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    微電解-厭氧-I-BAF工藝在垃圾滲濾液處理中應用

     

    微電解-厭氧-I-BAF工藝在垃圾滲濾液處理中應用

    范達茂

    福建省新科環保技術有限公司  350005)

    摘要:城市垃圾滲濾液是一種成分復雜的高濃度有機廢水,若不加處理而直接排放,會造成嚴重的環境污染。以保護環境為目的,對滲濾液進行處理是必不可少的。分析了滲濾液的水質特點,結合本公司的工程實例,闡述該微電解-厭氧-I-BAF工藝解決上述問題的可行性及實際應用,并進一步指出需要完善之處。

     

    關鍵詞:垃圾滲濾液 微電解  固定化微生物曝氣生物濾池  硝化 反硝化

    0  引言

    填埋作為一種城市固體廢棄物(垃圾)處理方式已被國內外廣泛應用,在我國目前有90%左右的城市固體廢棄物是用填埋法處理的[1]。隨近年來,我國興建了一批垃圾填埋場,改變了長期以來對垃圾的無控制處置的狀況。然而垃圾填埋后產生的垃圾滲濾液是一種成分復雜的高濃度有機廢水,如不妥善處理,對周圍的環境造成嚴重的污染。為此,垃圾滲濾液的處理問題又擺在了人們的面前。合理、有效地處理垃圾滲濾液非常重要。

    城市垃圾滲濾液是一種成分復雜的高深度有機廢水,滲濾液的水質有以下特點:(1)有機物質量濃度高,其中腐殖酸為小分子有機酸和氨基酸又合成的大分子產物,是滲濾液中長期性的最主要有機污染物,通常有200—1500mg/L的腐殖酸不能生物降解;(2)質量濃度高,一般小于3000mg/L,在500—2O43mg/L之間居多,其在厭氧垃圾填埋場內不會被去除,是滲濾液中長期性的最主要無機污染物;(3)金屬含量高,垃圾滲濾液中含有10多種金屬離子,由于國內垃圾不像國外某些城市那樣經過嚴格的分類和篩選,所以國內外垃圾滲濾液中金屬離子濃度有差異。其中鐵濃度可高達2050mg/L,鉛的濃度可達12.3 mg/L,鋅的濃度可達130mg/L,鈣的濃度可達4300 mg/L[2];(4)污染物深度高,變化范圍大。滲濾液中污染物濃度及其變化范圍見表1

    1滲濾液中污染物濃度及其變化范圍見表[3]

    污染物

    濃度范圍(mg/L)

    污染物

    濃度范圍(mg/L)

    污染物

    濃度范圍(mg/L)

    COD

    100~90000

    PH

    5~8.6

    Pb

    0.02~2

    BOD5

    40~73000

    Fe

    0.05~2820

    Zn

    0.2~370

    SS

    10~7000

    Ca2+

    23~7200

    SO42-

    1.0~1600

    氨氮

    6~10000

    Mg

    17~1560

     

     

    垃圾滲濾液的處理方法包括物理化學法和生物法。物理化學法主要有活性炭吸附、化學沉淀、化學氧化、化學還原、離子交換、膜滲析等多種方法,這些方法需要投要大量化學藥劑,使得處理成本提高,操作復雜;有的生成大量副產物,處理不當易造成二次污染。對于單獨厭氧處理,滲濾液中有毒重金屬,會嚴重抑制厭氧微生物的正常代謝活動,需要在前面采取預處理去除抑制物質;對于單獨好氧處理,若采用傳統活性污泥法,直接處理這樣氨氮高達1.5g/L的廢水,將抑制微生物的生長,難以達標排放,除非用大量水稀釋才能處理,這又導致基建和運行費用增加。

    經過比較和結合本公司工程實例,微電解-厭氧-I-BAF工藝具有節能、投資小及運行費用低等特點,是處理滲濾液一種行之有效的方法。出水達到《綜合污水排放標準》GB8978-1996一級標準:CODcr100mg/L,BOD530mg/L,氨氮 15 mg/L,SS70mg/l ,PH=6-9;本文將從工藝機理、工程實例上闡述微電解-厭氧-I-BAF工藝在處理滲濾液的優越性和可行性。

    云南龍陵垃圾填埋廠滲濾液工程,日處理量100/天,工程總造價450萬,其中土建130萬,設備250萬,設計安裝調試等技術服務費約70萬;運行費用為18.5/m3水,其工藝流程如下:

    進水

    調節酸化池

    微電解池

    混凝沉淀池

    厭氧折流池

    I-BAF

    植物凈化塘

    達標排放(GB8978-1996

    污泥濃縮池

    脫水

    外運

    污泥

    預留膜處理接口

     

