"A/O/MBR+RO"工艺处理垃圾渗滤液的中试研究

黄磊 张峥 万美玲 韦烽 陈业祖 邓冬梅

摘    要： 垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，若不加处理而直接排入环境，会造成严重的环境污染，研发高效可行的渗滤液处理工艺具有重要意义.通过建立“缺氧（A）/好氧（O）/膜生物反应器（MBR）+反渗透（RO）”中试设备，现场处理实际垃圾渗滤液，探讨进水浓度和温度条件对垃圾渗滤液中污染物去除影响，考察"A/O/MBR+RO"工艺处理垃圾渗滤液的工艺可行性.结果表明：该工艺在冬季时（5～15 °C）对COD、NH3-N、TN去除率仍可达60%、63%和47%左右.冬季低温时，MBR出水中含有一定的NO2-N，而此时COD满足不了完全反硝化需求，初步说明可能存在一定的短程硝化反硝化.对MBR出水进行RO深度处理后，出水中NH3-N、COD和TN等水质指标均达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）要求.

关键词：垃圾渗滤液;MBR;短程硝化反硝化;总氮

中图分类号：X703          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.007

0    引言

垃圾渗滤液是由于垃圾填埋场中的雨水和水分渗透形成的高强度废水[1].渗滤液含有有机和无机污染物的混合物，包括腐殖酸、氨氮、重金属、异生素和无机盐，其成分取决于垃圾填埋年龄，废物的质量和数量，处置过程中发生的生物和化学过程，垃圾填埋场中的垃圾，降雨密度和水渗透率[2-3].要提高垃圾渗滤液处理效果，脱氮是关键步骤.目前，我国垃圾渗滤液处理大多采用“生化处理+深度处理”工艺，实验室小试研究表明：通过控制水质和温度等条件，序批式生物反应器（SBR）等反应器中可以实现短程硝化反硝化，从而提高脱氮效率[4].目前，膜生物反应器（MBR）是我国垃圾渗滤液生化处理的主流工艺[5]，实验室研究表明，MBR中也可实现短程硝化反硝化[6].但在中试或工程规模上，MBR现场处理垃圾渗滤液时，温度和水质均有一定变化.在此情况下，其脱氮性能及是否可实现短程硝化反硝化有待进一步探讨.

本试验采用内置式平板MBR，构建"A/O/MBR+RO"工艺的中试设备，处理实际垃圾渗滤液，考察不同进水浓度和温度条件下垃圾渗滤液的氮污染物去除影响，以期为利用平板MBR处理垃圾渗滤液提供参考.

1    材料与方法

1.1   实验装置

A/O/MBR+RO工艺流程图如图1所示，由MBR生物处理和RO两部分组成.MBR生物处理部分材质为不锈钢，分为缺氧（A）、好氧（O）和MBR池3个部分，其中A池容积6 m3、O池容积12 m3、MBR池容积12 m3，如图2所示.

A池安装搅拌器装置，在MBR池内放置SMBRP-PVDF-1.4型平板MBR膜组件（柳州森淼环保技术开发有限公司），MBR膜为PVDF超滤膜（孔径0.08 μm，膜过滤面积50 m2），MBR池底部安装穿孔曝气管，曝气供氧并且使得在膜面形成一定的紊流，減缓膜污染.垃圾渗滤液由进水箱经进水泵从底部进入A池后，经过上部溢流至MBR池;在膜组件的过滤后回流至A池，回流比为2.如图2所示整个反应装置中进水、回流水、出水流量及曝气量由转子流量计监测.如图1所示MBR出水经保安过滤器，泵至RO膜组件，RO膜组件出水2∶1回流至RO膜组件进水处，RO膜组件为HPA2-4040（美国海德能）.反渗透系统由低压泵、保安过滤液、高压泵和RO膜组件构成，低压泵运行压力为0.1 MPa，高压泵运行压力为1.5 MPa.

