生活垃圾焚燒廠滲濾液處理工藝介紹

生活垃圾焚燒廠滲濾液主要指堆放在貯坑內(nèi)的垃圾在受到擠壓后排出的自身內(nèi)含水及其酸性發(fā)酵產(chǎn)生的廢水〔1〕。有機組成復雜，濃度較高，用于焚燒的垃圾在儲坑內(nèi)堆置3~7 d所產(chǎn)生的新鮮滲濾液，沒有經(jīng)過長時間的厭氧發(fā)酵過程，其中仍含有大量的多環(huán)芳烴、酚類和苯胺類化合物等難降解有機物，COD可達30~80 g/L;氮含量高，滲濾液中TN一般在2 g/L以上，而其中NH4+-N一般在1 g/L以上;可生化性較好，B/C一般在0.4以上，VFA質(zhì)量濃度一般在5 g/L以上〔2〕。

　　生化法是處理生活垃圾焚燒廠滲濾液的、有效的方法。工程中一般采用UASB(或UBF)+SBR(或CASS、A/O)+膜處理工藝進行處理 〔3, 4, 5〕。筆者公司研發(fā)部采用新型內(nèi)循環(huán)厭氧(IC)—氣升式環(huán)流反應器(ALR)的工藝處理剛投入運行的焚燒垃圾廠的滲濾液，以期為后期現(xiàn)場中試及實際工程的應用提供技術參考。

　　1 實驗材料與方法

　　1.1 滲濾液水質(zhì)及分析方法

　　滲濾液取自光大環(huán)保能源(常州)有限公司滲濾液處理站調(diào)節(jié)池內(nèi)。其COD約24.8～35.1 g/L，NH4+-N 約0.82～1.12 g/L，pH為3.94～5.62，TP為12～32mg/L，VFA為5.23～7.42 g/L，BOD5為13.2～15.6 g/L。外觀呈黃褐色，有很濃的酸性惡臭氣味。

　　COD采用重鉻酸鉀法測定〔6〕，pH采用玻璃電極法測定〔6〕，NH4+-N和TP含量采用分光光度法測定〔6〕，揮發(fā)性有機酸(VFA)含量采用滴定法測定〔7〕。

　　1.2 試驗裝置及方法

　　IC反應器和ALR均由有機玻璃制作而成，具體結構如圖 1、圖 2所示。

　　IC反應器置于(35±2) ℃的恒溫水浴箱中，總有效容積為6 L(不計三相分離器內(nèi)氣室的體積)，內(nèi)徑90 mm，總高107 mm。IC反應器每天進水6 L。ALR有效容積為7.5 L。ALR內(nèi)溫度用恒溫加熱棒控制在(25±2) ℃。曝氣量大小由置于液體表面下的PB-607型溶解氧儀探頭控制，通過閥門調(diào)節(jié)空壓機曝氣量，使表層液面的DO保持在1.5～2.0 mg/L。采用間歇運行的蠕動泵(運行240 s，間歇1 560 s)將水樣打入ALR的底部，上部溢流出水。ALR通過時間繼電器控制為曝氣100 min，間歇20 min。保證蠕動泵進水時，ALR處于曝氣時間，避免在ALR間歇期進水，影響污泥的沉降。每周手動排泥1次，使反應器內(nèi)的SV30維持在20%～30%。

 圖 1 IC反應器試驗裝置

 
圖 2 ALR試驗裝置

　　1.3 接種污泥

　　IC反應器接種污泥取自某檸檬酸廠IC反應器內(nèi)的顆粒污泥，呈黑色。粒徑0.8～1.5 mm，TSS 68.6g/L，含水率90%，接種量2 L。ALR接種污泥取自常州某污水廠曝氣池內(nèi)，MLSS約4 g/L，接種量2.5 L。

　　2 IC反應器的啟動和運行

　　因為本實驗用的顆粒污泥已放置一段時間，活性不高，且滲濾液中含有許多難降解物質(zhì)，所以馴化期先用啤酒和自來水配制COD為1 000 mg/L的廢水活化微生物，進水中添加NaHCO3來補充堿度。待出水穩(wěn)定后再加入滲濾液馴化微生物，保持進水量為6 L/d，每3~5 d提高1次進水濃度。IC反應器的運行分三階段進行，第1天—第23天為啟動期;第24天—第79天為負荷提升期;第80天—第89天為穩(wěn)定運行期。