     

     

     

     

     

     


    圖1云南龍陵垃圾填埋廠滲濾液處理工藝流程圖

    1  工藝分析

    1.1 微電解

    由于此類廢水成份復雜,含有對生化處理有抑制作用的重金屬離子和難處理的大分子物質,經生物鐵強化水解酸化處理,可改變含滲濾液廢水的分子結構,把難降解的大分子有機物轉化為小分子有機物,重金屬離子通過沉淀去除,為下一步厭氧處理和接觸氧化處理創造有利條件。微電解池采用底部進水上部出水方式,池子內部填充鐵和碳,其中鐵碳比體積比為1:3,采用、鐵屑、活性炭和特定介質交替分層,解決了微電解填料板結問題,另外通過調節控制PH值在4-5;該技術已獲得國家專利(專利號ZL 03 269345.1)。

    從原理上講微電解技術是利用鐵、炭具有微電池反應、絮凝作用,對廢水處理表現出十分顯著的效果。下面對這一技術的原理作簡要的分析:

    微電池反應

    鐵屑是由鐵和碳及其它一些成份組成的合金,碳化鐵和其它成份以極小的顆粒分散在鐵屑中,當鐵屑浸入廢水中(廢水可視作電解質溶液),構成了無數個腐蝕微電池,鐵為陽極,碳為陰極,電極反應為:

    陽極 Fe-2e Fe2+ E°Fe2+Fe=-0.44V

    陰極 2H++2e 2[H] H2 E°H+H2=-0.00V

    微電池反應產物具有很高的化學活性,在陽極,產生的新生態Fe2+;在陰極,產生的活性[H],利用兩極產生的電位差,廢水中許多污染物組份發生氧化還原反應,使可溶的物質轉化成難溶或微溶物質,通過絮凝作用沉淀除去;使大分子物質分解為小分子物質;使某些難生化降解的物質轉變成容易處理的物質,提高廢水的可生化性。

    絮凝作用

    微電解陽極反應產生Fe2+,Fe2+易被空氣中的O2氧化成Fe3+,生成具有強吸附能力的Fe(OH)3絮狀物。反應式為:

    Fe2++OH- Fe(OH)3

    4Fe2++O2+2H2O+8OH- 4Fe(OH)3

    生成的Fe(OH)3是活性膠體絮凝劑,其吸附能力比普通的Fe(OH)3強得多,它可以把廢水中的懸浮物及一些有色物質吸附共沉淀而除去,從而達到脫色的效果。

    另外微電解出水中含有大量二價鐵離子,與空氣接觸后,二價鐵離子被氧化成三價鐵離子,三價鐵離子易生成Fe(OH)3、Fe2(SO4)3等沉淀,從而攜帶大量懸浮物與之共沉淀,減少了Ca2+、Mg2+以及一些重金屬對后續生物處理的抑制作用,通過沉淀后出水比較澄清。

    在經過微電解后使污水中色度大大降低,保證最終好氧出水比較澄清,從而使好氧出水后的混凝加藥量減少一半以上。在云南龍陵垃圾填理廠滲濾液處理表明微電解出水的PH值可以從4.5-5提高到了7-7.5,節省加堿量,降低了運行費用。表2中列出了微電解進出水PH值的變化。

    1.2 厭氧處理

    垃圾填埋后,隨著填埋年齡的增長,垃圾中有機物的降解速率、垃圾的持水能力和水的透過性能均發生變化。所產生的滲濾液性質在填埋場的不同年齡中也會有不同的性質。隨著時間的增長,垃圾中難降解的高分子有機物逐漸取代了可生物降解的有機物。因此通過厭氧中水解、酸化等階段處理提高污水可生化性,為后續好氧處理創造條件;同時由于厭氧能耗低和費用低,且其對廢水中有機物的去除亦可節省好氧段的需氧量和相應的能耗,從而節省整體工藝的運行費用。

    厭氧池,即在無氧或缺氧的條件下,由兼性菌和厭氧菌降解廢水中的有機物。厭氧生物降解有機物過程是:先將廢水中復雜的高分子量可溶性有機物(即碳水化合物、脂類、蛋白質等),及顆粒狀有機物,水解成微溶性有機物,這些微溶性有機物在發酵階段,通過產酸菌轉化成較高級有機酸和醋酸,還有H2和CO2,較高級的有機酸通過產乙酸菌的作用,進一步轉化成醋酸與H2。產酸菌和產乙酸菌屬于一個即包括兼性厭氧微生物又包括專性厭氧微生物的大的不同種群。最后一個階段由產CH4菌來實現,專性厭氧微生物在代謝過程中能夠利用甲酸、甲醇、CO、乙酸、H2和CO2,最終產生CH4。

