颗粒活性炭对A/O-MBR处理垃圾渗滤液的影响

杨 恒，肖惠群，夏四清

（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）

颗粒活性炭对A/O-MBR处理垃圾渗滤液的影响

杨 恒，肖惠群，夏四清

（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）

采用A/O-MBR处理垃圾渗滤液，考察投加颗粒活性炭（GAC）对出水水质、膜污染的影响，以及不同投加量对出水水质的影响。结果表明：与不投加GAC相比，在A/O-MBR中投加0.75 g/L GAC时，出水平均COD从1 585 mg/L下降到1 484 mg/L，NH4+-N平均从25.6 mg/L下降到23 mg/L，出水水质有所提高。同时膜压增长速度减慢，膜表面泥饼层厚度减小，表明膜污染减缓。当GAC投加量从1 g/L提高到2 g/L时，出水平均COD从1 220 mg/L下降到840 mg/L，出水NH4+-N平均从20.8 mg/L下降到18 mg/L，说明增大GAC投加量有助于提高MBR出水水质，同时可大大减缓膜污染，并明显降低垃圾渗滤液后续纳滤、反渗透处理的污染压力。

A/O-MBR；垃圾渗滤液；颗粒活性炭

垃圾渗滤液是指垃圾在堆积和填埋过程中由于发酵和雨水的淋浴、冲刷以及地表水、地下水的浸泡而滤出来的污水〔1〕。垃圾渗滤液成分比较复杂，水质水量波动大，毒性较大，其有机物、氨氮、重金属等含量往往较高〔1-2〕。垃圾渗滤液的处理大多采用物化和生物处理联合工艺，但目前尚没有一种工艺十分完善，能很好地处理垃圾渗滤液。垃圾渗滤液的处理已经成为污水处理中的棘手问题。

膜生物反应器（MBR）可将生物处理与膜分离技术结合在一起，具有处理效率高、出水水质好、工艺流程短、剩余污泥量少，占地面积小等优点〔3-5〕。但膜污染一直是影响MBR广泛应用的关键问题〔6〕。颗粒活性炭（GAC）具有巨大的比表面积和发达的内部孔隙，适合微生物的附着、固定和生长，利用其良好的吸附性能和微生物降解作用可有效去除可溶性有机物〔7〕。笔者向A/O-MBR反应器中投加GAC，以提高MBR对垃圾渗滤液的处理效果并改善膜污染状况，以期为垃圾渗滤液的达标处理提供借鉴和参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验水质

垃圾渗滤液取自江苏省昆山市某垃圾发电厂的厌氧池出水。由于氨氮含量较高，为降低其对微生物的毒害作用，根据课题组此前研究〔8〕，试验前对原水进行磷酸铵镁法（鸟粪石工艺）预处理。选用MgSO4·7H2O和K2HPO4·3H2O作为投加药剂，控制磷氮比为1.2∶1，镁氮比1.1∶1，搅拌时间4 min，搅拌速率100 r/min。垃圾渗滤液原水以及经鸟粪石工艺预处理后的出水水质如表1所示。

表1 试验水质

1.2 试验装置

A/O-MBR试验装置如图1所示。

图1 A/O-MBR试验装置

反应器采用5 mm厚的有机玻璃制成，缺氧区和好氧区的尺寸分别为250 mm×100 mm×100 mm和250mm×100mm×200mm，其中有效水深为200mm，总有效容积为6 L。缺氧区与好氧区之间的回流比控制在400%。系统采用间歇出水方式，抽停比为8、2 min，进水则由液位计控制。试验采用苏州立升公司生产的中空纤维膜，膜材质为聚偏氟乙烯（PVDF），膜丝长度为230 mm，膜孔径约为0.2 μm，膜面积为0.052 m2，每组40根膜丝。好氧区底部采用穿孔管曝气供氧并进行膜面冲刷，曝气量控制在3 L/min。反应器内投加的颗粒活性炭为0.6~ 0.85 mm（30～20目），试验前用蒸馏水泡洗24 h后在103℃下烘干备用。