1.2   启动及运行

以柳州市立冲沟垃圾渗滤液为中试设备的进水，接种柳州市市白沙污水厂剩余污泥到MBR生物处理部分，连续进水，生物处理部分HRT=120 h，开始驯化，当MRB出水中水质稳定时作为启动成功，开始运行，通过调节进水流量大小来控制HRT.在除掉运行异常和调试适应期，共稳定运行330 d.在运行过程中1～2个月排泥1次，使MBR池污泥质量浓度控制在9 000～12 000 mg/L范围，MBR池中DO值控制为3～6 mg/L，A池DO控制为0～0.5 mg/L，O池DO值控制为0.5～2.0 mg/L.在运行206 d后开始启动RO处理.实验过程中，MBR或RO膜通量持续快速下降时，即进行一次化学在线清洗.

1.3   分析方法

运行稳定期的1～330 d，每2 d测一次中试设备进水和MBR出水的COD、NH3-N、NO2-N、NO3-N和TN质量浓度.在运行稳定期的206～330 d，除MBR进出水外，补充检测反渗透系统进水箱水质和反渗透出水中的COD、NH3-N和TN质量浓度，测试为2 d/次.利用分光光度法测定COD，纳氏试剂分光光度法测定NH3-N，NO2-N和NO3-N分别用酚二磺酸光度法和N-（1-萘基）-乙二胺光度法进行测定，TN通过TN/TOC分析仪（multi N/C3000，德国耶拿）测定[7].

2    结果与讨论

如图3所示，垃圾渗滤液进水COD质量浓度波动较大，其中在运行的1～122 d，进水COD较低，平均值为2 134 mg/L（1 314 ～3 328 mg/L），之后COD开始升高，其中，在运行124～212 d，COD有较大波动，平均值为3 581 mg/L（2 122～4 746 mg/L）.在第214天进水COD值持续升高，直至第266天达到最大值       8 666 mg/L，之后又逐步下降.在整个运行期间，COD去除率平均为70%，在44%～87%之间波动，而冬季（5～15 oC）的去除率为63%（45%～76%），低于其他时间的去除率.孙晓杰等 [8]也发现垃圾渗滤液反应器其中COD 质量浓度的平均去除率从秋季的70%左右降至冬季的44%.冬季垃圾渗滤液的可生化性一般较差，这也可能是冬季出水COD质量浓度增加的原因[9].

垃圾渗滤液进水COD质量浓度随温度有些波动，其中低温时进水COD质量浓度较高，其中运行第151～240天（5～15 oC），进水COD质量浓度在此低温期间波动范围为2 402～4 542 mg/L，此时设备对COD质量浓度的去除明显低于其他时段，原因可能是由于低温降低了反应池中微生物的活性而导致去除率下降.但当去除率下降到一定时间后又随着进水COD质量浓度的上升而开始回升，MBR池中的微生物开始适应了低温的环境后开始发挥作用，使得COD去除率回升，而整个运行过程中去除率随着进水COD质量浓度明显上下波动，说明在此条件下，COD去除率和进水COD浓度成正比.

在整个设备运行的过程中，垃圾渗滤液进水NH3-N波动也较大，其中低温时进水NH3-N较高，其中运行第151～240天（5～15 oC），进水NH3-N平均为1 701 mg/L（1 222 ～2 252 mg/L），运行的第1～150天（15～35 oC）和第241～330天（15～25 oC）进水NH3-N平均分别为1 002 mg/L和1 262 mg/L（图4）.冬季降水少可能是导致冬季进水氨氮较高的原因之一.对于硝化反应，文献[10]报道适宜温度范围为20～30 oC，一般温度低于15 oC时，硝化速率明显降低，硝化反应受到明显抑制.本研究结果表明，冬季温度在5～15 oC波动时，A/O/MBR对氨氮的去除率虽有些下降，但仍保持有60%的去除率，这可能是因为冬季温度为缓慢降低，硝化细菌对低温环境有更好的适应性[11].尽管本研究中冬季垃圾渗滤液进水氨氮质量浓度比较高，但由于立冲沟垃圾填埋场为分层填埋，填埋过程中，垃圾渗滤液中进水含有较多的碱度（7 000～8 000 mg/L，数据未展示），使运行过程中MBR出水的pH维持在7～9，这也有助于低温下硝化反应的进行.而在运行中，NH3-N质量浓度的去除率随进水NH3-N升高和温度的降低而有下降趋势，到后边在温度回升和进水NH3-N质量浓度下降后去除率又有明显上升（图4），说明水样中的NH3-N和温度共同影响NH3-N的去除效率.由图4可知，在系统运行前期（1～100 d）和系统运行后期（260～330 d）中，进水NH3-N质量浓度总体处于同一水平，而前期运行的温度要大于后期运行温度且NH3-N去除率也要大于后期，这说明了温度的升高有利于系统对NH3-N的降解.在运行的中期（104～160 d）和系统运行后期（260～330 d）中，两者的温度波动范围一致，但中期进水中NH3-N质量浓度要大于后期的进水浓度，运行结果是后期的NH3-N去除率明显大于中期，说明此浓度下水中NH3-N质量浓度的增加提高了系统运行负荷导致去除率降低.

