二级厌氧厌氧氨氧化MBR工艺处理垃圾焚烧厂渗滤液探讨杜昱

４２　　　给水排水　Ｖｏｌ．４２　Ｎｏ．１　２０１６二级厌氧＋厌氧氨氧化＋ＭＢＲ工艺处理垃圾焚烧厂渗滤液探讨杜　昱１　李晓尚２　孙月驰１　张亚琳１　汤萌萌１（１中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津　３０００７４；２中环保水务投资有限公司，北京　１０００２２）　　摘要　生活垃圾焚烧厂垃圾渗滤液有机污染物浓度高、氨氮浓度高，是典型的难处理的高浓度有机废水，目前国内大多采用“厌氧＋ＭＢＲ”的生物处理工艺，处理难度大、能耗高。采用“厌氧＋厌氧氨氧化＋ＭＢＲ”处理工艺，可以最大限度地发挥厌氧反应的作用，去除有机污染物，有效去除氨氮，降低后续ＭＢＲ系统的污染物负荷，节省能耗、降低运行成本，对整个行业节能减排、渗滤液处理达标排放具有重要意义。关键词　焚烧厂　垃圾渗滤液　厌氧　厌氧氨氧化　ＭＢＲＴｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｓｔａｇｅｓ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ－ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ａｍｍｏｎｉａ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ－ＭＢＲ　ｔｏ　ｔｒｅａｔ　ｔｈｅ　ｌｅａｃｈａｔｅ　ｆｒｏｍ　ｗａｓｔｅ　ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔＤｕ　Ｙｕ１，Ｌｉ　Ｘｉａｏｓｈａｎｇ２，Ｓｕｎ　Ｙｕｅｃｈｉ　１，Ｚｈａｎｇ　Ｙａｌｉｎ１，Ｔａｎｇ　Ｍｅｎｇｍｅｎｇ１（１．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｅｎｅｏｌ　Ｗａｔｅｒ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｅａｃｈａｔｅ　ｆｒｏｍ　ｗａｓｔｅ　ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔ　ｉｓ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ａｎｄ　ａｍｍｏｎｉａ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ａｎａｅｒｏｂｉｃ－ＭＢＲ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｕ－ｓｕａｌｌｙ　ａｄａｐｔｅｄ　ｔｏ　ｔｒｅａｔ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｈｉｇｈｌｙ　ｅｎ－ｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ“ｔｗｏ　ｓｔａｇｅｓ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ－ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ａｍｍｏｎｉａ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ－ＭＢＲ”ｃｏｕｌｄｍａｘｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｒｅａｃｔｉｏｎ，ｒｅｄｕｃｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ　ａｎｄ　ａｍｍｏｎｉａ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｐｏｌｌｕ－ｔａｎｔｓ　ｌｏａｄ　ｆｏｒ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ＭＢＲ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ，ｅｍｉｓ－ｓｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｌｅａｃｈａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｕｐ－ｔｏ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗａｓｔｅ　ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔ；Ｌａｎｄｆｉｌｌ　ｌｅａｃｈａｔｅ；Ａｎａｅｒｏｂｉｃ；Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ａｍｍｏｎｉａ　ｏｘｉｄａ－ｔｉｏｎ；ＭＢＲ１　垃圾焚烧厂渗滤液处理现状及存在问题１．