移动床生物膜工艺强化处理垃圾焚烧厂渗滤液的特性研究

0 引 言

在城市生活垃圾焚烧处理过程中，新鲜生活垃圾的短时间堆置会产生大量的渗滤液，渗滤液中污染物浓度高、水质成分复杂、且含有大量难降解有机物，可生化性差，处理难度大，在实际工程中常采用低能耗、运行管理方便的生物处理技术[1-2]。污水生物处理技术包括厌氧处理、好氧处理及其组合技术，

其中厌氧技术具有能耗低、污泥产量少、抗冲击负荷能力强、可以产生可利用能源等优势，在处理高浓度废水领域应用广泛[3]。但是厌氧技术对氨氮去除能力较差，甚至会使氨氮浓度显著增加，因此采用该技术处理垃圾渗滤液后COD、氨氮浓度仍较高，必须依靠好氧技术进一步强化处理。

目前常用的垃圾渗滤液好氧处理技术主要是膜生物反应器(MBR)和序批式活性污泥法(SBR)。肖诚斌等[4]采用预调节-UBF-SBR-超滤组合工艺处理垃圾焚烧厂的渗滤液，SBR能将COD从1 500 mg·L-1降至500 mg·L-1，氨氮从1 200 mg·L-1降至14 mg·L-1，污染物去除效果明显。李红莲[5]采用预处理-UBF-MBR-纳滤组合工艺处理垃圾焚烧厂的渗滤液，MBR能将COD由10 500 mg·L-1降到500 mg·L-1以下，氨氮由2 000 mg·L-1降到12 mg·L-1，表明好氧工艺对有机物和氨氮的去除能力较好。移动床生物膜(MBBR)是一种新型好氧生物膜反应器，同时具备了活性污泥法和生物膜法的优势，具有系统生物量大且稳定、污泥龄长、剩余污泥产生量少、占地面积小、耐冲击负荷等突出优势，在高浓度、难降解废水的处理中受到了广泛关注[6-7]，特别在垃圾渗滤液处理中具有显著优势。叶杰旭[8]采用缺氧/好氧MBBR-MBR组合工艺处理垃圾焚烧厂渗滤液厌氧出水，进水COD为6 500 mg·L-1左右、氨氮浓度为1 650 mg·L-1时，对COD、氨氮的去除率能达到80%和86%，实现了对高浓度氨氮的有效去除。

本研究针对典型生活垃圾焚烧厂垃圾渗滤液的水质特征，在厌氧处理基础上，采用MBBR反应器进行深度脱氮除碳研究，通过考察A/O池容比、硝化液回流比和温度对MBBR运行效能的影响，研究建立了MBBR优化工艺条件及工艺运行效能，为MBBR工艺在垃圾渗滤液处理工程的应用提供了技术支持。

1 材料与方法

1.1 实验用水

实验原水取自河南某市生活垃圾焚烧发电厂的渗滤液调节池，

由图2和图3可知，随着A/O池容比的减小，COD和氨氮的去除率都是先上升再下降。在A/O池容比为1∶3时，COD去除效果最好，平均去除率达到76.4%；在A/O池容比为1∶3和1∶4时，氨氮的去除效果最好，去除率稳定在95%以上，A/O池容比为1∶3时的去除效果略低于A/O池容比为1∶4时。在A/O池容比为1∶3时，污染物在好氧区的停留接触时间增长，好氧硝化作用和微生物对有机物降解作用更加充分，增强了对氨氮和COD的去除能力，同时硝化液回流至缺氧区携带的硝酸盐增多，提高了反硝化脱氮效率，因此整体去除效果是最好的。但是随着A/O池容比进一步提高到1∶2时，污染物在好氧区的停留时间过短，使得生物降解作用未能有效发挥， COD的去除率显著降低，缺氧区因为反硝化作用底物有限，对氨氮的去除效果提升也不明显。综合来看，好氧MBBR生物池在A/O池容比为1∶3时，运行效果最佳。

 

表1 实验水质情况

 

Table 1 Experimental water quality

  

水质指标原水MBBR进水COD / (mg·L-1)45 000～50 0004 000～7 000氨氮 / (mg·L-1)1 900～2 1001 800～2 500SS / (mg·L-1)4 600～4 9004 000～5 000pH6.0～7.07～8TN / (mg·L-1)2 200～2 3002 500～3 500

1.2 实验装置

  