1.3 分析方法

COD采用快速密闭催化消解法测定，NH4+-N采用纳氏试剂比色法测定〔9〕。

1.4 污泥驯化与试验方法

鸟粪石工艺预处理过的垃圾渗滤液与市政污水配水按比例混合后作为反应器进水进行驯化，混合比例按1∶4、1∶2、1∶1、1∶0逐步提升，每种比例运行1周左右。接种污泥取自上海曲阳污水厂的回流污泥，起始污泥质量浓度为5 g/L。污泥取回后首先闷曝2 d，然后投入到A/O-MBR中进行驯化。在驯化过程中调节膜生物反应器的HRT，使MBR系统运行稳定，并分别测定出水COD、NH4+-N及污泥浓度MLSS。MBR稳定运行后，膜通量控制在1.3 mL/min，相应的HRT为60 h，不排泥运行。

试验采用分段比较运行，第1阶段在1个反应器中不投加GAC运行，另1个反应器中投加0.75 g/L的GAC平行比较运行，对出水水质和膜污染情况进行研究。试验第2阶段增加GAC投加量，根据文献〔1〕、〔10〕、〔11〕报道，选取GAC投加量为1、2 g/L，分别投入到2个反应器中平行比较运行，考察提高GAC投加量对出水水质的影响。

2 结果与讨论

2.1 投加GAC对出水水质及膜污染的影响

（1）投加GAC对COD去除效果的影响。未投加GAC的反应器记为MBR1，投加0.75 g/L GAC的反应器记为MBR2。2个反应器进出水COD变化如图2所示。

图2 MBR1和MBR2对COD的去除效果

如图2所示，进水COD在2 000～3 800 mg/L内波动。投加GAC稳定运行后，MBR2对COD的去除率可达到45%～56%，出水COD稳定在1 300～1 600 mg/L，平均为1 484 mg/L；而MBR1对COD的去除率为40%～50%，出水COD稳定在1 400～1 800 mg/L，平均为1 585 mg/L。对比发现，投加GAC后出水COD平均下降了约100 mg/L。出水水质的提高可能是由于GAC可吸附部分有机物，同时活性污泥絮体可用GAC作为载体相互吸附聚集，形成生物活性炭（BAC），而BAC比一般的活性污泥降解能力强，可以更有效地去除有机物〔4，7〕。但投加GAC后COD去除效果不如文献〔1〕、〔4〕、〔12〕，可能是因为GAC投加量较低，因此试验第2阶段增加了GAC的投加量，考察提高GAC投加量对出水水质的影响。

（2）投加GAC对NH4+-N去除效果的影响。2个反应器进出水NH4+-N变化如图3所示。

图3 MBR1和MBR2对NH4+-N去除效果

图3中进水NH4+-N在150～350 mg/L之间波动。系统运行10 d后，出水NH4+-N基本稳定，其中MBR1对NH4+-N的去除率在85%～94%，出水NH4+-N稳定在16～37 mg/L，平均为25.6 mg/L；MBR2对NH4+-N的去除率在87%～93%，出水NH4+-N稳定在13～33 mg/L，平均为23 mg/L。MBR2的氨氮处理效果比MBR1稍好一些，平均出水情况甚至低于垃圾渗滤液出水水质标准（GB 16889—2008）中规定的氨氮值（25 mg/L）。这可能是因为硝化菌更倾向于附着生长〔13〕，MBR2中投加的GAC可以作为硝化菌生长的良好载体，使反应器中硝化菌的数量多于MBR1，从而硝化能力更强。

（3）投加GAC对膜污染的影响。用跨膜压差（TMP）来表征膜污染状况，当TMP超过60 kPa时，取出膜挂件冲洗表面，再进行水力反冲洗，以冲刷掉膜表面累积的泥饼层。2个平行反应器的膜压变化情况如图4所示。另外试验还对2个反应器的膜进行电镜扫描。

