生活垃圾渗滤液处理中试研究

李　军,　王宝贞,　王淑莹,　赵红静
( 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环境工程学院 ,黑龙江哈尔滨150090)

　　摘　要:开发了一种适于处理高浓度垃圾渗滤液的工艺。试验表明,采用复合厌氧反应器和A/O淹没式生物膜曝气池及碱化吹脱塔技术可以有效地去除渗滤液中的COD、BOD和氨氮。该成 果已用于深圳下坪垃圾卫生填埋场的设计。 　
　　关键词:生活垃圾渗滤液;　复合厌氧反应器;　A/O淹没式生物膜曝气池;　碱化吹脱塔中
　　图分类号:x505　　文献标识码:a　　　文章编号:1000-4602(2002)03-0001-06

piLot scaLe study on the treatment of DOmestic landfill Leachate

LiJun1,　wangbao zhen2,　wangshu ying1,　zhaohong Jing2
( 1.schooL of construction engineering,beiJing poLytec unicuniversity,BeiJing 100022,china;
2 .schooL of municipaL and environmentaL engineering,harbin institute of technoLogy,harbin 150090,china)

　　Abstract:　an appLicabLe system was deveLoped to treat the high strength Landfill leachate.the experimentaL resuLts show that COD,BOD and nh3-nin the Leachate can be removed effectiveLy by using hybrid anaerobic reactor/a mmonia stripper/anoxic -oxic sub merged biofiLm aeration basin process.the system has been appLied to the design of xiaping sanitary Landfill in the city of shenzhen.　
　　Keywords:　DOmestic Landfill Leachate;　hybrid anaerobic reactor;　A/Osubmerged biofiLm aera-tionbasin;　ammonia stripper

　　由垃圾填埋产生的渗滤液会导致地下水和地表水的二次污染[1～3],因此需根据渗滤液的水质、水量特点及排放要求采用切实可行的治理方法。

1　处理工艺选择

　　各地的垃圾渗滤液水质情况见表1。其中深圳市垃圾填埋渗滤液水质与其他城市的相比,具有COD、BOD和氨氮浓度高的特点。试验期间测定生活垃圾渗滤液的BOD/COD为0.4～0.7,属于易生物降解有机废水,但其COD有时高达25000mg/L,若要使出水COD<600mg/L(去除率达98.6%),需选用高效节能的厌氧生物处理且后接好氧生物处理技术,同时由于该渗滤液氨氮含量高达400～1500mg/L,若要出水氨氮<25mg/L,必须进行脱氮处理,因此确定试验流程如下:
　　原生渗滤液→复合厌氧反应器→碱化吹脱塔→A/O淹没式生物膜曝气池→混凝沉淀池→城市下水道

2　试验装置

　　试验装置如图1所示。

2.1　复合厌氧反应器
　　复合厌氧反应器由底部的uasb和上部的abf(厌氧生物膜区)组成。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,且不影响气体分离,因此不必设三相分离器(只设溢流出水槽和集气室即可)。该反应器生物量大、生物相丰富,可承受较高的有机负荷,比uasb构造简单且处理效果好。
复合厌氧反应器呈圆筒形,直径为0.8m,底部为圆锥体,顶部由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(高为1.1m,锥体部分为0.5m);上部为淹没式生物膜区(高为0.9m),内装复合填料。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环形集水槽。反应器的总容积为1.16m,其中污泥床区为0.4m、淹没式生物膜区则为0.43m3、澄清区为0.13m3、集气室为0.2m3。稳定运行时进水量为20L/h(0.48m3/d),水力停留时间为2d。在第3至第6个月,反应器内温度为20～34℃。
2.2　碱化吹脱塔
　　厌氧反应器出水氨氮含量达1000mg/L以上且COD/氨氮仅为4左右,若让其直接进入A/O淹没式生物膜曝气池则很难实现生物脱氮,因此先利用碱化吹脱塔进行部分脱氮,即首先加碱使渗滤液呈碱性(ph>9),其中的铵离子转化为游离氨,然后送入吹脱塔以喷淋和鼓风吹脱方式去除游离氨。吹脱塔呈圆筒形,直径为0.8m,高为2.0m,内装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,通过在吹脱塔后部安装的两台鼓风机强制空气流自上而下流经填料并与水逆流接触。
从循环蓄水池用泵抽水(500L/h)至吹脱塔,该池的排水量为20L/h,循环比为25∶1,鼓风机吹送空气量为70m/(h·台),气水比为280∶1。循环集水槽内水量为102L,水力停留时间为5h。
2.3　A/O淹没式生物膜曝气池
　　A/O淹没式软填料生物膜法的优点是在载体上附着形成生物膜的不同部位有各自的优势菌种,即在a段以反硝化和异养菌为主,而在o段的前部和后部分别以异养菌和硝化菌为优势菌种。由于在淹没式生物膜中硝化和反硝化菌的生存环境远比活性污泥法优越,因此完成硝化和反硝化所需时间缩短(约为延时曝气池法的1/3～1/2)。此外,淹没式软填料生物膜上的菌种更为多样,构成的食物链长,多余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。
2.4　污泥和生物膜的培养
　　厌氧反应器接种城市污水厂消化池的污泥,随着培养时间的延长,其COD去除率逐渐提高,3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的生物膜趋于成熟;A/O池采用城市污水厂二沉池中的污泥接种并进行动态培养,历时2个月后o池中前段生物膜厚而后段生物膜薄,呈棕褐色,镜检发现有大量草履虫和线虫,a池中生物膜呈黑褐色,密度较大并有小气泡吸附在填料表面,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　结果及讨论