图1 实验装置示意图Fig.1 Diagram of experimental device

MBBR实验装置如图1所示，由有机玻璃制成，分为缺氧区、好氧区和沉淀池三部分，缺氧区和好氧区整体规格为L×B×H=900 mm×300 mm×350 mm，有效容积为94.5 L，沉淀池规格为L×B×H=245 mm×200 mm×250 mm，有效容积为12.25 L。在缺氧区和好氧区之间设置可移动挡板，调节A/O池容比。好氧池内投加移动床生物膜填料，材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，填料尺寸为Φ12 mm×12 mm，投配比为好氧区体积的20%，底部设置微孔曝气管，通过调节曝气管位置和曝气强度控制填料流态。

1.3 实验条件

2.1.3 温度的影响

1.4 检测项目与方法

实验检测指标均采用国家标准方法，主要包括：COD采用快速密闭催化消解法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，SS采用重量差法测定，pH采用上海雷磁pH测试仪测定，TN采用日本岛津总氮测定仪测定，DO采用便携式溶解氧仪测定。

2 结果与分析

2.1 工艺条件对MBBR处理效果的影响

2.1.1 A/O池容比的影响

硝化液回流对污水生物脱氮过程具有重要影响，较低的回流比可使缺氧区硝酸盐氮不足，生物反硝化作用发挥不足，而较高的回流比会使缺氧区DO升高，破坏其缺氧环境，抑制反硝化细菌的活性，因此都会影响系统的整体脱氮效果[11-13]。实验过程中，在A/O池容比为1∶3、温度22～23 ℃、HRT为9.5 d时，考察了硝化液回流比为200%、300%、400%的条件下，MBBR生物池对COD和氨氮的去除效果，结果分别如图4和图5所示。

  

图2 不同A/O池容比下系统对COD的去除效果

 

Fig.2 Effect of A/O volume ratio on the removal ofCOD by system

 

 

图3 不同A/O池容比下系统对氨氮的去除效果

 

Fig.3 Effect of A/O volume ratio on the removal ofammonia nitrogen by system

其中MBBR工艺进水采用厌氧工艺的出水，具体水质情况如表1所示。

由图8可知，进水COD浓度范围为4 000～7 000 mg·L-1，平均浓度5 320 mg·L-1，出水COD浓度范围为1 000～2 700 mg·L-1，平均浓度1 890 mg·L-1，COD平均去除率为64.3%，最大去除率接近80%。稳定运行期间，进水COD浓度大部分时间高于5 000 mg·L-1，此时COD的去除率都在60%以上。特别是当进水COD浓度继续增加到6 000 mg·L-1以上时，系统对COD去除率仍能维持在60%。可见好氧MBBR系统对进水COD有较强的抗冲击负荷能力。

2.1.2 硝化液回流比的影响

通过岩石力学理论分析，对于人工压裂裂缝而言，其裂缝方向始终平行于最大主应力方向，当水平段轨迹与最大主应力方向夹角不同时，会产生不同的人工压裂裂缝形态。当水平段轨迹平行于最大主应力方向时，裂缝与水平段轨迹方向平行，产生轴向裂缝；当水平段轨迹与最大主应力方向呈0°～90°夹角时，裂缝与水平段轨迹方向斜交，产生斜向裂缝；当水平段轨迹与最大主应力方向垂直时，裂缝与水平段轨迹方向垂直，产生垂直于水平段轨迹的裂缝。

A/O池容比是影响MBBR工艺脱氮效果的重要因素，在MBBR反应池容积一定的条件下，增大A/O池容比可有效延长污染物在缺氧区停留时间，硝化液回流至缺氧区，携带的有机物增多，有机物在缺氧区被充分利用，促进了反硝化异养微生物的新陈代射，提高了系统的脱氮作用能力；反之，减小A/O池容比相应扩大好氧区容积，使回流至缺氧区的有机物减少，碳源降低会抑制异养反硝化细菌的活性，使得系统脱氮效果会减弱[9-10]。 实验过程中，在硝化液回流比为300%、温度22～23 ℃、HRT为9.5 d时，考察了A/O池容比为1∶2、1∶3、1∶4条件下，MBBR生物池对COD和氨氮的去除效果，结果分别如图2和图3所示。

  

图4 不同硝化液回流比下系统对COD的去除效果

 

Fig.4 Effect of the reflux ratio of nitrifying liquidon the removal of COD by system

 

 

图5 不同硝化液回流比下系统对氨氮的去除效果

 

Fig.5 Effect of the reflux ratio of nitrifying liquid on theremoval of ammonia nitrogen by system

