，北京工业大学副教授，硕士生导师,水工业学会排水委员会委员，主要从事污水生物处理技术研究。分别于1997年、1996年获建设部科技进步二等奖、黑龙江省科技进步三等奖、黑龙江省环境保护科技进步一等奖， 2000年入选北京市科技新星,发表论文40余篇。
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