UASB-MBR-NF-RO工艺在垃圾渗滤液处理中的应用

葛 琴

（北京机电院高技术股份有限公司，北京 100027）

随着城市化进程的加快和经济的快速发展，我国城市生活垃圾以平均每年8%～10%的速度增长，垃圾处理问题日益突出[1]。目前，城市生活垃圾最主要的处理方法有卫生填埋、焚烧、堆肥及综合利用等。其中，卫生填埋法由于具有成本低、技术成熟、管理方便等优点，在垃圾处理中的应用较为广泛。然而，在垃圾填埋过程中，由于雨水、地表水、地下水渗入填埋场，以及生物和化学反应对垃圾的降解作用，产生了含有高浓度悬浮物和高浓度有机和无机成分的渗滤液，其色度高、毒性强，不仅含有大量有机污染物，还含有各类重金属污染物。若处置不当，会对垃圾填埋场周围的地下水和地表水、土壤、大气，以及生物等多方面造成严重的二次污染，并会通过食物链直接或间接进入人体，危害人类身体健康。因此，以环境保护为目的，为使卫生填埋真正成为垃圾“无害化”的处理方式，必须对垃圾渗滤液进行达标处理。

本文在比较目前国内应用较多的三种垃圾渗滤液处理技术的基础上，依托呼和浩特市生活垃圾渗滤液处理工程的基础资料，通过技术分析，选用经济技术合理的工艺对呼和浩特市垃圾填埋场渗滤液进行了有效处理。

1 垃圾渗滤液的来源及特点

垃圾渗滤液是垃圾填埋场伴生的二次污染物，受降水、外部地表水、垃圾本身的内含水以及微生物分解产生的水和部分地下水的渗入等多方面因素的影响，水量变化较大。

垃圾渗滤液最突出的特性为：1）色度高，外观呈茶色或黑褐色，有腐臭味；2）含大量有毒有害有机物，氨氮浓度高，重金属含量高，抑制微生物的繁殖与生长；3）含有大量病毒、致病菌等有害物质；4）水质随垃圾成分、填埋工艺、填埋时间、气候、季节等变化，呈现明显的非周期性特点，可生化性差[2]。因此，垃圾渗滤液是一种组分复杂的高浓度有机废水，常规污水处理装置在运行过程中难以适应。

2 国内常见渗滤液处理技术

由于垃圾填埋场的环境条件不同，以及使用年限的差异，垃圾渗滤液的水质特征也不尽相同。《生活垃圾卫生填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）的颁布实施，为垃圾渗滤液的处理提出了更高的要求。近年来，为满足新颁布的排放标准，绝大部分垃圾渗滤液处理厂进行了运行工艺优化，在渗滤液处理领域逐渐涌现了几类技术较为成熟、性价比较好的渗滤液处理技术。典型工艺主要包括低能耗MVC蒸发技术、碟管式反渗透技术、生化与膜处理相结合的技术。

2.1 低能耗MVC蒸发技术

机械压缩蒸发工艺（MVC）源于美国海军的海水淡化技术，距今已有近40年的应用和发展历史[3]。该技术利用蒸汽压缩蒸发分离的原理，即通过加热使垃圾渗滤液沸腾气化，由于所有重金属和无机物以及大部分有机物的挥发性均比水弱，水首先汽化从渗滤液中沸出，污染物残留在浓缩液中，实现污染物与水的分离，达到水质净化的目的。

同时，MVC技术利用气体被压缩时温度升高的特性，将蒸发器中沸腾废水蒸发出来的二次蒸汽通过压缩机的绝热压缩，提高压力、温度及热焓后再送回蒸发器的加热室，作为加热蒸汽使用，使蒸发器内的溶液继续蒸发，而其本身则冷凝成水，由此蒸汽的潜热得到反复利用，实现了节约能耗。