在运行期间，温度和进水物质浓度共同影响着TN的去除效率（图5）.当进水浓度相一致时（1～95 d和284～330 d两个时间段），温度较高（23～35  oC）的时间段1～95 d的TN去除率要高于温度较低               （15～25  oC）的284～330 d.在同一溫度范围内，第104～150 天进水TN浓度要高于260～330 d，去除率却低于后者，说明在此条件下进水TN浓度的升高降低了TN的去除率.整个过程TN的去除率波动范围为41%～83%，和COD、NH3-N类似，温度较高时，总氮的去除率较高，运行的第1～150天（15～35 oC）和第241～330天（15～25 oC）TN去除率平均分别为66%和63%（图5）.值得注意的是，运行的第151～240天（5～15 oC），TN的平均去除率尽管低于较高温度，但仍达47%.在此低温期间，COD波动范围为2 402～ 4 542 mg/L，且多为难降解有机物，理论上满足不了完全反硝化对COD的要求.对运行期间进水和出水中的NO2-N和NO3-N分析表明，在运行第156～252天及276～330天，出水中均出现NO2-N积累，积累的NO2-N量分别为227（±92）mg·L-1和131（±39） mg·L-1，其含量接近NO3-N（图6）.据报道，NO2-数量占总氮的一半时，一般会发生短程硝化反硝化，本研究结果初步证明短程反硝化存在.因为亚硝化菌对低温有更强的适应性，利用SBR处理垃圾渗滤液时，也发现低温下短程硝化反硝化的存在[12]，这可能是因为亚硝酸细菌对低温环境的适应性明显高于硝酸细菌.利用MBR处理晚期垃圾渗滤液时，发现晚期垃圾渗滤液中COD所含有毒物质、底物和产物等会抑制短程硝化反硝化的效率，其中有毒物质的抑制作用最强烈[13].本研究中，冬季垃圾渗滤液成分更接近晚期垃圾渗滤液，而短程硝化反硝化为部分反硝化，这也可能是垃圾渗滤液中毒性物质的作用导致，需对这些因素的进一步探讨，对提高冬季MBR对垃圾渗滤液的脱氮效率有重要意义.

由于出水中仍有部分COD和TN，垃圾渗滤液必须有后续处理，纳滤和反渗透是常见后处理方式[14].尽管进入反渗透膜的进水COD、NH3-N和TN平均分别达到了1 164 mg/L、62 mg/L和585 mg/L，出水COD、NH3-N和TN质量浓度稳定低于50 mg/L、25 mg/L和40 mg/L，达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）要求，证明了“平板MBR+反渗透”工艺可以稳定用于垃圾渗滤液的处理.

在稳定运行的206～330 d中，MBR和RO对水中各个指标的去除贡献率如表1所示，在设备运行过程中，A/O/MBR工艺对垃圾渗滤液的去除起到主要作用，特别是对NH3-N的去除中，贡献值达到               96（±4.4）%的值.运行的206～330 d中，有3个月的时间（151～241 d，5～15 oC）是属于冬季的，此时的   A/O/MBR仍能起到主要去除作用，说明虽然温度降低，但是MBR池中的生物仍有较高的去除效率，说明MBR对垃圾渗滤液的脱氮效率有较大意义.

