对于垃圾填埋场而言最为关心的问题就是渗滤液处理的问题,由于膜生物反应器MBR工艺作为常用的渗滤液处理组合工艺之一,因此,研究以MBR作为核心工艺与其他工艺相组合的各种形式非常必要;笔者归纳总结了以MBR为核心的处理垃圾渗滤液的各类组合工艺,综述研究和工程应用现状,分析了存在问题,提出了适用范围,并对MBR技术相关的研究提出一些建议,以期为未来垃圾渗滤液处理提供参考。
1、渗滤液水质特点及处理工艺:渗滤液为垃圾在堆放和填埋过程中由于压实、发酵等物理、生物、化学作用,同时在降水和其他外部来水的渗流作用下产生的含有机或无机成分的液体,垃圾渗滤液普遍具有污染物含量高、氨氮含量高、色度大、毒性强、污染时间长等特点,是一种成分复杂的高浓度有机废水;随着填埋年龄的增长,微生物对垃圾中有机物的降解速率、垃圾的持水能力和水的透过性会发生变化,中老龄填埋场的渗滤液中有机物大多为难降解的长链碳水化合物或腐殖质,而且普遍具有可生化降解物质含量低,氨氮浓度较高的特点,目前渗滤液常用的处理方法是以MBR为核心的组合处理工艺,通常的处理流程如下:
1)预处理:包括格栅、调节池等装置,待处理的渗滤液通过预处理可以截留粗大的悬浮物并对水质与水量进行均质化。
2)前处理:包括氨吹脱、加入吸附剂、混凝沉淀等物化处理。该处理阶段需结合渗滤液中的水质情况选择具体工艺,若水中存在高浓度的氨氮,则需考虑氨吹脱进行前处理;若水中存在一定的色度、难降解的有机物、重金属离子等,则可考虑采用活性炭吸附等方式进行前处理,减轻后续处理设施的负荷。
3)主处理:为MBR组合工艺处理技术。通过工艺联合可以达到更好的氨氮及有机物处理效果。
4)后处理:采用膜处理或者物化处理等方式进行深度处理。膜处理工艺可进一步处理重金属离子及不可生化有机物,提升出水水质。后处理工艺的选择应结合工程费用以及需达到的水质标准。
2、以MBR为核心的渗滤液组合处理工艺
2.1、生化处理+MBR+膜处理:绝大部分垃圾渗滤液需通过组合工艺处理才能达到GB16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》中要求的污染物排放浓度限值。在渗滤液处理中常用的工艺组合方式是采用生化处理+MBR+膜处理组合工艺,上流式厌氧污泥床反应器(UASB)由于负荷能力很大,适用于高浓度有机废水的处理,因此许多学者将该工艺与MBR进行组合,通过试验或者工程应用研究探讨该组合工艺对渗滤液的处理效果,研究结果均表明UASB+MBR组合工艺能够充分发挥厌氧、好氧生化处理与膜处理相结合的技术优势,利用该工艺处理的渗滤液出水水质稳定且主要技术指标CODCr和氨氮均可达到排放要求;通过UASB厌氧处理工艺可在一定程度上降低运行费用,但是容易造成后续A/O生化池中的碳氮比失衡,因此应注意控制运行过程,减轻出水中的碳氮比失衡;由于UASB工艺在寒冷地区的运行负荷极低,应考虑到该工艺不适用于东北等地区。后来随着技术成熟出现了第三代厌氧反应器UBF,UBF综合了UASB和AF的优点,集颗粒污泥与生物膜于一体,在处理水质变化大、污染物浓度高的垃圾渗滤液时具有优势,常被用于与MBR工艺相结合处理焚烧厂渗滤液。采用UBF+MBR组合工艺处理焚烧电厂渗滤液,工程运行结果表明综合效益较好,但渗滤液中含氮化合物较高;采用两级UBF+MBR+NF组合工艺处理垃圾焚烧厂渗滤液,运行结果表明,CODCr、BOD5、SS、氨氮的去除率都大于99.8%,技术可行且经济合理。