近年来，低能耗MVC技术的实际应用主要有广州从化、潮州锡岗、鹤山马山及兴宁黄泥坑垃圾填埋场[4]。该技术的优点是能源利用率高、设备操作简单、污泥及残渣产量较少。但由于蒸馏水中含有较多的氨，需经后续离子交换系统去除，在树脂再生过程中会产生废液的二次污染问题；蒸发系统的不锈钢结构经常会受高浓度的渗滤液冷热交替接触，造成设备的腐蚀和结垢；在运行经验上还不够充足，该技术相对更加适用于小规模的渗滤液处理。

2.2 碟管式反渗透技术

碟管式反渗透（DTRO）是反渗透的一种形式，专门用来处理高浓度污水的膜组件，其核心技术是碟管式的膜片膜柱。该技术由美国PALL公司于1982年开发成功，并自1988年首次应用于垃圾渗滤液处理以来，在全球各地已经有200多个工程实例[5]。该系统由六个子系统组成，包括预处理系统（砂滤器和滤芯过滤器）、两级反渗透系统、自动清洗系统、PLC控制系统、除味系统、浓缩液处理系统。

DTRO技术在国内渗滤液处理中的应用主要有重庆长生桥垃圾填埋场、北京安定垃圾填埋场、沈阳老虎冲垃圾填埋场、东营市垃圾填埋场等[6]。该技术处理渗滤液，工程建设周期短，调试、启动迅速，自动化程度高，操作运行方便，且原水无需生化预处理直接进入DTRO设备，受外界影响因素较小。但DTRO设备造价高，且由于是一个纯粹的过滤工艺，浓缩液中有机物和盐离子含量非常高，回灌填埋区后再次进入调节池，会导致进水有机物和含盐量越来越高，所需反渗透压力越来越高，最终会导致该设备崩溃，无法运行。因此，近年来，考虑到国内生活垃圾渗滤液水质的特殊性，DTRO技术也开始与生化预处理进行联合应用。

2.3 生化与膜处理相结合技术

生化与膜处理相结合技术是目前国内垃圾渗滤液处理市场的一种主体工艺。其中应用较为典型的是膜生物反应器（MBR）+纳滤（NF）+反渗透（RO）的组合工艺。MBR工艺是生物处理与膜分离技术相结合的一种工艺，以膜分离技术代替传统的泥水分离技术，提高了生化反应器中的污泥浓度，使生化处理效率更高，抗冲击负荷能力更强[7]。为保证出水达到直接排放标准，采用纳滤/反渗透作为深度处理，进一步分离去除难生化降解的有机物及金属等有毒有害物质。

该组合工艺在国内垃圾渗滤液处理中成功应用的工程主要有青岛小涧西垃圾填埋场、北京阿苏卫垃圾填埋场、北京高安屯垃圾填埋场、哈尔滨西部垃圾填埋场、常州夹山垃圾填埋场、山东滕州垃圾填埋场等[8-10]。该组合工艺的优点为抗冲击负荷能力强，氨氮去除率较高，前端的生化预处理可以去除渗滤液中的大部分污染物，降低了后续膜系统的运行负荷，增加膜的使用寿命。同时使用纳滤膜可让部分盐分与出水一起通过排除，使浓缩液含盐量不存在越来越高的问题，保证整套设备的长期运行。生化与膜处理相结合的技术既利用了生化过程和膜技术各自的优点，又避免了单纯反渗透工艺的缺点，工艺过程简单，操作方便。

3 呼和浩特市垃圾填埋场渗滤液处理工程实例

3.1 工程概况

呼和浩特市生活垃圾综合处理厂位于呼和浩特市区东南赛罕区境内，场地东西宽约865m，南北长约770m。综合处理厂内包括垃圾焚烧、餐厨垃圾处理、市政污泥处理、垃圾填埋等主要单元。为确保其中生活垃圾填埋场启用后的污染控制，该工程配置了完善先进的渗滤液处理系统，库区的垃圾渗滤液由管道收集流入调节池，经渗滤液处理站处理达标后直接排放，或用于绿化、冲刷场地等。