由图4和图5可知，在硝化液回流比从200%到400%的变化过程中，COD和氨氮的去除率都先升高再下降，在硝化液回流比为300%时，去除效果最佳，

检索模块：根据检索信息的关键词个数，分为单关键词检索、多关键词批量检索两类。用户只需摘取所需资料的一个或多个关键词并输入检索模块的检索框，检索模块将立即从语料库中检索包含了该关键词的短语和句子都汇集起来，然后再对这些检索结果进行次数统计，形成统计报告。

接种污泥取自哈尔滨某污水处理厂污泥，m(MLVSS)/m(MLSS)≈0.5。通过曝气培养使MBBR反应器内污泥浓度达到3 000 mg·L-1后，投加移动床生物膜填料。连续运行约7 d后，观察到填料出现肉眼可见的黄褐色生物膜，对COD的去除率也达到稳定，表明反应器启动完成。实验中通过调节A/O池容比、硝化液回流比、温度等条件，研究MBBR反应器的处理效果，每个条件运行时间为7 d，主要工艺条件为(1)A/O池容比为1∶2、1∶3、1∶4；(2)硝化液回流比为200%、300%、400%；(3)温度为16～18 ℃、22～23 ℃、27～30 ℃。

温度对MBBR系统中微生物生命活动影响较大，特别是系统中用于脱氮的微生物，例如硝化菌的适宜生长温度为20～30 ℃，硝化过程形成的亚硝酸可完全被氧化成硝酸，对氨氮去除效率较高。但是当温度降低到15 ℃以下和超过35 ℃时，硝化菌活性将受到更严重的抑制，出现HNO2 积累[14-16]。实验过程中，反应器的温度有较大幅度的变化，最高温度在28～30 ℃，最低温度在16～17 ℃。在硝化液回流比为300%、A/O池容比为1∶3、HRT为9.5 d的条件下，研究温度对MBBR系统降解污染物的效果，结果如图6和图7所示。

1.3.2 地基 在文山可充分利用斜坡的自然条件，地基的一端靠坡，另一端立柱，柱高1.5-2米，以混泥土浇灌成35-45度斜坡（利于粪便自动滚落）。

  

图6 不同温度条件下系统对COD的去除效果

 

Fig.6 Effect of the temperature on the removal ofCOD by system

 

 

图7 不同温度条件下系统对氨氮的去除效果

 

Fig.7 Effect of the temperature on the removalof ammonia nitrogen by system

由图6和图7可知，随着水温的升高，MBBR生物池对COD和氨氮的去除效果逐渐升高。当水温在27～30 ℃时，去除效果最好，此时COD的平均去除率达到83.0%，氨氮的去除率达到98.0%。在水温T为16～18 ℃时，系统对COD的平均去除率为71.0%，对氨氮的平均去除率为96.4%；在水温T为22～23 ℃时，系统对COD的平均去除率为75.0%，对氨氮的平均去除率为97.6%。MBBR系统内的硝化细菌和反硝化细菌对温度变化十分敏感，当水温超过25 ℃以后，硝化细菌和反硝化细菌的生物活性显著增强，系统对氨氮的去除效果最好；而当水温低于20 ℃后，硝化细菌和反硝化细菌微生物的生物活性显著减弱，因此温度在很大程度上影响了系统对污染物的去处效果。综合来看，水温控制在25～30 ℃，系统对污染物的降解去除效果比较明显，但从节约能耗和水温控制便易性角度来看，系统水温控制在室温即25 ℃左右是最经济的。

2.2 MBBR稳定运行效能

MBBR生物池在最佳运行参数下稳定运行一个月，运行期间检测进出水COD、氨氮、TN以及pH的变化，考察好氧MBBR生物池系统的稳定性，结果如图8、图9和表2所示。稳定运行阶段，水温在24～25 ℃，溶解氧控制在3.0～5.0 mg·L-1，进水pH值为7.5～7.9，出水pH值为8.7～9.0。

其中COD的平均去除率达81.8%，氨氮的去除率达97.3%。硝化液回流比为400%时，系统对COD和氨氮的去除率都稍稍下降，这是因为较高的硝化液回流比使得缺氧区DO升高，反硝化过程受到抑制，水中的有机污染物不能及时被利用，从而导致系统对氨氮和COD的去除效果降低。而硝化液回流比为200%时，好氧区积累的硝酸盐不能及时回流至缺氧区进行反硝化作用，直接导致氨氮去除效果不如回流比为300%时的，间接导致COD的去除效果也下降。综合来看，好氧MBBR在硝化液回流比为300%时运行效果最佳。

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图8 系统对COD的稳定去除效果

 

Fig.8 COD stable removal by system

 

 

图9 系统对氨氮的稳定去除效果

 