1)填埋龄在10a以上的老龄化垃圾填埋场的渗滤液中氨氮的质量浓度通常高达3000~4000mg/L,因此,在工程中老龄化的渗滤液处理中常采用厌氧处理技术作为前处理工艺。
2)采用厌氧好氧膜生物反应器和厌氧+GAC膜生物反应器,如对台州某垃圾填埋场的老龄化垃圾渗滤液进行了处理,并结合NF/RO工艺对MBR出水进一步深度处理,结果表明出水基本满足工业回用水的指标要求。
3)北京市阿苏卫垃圾填埋场的晚期垃圾渗滤液作为处理对象,验证了水解酸化+缺氧+MBR组合工艺处理的出水具有水质稳定高效的效果。虽然硝化反硝化生物脱氮可以达到良好的脱氮效果,且运行稳定,但是往往需要投加大量碳源,在经济效益上不够具有优势。然而,厌氧氨氧化具有良好的脱氮效果,相比传统脱氮方式更能有效降低能耗而且不需要外加碳源,CODCr浓度也较低,因此,也有学者将其与MBR组合探讨处理渗滤液的效果;通过研究表明,二级厌氧+厌氧氨氧化+MBR组合工艺处理焚烧厂渗滤液这类高浓度有机废水能够更充分发挥厌氧处理的优势,去除有机物和氨氮,降低后续MBR系统的污染物负荷。该工艺可大幅去除氨氮,只需设计一级硝化反硝化即可,不用额外碳源是一种稳定可持续生物处理技术。
2.2、MBR+膜处理/物化处理
1)MBR+膜处理:膜处理技术主要是利用隔膜使溶剂同溶质和微粒分离,其中微滤(MF)膜和超滤(UF)膜孔径较大,对污染物去除率较低,一般作为渗滤液的预处理技术;纳滤(NF)膜和反渗透(RO)膜对渗滤液中污染物去除率较高,一般作为垃圾渗滤液的深度处理技术[14]。采用膜处理技术进行渗滤液的最终处理,对其效果许多学者进行了深入研究探讨:采用外置式MBR+NF工艺组合对进水CODCr、BOD5、氨氮、SS的质量浓度分别为4760、1840、835、690mg/L的垃圾渗滤液进行处理,工程运行结果表明上述各指标均可达到排放标准,去除率均可达到96%以上;采用MBR+RO组合工艺处理成都长安垃圾填埋场的渗滤液,工程运行结果表明该工艺能有效去除绝大部分有机物、氨氮和SS;采用MBR+NF+RO联合工艺进行生产性试验,结果表明,该工艺流程简单,抗冲击负荷能力强,污染物去除率高。
(1)深度处理通过膜处理技术可以进一步截留氨氮,但是会产生含有高浓度的盐、有机污染物和重金属离子等的浓缩液,因此选用膜处理工艺时应考虑后续对浓缩液的处理问题,而不仅仅是稀释排放。在膜处理工艺中由于膜易受污染、堵塞,寿命较短是该工艺最大的缺点,因此具有抗污染能力强、操作压力高、污染物截留能力强的碟管式反渗透膜(DTRO)也引起了学者的关注。
(2)渗滤液设计水量为900m3/d,进水总氮质量浓度高达2400mg/L的工程项目中采用MBR+DTRO+曝气沸石生物滤池工艺去探讨其处理垃圾渗滤液的效果,工程运行结果表明,出水水质能够达到一级A排放标准。虽然DTRO相对于其他膜而言具有膜片寿命较长的优点,在渗滤液处理中也被广泛应用,但是也存在能耗浪费的现象,因此,有必要探讨相关的改造方案以节约成本。
