温度对MBR工艺处理垃圾渗滤液的影响初探

施庆文

(上海市废弃物管理处，上海 200063)

垃圾渗滤液组成复杂，污染物浓度高，处理难度大[1-2]。膜生物反应器工艺具有出水水质好、污泥产量少以及运行管理方便等特点，广泛应用于生活污水和工业废水处理工程[3]。近年来，大量垃圾渗滤液处理工程采用MBR工艺，取得了良好的处理效果[4]。

温度是决定MBR系统运行稳定性的重要因素之一。一方面，污泥的黏性及胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)会随温度变化而变化，易导致污泥膨胀现象[5]；另一方面，温度会改变微生物的活性和种群结构，温度过高或过低都会抑制微生物生长，影响MBR系统脱氮除磷的效果[6-7]。另外，温度变化会加剧膜污染速率，影响MBR运行稳定性[8]。近年来，许多学者展开了温度变化对MBR影响的相关研究。王贺等[9]发现，温度变化会显著影响MBR系统污泥性质，当温度从25 ℃降低到10 ℃时，污泥RNA质量浓度从0.822 g/L降低到0.123 g/L；张凯等[6]研究发现，夏季温度较高时，污泥菌群中参与脱氮的微生物相对丰度较高，脱氮效果好。但是，目前相关研究大多以小型MBR反应器为试验对象，鲜少有研究关注温度对实际污水处理厂MBR系统的影响。

根据《生活垃圾渗沥液处理技术导则》(RISN-TG 023—2016)，MBR工艺处理渗滤液温度宜为20～35 ℃。受气候变化影响，一般活性污泥系统实际运行温度通常在5～30 ℃，如表1所示。

表1 活性污泥系统设计温度和实际运行温度Tab.1 Design and Practical Operation Temperature of Activated Sludge System

老港四期渗滤液处理厂的原设计处理能力为3 200 m3/d。由于填埋场渗滤液老龄化严重，渗滤液碳氮比不足，如采用传统工艺需投加大量碳源。因此，在结合老港四期填埋场的实际情况下，老港四期渗滤液厂升级改造工程采用“汽提脱氨+膜生物反应器(MBR)+纳滤(NF)”的工艺路线，出水水质提高至《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008)中的表2标准。由于工程前端的汽提脱氨的使用，MBR进水的水温常年稳定在30℃左右。本文通过分析比较水温变化与MBR实际运行数据之间的关系，确定MBR设计和运行水温控制值。

1 老港四期生活垃圾填埋场渗滤液处理站概述

老港四期生活垃圾填埋场渗滤液处理厂在升级改造前的总处理规模为3 200 m3/d，包括5条生产线，3种生化处理工艺(SBR法、AO工艺、两级AO工艺)，全厂工艺流程及各生产线处理水量如图1所示。原设计出水CODCr≤1 000 mg/L，BOD5≤600 mg/L，SS≤400 mg/L，对NH3-N、TN排放指标无要求。

为使渗滤液处理厂出水水质达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008)中的表2标准(CODCr≤100 mg/L，NH3-N≤25 mg/L，TN≤40 mg/L)，2017年老港四期生活垃圾填埋场渗滤液处理站实施了升级改造工程。升级改造工程设计规模维持3 200 m3/d，其中，新鲜渗滤液约为500 m3/d，老龄渗滤液约为2 700 m3/d，两股渗滤液原液水质及混合后的设计进水水质如表2所示。升级改造工程渗滤液预处理采用汽提脱氨技术，生物处理采用“两级AO工艺+外置式超滤膜分离”技术，深度处理采用高清液回收率的“纳滤+纳滤浓缩液3级减量”技术，工艺流程如图2所示。

图2 改造后工艺流程Fig.2 Process Flow after Upgrading

表2 渗滤液处理厂设计进水水质Tab.2 Design of Influent Water Quality in Leachate Treatment Plant

由于本工程为升级改造工程，用地条件限制较大，同时需充分考虑工艺系统的顺畅。设置脱氨预处理系统1套，布置于原机修车间与组合水池所在地块内，脱氨装置充分利用现状场地条件进行系统布置。各MBR生化反应池仅对现状池体进行内部分隔改造，最大程度降低对土建的影响。改造原膜处理车间为超滤车间，与5座MBR生化反应池一一对应。一期鼓风机房更换3台鼓风机，提高碳源储量达到180 m3。新建膜深度处理车间(纳滤、浓缩液处理)1座，布置于现状停车场，在填埋气发电厂新建余热锅炉，蒸汽送预处理脱氨系统。平面布置如图3所示。