由图4可以看出，MBR1运行10 d后TMP就达到60 kPa，平均6 kPa/d，而MBR2运行16 d时TMP才达到60 kPa，平均3.75 kPa/d，MBR2的TMP增长速度明显低于MBR1，表明投加GAC可减缓膜污染，使MBR的运行周期延长。电镜扫描发现2个反应器的膜表面都覆盖着一层紧密的泥饼层，同时还出现膜孔堵塞的现象。其中，MBR1的膜表面泥饼层平均厚度为400 μm，而MBR2的膜表面泥饼层平均厚度为250 μm，从形成表面泥饼层结构角度说明投加GAC确实对膜污染有减缓作用。这可能是由于投加GAC后，MBR中的活性污泥絮体以GAC为载体，黏附在一起聚集形成更大的絮体，从而改善了污泥絮体性质，提高了混合液的可过滤性，使MBR的运行周期延长〔14〕。另外GAC吸附能力比较强，可以吸附部分引起膜污染的胶体和溶解性物质，且GAC使得生物活性炭絮体比一般絮体抗压性强，因此形成的凝胶层相对比较疏松，孔隙度高，透水性强，大大降低了滤饼层引起的膜阻力〔14〕。此外，曝气作用下GAC与膜表面碰撞摩擦，可抑制沉积层的快速形成，并且在沉积层形成后可能使其摩擦变薄甚至脱落，减缓膜污染〔3〕。

图4 MBR1和MBR2膜压变化情况

2.2 提高GAC投加量对出水水质的影响

（1）提高GAC投加量对COD去除效果的影响。分别提高GAC投加量为1、2 g/L，对应的2个反应器分别记为MBR3、MBR4，其进出水COD变化如图5所示。

图5 MBR3和MBR4对COD的去除效果

如图5所示，进水COD在1 900～3 500 mg/L波动。其中MBR3对COD的去除率在50%～67%，出水COD稳定在950～1 500 mg/L，平均1 220 mg/L；MBR4对COD的去除率在60%～73%，出水COD稳定在600～900 mg/L，平均840 mg/L。随着GAC投加量从1 g/L增加到2 g/L，MBR对COD的去除率提高，出水平均COD下降约400 mg/L。再结合图2可以看出，GAC投加量增加有助于出水COD的降低。这可能是由于GAC投加量增加，可吸附的有机物量增加，并且形成的生物活性炭量更多，降解有机物能力更强。但GAC投加量过大会导致处理成本较高，文献〔1〕、〔10〕-〔12〕表明，活性炭投加量在1~2 g/L时已经可以取得不错的处理效果，超过2 g/L处理效果提升并不明显。因此，试验中GAC投加量宜控制在2 g/L以下。

（2）GAC投加量对NH4+-N去除效果的影响。2个反应器进出水NH4+-N变化如图6所示。

图6 MBR3和MBR4对NH4+-N的去除效果

由图6可以看出，进水NH4+-N在157～476 mg/L波动，但2个反应器对NH4+-N的去除效果都很好。运行5 d后出水NH4+-N基本稳定，其中MBR3出水NH4+-N稳定在14～28 mg/L，平均为20.8 mg/L，去除率在89%～95%，；MBR4出水NH4+-N稳定在13～27 mg/L，平均为18 mg/L，去除率在90%～95%。对比后发现，MBR4的出水NH4+-N要比MBR3的进一步降低。再结合图3可以看出，GAC投加量增加可以提高NH4+-N去除效果。这可能是因为GAC可以作为硝化菌生长的良好载体，GAC投加量增加使得反应器中的硝化菌的数量更多，从而硝化能力更强。

3 结论

（1）相较于未投加GAC的反应器，投加0.75 g/L GAC的反应器出水COD平均从1 585 mg/L下降到1 484 mg/L，出水NH4+-N平均从25.6 mg/L下降到23 mg/L，已经达到垃圾渗滤液出水水质标准（GB 16889—2008）中规定的25 mg/L，出水水质有所提高。另外，投加GAC后TMP增长速度放缓，膜表面泥饼层厚度减小，说明投加GAC可明显减缓膜污染。

（2）GAC投加量从1 g/L提高到2 g/L时，出水平均COD从1 220 mg/L下降到840 mg/L，下降明显，出水NH4+-N平均从20.8 mg/L下降到18 mg/L，有所降低。在此试验条件下，提高GAC投加量可进一步提高出水水质，降低COD，同时大大降低膜污染，减缓后续纳滤、反渗透处理的污染压力。

［1］赵玲，严兴，尹平河，等.污泥活性炭强化SBR法处理垃圾渗滤液的实验研究［J］.环境工程学报，2009，3（12）：2189-2194.