　　2.1 啟動期運行狀況

　　2.1.1 對COD的去除效果

　　前7 d為啤酒馴化期，IC反應器對有機物的去除較差，前3 d的COD去除率均低于75%，且觀察到出水桶中有許多細小的絮狀污泥，表面漂浮少量顆粒污泥。其主要原因是處于休眠狀態(tài)的厭氧菌活性較差，且培養(yǎng)基質(zhì)(啤酒)與檸檬酸廢水的水質(zhì)存在一定的差異，而且種泥中吸附了很多檸檬酸廢水中的有機物，二次啟動處理其他廢水時，微生物一時難以適應，部分有機物釋放到廢水中，增加了出水COD。第4天—第7天，盡管將進水COD提高至1 500 mg/L，但出水COD不升反降，第7天，COD去除率高達93.7%，說明此時厭氧微生物的活性初步恢復，有機物降解速率加快。第8天停止加入啤酒，開始進用生活污水稀釋后的COD為1 500 mg/L的滲濾液，盡管進水基質(zhì)由含營養(yǎng)豐富的啤酒變?yōu)殡y降解的滲濾液，但此時厭氧菌活性已初步恢復，可以降解較多的有機物，所以出水COD并未大幅度上升。此后逐步減少生活污水量，增加滲濾液量(下同)，提高進水COD至3 152 mg/L，出水COD基本維持在300 mg/L以下，COD去除率在85%以上。IC反應器啟動順利完成。

　　2.1.2 pH及出水VFA濃度的變化

　　污泥馴化期，出水pH在5.22～6.95波動，且啟動期，出水pH一般低于進水pH，可能是因為垃圾焚燒廠滲濾液均呈酸性，且其中有機酸質(zhì)量濃度較高(>5 g/L)，易被產(chǎn)酸菌降解而生成大量的VFA，降低反應體系的pH。馴化初期，由于產(chǎn)甲烷菌活性恢復較產(chǎn)酸菌慢，產(chǎn)酸菌優(yōu)勢生長，此時出水VFA濃度很高，基本在5.0 mmol/L以上。隨著反應的進行，出水VFA逐漸下降并穩(wěn)定在2 mmol/L以下。啟動后期，出水VFA基本穩(wěn)定在3.5~4.5 mmol/L，并未隨進水COD的提高而明顯升高，可能原因是啟動期滲濾液的容積負荷很低，且負荷提升較慢，每次約提升0.5 kg/(m3·d)，反應器中有足夠的活性正逐步恢復的產(chǎn)甲烷菌來充分降解產(chǎn)酸菌產(chǎn)生及原水中的VFA，使出水中的VFA含量保持穩(wěn)定。

　　2.2 負荷提升期和穩(wěn)定期運行情況

　　2.2.1 對COD的去除效果

　　IC反應器負荷提升期和穩(wěn)定期COD的去除情況見圖 3。

 圖 3 IC反應器負荷提升期和穩(wěn)定期進出水COD及去除率變化曲線

　　負荷提升前8天(第24天—第32天)，IC反應器的COD去除率穩(wěn)定在85%以上。此后，當進水COD提高到5 328 mg/L，出水COD陡升到1 058 mg/L，zui高達到1 681 mg/L，COD去除率急劇下降到70%左右，與此同時，出水VFA達到9.2 mmol/L，出水pH也降至5.7，出水有明顯的酸味。由此斷定，IC內(nèi)出現(xiàn)“輕微”酸化。原因有兩個：(1)第33天將進水負荷由4.00 kg/(m3·d)提高至5.33 kg/(m3·d)，負荷提升了33%，容積負荷提升過快。(2)焚燒滲濾液中高濃度的氨氮、鹽離子等物質(zhì)會對甲烷菌產(chǎn)生一定抑制，而且試驗用滲濾液處于半水解酸化狀態(tài)，VFA高達5~7 g/L，故負荷提升過快后，受抑制的甲烷菌無法及時降解原水中和產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的有機酸，導致出水COD及VFA急劇升高。厭氧反應器酸化后，可以采用投加新鮮顆粒污泥、降低進水COD、清水沖洗等方法進行酸化后的恢復〔7〕。由于本實驗酸化期僅為5d，且負荷不高，COD去除率仍達70%，所以對IC反應器僅采取降負荷的方式重啟反應器(同時加堿將進水pH調(diào)至7.5~8.0)。由圖 3可知，盡管大幅度降低負荷至3 kg/(m3·d)并穩(wěn)定3 d，但出水COD仍高達900 mg/L以上。其后再次緩慢提高進水COD至5 220 mg/L時，出水COD逐步穩(wěn)定在566~816 mg/L，COD去除率也恢復到86%左右，達到了酸化前的水平。當負荷提高到12 kg/(m3·d)，出水COD又一次出現(xiàn)了躍升。第72天—第76天，出水COD從2 148 mg/L陡升至4 231 mg/L，COD去除率急劇下滑到65%。為了進一步檢驗系統(tǒng)是否能承受這么大的負荷，又連續(xù)以相近的負荷運行5 d，雖然出水COD在一段波動后略有回落，但基本都在2 500 mg/L以上，COD去除率始終低于80%。此時出水VFA上升到12 mmol/L，但出水pH并未大幅度下滑，反應器并未酸化。這主要是因為IC反應器中污泥已經(jīng)不能承受12.12 kg/(m3·d)的焚燒滲濾液負荷，負荷過高致使系統(tǒng)中大量的未*降解的有機物隨出水排出，導致出水COD快速升高。而且，滲濾液中抑制物質(zhì)的濃度也可能隨著進水濃度升高而達到微生物所能承受的閾值。此時不宜再提高負荷，負荷提升期結束。