2) MBR+物理处理:与MBR组合的物化处理法中常用的是吸附法,活性炭由于在去除水中难降解的有机物、重金属离子和色度等方面具有较好的效果,因此常被用于吸附处理工艺中。采用组合的膜-生物活性炭工艺来处理垃圾渗滤液,结果发现污染物在活性炭吸附+微生物降解+膜过滤的工艺处理过程中去除效果明显,TOC的去除率高达95%以上。由于在采用膜处理法时最关注的是膜污染问题,因此,针对投加活性炭是否会引起膜污染,许多学者也进行了深入的试验研究;通过研究表明,粉末活性炭会与活性污泥在膜表面共同形成一层具有吸附功能的多孔状膜,提高系统有机物的去除率;另外这层PAC膜可在反冲洗时去除,因此,还可降低膜孔堵塞率,减缓膜污染。研究人员通过对PAC+MBR组合工艺进行研究,发现投加PAC之后膜通量的恢复率更高,能够有效减缓膜污染,并且出水水质得到提升[23-24]。在物化处理方式中除了可以采用活性炭外也可以采用其他方式,如加入混凝剂降低废水浊度和色度,去除多种高分子物质、有机物、某些金属离子以及氮、磷等可溶性无机物,或者形成难溶盐沉淀去除渗出水中氨氮和重金属离子;然而此类处理方法中混凝剂的选取以及投加量的大小对处理效果和处理成本具有很大的影响,因此对于混凝剂的种类与投加量也应引起关注。氨氮含量较高的渗滤液中通常会采用氨吹脱进行前处理,以减轻后续生物脱氮的负荷,确保渗滤液处理达标排放;氨吹脱处理过程中需投加大量的石灰,石灰的运输、储存和使用会对周围的环境产生污染,而且吹脱出的氨需进行回收,回收的硫酸铵处置问题也是一个难点。因此对于氨吹脱处理带来的环境影响、处理成本等应考虑如何有效平衡。
3)高级氧化法+MBR+深度处理:高级氧化法一般作为垃圾渗滤液的预处理,主要目的提高废水的可生化性或是直接去除渗出水中难降解的有机物成
分,利用UV/H2O2+MBR组合工艺处理CODCr的质量浓度为850~950mg/L、氨氮的质量浓度为450~550mg/L的垃圾渗滤液,试验结果表明,
MBR对有机物的生化降解效果显著,反应器内硝化作用好,臭氧氧化技术是通过臭氧分解产生的羟基自由基将废水中的污染物转化成低毒的中间
产物或者无机物,是一种绿色环保的工艺技术,在该工艺中臭氧投加量及渗滤液原液中的水质等因素对工艺的处理效果均会产生影响;通过试验
分析了各影响因素,并通过试验表明臭氧化法和催化臭氧化法对垃圾渗滤液色度和腐殖酸都有较高的去除率,并可有效提高垃圾渗滤液的可生化
性。采用臭氧高级氧化技术,并结合混凝预处理及生化处理进行试验,结果表明对于垃圾焚烧厂MBR出水,当总AOP投加量在3.0~3.5个单位时
就可达到新排放标准的要求,该工艺适用于垃圾渗滤液深度处理;虽臭氧技术具有无二次污染等优点,但是臭氧的氧化性具有选择性,因此,难
彻底去除水中的CODCr和TOD,而且操作费用较高,大多数情况下需与其他工艺进行组合应用。
4)采用超声波+MBR联合处理垃圾焚烧厂渗滤液,试验结果表明,超声波预处理有助于提高后期MBR对CODCr和氨氮的去除效果,但是出水效
果不够理想。
5)高级氧化法中的Fenton氧化法也常被广泛应用于处理渗滤液的工艺中,通过试验研究了Fenton氧化工艺+MBR组合工艺对渗滤液的处理效果,
试验结果表明,当反应初始pH值为4,H2O2投加量为0.048mol/L,H2O2和Fe2+物质的量比为2.5∶1时,可达到最佳的处理效果;高级氧化法虽
然具有高效、彻底、适用范围广、无二污染等优点,但是通常处理费用普遍偏高、氧化剂消耗大,因此不适用于低浓度、大流量的废水。
2.4、复合膜生物反应器(HMBR):HMBR是将膜分离技术与传统的废水生物反应器有机组合形成的一种新型高效的污水处理系统;HMBR集合了活