１　概述随着我国经济的日益发展，城市规模不断扩大，城市用地日趋紧张，生活垃圾填埋处置方式由于占地面积大等原因而遭到弃用，取而代之的是垃圾焚烧处理，目前我国已经建成或正在建设的生活垃圾焚烧厂达数百座以上。生活垃圾焚烧厂运行过程中产生的污染物主要有垃圾渗滤液和恶臭气体，垃圾渗滤液具有污染成分复杂、污染物浓度高、污染物种类多等特点，其ＣＯＤ通常为２０　０００～８０　０００ｍｇ／Ｌ，氨氮为１　０００～２　５００ｍｇ／Ｌ。垃圾渗滤液如果处置不当，会严重影响周围的环境，垃圾渗滤液处理对垃圾焚烧厂的正常稳定运行至关重要。１．２　垃圾焚烧厂渗滤液处理现状垃圾焚烧厂垃圾渗滤液经过处理后一般有如下几种处置方式：第一，排入城市污水处理厂，执行《污水综合排放标准》（ＧＢ　８９７４８－１９９６）的三级标准；第二，排入自然水体，执行《污水综合排放标准》的一级标准，也有要求执行《生活垃圾填埋场污染控制标DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2016.0008给水排水　Ｖｏｌ．４２　Ｎｏ．１　２０１６４３　　　准》表２或表３标准；第三，按照当地环保部门要求，执行污水“零排放”要求，污水处理后回用，不许外排。目前常用的垃圾渗滤液处理工艺是“生物处理＋深度处理”，生物处理包括厌氧处理和好氧处理，而深度处理一般采用膜分离方式或催化氧化处理方式。厌氧＋ＭＢＲ工艺中，厌氧反应器的目的是大幅去除有机污染物，其出水ＣＯＤ值可达４０００～６　０００ｍｇ／Ｌ，并将有机氮转化为氨氮；ＭＢＲ由缺氧池、好氧池和超滤膜组成，通过碳氧化反应进一步去除有机污染物ＣＯＤ，并通过硝化反硝化反应去除总氮。１．３　垃圾焚烧厂渗滤液处理存在问题１．３．１　厌氧处理的优势难发挥厌氧生物处理的原理是利用厌氧微生物的代谢过程，在不需要氧气的条件下将有机污染物转化为大量的沼气、水以及少量的细胞物质［１］。由于厌氧处理能耗低，特别适合于高浓度的垃圾渗滤液处理。厌氧处理虽然去除有机物的绝对量与进液浓度高，但其出水ＣＯＤ浓度高于好氧处理，原则上仍需后续的好氧处理才能达到较好的出水水质［１］。考虑到出水对总氮的要求，一般后续好氧处理常采用具有硝化反硝化功能的好氧处理工艺，而垃圾渗滤液氨氮含量较高，厌氧处理对氨氮无去除作用，因此进入好氧处理阶段的氨氮含量也较高。虽然厌氧处理对ＣＯＤ可以达到较高的去除率，但考虑到后续好氧处理脱氮过程中对碳源的需求，在实际运行中往往控制其出水ＣＯＤ维持较高的值。如垃圾渗滤液原液ＣＯＤ高达４０　０００～８０　０００ｍｇ／Ｌ，氨氮２　０００ｍｇ／Ｌ，如果不考虑后续好氧处理对碳源需求的问题，厌氧处理（必要时可以设置二级厌氧）出水ＣＯＤ可达３　０００～４　０００ｍｇ／Ｌ，但实际运行中，必须控制厌氧处理出水ＣＯＤ在１０　０００～１５　０００ｍｇ／Ｌ，由此可见，厌氧处理并未发挥出其应有的优势。１．３．２　好氧处理部分能耗偏高垃圾渗滤液经过厌氧处理后进入膜生物反应器时，其氨氮通常为２　０００～２　５００ｍｇ／Ｌ，根据生物脱氮理论，在膜生物反应器中脱氮时，应保持Ｃ／Ｎ为６～８，以保证硝化、反硝化反应的正常进行。由此可以看出，进入好氧处理的ＣＯＤ应维持在１２　０００～１５　０００ｍｇ／Ｌ，如此高的ＣＯＤ需要由好氧生化处理去除掉，相比于厌氧处理，势必会大幅增加处理系统的能耗。另外，由于进水氨氮浓度较高，为保证良好的脱氮效果，缺氧、好氧脱氮工艺需要较高的回流比，进一步增加了运行成本。１．３．３　渗滤液处理总运行成本偏高受进水浓度高的影响，好氧处理系统的鼓风曝气通常采用射流曝气，膜分离采用外置式膜，还需要设置污水冷却系统等［２］，这些措施不同程度地增加系统的能耗，使渗滤液处理总成本大幅增加。２　二级厌氧＋厌氧氨氧化＋ＭＢＲ组合工艺２．１　组合工艺内容由于垃圾渗滤液氨氮浓度高，为保证脱氮效果，实际运行中通常控制好氧处理系统进水ＣＯＤ浓度，使其维持在较高的水平，从而导致处理成本大幅增加。