3.1　复合厌氧反应器
　　图2为复合厌氧反应器在两种不同温度下的进、出水COD和BOD5变化曲线。

　　图3为复合厌氧反应器进、出水的总有机挥发酸(tva)和碱度变化曲线。

　　由图2可见,厌氧反应器对COD的去除效率受温度影响较大。水温为20℃时COD和BOD5的平均去除率分别为70.9%和77.3%;水温为34℃时COD和BOD5的平均去除率上升到83.3%和88.4%,故合适的处理温度为34℃,此时的水力停留时间为2d,平均容积负荷为9.5kgCOD/(m·d)。
　　由图2、3可见,tva与COD变化趋势基本一致(出水tva随出水COD降低而下降,当出水tva为700mg/L左右时,出水COD<4500mg/L)。试验证明,若tva积累过多将会抑制甲烷菌的活性,因此tva可作为厌氧反应器运行是否正常的主要判断和控制指标。
　　厌氧反应器出水碱度和ph值均高于进水,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的缘故。系统出水碱度在2500～5000mg/L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是在水温为20℃、不同ph值时氨氮浓度随吹脱时间的变化曲线。

　　由图4可见,氨氮浓度随吹脱时间延长而下降,在吹脱时间为5h、ph=8.0时(即厌氧出水直接吹脱塔),对氨氮的去除率为35.3%;将ph值用石灰调到9.1时,氨氮去除率上升到67.8%,这是由于ph值对水中游离氨和铵离子的分布有重要影响(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时的氨氮去除率显著高于ph=8.0时的去除率。从节省药剂和提高除氨率来综合考虑,确定适宜的ph值为9.1、吹脱时间为5h、气水比为280∶1。
　　经吹脱后渗滤液COD也得到了部分去除(去除率为19.7%),吹脱出水的COD/氨氮为8,DO<0.2mg/L,有利于后续A/O池的脱氮。此外,取吹脱塔内塑料环填料上的生物膜镜检,发现其生物相有钟虫、累枝虫等原生动物,因此在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　A/O淹没式生物膜曝气池
　　垃圾渗滤液经碱化吹脱塔处理后出水氨氮为300mg/L左右,此时COD/氨氮为8左右(比较合理),因此可选择A/O淹没式生物膜曝气池作后续处理,在去除COD的同时脱氮。为了进一步摸索A/O池运行的最佳条件,考察了混合液回流比、水力停留时间等因素对处理效果的影响。
　　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(tn)去除率与回流比的关系为:
　　ηtn=r/(1+r)(1)式中　r———回流比　ηtn———总氮去除率
　　显然r越大,总氮的去除率越高,但实际上由于受缺氧段脱氮菌数量的限制及回流水DO浓度的影响,当r>4时硝态氮的去除率将会急剧下降,而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:

　　当回流比增大时[no-n]降低,但进入缺氧段内的氮负荷相应地增加;同时,由于回流水量的增加使硝态氮在缺氧段内的有效停留时间缩短,所以一味地增加回流比并不一定能提高脱氮率。
　　图5为hrt=77.5h、r=3时,A/O池内硝酸盐氮、氨氮、碱度的变化曲线。
　　由图5可见,在a段氨氮、碱度呈上升趋势,这是由有机氮氨化、反硝化产碱引起的;进水(混合后)no3-n为29.87mg/L,缺氧段出水no3-n为3.22mg/L,去除率为89.0%。o段的氨氮、碱度都大幅下降,no3-n浓度却上升,这是由硝化造成的。经过A/O池后的总氮去除率为64.8%。
　　图6为不同回流比时的no-n浓度在a、o段的变化曲线。

　　由图6可见,在r=3时脱氮效率最佳,此时的COD总去除率亦为最高(68.6%),故选定r=3。在此基础上提高进水量、缩短hrt,根据不同hrt时no3-n的去除情况以确定A/O池的最佳hrt。试验证明,当A/O池hrt从77.5h逐渐缩短至22.1h时,出水氨氮<21mg/L(见图7),当hrt继续减小至17.6h时则出水氨氮>49mg/L。为保证出水氨氮<25mg/L,hrt应不小于22.1h。

　　在上述各种条件下A/O池进、出水COD变化在上述各种条件下A/O池进、出水COD变化综上所述,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。在此条件下,当进水平均COD浓度为2290mg/L、氨氮浓度为218mg/L时,出水平均COD浓度为662mg/L(去除率为71.1%),出水平均氨氮浓度为20mg/L(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,发现相同投药量条件下pac对COD的去除率高于fecL3。pac的适宜投量为200～300mg/L,相应去除率约为32.6%,从而确保最后的出水COD<600mg/L。
3.5　系统串联运行试验
　　确定了各构筑物的适宜运行参数后,将整个系统串联起来进行试验,其COD、氨氮浓度变化如图9、10所示。

　　由图可见,该工艺的处理出水可达排入当地城市下水道的标准(COD<600mg/L,氨氮<25mg/L)。

4　生物膜特性

4.1　表观特性及生物相
　　厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细厌氧反应器中纤维填料上的生物膜呈黑色、细后端的较密实(将膜从纤维填料上洗脱下来观察,前端的膜片多呈絮状且个体较大,后端的膜片多呈粒状且个体较小)。镜检发现缺氧段生物膜只有菌胶团,好氧段生物膜在稳定运行期有大量豆形虫、线虫、累枝虫及少量钟虫、草履虫。
4.2　沉降特性及生物量测定
　　首先在A/O池中沿水流方向确定4个取样点,依次取样后编为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有代表性的填料编为5,从吹脱塔中取出有代表性的滤球编为6。将填料分别放入容器中加入一定量的自来水洗脱,把含洗脱膜的水转入1000mL量筒中重复搓洗3～5次,直至填料上的膜被全部洗脱而填料变成白色为止,再向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匀,然后进行静置沉淀,分别记下静沉时间及污泥沉淀层容积。试验结果汇于表2。

表2 洗脱膜SVI值　　　mL/g 项目 样品编号 1^# 2^# 3^# 4^# 5^# 6^# SVI 206 200 159 126 206 131

　　由表2可知,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的生物膜都具有较好的沉降性,o池后段生物膜较前段具有更好的沉降性,有利于脱落生物膜的沉淀,使出水水质稳定。
　　分别取上述混匀的洗脱膜混合液100mL,经103～105℃烘干测定得各池中生物量为:
　　厌氧反应器mLss=3389mg/L;碱化吹脱塔mLss=2157mg/L;A/O池中缺氧段的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、BOD5和氨氮,其适宜的处理工艺为:原生渗滤液→复合式厌氧 反应器→碱化吹脱塔→A/O淹没式生物膜曝气池 →混凝沉淀→出水。复合厌氧反应器的水力停留时 间为2.0d、容积负荷为9.5kgCOD/(m3·d)、水温 为34℃时,其对COD的去除率为83.3%、BOD5去 除率为88.4%;在ph为9.1、hrt为5h、水循环 比为25∶1、气水比为280∶1时,碱化吹脱塔对氨氮 去除率为67.8%、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宜的hrt为22.1h(其中厌 氧段为6.5h、好氧段为15.6h)、混合液回流比为3 ,在该工艺参数下COD去除率为71.7%、氨氮去除 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(COD<6 00mg/L、氨氮<25mg/L)。

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作者简介:李军(1964-　),　男,　山东淄博人,　北京工业大学副教授,　博士,　主要从事污水生物处理技术研究。电话:(010)65958512(h)　67391648(o)
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收稿日期:2001-10-04