性污泥法中的生物降解和膜的高效截留作用的共同优势,可使系统出水得到大幅度提高,另由于膜组件分离区污泥浓度较低,能够有效延缓膜污
染,提升膜的使用效率;利用HMBR工艺研究填埋场垃圾渗滤液脱氨运行环境,运行结果表明,氨氮去除率达95%~98%,采用HMBR处理高浓
度氨氮垃圾渗滤液,不仅能够有效降解大分子物质,也可高效去除氨氮。中后期垃圾渗滤液中氨氮的去除是垃圾渗滤液处理的难点。采用HMBR
工艺处理老龄垃圾渗滤液,中试结果表明,HMBR内的污泥浓度较高,对去除氨氮起到了较大的作用,但是对CODCr的去除率只有56.85%。为
探讨单一工艺MBR与组合工艺A/O+MBR、A/O+HMBR对渗滤液处理情况,通过试验研究对比了3种不同工艺处理CODCr、氨氮、总氮的效果,
结果表明,A/O+HMBR工艺由于填料表面富集生物膜,不仅在宏观上具有缺氧条件,且在微观上同样具有缺氧条件,使得系统中的硝酸盐进行反
硝化反应更为充分,去除效果显著优于其他形式;特别指出的是,其中的HMBR系统在垃圾渗滤液处理工艺中必须采用PTFE材质效果更好!
2.5、PTFE/HMBR工艺:生化系统—PTFE/HMBR膜系统—后续深度处理系统。
1)PTFE/HMBR膜组件概述
(1)PTFE/HMBR膜组件基本情况:PTFE/MBR膜组件是目前世界上唯一的亲水性聚四氟乙烯MBR膜产品,这种膜产品是由100% PTFE多孔材料制成,相比其他国内或者国外进口PVDF等超滤膜,具有如下优点:
①优良的化学药剂耐受性能,pH范围0-14,可用强烈的化学药剂清洗(PTFE>PVDF、Al2O3);
②优良的耐温性能 (过滤介质温度.Max200℃);
③高孔隙率 (max90%)→高流量;
④高的拉伸强度80N→长时间的使用寿命(10年以上)。
(2)PTFE膜组件在MBR中的应用及在MBR中主要有以下优势:
a.高通量和强耐久性的中空微滤膜组件,且通量可彻底恢复;
b.拥有良好的抗污染性能,优良的亲水性中空膜组件。
c.高污泥浓度,抗拉强度大,不断丝;
d.可以干式保存
(3) PTFE膜在垃圾渗滤液等废水中的优势:相对于传统生化普通PVDF膜工艺进行对比,我们的PTFE膜组件在垃圾渗滤液等行业应用有着比较明显的优势,主要有:与传统生化工艺相比污泥浓度高,生化效果好,一般二沉池工艺污泥浓度只能做到2-3g/L,而我们的膜产品可以使生化系统污泥提高到10g/L以上,最高可承受30g/L的污泥浓度;占地面积小,工艺流程短,因为污泥浓度高,所以整体生化池容积可以做的相对较小,同时可以减少许多沙滤、沉淀等工艺设备,整体污水站造价低;耐冲击负荷高,出水水质稳定且出水水质较好;设备较少,流程简单,易于实现全自动控制,运行稳定可靠,操作人员仅需经过简单培训,无需专业人员看管;实现污泥减量化,剩余污泥较少;PTFE材质的MBR膜耐油性好,可以含油等餐厨废水里运行,且保持通量稳定。