     厭氧總共可分為水解階段、酸化階段、產乙酸階段及產甲烷階段。水解酸化階段通常是一起進行的,而產乙酸與產甲烷階段也是同時進行的。表2中列出了厭氧池進出水COD及PH值的變化。

    1.3 I-BAF工藝生物脫氮

    生物脫氮是在微生物的作用下,將有機氮和氨態氮轉化為N2和NxO氣體的過程。其中主要包括硝化和反硝化兩個反應過程。

    硝化總反應式:

    反硝化總反應式:

    近年來,隨著生物工程技術的發展,特別是定向分離和培育的特性微生物工程技術的飛速進步,由此發展的新工藝固定化微生物曝氣生物濾池(簡稱I-BAF):在固定化微生物技術(IM)基礎上,結合曝氣生物濾池(BAF)發展而成的污水處理新裝置,該工藝采用一類高效懸浮大孔網狀的載體,該載體比表面積大(82m2/g),孔隙率高(98%),再結合特定轉基因高效微生物構成固定化微生物-曝氣生物濾池,將大量工程菌牢牢固定在載體上,單位體積生物量大,最高可達60g/L,已獲得國家專利(專利號:ZL2005-20200439.5)。依據載體性能可維持生物的多樣性,使好氧菌(表層)、厭氧菌(里層)和兼氧菌(次層)同時存在,提高了去除污染物的廣譜性,使得在同一生物反應器當中同時存在如下反應:①亞硝酸硝化/反硝化。因為載體堆集在一起,由于氧擴散的限制,在載體中產生溶解氧梯度,畢竟外表面積有限,大部分是兼氧層,在沒有足夠氧氣條件下大部分氨氮轉化成亞硝酸鹽時,就進行反硝化反應,轉化成氮氣,通過該反應可以節省25%硝化曝氣量,節省40%的反硝化碳源,節省50%反硝化反應器容積; ②厭氧氨氧化。一些微生物在缺氧的條件下將氨氮轉化為氮氣,以亞硝酸鹽作為電子接受體。這一過程是自養的,無須投加碳源;③好氧反硝化。 在好氧條件下,某些好氧反硝化菌能夠通過氨氮的生物作用形成氧化氮和氧化亞氮等氣態產物。④同時硝化/反硝化工藝(SND)。在載體中微生物絮體內的缺氧微環境是形成同步硝化反硝化的主要原因,即好氧環境和缺氧環境同時存在的一個反應器中,由于許多新的氮生物化學菌族被鑒定出來,在菌膠團作用下,硝化/反硝化同時進行,從而實現了低碳源條件下的高效脫氮。表2列出好氧池進出水COD和氨氮的濃度變化。

    較之已有的技術,本實用新型的顯著特點是:

    1、I-BAF技術它采用進口的轉基因高效微生物,生物種類多壽命周期長,適應能力強不易退化變異。網狀載體空隙.表比面積大,顯潛浮狀態不會堵塞不要反沖洗。I-BAF生化系統是集反應、過濾、沉淀一體的多功能反應器,不需另外增設二沉池,大大簡化工藝流程,使操作管理更加簡便,易于控制;

    2、不管是吹脫法(大量加堿后PH值調到13以上后把氨吹到空氣中)或其它傳統技術,硝化、反硝化需在不同反應器中根據相應的條件分別進行,增加土建、運行費用和操作難度;而該技術依據載體性能可維持生物的多樣性,使硝化、反硝化等反應均在一個反應器中進行,故只需3.5㎏左右的堿。因為該技術好氧菌、硝化菌、反硝化菌可以同時生長共存,當1kg氨氮被硝化菌硝化分解成硝酸鹽和亞硝酸鹽時,理論上需要消耗7.14kg堿(以CaCO3計),反硝化菌降解1㎏硝酸鹽和亞硝酸鹽理論會產生3.57㎏堿(以CaCO3計),這樣不僅不會造成硝酸鹽和亞硝酸鹽沉積影響COD濃度,確保出水COD的達標排放,而且還大大降低了加堿量,節省了污水運行費用;

    3、I-BAF技術由于采用的是轉基因高效微生物和網壯大孔潛浮狀載體,生物種類數量多,壽命長適應能力強,I-BAF的有機容積負荷最高可達3.6kgBOD5/m3.d,載體降解氨氮單位去除能力高達0.9~1.2kg/m3·d,容積去除能力0.45~0.6 kg/m3·d;而傳統生物技術容積去除能為只有0.1 kg/m3·d,對高氨氮污水處理存在技術瓶頸,所以采用I-BAF技術處理同種污水相對于傳統技術池子容積可以大大降低,既節省了土地又降低了土建投資;