Fig.9 Ammonia nitrogen stable removal by system

由图9可知，进水氨氮浓度范围为1 800～2 500 mg·L-1，平均浓度2 176 mg·L-1，出水氨氮浓度小于100 mg·L-1，平均浓度57 mg·L-1，氨氮平均去除率为97.4%，最大去除率为98.6%。当水体pH值为8～10时，部分铵根离子会变成游离的氨气，释放到空气中。好氧区的持续曝气能够促进铵根离子向氨气的转变，在一定程度上提高了氨氮的去除率。稳定运行期间，进水氨氮浓度大部分时间是高于2 000 mg·L-1，氨氮的去除率可维持在95%以上。总体来说，好氧MBBR系统对氨氮有显著的去除效果。

 

表2 MBBR工艺进出水TN变化

 

Table 2 TN changes in import and export of MBBR process

  

运行时间 / d进水 / (mg·L-1)出水 / (mg·L-1)3265011073480123113130125153350132183470117 212830139262590145303360132

稳定运行期间，每周检测二次进出水TN浓度，得到好氧MBBR出水TN变化，结果如表2所示。由表2可知，稳定运行期间，进水TN浓度为2 500～3 500 mg·L-1，出水TN浓度为110～150 mg·L-1，达到了设计要求的出水水质。经过长时间的高氨氮冲击，好氧MBBR工艺对TN的去除率保持在90%以上，出水TN浓度高于氨氮浓度，表明好氧MBBR工艺对高氨氮垃圾渗滤液有良好的脱氮效果。

降雨对膨胀土边坡的稳定性有着直接影响，大部分膨胀土边坡失稳都发生在降雨之后。因此本文对存在不同位置裂隙的膨胀土边坡施加长达6 d的降雨，雨强为30 mm/d，且裂隙深度均为1 m，以观察边坡安全系数随降雨历时的变化情况。计算结果见表1所示。

3 结 论

(1)A/O池容比偏大或者偏小，都会降低系统对COD和氨氮的去除能力。当A/O池容比为1∶3时，系统内部恰好实现了有机物降解和硝化-反硝化的一种平衡，此时系统对垃圾渗滤液中COD和氨氮的去除效果最佳。硝化液回流比为300%时，反硝化作用的底物和微生物代谢所需的碳源维持在一个较优比例，反硝化细菌能够充分利用水中的有机物和硝酸盐进行反硝化脱氮反应，获得最佳的脱氮除碳效果。

(2)MBBR工艺主要进行脱氮过程，其功能菌是硝化细菌和反硝化细菌。硝化细菌和反硝化细菌对环境温度的变化十分敏感，其代谢活动要在适宜的温度范围内进行。温度过低(低于15 ℃)，细菌的代谢活动缓慢，甚至停止代谢；温度过高(高于35 ℃)，细胞内的代谢酶会受到破坏，细菌失去活性。适合硝化细菌和反硝化生长的温度在25 ℃～30 ℃。

以往农村地区的居民出行基本以乡镇为单位，主要满足镇内出行需求，城市副中心的提出，区域内部依托副中心的建设逐渐发展组团经济，从而出现新的交通吸引点，使得乡镇与乡镇之间的联系也逐步加强. 此外，随着农村经济的逐步发展，农村居民的生活水平也得到了极大改善，农村居民的生活方式也发生着相应的变化，对周围居住环境、休闲娱乐设施的要求也逐渐显现. 原有的农村公路局限于乡道、村道2个层面已经不足以满足出行特征和出行需求的变化.

在建筑工程施工现场，受高强钢筋产品特点的影响，对高强钢筋的加工、焊接等技术还存在一定的难度，工人操作有困难，特别是细晶钢筋焊接区域的强度降低较多。这就需要钢材生产企业与建筑施工企业共同加快技术研发，在施工技术和管理水平上逐渐改进和适应[1]。当然由此还会带来相关钢筋加工设备的更新换代、施工人员的技术培训等问题。

(3)通过MBBR工艺运行参数优化实验，确定最佳运行条件为池容比A/O为1∶3，硝化液回流比为300%，水温在25 ℃。在此条件下长期稳定运行期间，在进水COD为4 000～7 000 mg·L-1、NH4+-N为1 800～2 500 mg·L-1、TN为2500～3500 mg·L-1、pH值为7.5～7.9、DO为3.0～5.0 mg·L-1时，MBBR工艺对COD、氨氮和TN的平均去除率分别达到64%、97%和90%以上。

(4)MBBR工艺实现了对垃圾渗滤液高浓度氨氮的有效去除，对COD也能显著降低，满足了深度处理的水质要求，在垃圾渗滤液废水处理工程中具有较好的应用前景。

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