2)PTFE膜与普通PVDF膜产品之间的对比:相对于PTFE/MBR独特的清洗维护方式,PVDF膜的清洗维护极其不方便。清洗维护周期短,药剂耗费量大,且通量稳定,应对不同季节,不同温度(10-40℃),通量浮动范围不大;普通PVDF膜使用寿命短,质保一年,断丝率每年超过1%,在污泥干化等废水中使用寿命最多2年;PTFE膜质保5年,基本无断丝;PVDF的膜不能干式保存,无法应对废水水量季节性变化;而PTFE膜能够干式保存,同时亲水性强,便于停机维护;通量恢复率较差,由于不能用强酸强碱清洗,通量衰减比较厉害; 年衰减率大概为10-15%以上;PTFE膜独特的运行方式,可较大量的曝气,使污泥不会集结在膜表面和膜丝中间,使得清洗间隔较长,省去大量人工,且简单的清洗步骤就可以恢复通量;断丝影响深度处理,导致深度处理系统负荷较重,损坏深度处理设备(NF或者RO设备);污泥浓度PTFE可以达到25g/l以上,而普通PVDF膜内置式膜最多只能达到8g/l;维护和维修方便,对操作人员学历或能力要求相对较低,若因操作失误出现膜污染,可通过高强度酸碱,浸泡后可恢复通量,若不小心割断膜丝,打结后可正常运行,不影响系统;PTFE膜材质对于油类污染物可以有效的去除,同时不影响本身膜通量,而PVDF膜当膜表面被油护住后将失去产水的能力。
3)PTFE/ HMBR膜系统选型
(1)PTFE/HMBR膜系统优势:PTFE内置式HMBR运行费用低操作简便,吨水运行费用仅为1.22元; 污泥浓度高,可在>25g污泥浓度下运行,从而提高生化稳定性;清洗维护方便,同时可用强酸强碱进行清洗,清洗恢复彻底;PTFE材质MBR膜使用寿命长,可保证5年内不断丝,运行稳定;PTFE材质MBR膜可干式保存,更利于运输、停机检修等,能应对风险;耐冲击负荷高,出水水质稳定且出水水质较好;设备较少,流程简单,易于实现全自动控制,运行稳定可靠,操作人员仅需经过简单培训,无需专业人员看管。
(2)各类MBR膜系统对比(按200m3/d项目统计)
名称 |
PTFE/HMBR膜系统 |
其他内置膜系统 |
其他外置膜系统 |
吨水能耗(kw.h) |
8.25 |
9 |
84 |
使用寿命 |
膜产品质保5年
寿命10年以上 |
膜产品质保1年
寿命1-2年 |
膜产品质保1年
寿命2-3年 |
产水通量 |
通量大 |
通量小 |
通量大 |
抗拉强度 |
80N |
<10N |
10N |
耐药性 |
强酸强碱 |
pH值2-12 |
pH值2-12 |
有效清洗方式 |
在线清洗 |
离线清洗 |
在线清洗 |
通量恢复 |
>95% |
约80% |
约90% |
清洗周期 |
30-60天 |
15-20天 |
30-60天 |
保存方法 |
干式保存 |
必须湿法保存 |
必须湿法保存 |
污泥浓度 |
8-30 g/L |
5-8 g/L |
8-30g/L |
系统负荷 |
高 |
低 |
高 |
抗污染性能 |
很好 |
一般 |
一般 |
膜进水水质 |
无需过滤器,对水质基本无要求 |
进水需清除杂质 |
进膜前必须有过滤器进行前置处理 |
抗风险性 |
耐油 |
不耐油 |
不耐油 |
(3)MBR膜系统清洗药剂使用量对比(200m3/d项目统计)
对比项目 |
PTFE/HMBR膜系统 |
其他内置式膜系统 |
HCL(浓度30%) |
100kg |
2000kg |
NaOH(浓度30%) |
100kg |
2000kg |
NaClO(浓度10%) |
100kg |
2000kg |
清洗时间 |
2小时 |
48小时 |
药剂利用率 |
利用充分,残留少,无二次污染 |
残留量大,存在二次污染 |
通量恢复 |
>95% |
85%左右 |
操作性 |
操作简单便捷 |
劳动强度很大,不安全 |