3    结论

本论文建立的 “缺氧（A）/好氧（O）/膜生物反应器（MBR）+反渗透（RO）”中试设备，现场处理实际垃圾渗滤液中考察不同进水浓度和温度条件下对垃圾渗滤液的氮污染物去除影响.得出A/O/MBR工艺在冬季时（5～15 oC）对COD、NH3-N、TN可以保持60%、63%和47%的去除率，在其他温度较高时，去除率也随之提高.在本试验条件下，进水COD质量浓度的提高促进了COD的去除，而进水NH3-N和TN质量浓度的提高则会降低系统的去除效果.在运行的完整工艺（206～330 d）对垃圾渗滤液处理中，A/O/MBR对COD、NH3-N、TN的去除贡献率分别为73（±6.9）%、96（±4.4）%、59（±9.2）%，说明A/O/MBR工艺在处理垃圾渗滤液中起到主要作用.冬季低温时，MBR出水中含有一定的NO2-N，而此时COD满足不了完全反硝化需求，初步说明可能存在一定的短程硝化反硝化.在利用RO进一步处理MBR出水，RO出水中COD、  NH3-N和TN稳定达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）要求，初步證实“A/O/MBR+RO”工艺处理垃圾渗滤液稳定可行，以期为利用平板MBR处理垃圾渗滤液提供参考.

参考文献

[1]     HASAR H，UNSAL S A，IPEK U，et al. Stripping/flocculation/membrane bioreactor/reverseosmosis treatment of municipal landfill leachate[J]. J Hazard Mater，2009，17：309-317.

[2]     PASALARI H，FARZADKIA M，GHOLAMI M， et al. Management of landfill leachate in Iran：valorization，characteristics and environmental approaches[J]. Environ Chem Letter，2018，4：51-61.

[3]     WISZNIOWSKI J，ROBERT D，SURMACZ-GÓRSKA J，et al. Landfill leachate treatment methods：a review[J]. Environ Chem Lett，2006，4：51-61.

[4]     丁西明，李洪君，李晓尚，等. MBR+NF/RO工艺处理垃圾渗滤液设计计算[J]. 2015，31（4）：72-76.

[5]     宫曼丽，刘洋，赵欣，等. 新型短程硝化反硝化工艺处理高浓度氨氮废水[J]. 中国给水排水，2013（11）：1-5.

[6]     范美霖，张云霞，张劲松，等. 生物强化 MBR-AF 工艺短程硝化反硝化研究[J]. 环境科学学报，2012，32（8）：1814-1821.

[7]     国家环保总局. 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.

[8]     孙晓杰，王敦球，赵由才，等. 秋冬季节对矿化垃圾反应器处理渗滤液效果的影响[J]. 环境科学与技术，2011，34（12）：185-188.

[9]     李广科，牛静，云洋，等.垃圾填埋场渗滤液污染特性分析[J].农业环境科学学报，2008，27（1）：333-337.

[10]   叶建锋.废水生物脱氮处理新技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[11]   杨庆，彭永臻，王淑莹，等. SBR法低温短程硝化实现与稳定的中试研究[J]. 化工学报，2007，58（11）：2901-2905.

[12]   孙洪伟，郭英，彭永臻，等. 实际垃圾渗滤液短程生物脱氮的常温实现及低温维持[J]. 中国环境科学，2013，33（11）：1972-1977.

[13]   李芸，熊向阳，李军，等. 膜生物反应器处理晚期垃圾渗滤液亚硝化性能及其抑制动力学分析[J]. 中国环境科学，2016，36（2）：419-427.

[14]   柯水洲，袁辉洲，杨利. SBR与MBR-NF/RO工艺处理垃圾渗滤液运行效果分析[J]. 2013，39（4）：56-59.

A pilot study on the treatment of landfill leachate by

"A/O/MBR+RO" process

HUANG Lei1，2， ZHANG Zheng1，2， WAN Meiling1，2， WEI Feng1，2， CHEN Yezu1，2， DENG Dongmei*1，2

（1.School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources（Guangxi University of     Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstracts： Landfill leachate is a high-concentration organic wastewater with complex composition. If discharged into the environment without treatment， it will cause serious environmental pollution. It is of great significance to develop a highly efficient and feasible leachate treatment process. By building   "anoxic （A） / aerobic （O） / membrane bioreactor （MBR） + reverse osmosis （RO）" pilot plant， on-site treatment of actual landfill leachate was done; the impact of influent concentration and temperature  conditions on the removal of pollutants in landfill leachate was explored; the feasibility of the "A/O/MBR+RO" process for treating landfill leachate was examined. The results show that the removal rate of