［2］申丽芬，孙宝盛，张燕.PAC和PAM复合混凝剂对垃圾渗滤液预处理的研究［J］.工业水处理，2014，34（2）：59-61.

［3］马金霞，王世和，沈倩宇.投加颗粒活性炭对膜生物反应器过滤特性的影响［J］.中国给水排水，2010，26（3）：87-89.

［4］张凤君，王顺义，刘田，等.投加粉末活性炭对MBR运行性能的影响［J］.吉林大学学报：地球科学版，2007，37（2）：350-354.

［5］王德美，王晓昌，唐嘉陵，等.不同回流比和SRT对A/O-MBR脱氮除磷的影响［J］.工业水处理，2016，36（1）：55-58.

［6］陈斌，王海峰，吴明铂.膜生物反应器中的膜污染及其再生［J］.工业水处理，2011，31（8）：16-20.

［7］朱亮，朱凤春，许旭昌，等.MBR/PAC组合工艺处理污水厂尾水的中试研究［J］.中国给水排水，2009，25（5）：59-62.

［8］叶标，胡青，周礼杰，等.磷酸铵镁法去除垃圾渗滤液中高浓度氨氮的研究［J］.环境污染与防治，2013，35（7）：31-35.

［9］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002：235-285.

［10］赵英，于丹丹，秦东平，等.PAC投加量对MBR混合液性质及膜污染的影响［J］.水处理技术，2005，31（11）：52-55.

［11］Johir M A，Shanmuganathan S，Vigneswaran S，et al.Performance of submerged membrane bioreactor（SMBR）with and without the additionofthedifferentparticlesizesofGACassuspendedmedium［J］. Bioresource Technology，2013，141（4）：13-18.

［12］林红军，陆晓峰，王文浪，等.PAC-MBR组合工艺处理城市污水厂出水的研究［J］.上海理工大学学报，2007，29（2）：154-159.

［13］王建龙，吴立波，钱易.复合生物反应器处理废水特性的研究［J］.中国给水排水，1998（2）：29-32.

［14］洪俊明，尹娟.颗粒活性炭对膜生物反应器脱氮性能的影响［J］.中国环境科学，2012，32（1）：75-80.

Influences of GAC on the treatment of landfill leachate by A/O-MBR

Yang Heng，Xiao Huiqun，Xia Siqing
（State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China）

A/O-MBR has been used for treating landfill leachate.The influences of GAC on effluent water quality，and membrane fouling，as well as the influences of different GAC dosages on effluent water quality are investigated. The results show that compared with the case that no GAC is added，the effluent average COD decreases from 1 585 mg/L to 1 484 mg/L，and the average NH4+-N decreases from 25.6 mg/L to 23 mg/L，when 0.75 g/L of GAC is added to A/O-MBR.It indicates that the effluent water quality has been improved.Meanwhile，the transmernbrane pressure increasing rate is slowed down，the thickness of membrane surface cake layer gets thinner，indicating the membrane fouling is alleviated obviously.When GAC dosage is increased from 1 g/L to 2 g/L，the effluent average COD decreases from 1 220 mg/L to 840 mg/L，and the effluent average NH4+-N decreases from 20.8 mg/L to 18 mg/L.It indicates that increasing GAC dosage helps to improve the effluent water quality of MBR，and alleviate membrane fouling greatly.Furthermore，the fouling pressure from the following nano-filtration and reverse osmosis treatment of landfill leachate can be lightened remarkably.

A/O-MBR；landfill leachate；granular activated carbon

X703

A

1005-829X（2016）12-0047-04

杨恒（1991—），硕士。电话：17717090206，E-mail：1433001@tongji.edu.cn。

2016-10-30（修改稿）