MBR工艺在垃圾渗滤液处理工程中的应用

MBR工艺在垃圾渗滤液处理工程中的应用韩征中持〔北京〕水务运营摘要：MBR工艺在渗滤液处理工程中是核心单元，其处理单元主要由两局部组成，即生物反响单元和物理过滤膜单元，其中生物脱氮的形式可根据水量的不同进行变化，例如A/O、A/O/O、二级A/O等多种形式；物理过滤膜用于截流污染物质以及活性污泥微生物，经过截留后的污水COD去除率可到达90%以上，活性微生物浓度可到达15g/L，MBR出水可到达GB16889-1997三级排放标准。关键词：MBR，渗滤液处理工程，生物反响单元，物理过滤膜单元1、渗滤液处理现状分析：垃圾渗滤液又称为垃圾渗滤水，垃圾在堆放或填埋过程中受到挤压和覆盖，垃圾体内部形成了厌氧环境，在厌氧微生物的作用下，垃圾体内部的有机物被分解为甲烷和二氧化碳，局部有机物被水解酸化为脂肪酸类物质，随着降雨的过程被带出垃圾体，从而形成垃圾渗滤液。一般来说，城市生活垃圾填埋场新场渗滤液水质有以下一些特点：〔1〕垃圾渗滤液水质复杂，表观呈现暗黑色或暗棕色，恶臭味较重，无机悬浮物浓度很高并且伴随多种有毒有害的成分例如重金属离子等。〔2〕CODCr、BOD5浓度值较高，水质浓度随时间变化较大，尤其是进入后期之后，COD/BOD比值更高，可生化性较差。〔3〕无机性氨氮含量很高，最高可以到达几千ppm，在抑制活性污泥微生物生长的同时，对于强化反硝化的碳源需求量也很高。〔4〕营养元素的比例失调，微生物合成用P元素严重缺乏，BOD5/TP大于300，比值与微生物所需要的碳磷比〔100：1〕相差很远。〔5〕中后期渗滤液含大量的腐殖酸和无机盐类，特别是氯离子含量可超过5000ppm，对金属腐蚀性及后续膜过滤的处理压力增加较大，维修本钱增加。表1-1国内局部城市垃圾渗滤液处理水质城市COD(mg/L)BOD(mg/L)TN(mg/L)NH3-N(mg/L)SS(mg/L)PH北京5900~85003200~6500100~90070~906~8上海4500~80002300~5000100~80060~65030~5005~6.5广州1400~10000400~2500150~900130~600200~6006.5~7.8杭州1000~5000400~600080~80050~50060~6506~6.5深圳3000~600001000~36000400~1500100~60006.2~8.02、MBR工艺说明：MBR处理系统〔membranebiologicalreaction〕其中文全称为膜生物反响器，系统由超滤级别的膜系统和活性污泥生物反响器两局部构成，整个系统的原理是在活性污泥反响区利用好氧、缺氧活性污泥微生物在生物反响器内与基质〔废水中的可降解有机物等〕充分接触，通过氧化分解作用进行新陈代谢以维持自身生长、繁殖，同时降解有机污染物、吸附无机细小颗粒。接着被去除污染物的水在超滤膜系统中进行过滤和截留，过滤作用即将超大分子的有机不可降解类物质与水分子进行别离，截留作用即将活性污泥微生物截留在生物反响器中，防止活性污泥流失。MBR处理系统的主要特点：生化处理系统和超滤过滤系统可针对去除的污染物类型进行灵活变化，应用水处理领域范围广阔；剩余污泥减量化，由于超滤的截留作用，生化反响区的污泥浓度维持在较高水平，泥龄较长，因此剩余污泥较少。污水处理和回用同步，在生物反响阶段污染物降解的同时，超滤截留作用同时进行，产水可进行简单回用；生物脱氮效率高，由于污泥浓度的提高，活性污泥的单位BOD负荷降低，有助于硝化反响的顺利进行；单位运行费用低廉，由于超滤截留的强大作用，处理单位COD指标的电耗相对较低；构筑物投资本钱降低，反响器容积被减少的同时超滤膜系统为集成设备，放置于设备间即可，不需要单独的构筑物。2.1生物反响单元：生物反响单元一般由两级的反硝化/硝化单元串联组成，亦可根据水量的不同进行改变，在第一级的反硝化/硝化单元内设置强化内回流，第二级的反硝化/硝化单元内不设置内回流，利用膜过滤单元截留的浓水回流至第一级的硝化段内提高其活性污泥浓度和硝化程度。第一级的反硝化主要依靠底物中的BOD作为碳源进行脱氮，而第二级反硝化依靠内源呼吸进行脱氮，同时可随着进水的氨氮浓度不断提高进行外加碳源的作业来提高二级脱氮速率。一级硝化的功能除了进行脱氮外还要降解大局部的有机污染物，而二级硝化的功能那么是主要去除剩余局部的COD。第一级反硝化速率取决于一级硝化的彻底程度，第二级反硝化速率取决于进入碳源的量，而异养菌和自养菌本身存在着竞争优势的问题，硝化菌为自养菌，活性污泥微生物为异养菌，因此控制一级硝化内的F/M值很重要。图2-2从微观角度来讲，生物脱氮的过程可分解为如下过程：O池为好氧环境，氨氮在硝化菌的作用下利用氧气将NH4-N转化为NO3-N，同时硝化菌利用局部NO3-N进行自我增殖，是一种好氧自养菌，其反响过程如下：同时，好样微生物菌胶团利用有机污染物作为食物在生物酶的作用下进行分解合成来完成自我的代谢，因为要进行有氧呼吸，所以必须生存在好氧环境里，但属于好氧异养菌。