    4、在實際工程和中試研究中,該項技術進入好氧池氨氮濃度可達2000~2500mg/L,而傳統技術最高限值才100~200 mg/L,否則將抑制微生物正常代謝。若采用傳統技術直接處理高氨氮污水,則需要通過出水回流將氨氮濃度稀釋至100~200 mg/L,這樣就增加池子的容積和占地面積。而采用I-BAF技術池子容積只有傳統生物技術的確1/6~1/10;

    5、在實際工程運行中,硝酸鹽和亞硝酸鹽的反硝化階段,對CN比沒有具體要求,而傳統生物技術需要BOD5/TKN4~6才認為碳源充足,否則需要外加碳源;

    6、由于采用改性轉基因的微生物,硝化、反硝化細菌可在5~55℃條件下正常運行,而傳統生物技術在硝化細菌在10℃時只能免強維持,在5℃時,其生理活動會完全停止;在青海明膠股份有限公司污水處理工程中表明I-BAF技術可以在年平均氣溫低的高寒地區正常運行。

    1.4 植物凈化塘

    根據該污水的特性,在好氧池的后端設置潛流人工氧化塘作為深化處理的手段,選用頁巖、石灰石和灰渣等取材方便、經濟適用、且能夠高效除磷的材料做為氧化塘基質,氧化塘基質在為植物和微生物提供生長介質的同時,通過沉淀、過濾和吸附等作用去除污染物。

    大量種植植物在人工氧化塘系統中主要起固定床體表面、提供良好的過濾條件、防止氧化塘被淤泥淤塞、為微生物提供良好根區環境等作用。人工氧化塘中的植物一般應具有抗污能力強、成活率高且具有一定美學或經濟價值的水生植物,本工藝選用蘆葦、燈心草、香蒲、美人蕉等植物與濕生花卉。表2列出好氧池進出水COD和氨氮的濃度變化。

    1.5 反滲透裝置

    我們當時考慮到環保要求越來越嚴格,故在出水處預留一個接口,若到時出水需達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)排放標準:COD≤60mg/L,BOD5≤20mg/L,SS≤30mg/L,氨氮≤8mg/L,則在接口處加一套膜過濾,成本約60萬;經過處理后可達到排放標準。

    反滲透的分離原理主要是使水溶液能夠順利地通過膜,而其他的化合物則或多或少被膜截留。反滲透操作壓力一般為1.5~10.5Mpa,截留組分為(1~10)×10-10的小分子。若滲濾液直接通過膜過濾,最主要問題是過濾后的濃縮液處理,因為通過膜過濾只有70%左右順利通過膜,約30%左右的濃縮液是一種高濃度的有機廢液,其COD和電導率是原液的3~4倍,若處理不當會造成二次污染;而我們公司采用的生物處理后COD為100~400mg/L,再經過膜過濾后濃縮液COD濃度才300~1600mg/L,遠遠低于滲濾液濃度,排入滲濾液調節池即起到稀釋作用,又不會造成二次污染。

    2  福建省新科環保技術有限公司工程實例運行數據

    云南龍陵垃圾填埋廠滲濾液處理工程2008年開工,2009年調試,整個系統調試穩定運行數據如下表2:

    表2  整個系統穩定運行階段實驗監測數據            單位:mg/L  PH

    時間

     

    項目

     

    原水

    微電解沉淀

    厭氧

    好氧

    植物凈化塘

    總去

    除率

    出水

    去除率

    出水

    去除率

    出水

    去除率

    出水

    去除率

    2009.7.23

    COD

    10025

    5326

    46.9%

    1666

    68.7%

    285

    82.9%

    95

    66.7%

    99.1%

    氨氮

    1500

    ---

    ---

    ---

    ---

    10.3

    99.3%

    ---

    ---

    99.3%

    PH

    5.0

    7.5

    ---

    7.2

    ---

    7.0

    ---

    7.0

    ---

    ---

    2009.7.24

    COD

    9826

    5680

    42.2%

    1687

    70.3%

    267

    84.2%

    85

    68.2%

    99.1%

    氨氮

    1520

    ---

    ---

    ---

    ---

    12.6

    99.2%

    ---

    ---

    99.2%

    PH

    5.2

    7.5

    ---

    7.1

    ---

    6.9

    ---

    6.9

     