如前所述，导致运行成本增加的主要原因是进水氨氮浓度高，如果能在进入好氧处理之前有效去除氨氮，一方面可以充分发挥厌氧处理的优势，另一方面也可以降低后续好氧处理的负荷，对降低运行成本、提高处理效率、稳定达标排放具有重要意义。目前常用的脱氮方式除传统的硝化反硝化脱氮工艺外，还有氨吹脱和厌氧氨氧化工艺等，由于焚烧厂垃圾渗滤液ＣＯＤ极高，氨吹脱工艺基本无法正常运行。厌氧氨氧化工艺的原理是厌氧氨氧化菌在厌氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体将氨氮直接氧化成氮气，该工艺不需补充新鲜碳源，尤其适用于高氨氮、碳源不足的污水处理工程。厌氧氨氧化工艺对氨氮具有良好的去除效果，但无法去除渗滤液中的有机污染物，而且该工艺要求进水ＣＯＤ浓度越低越好。针对焚烧厂垃圾渗滤液的特点，采用厌氧＋厌氧氨氧化＋ＭＢＲ组合处理工艺是可行的，不但能取得良好的处理效果，而且在技术上具有巨大的优势。４４　　　给水排水　Ｖｏｌ．４２　Ｎｏ．１　２０１６２．２　工艺原理利用二级（多级）厌氧、厌氧氨氧化和ＭＢＲ等技术单元的组合工艺，解决传统处理技术存在运行能耗高、需要额外投加碳源、出水效果不稳定等缺点，以应用于垃圾焚烧厂垃圾渗滤液的处理。厌氧处理采用多级厌氧反应器（两级及以上），实现较高的氨化效率和ＣＯＤ去除率。一级厌氧反应器维持较高的污泥浓度，在高负荷条件下运行，将进水中的ＣＯＤ降低７０％～８５％；二级厌氧反应器污泥浓度、负荷较一级厌氧反应器略低，进一步降低ＣＯＤ，实现去除率６０％～７５％，使其满足后续膜生物反应器的有利运行条件。当进水ＣＯＤ浓度过高，两级厌氧反应器不能满足ＣＯＤ处理要求时，可以采用三级厌氧反应器串联的方式。在实际应用中，通常选择厌氧生物滤池、ＵＡＳＢ、ＩＣ、ＥＧＳＢ等厌氧反应器，也可以选择其他厌氧反应器。厌氧氨氧化反应器依靠微生物的作用实现对氮的去除，包括厌氧氨氧化反应、短程反硝化反应等，其微生物主要包括厌氧氨氧化菌、自养型反硝化菌和异养型反硝化菌等；在不需要外加碳源的条件下，实现氨氮去除率大于８５％，总氮去除率大于８０％。厌氧氨氧化反应器通过鼓风机提供氧气，用于亚硝化反应的进行，如将氨氮氧化为亚硝氮等。厌氧氨氧化反应器的具体实施形式可以以活性污泥状态、生物膜状态实施，其池型可以是长方形的推流式结构，也可以是沟道式结构，或可以采用同时进出水的滗水器形式。厌氧氨氧化池采用主要控制溶解氧，参考控制氧化还原电位（ＯＲＰ）的运行方式，限制鼓风机对池体中的供氧，创造厌氧氨氧化菌群的优势生长条件，使亚硝化细菌可以将部分氨氮氧化为亚硝氮，亚硝氮又与其他氨氮在厌氧氨氧化细菌的作用下转化为氮气，实现对总氮的去除。ＭＢＲ系统由缺氧池、好氧池和膜分离系统组成，通过两级厌氧反应器和厌氧氨氧化反应器的处理后，使ＭＢＲ系统进水中Ｃ／Ｎ达到合适比例，满足系统脱氮的要求，同时去除水中剩余的ＣＯＤ、氨氮等，稳定达到出水排放标准。ＭＢＲ处理系统中的膜组件，采用内置式超滤膜。２．３　工艺流程说明厌氧＋厌氧氨氧化＋ＭＢＲ组合工艺包括：一级厌氧反应器、二级厌氧反应器、厌氧氨氧化反应器、沉淀池、缺氧池、好氧池、膜组件和鼓风机，见图１。１一级厌氧反应器　２二级厌氧反应器　３厌氧氨氧化反应器４沉淀池　５缺氧池　６好氧池　７膜组件　８回流泵　９鼓风机图１　二级厌氧＋厌氧氨氧化＋ＭＢＲ工艺流程（１）垃圾渗滤液首先进入一级厌氧反应器，垃圾渗滤液在一级厌氧处理反应器中水力停留时间为８～１２ｄ，反应器内污泥浓度为８～１２ｇ／Ｌ，一级厌氧反应器中污泥停留时间为２５～４０ｄ。（２）一级厌氧反应器出水进入二级厌氧反应器，二级厌氧反应器中水力停留时间为４～１０ｄ，反应器内污泥浓度为６～８ｇ／Ｌ，二级厌氧反应器中污泥停留时间为１８～３５ｄ。（３）二级厌氧反应器出水进入厌氧氨氧化反应器中，厌氧氨氧化反应器中的污泥浓度为３～１０ｇ／Ｌ，厌氧氨氧化反应器中污泥停留时间（ＳＲＴ）为１０～３５ｄ，向厌氧氨氧化反应器鼓入氧气，使反应器中的溶解氧（ＤＯ）保持在０．１～０．５ｍｇ／Ｌ，氧化还原电位（ＯＲＰ）控制在－２００～５０ｍＶ。（４）厌氧氨氧化反应器出水进入沉淀池进行固液分离，沉淀池水力停留时间为１．５～２．５ｈ，沉淀池污泥回流至厌氧氨氧化反应器中。（５）沉淀池出水进入缺氧池，缺氧池中水力停留时间为０．５～１ｈ，缺氧池中的溶解氧（ＤＯ）控制在０．２～１．０ｍｇ／Ｌ，污泥浓度为３～４．５ｇ／Ｌ。（６）缺氧池出水进入好氧池，好氧池中停留时间为１０～２４ｈ，向好氧池中鼓入氧气，使好氧池中的ＤＯ维持在２．５～４．０ｍｇ／Ｌ，污泥浓度为３～５ｇ／Ｌ，好氧池末端混合液回流到缺氧池，回流比为２００％～４００