对生化系统影响 |
无影响 |
影响大 |
, ; , (4) , SP, AN,>通过以上对比,选用PTFE/HMBR膜系统,优势如下:PTFE膜运行能耗很低,运行方便,操作简单;PTFE膜可以在含油的污水中进行运行,且通量稳定;提高生化污泥浓度,减少生化池容积,同时减小其他生化设备投资,增加生化系统稳定性,降低整体污水站投资;质量保证,质保5年不断丝,5年内保证膜通量可恢复90%以上,同时无断丝(人为因素除外),实际寿命可达10年以上;膜产品抗污染性好、污泥浓度高、清洗频率低,从而生化池容积可以适当放小; 膜丝抗拉强度高,使用寿命长,降低膜折旧成本;膜系统耐强酸强碱,化学清洗对膜通量恢复彻底;可干式保存,降低膜系统需承担的风险,同时不怕油等污染物干扰,轻松应对污水水量、水质的变化;可以将MBR膜系统很好的与生化系统有机结合在一起,减少生化污泥的排放,同时加强生化处理效果;占地面积小,工艺流程短,出水水质稳定,且系统自动化程度较高,操作简便,减少人为因素对系统的影响,同时相对造价相比其他膜产品更低;由于PTFE膜耐强酸强碱,可以进行在线清洗维护,通量恢复彻底,不需要槽外清洗,因此不需要另外安装起吊装置。
4)PTFE/HMBR膜系统设计【HMBR系统设计规模200m3/d】
序号 |
项目 |
规格 |
单位 |
备注 |
1 |
膜系统主机 |
1.1 |
选型 |
QUKE-50 |
|
|
1.2 |
数量 |
4 |
套 |
|
1.3 |
主机尺寸(单机) |
1.9×0.6×3.0 |
m |
|
1.4 |
单机膜数量 |
20 |
支 |
|
2 |
反洗系统(单机) |
2.1 |
流量 |
11 |
m³/h |
单组反洗 |
2.2 |
压力 |
100 |
kPa |
|
2.3 |
反洗时间 |
40 |
s |
|
2.4 |
反洗周期 |
2 |
h |
|
2.5 |
水质要求 |
MBR产水或自来水 |
|
3 |
CIP清洗系统(单机) |
3.1 |
流量 |
5 |
m³/h |
单组清洗 |
3.2 |
压力 |
100 |
kPa |
|
3.3 |
清洗时间 |
2 |
h |
|
3.4 |
清洗周期 |
30 |
d |
|
4 |
曝气系统(单机) |
4.1 |
风量 |
3.2 |
m³/min |
|
4.2 |
压力 |
49 |
kPa |
|
5 |
循环系统 |
5.1 |
回流比 |
3-4 |
倍 |
|
5)膜组件规格:根据项目情况,应用在本项目中的MBR膜组件规格型号如下表:PTFE/HMBR膜组件规格表:
产品规格 |
SPMW-12B12 |
过滤方式 |
浸没式抽吸过滤( 液体从膜丝外到膜丝内) |
膜孔径 (μm) |
0.1 |
膜面积(m2) |
12 |
外形尺寸(单机) |
154 mm * 164 mm * 2410 mm |
重量 |
干重(kg) |
7 |
湿重(kg) |
11 |
材质 |
中空纤维 |
经过亲水性处理的聚四氟乙烯膜丝 |
密封材质 |
环氧树脂 |
外壳 |
ABS |
支撑棒 |
不锈钢 |
最大运行压力 |
-60kpa |
温度 |
最高 |
50℃ |
最低 |
冰点以上 |
pH 范围 |
正常运行 |
0-14 |
清洗 |
0-14 |
连接口 |
DN20法兰 |
【待续 】 |