    ---

    2009.7.25

    COD

    10325

    5463

    47.1%

    1500

    72.5%

    305

    79.7%

    93

    69.5%

    99.1%

    氨氮

    1630

    ---

    ---

    ---

    ---

    13.2

    99.2%

    ---

    ---

    99.2%

    PH

    4.5

    7.2

    ---

    7.3

    ---

    7.2

    ---

    7.2

    ---

    ---

    2009.7.26

    COD

    9987

    5705

    42.9%

    1539

    73.0%

    250

    83.8%

    80.5

    67.8%

    99.2%

    氨氮

    1560

    ---

    ---

    ---

    ---

    11.3

    99.3%

    ---

    ---

    99.3%

    PH

    4.9

    7.3

    ---

    7.3

    ---

    7.2

    ---

    7.2

    ---

    ---

    2009.7.27

    COD

    10500

    6025

    42.6%

    1586

    73.7%

    203

    87.2%

    78.0

    61.6%

    99.3%

    氨氮

    1350

    ---

    ---

    ---

    ---

    8.2

    99.4%

    ---

    ---

    99.4%

    PH

    4.2

    7.0

    ---

    7.2

    ---

    7.3

    ---

    7.3

    ---

    ---

    2009.7.28

    COD

    10025

    5985

    40.3%

    1652

    72.4%

    185

    88.8%

    85.0

    54.0%

    99.2%

    氨氮

    1425

    ---

    ---

    ---

    ---

    9.2

    99.4%

    ---

    ---

    99.4%

    PH

    5.0

    7.3

    ---

    7.5

    ---

    7.2

    ---

    7.2

    ---

    ---

    2009.7.29

    COD

    9936

    6025

    39.4%

    1526

    74.7%

    225

    85.3%

    80.0

    64.3%

    99.2%

    氨氮

    1363

    ---

    ---

    ---

    ---

    10.2

    99.3%

    ---

    ---

    99.3%

    PH

    4.9

    7.5

    ---

    7.0

    ---

    7.1

    ---

    7.0

    ---

    ---

    2009.7.30

    COD

    10005

    6132

    38.7%

    1705

    72.2%

    208

    87.8%

    75.8

    63.8%

    99.2%

    氨氮

    1295

    ---

    ---

    ---

    ---

    6.2

    99.5%

    ---

    ---

    99.5%

    PH

    4.5

    7.0

    ---

    7.6

    ---

    6.9

    ---

    6.9

    ---

    ---

    2009.8.01

    COD

    9583

    5623

    41.3%

    1803

    67.9%

    193

    89.3%

    89.6

    53.7%

    99.1%

    氨氮

    1350

    ---

    ---

    ---

    ---

    5.2

    99.6%

    ---

    ---

    99.6%

    PH

    5.0

    7.2

    ---

    7.3

    ---

    7.2

    ---

    7.2

    ---

    ---

    2009.8.02

    COD

    10236

    5824

    43.1%

    1736

    70.2%

    203

    88.3%

    85.0

    58.1%

    99.2%

    氨氮

    1350

    ---

    ---

    ---

    ---

    8.2

    99.4%

    ---

    ---

    99.4%

    PH

    4.7

    7.1

    ---

    7.5

    ---

    7.6

    ---

    7.6

    ---

    ---

    3  結論和存在問題

    (1)大量的研究和事實表明,微電解-厭氧-I-BAF工藝是處理垃圾滲濾液是可行的,針對該股污水中重金屬、難降解、氨氮高等特點,該工藝具有優越性。

    (2)I-BAF在運行過程中出現了明顯的NO2-積累現象,而出水連續檢測和在反應器內不同部位取樣分析均未發現NO3--N的相應增加,與此同時對TN去除率卻較高,說明氨氮被氧化為NO2--N后并沒有進一步被氧化為NO3--N,而是直接被反硝化去除,表現出顯著的亞硝酸硝化反硝化特征。

    (3)本技術不僅承載污染負荷高,抗沖擊力強,而且加藥量少,運行費用低,系統運行穩定,出水水質好。

    (4)雖然前面微電解去除部分鈣離子,但在I-BAF運行過程中出現載體鈣化問題,需要在以后實踐中深入研究,找出解決方案。

     

    參考文獻

    [1]Maxfield P L,Vanerbilt E S.Conceptual models of groundwater contamination investigations at a solid waste ladfill WQI,1997(11/12):3639。

    [2]揚霞,揚朝輝等。城市生活垃圾填埋場滲濾液處理工藝的研究。環境工程,2000,1815):1214。

    [3]喻曉,張甲耀。垃圾滲濾液污染特性及其處理技術研究和應用趨勢。環境科學與技術,2002,255):4246。

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