3.2 设计进出水水质

呼和浩特市生活垃圾填埋场渗滤液处理站的设计出水规模为75m3/d，设计出水水质达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）表2规定的要求。该垃圾渗滤液处理站设计进出水水质如表1所示。

表1 渗滤液处理站设计进出水水质

3.3 工艺流程

选择合适的渗滤液处理工艺主要由技术、经济、环境等多项指标综合决定。该工程通过对上述目前三种常用的工艺进行比较，并结合呼市生活垃圾填埋场渗滤液的特点及工程投资的可行性分析，确定采用“上流式厌氧污泥床反应器（UASB）+膜生化反应器（MBR）+纳滤（NF）+反渗透（RO）”的处理工艺。具体工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

3.4 主要处理单元分析

3.4.1 UASB系统

该项目的UASB反应器采用搪瓷拼装结构，设计反应温度为35℃，设计容积负荷为3.0kgCODCr/m3·d，停留时间为2.8d，污泥浓度为10g/L。反应器内设置三相分离器和布水系统，顶部设沼气收集系统，经三相分离器分离后的沼气引至垃圾焚烧系统回收利用。考虑到呼和浩特市冬季温度低的特点，整个反应器加盖，外部做保温处理，并设置加热设施。在冬季运行时，进水通过换热器加热到35℃左右再进入UASB反应器。

垃圾渗滤液首先从调节池通过提升泵提升，经袋式过滤器去除较大颗粒物后进入UASB反应器的配水箱，通过罐底布水器均匀地在池断面上分开并向上流，保证上升流速的同时起到水力搅拌的作用。渗滤液以一定的流速上升通过污泥床，与污泥充分混合，污泥中的微生物分解有机物，CODCr在这个阶段被大量去除（去除率约达到50%），并明显提高了渗滤液的可生化性。经污泥床后，渗滤液挟带着污泥和沼气一起往上走，经过气液固三相分离器，将水、污泥和沼气三相分开。分离后的污水通过出水管排出反应器，污泥则回落到污泥床中，沼气被收集进入沼气利用系统。

3.4.2 MBR系统

经UASB三相分离器分离后的渗滤液出水自流进入MBR系统。MBR是将生物降解作用与膜的高效分离技术结合而成的一种新型高效的污水处理技术，特别适用于高负荷有机废水的处理。该系统是一种分体式膜生化反应器，包括生化反应器和超滤两个单元，其中生化反应器包括前置式反硝化和硝化两部分。

（1）生化反应单元

该工程的反硝化罐采用搪瓷拼装结构，设计硝化污泥脱氮负荷为0.16kgNO3-N/kgMLSS·d，停留时间1.2d，污泥浓度15g/L。内设水下搅拌机1台，功率2.2kW。

硝化反应罐采用搪瓷拼装结构，设计污泥负荷为0.2kgCOD/kgMLSS·d，停留时间2.4d，混合液污泥浓度15g/L。溶解氧量4～5mg/L，供气量1800m3/h，气水比400 ∶1。为提高氧的利用率，该工程采用特殊设计的射流式曝气机构，保证氧的利用率达到30%以上。设置1台射流循环泵，流量为400m3/h，扬程为10m，功率为37kW。设置2台罗茨风机，1用1备，变频控制，单台风机性能参数为流量30m3/min，风压58.8kPa，功率55kW。

渗滤液在硝化罐中，通过高活性的好氧微生物作用，降解大部分有机物，一部分氨氮通过微生物合成去除，大部分氨氮在高效硝化菌的作用下转变成硝酸盐和亚硝酸盐，通过超滤设备回流到反硝化罐，在缺氧环境中还原成氮气排出，达到生物脱氮的目的。

（2）超滤膜单元

超滤系统由超滤进水过滤器、环路循环泵、超滤膜组件、清洗设施、产水罐及附属阀门、管路、仪表等组成。本工程选用孔径为0.02μm的错流式有机管式超滤膜组件，工作压力0.4MPa。超滤系统进水流量500m3/d，产水量100m3/d。设超滤循环泵1台，流量240m3/h，扬程20m，功率30kW。