图3 平面布置Fig.3 Layout Plan

2 SBR池改造为MBR池介绍

老港四期渗滤液处理厂在改造前共有5座生化反应池，其中3座为SBR池，系渗滤液处理厂一期工程所建的生化池，于2006年建成运行，采用穿孔曝气形式。原SBR池出水采用滗水器，后经厂内技改为超滤出水。本次升级改造工程为提高SBR池处理能力及处理效果，将SBR池改造为外置式MBR池，如图4所示。改造的池子共有3座，分别编号为：3#MBR池、4#MBR池、5#MBR池，主要设计参数如表3所示，MBR池工艺设计如图5所示。

图4 SBR池改造为MBR池改造图Fig.4 Transformation Diagram of SBR Pool to MBR Pool

图5 MBR池工艺设计Fig.5 Design Diagram of MBR Pool

表3 MBR主要设计参数Tab.3 Main Design Parameters of MBR

3 MBR系统温度对脱氮反应速度的影响

影响老港四期生活垃圾填埋场渗滤液处理站MBR系统温度的主要因素有以下几点。

(1)由于老港四期生活垃圾填埋场渗滤液处理站系统使用汽提脱氨预处理单元，脱氨后通过冷却塔渗滤液水温为28～35 ℃。

(2)MBR生物反应器进水的COD和TN负荷很高，生物降解过程中，有机物和TN化学能转化为热能，使温度升高。

(3)受设备如风机、搅拌器和水泵的影响，部分机械能转化为热能，水温升高。

(4)MBR系统本身配有的循环污泥冷却系统的运行状况。

图6为2020年1月—6月MBR各池的运行温度曲线，可知MBR的运行温度维持在30～35 ℃。与设计温度25 ℃相比，实际运行水温常年偏高5～10 ℃。

图6 MBR系统温度变化Fig.6 Temperature Variation of MBR System

图7 MBR系统进水TN和出水水质曲线Fig.7 MBR Influent TN Load and Effluent Water Quality

4 MBR系统温度对出水氮磷的影响

由于进水负荷较大，MBR系统易出现温度过高的问题。当MBR温度超过40 ℃时，整个MBR生化系统进入自热式高温好氧消化(autothermal thermophilic aerobic digestion, ATAD)过程。自热式高温好氧消化主要由污泥中的固体颗粒物质在嗜热微生物胞外酶的作用下发生溶胞和水解，转化成溶解性可降解产物，在嗜热微生物细胞的作用下，转化成羧酸、二氧化碳等代谢产物或者嗜热微生物的细胞。由于污泥固体颗粒物质以生物质〗为主，当生物质发生水解时，生物质中的氮和磷被释放出来，会导致MBR反应池和出水的氮磷增加[13]。

图8为5#MBR池温度以及池内NH3-N、TP和纳滤出水TN、TP的变化。在老港四期生活垃圾填埋场渗滤液处理站的实际运行中，当MBR运行超过40 ℃时，多次出现磷在MBR系统中释放和富集的情况。MBR池中TP正常值为1～2 mg/L，随着温度的增加，TP增加到20 mg/L以上。即便在MBR后设置纳滤系统对MBR出水进行深度处理，但由于纳滤系统运行pH值为6.2～6.5，MBR出水中TP会有部分以磷酸二氢盐形式存在。通过陶氏或其他纳滤膜设计模拟软件模拟，发现纳滤系统对正磷酸盐拦截能力有限，因此，纳滤后出水仍有TP超标的风险。由于磷在MBR池内的富集时间较长，即便在温度降回到40 ℃以下，由于MBR系统池容体量大，系统也需要10 d左右时间才能将释放的磷再次吸收，使得TP降回正常水平。

图8 5#MBR系统温度和出水水质曲线Fig.8 5#MBR Temperature and Effluent Water Quality

在MBR温度超过40 ℃时，在生物水解的作用下，生物细胞内蛋白质含有的有机氮也有可能存在释放现象。但同时期运行数据中，NH3-N和硝酸盐并没有随温度的变化有明显变化。造成这个现象的原因可能是，尽管部分有机氮释放，但部分氮在ATAD系统中会以气态方式(N2、NO2和NH3)被去除。此外，有一部分有机氮和不可生物降解COD结合在一起，由于工艺中在MBR出水后使用纳滤系统进行深度处理，这部分有机氮被纳滤系统截留。因此，在出厂水的指标中没有反映出来。

5 结论

通过对老港四期生活垃圾填埋场渗滤液处理站MBR系统温度和出水水质比较分析，总结如下。

(1)MBR系统运行温度控制在30～35 ℃时，可以提高硝化和反硝化反应速率，使MBR系统出水更稳定确保达标。

(2)当MBR系统温度超过40 ℃，生物系统中污泥发生水解，污泥中磷的释放明显，可以在MBR系统中富集。即便有纳滤系统对MBR出水进行深度处理，TP还是有超标的风险。

(3)当MBR系统温度超过40 ℃，理论上会有污泥有机氮的释放，但从实际运行数据上分析，出水NH3-N、硝酸盐和TN没有明显变化。