由于菌种的不同，代谢的原理也不一样，因此硝化菌和好样菌胶团的代谢周期也不同，由于进水的C/N很高，所以好氧菌的资源远比硝化菌的资源多，所以好氧菌的代谢周期要比硝化菌代谢周期要短，因此会出现好氧菌的世代结束时硝化菌的代谢还未完成，因此要尽量降低容积负荷以平衡两种菌类的代谢时间。同时由于好样菌胶团的数量远大于硝化菌，一般在混合反响器内硝化菌浓度为总体浓度的5%左右，所以一般硝化菌生长在好样菌胶团内部，为保证硝化过程的正常进行必须保证氧的穿透率，因此要提高溶解氧，通过实验研究，我们发现只有在低F/M污泥负荷、低溶氧，或者适中F/M污泥负荷、高溶氧状态下硝化反响的速率是最快的：图2-3对于一般反硝化/硝化反响器来说，降低F/M会增加投资，而提高溶解氧又会提高运行费用，但由于参加了超滤膜的截留作用，活性污泥的流失根本不存在，所以O池内的活性污泥浓度可到达10g-20g/L，因此在不增加投资的情况下F/M值会保持较低水平，同时溶氧可维持在1.5-2.0mg/L，硝化反响速率很快。表2-1不同污泥负荷条件下的硝化影响污泥负荷〔kgBOD/kgMLVSS˙d〕硝化速率〔kgNH3-N/kgMLVSS˙d〕溶解氧浓度〔mg/L〕2.0约0.13mg/L1.5约0.153mg/L1.0约0.23mg/L注：上述条件为水温20℃，PH值6-8A池为缺氧状态，在此环境中，溶解氧浓度低于0.5mg/L，生长的主要菌种为反硝化菌，其通过分解有机物并利用NO3-N作为电子受体，利用分解产生的氧作为氢受体来完成同化和异化过程：在反硝化菌的作用下，大约75%的硝态氮被转换成N2和NO排出系统，小局部转化为反硝化细菌本体，当进水的C/N超过5时，反硝化速率最快，可到达50ppm。表2-2不同碳源条件下的脱氮影响碳源/回流NO-N反硝化速率〔水温20℃〕脱氮率〔固定停留时间〕≥4：10.72kgNO-N/kgMLSS˙d≤90%≥2：10.12kgNO-N/kgMLSS˙d≤70%≥0.5：10.072kgNO-N/kgMLSS˙d≤50%生化反响单元通过膜的截留作用，活性污泥根本不会流失，反响池内的污泥浓度可到达15g/L，BOD容积负荷可到达1.5kgBOD/m3·d，对污染物质的去除率较高。图2-4BOD记录表图2-5NH3-N记录表2.2物理过滤膜单元：MBR工艺过滤膜单元一般采用超滤级别作为截留和过滤设备，超滤的过滤精度介于微滤和纳滤之间，最小过滤孔径可到达30nm，可有效的将活性污泥截留在反响区内。根据膜组件的设置类型，膜生物反响器可分为外置式膜生物反响器和内置式膜生物反响器两大类；根据过滤原理的不同又可分为错流式、外压式和抽吸式；根据过滤膜材质的不同又分为PVDF材质、PVC材质、PTFE材质和PE材质。图2-6超滤膜结构图在渗滤液处理领域，使用的外置式超滤膜一般为管式超滤膜，过滤模式为循环错流式，过滤层材质一般均为PVDF，支撑层材质为聚醚砜；使用的内置式超滤膜大局部为中空纤维膜，纤维材质可以是PVC、PE、PTFE等等，过滤模式一般为抽吸式；两种膜在使用中特点不同，条件也不同。表2-3外置与内置超滤比照表工程外置超滤膜内置超滤膜单位面积膜通量70L15L运行状态连续运行间歇运行使用寿命5年4年膜通量衰减速度10%/月30%/月清洗模式CIP在线清洗CEB离线清洗清洗周期6-8周3-4周自动化程度完全自动化清洗时需人工操作单位水量投资0.35万/吨0.4万/吨单位水量电耗3.1kwh/吨1.2kwh/吨从上述表格中可以看到，外置式膜过滤系统的特点是：操作简便，膜通量较大，膜通量衰减速度较慢，清洗周期较长；但在一般条件下，为减少污染物在膜外表的沉积，延长膜的使用寿命，需要用循环泵提供较高的膜面错流流速，致使水流循环量增大，单位运行本钱费用稍高，同时存在一些小的问题是泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体失活。内置式膜过滤系统的特点是：膜通量较小，通量衰减速度较快，清洗需要离线操作，清洗周期较短；但由于内置式膜过滤系统的组成较为简单且过滤原理与外置式有很大差异，因此其系统能耗较低，单位运行本钱较低。膜组件下设置的曝气系统不仅给微生物分解有机物提供了所必需的氧气，而且气泡的冲刷和在膜外表形成的循环流速对污染物在膜外表的沉积起到了积极的阻碍作用。结论与其他工艺相比，MBR处理工艺是目前渗滤液处理领域内最为有效且最为适当的处理单元，无论在经济性、处理效率等方面；MBR工艺具有良好的生物脱氮作用；MBR工艺具有高污泥浓度、高泥龄的特点，BOD容积负荷较高，对BOD的去除有很高的效率；MBR工艺具有良好的截留作用，对不可降解的COD具有去除作用。参考文献[]蒋海涛，周恭明，高延耀.城市垃圾填埋场垃圾渗滤液的性质特征[J].环境保护科学，2002〔6〕.[2]王建华，徐又一，