　　此后降低負荷至10.8 kg/(m3·d)，進入穩(wěn)定運期，此階段共進行10 d。穩(wěn)定初期(第80天—第82天)，出水COD并未明顯下降，一直維持在2 000 mg/L以上。此后，出水COD緩慢降低，并zui終穩(wěn)定在1 450 mg/L左右，COD平均去除率達86%，且波動很小。說明IC反應器能處理焚燒垃圾滲濾液，并能*保持穩(wěn)定運行。

　　2.2.2 pH及出水VFA濃度的變化

　　IC反應器負荷提升期和穩(wěn)定期pH及VFA的變化見圖 4。

 圖 4 IC反應器負荷提升期和穩(wěn)定期進出水pH及出水VFA變化曲線

　　負荷提升期，進水中濃度越來越高的有機氮在IC反應器內(nèi)通過氨化作用轉化為氨氮，增加了系統(tǒng)的堿度，提高了出水pH。由圖 4可以看出，酸化前，出水pH與進水相當。酸化期由于產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，VFA開始積累，VFA濃度由酸化前的5.6 mmol/L上升到9.8 mmol/L，出水pH也由6.62降到了5.74。酸化重啟后第7天(第44天)，出水pH上升到7.12，系統(tǒng)酸堿平衡重新恢復。此后，出水pH進一步升高。第50天開始，出水pH開始高于進水pH。在進水COD達12.2 kg/(m3·d)的極限負荷期，出水pH仍在6.5以上。降負荷進入穩(wěn)定期后，出水pH穩(wěn)定在7.52~8.04。此外，除酸化期，出水VFA隨出水COD的升高而緩慢升高。當進水負荷提高至12 kg/(m3·d)時，出水VFA大幅度升高到12 mmol/L。隨后，隨著負荷的降低，出水VFA緩慢回落，zui終穩(wěn)定在8.3~9.0 mmol/L。盡管出水VFA濃度很高，但反應器內(nèi)pH在7.5以上。胡紀萃〔8〕認為，在pH為中性或偏堿性時，大部分VFA以離子態(tài)存在，而只有游離的VFA才會對甲烷菌產(chǎn)生抑制。所以，此時的VFA濃度(8.3~9.0 mmol/L)相對而言是無毒的，不會對IC反應器穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響。

　　3 ALR運行狀況

　　3.1 有機物去除分析

　　在IC反應器運行到第36天時，進行好氧實驗。在7.5 L的ALR中接種2.5 L 好氧污泥。實驗前4 d，同樣用啤酒和自來水配成COD為1 000 mg/L的廢水馴化微生物，初始進水量設定為5 L/d，運行結果如圖 5所示。