渗滤液经生化处理后进入超滤系统，首先经手摇式过滤器过滤后，通过孔径为0.02μm的有机管式超滤膜，分离净化水和菌体。通过超滤膜组件的清水作为产水流入超滤产水罐，未通过膜的浓缩液带着活性污泥回流至反硝化罐。该系统可使生化反应器中的污泥浓度达到15～20g/L，经过不断驯化形成的微生物菌群，对渗滤液中难生物降解的有机物也能逐步降解。

3.4.3 纳滤系统

纳滤系统由加药装置、纳滤保安过滤器、高压泵、环路循环泵、纳滤膜组件、清洗设施、产水罐及附属阀门、管路、仪表等组成。采用卷式纳滤膜，材质为聚酰胺复合膜，截留分子量≥500，操作压力2.5MPa，系统装机功率11.1kW。

超滤产水罐出水流入纳滤系统，超滤产水首先经加药装置添加阻垢剂与盐酸，调节水质后通过保安过滤器过滤，截留大于5μm的颗粒，过滤出水通过高压泵增压后进入纳滤膜组件，通过纳滤膜组件的清水流入产水罐，继而进入反渗透系统，未通过纳滤膜组件的浓缩液通过室内排水沟排至污泥池，最终回灌至填埋区处置。

在渗滤液处理中采用纳滤的最大优点是出水水质好、不会导致浓液中盐离子的富集。MBR出水氨氮指标已经基本达标，但部分难降解有机物尚不能去除，采用纳滤可以进一步分离难降解的较大分子有机物、部分含氮有机物、二价以上盐的离子等，确保后续反渗透系统的稳定运行。

3.4.4 反渗透系统

为保证达到严格的排放标准，该工程在纳滤系统后又增加了反渗透系统，由加药装置、反渗透保安过滤器、高压泵、环路循环泵、反渗透膜组件及清洗设施等组成，该系统实现对污水的进一步分离净化。反渗透采用卷式有机复合膜，材质聚酰胺复合膜，脱盐率95%～99%，操作压力2.5MPa，系统装机功率7.3kW。处理达标出水排放至厂区东北部集水区或作为中水利用，浓缩液回流至超滤产水箱。

3.4.5 污泥与浓液处理系统

污泥与浓液处理系统由污泥池和回灌系统组成。渗滤液处理工艺中各系统均须维持一定的污泥浓度，当系统污泥浓度超过一定范围时，老化的污泥会自我降解转化为有机污染物；同时，过高的污泥浓度会对膜组件产生较大影响，为保证系统的稳定运行，需要定期排泥。该系统设计污泥浓度控制在15～20g/L，当污泥浓度超过该范围，通过调节手动闸阀，将剩余污泥排至污泥池。同时纳滤浓缩液也排至污泥池，与剩余污泥一起回灌至填埋场处置。

污泥池内设两台潜污泵，1用1备，单泵流量16m3/h，扬程25m，电机功率3kW，根据液位控制，自动运行。

3.5 运行效果

呼和浩特市垃圾渗滤液处理站自调试后进入运行以来，系统运行稳定，出水水质达到国家现行《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）。项目实际处理进出水水质如表2所示，各工艺段出水效果对比如图2所示。

表2 渗滤液处理效果

图2 各工艺段出水效果

4 结论

（1）“UASB+MBR+NF+RO”工艺充分发挥了厌氧、好氧生化处理与膜处理相结合的技术优势，在呼和浩特市生活垃圾填埋场渗滤液处理工程中得到了较好的应用，该工艺流程合理，设备运行稳定，管理维护方便。

（2）运行结果表明，系统出水水质稳定，主要技术指标CODCr和氨氮的平均去除率均达到99.5%，出水水质满足设计要求，达到国家现行《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）。

（3）运行实践表明，该组合工艺用于垃圾渗滤液处理切实可行，具有一定的技术优势，可为我国生活垃圾填埋场渗滤液处理的工程应用提供技术参考。

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