 圖 5 ALR進出水COD及去除率變化關系

　　由圖 5可知，馴化4 d后，出水COD從428 mg/L迅速降到86 mg/L，污泥馴化完成。第40天開始，停止加啤酒水，開始將IC反應器的出水打入ALR內(nèi)。由圖 5可知，當進水基質(zhì)由含有糖類、酵母、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的易降解啤酒水換成難降解的IC反應器出水時，ALR出水COD迅速升高到170.5 mg/L，其后3 d，出水COD持續(xù)升高到340.5 mg/L。而此期間ALR進水COD基本穩(wěn)定在750~930 mg/L。原因可能有如下兩方面：(1)進水基質(zhì)的變化。好氧微生物一時難以適應滲濾液的水質(zhì)，其活性受到抑制，且經(jīng)過厭氧處理后，廢水可生化性大大降低，在ALR中難以充分降解。(2)葡萄糖效應〔9〕。由于ALR前期用易于降解的啤酒進行馴化培養(yǎng)，微生物已經(jīng)適應了吸收這些易降解物質(zhì)作為其生長繁殖的營養(yǎng)源，生長旺盛。當將基質(zhì)替換為滲濾液厭氧出水時，微生物會首先利用殘留的啤酒作為營養(yǎng)物。當啤酒消耗完后，微生物才會降解IC反應器出水，且同樣會優(yōu)先降解其中的易降解物質(zhì)(如碳水化合物、短鏈脂肪酸等)，zui后才會降解長鏈脂肪酸和芳香族化合物等難降解物質(zhì)，這些未*降解的難降解有機物隨出水流出，使得出水COD迅速升高。隨著好氧微生物活性的增強及對滲濾液水質(zhì)的逐步適應，第45天—第50天，出水COD緩慢下降到250 mg/L以下。第62天—第67天，進水COD躍升到1 200~1 600 mg/L。第62天—第65天，ALR出水COD為387~486 mg/L，并未出現(xiàn)陡升現(xiàn)象，說明ALR具有良好的抗沖擊負荷能力，這是因為ALR*的流態(tài)強化了傳質(zhì)作用。ALR間歇進水時整體上呈推流，但反應器內(nèi)部呈環(huán)流狀態(tài)，泥水沿導流筒內(nèi)外確定的方向高速循環(huán)流動，使得有機物能與微生物在相當長的時間內(nèi)進行充分的接觸反應，也提高了其降解COD的效率。第66天、第67天，由于進水COD持續(xù)升高，出水COD也分別上升到610.5、545.6 mg/L，超過500 mg/L的排放標準〔10〕。其后決定通過將進水量由5 L/d降至3 L/d的方式來降低容積負荷。隨著每日進入ALR中有機物量的降低，第70天，出水COD緩慢下降到328 mg/L。此后系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊負荷，第71天，ALR進水COD急劇上升到2 148 mg/L，此后持續(xù)上升，第71天—第80天，進水COD基本在2 500~4 300 mg/L波動。第71天—第73天，ALR出水COD穩(wěn)定在400 mg/L左右，并未隨著進水COD的大幅度升高而升高，COD去除率穩(wěn)定在80%以上。隨著滲濾液中的有毒有害物質(zhì)逐漸在ALR中積累，好氧微生物受到的抑制作用愈發(fā)明顯，出水COD升高到550~700 mg/L，且液面出現(xiàn)大量白色泡沫。說明此時ALR可能已經(jīng)處于超負荷運行狀態(tài)。第80天—第89天，IC反應器進入穩(wěn)定期，ALR進水COD逐漸下降到1 400~1 700 mg/L，出水COD也慢慢回落到430 mg/L以下，COD平均去除率為77%。說明在沖擊負荷消失后，ALR能迅速恢復穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

　　3.2 氨氮去除分析

　　在IC運行第50天時，開始進行ALR反應器對氨氮的去除效果研究，實驗結果見圖 6

 圖 6 ALR進出水氨氮及去除率變化關系

　　由圖 6可知，第50天—第53天，氨氮去除率較低(在85%以下)。這可能是因為此階段ALR中污泥以異氧菌為主，硝化菌還沒有培養(yǎng)成熟，異氧菌消耗了大量的DO來充分降解有機物(此階段出水COD較低，在250 mg/L以下)，位于絮體內(nèi)部的硝化菌因為得不到足夠的DO使其生長受到一定抑制，硝化速率較低。此后出水氨氮逐漸下降。第61天—第67天，進水氨氮負荷由150 g/(m3·d)逐漸上升到311g/(m3·d)，出水氨氮也上升到38.4~51.3 mg/L。隨后，由于進水量降至3 L/d，氨氮負荷也降至200g/(m3·d)以下，氨氮去除率隨著氨氮負荷的降低而上升，即使到了極限負荷期(第71天—第79天)，進水氨氮質(zhì)量濃度達到480~800 mg/L，但由于HRT的延長，硝化菌在適宜的生長環(huán)境中有足夠的時間來充分降解進水中的高濃度氨氮，出水中氨氮質(zhì)量濃度僅有2天超過45 mg/L的排放標準〔10〕。第80天—第89天，IC進入穩(wěn)定期，ALR進水氨氮質(zhì)量濃度在350~500 mg/L波動，出水氨氮質(zhì)量濃度基本低于35 mg/L，氨氮去除率在91%左右。由此可見，ALR在穩(wěn)定運行期對IC反應器出水中的高濃度COD和NH4+-N具有較高的去除率，且波動很小，這是ALR的一大優(yōu)勢所在。

　　4 結論

　　(1)在中溫條件下，利用IC反應器處理生活垃圾焚燒廠滲濾液，當進水有機容積負荷為10.8kg/(m3·d)時，COD去除率可達到86%，出水pH在7.52~8.04，出水VFA在8.3~9.0 mmol/L波動。

　　(2)IC反應器由于負荷提高過快發(fā)生“輕微”酸化后，通過在進水中補充堿度和降低進水負荷的方式重啟酸化反應器，12 d后，COD去除率回升到86%，出水VFA濃度也下降到6.4 mmol/L。

　　(3)ALR出水COD和NH4+-N能夠達到《污水排入城市下水道水質(zhì)標準》(CJ 343—2010)B等級規(guī)定。IC—ALR組合工藝能充分降解生活垃圾焚燒廠滲濾液中高濃度有機物和氨氮，并能保持*穩(wěn)定運行。