MBR/NF/RO 处理老龄垃圾渗滤液的改造工程

肖扬帆，陈峻松，胡 魏

（1.宜昌建投水务有限公司，湖北 宜昌 443000；2.宜昌城市建设投资控股集团有限公司，湖北宜昌 443000）

1 引言

渗滤液是一种高浓度有机废水，具有污染物种类多、成分复杂、极易变化的特点。我国生活垃圾处理以填埋方式为主，多年来，针对垃圾填埋场产生的渗滤液，形成了“预处理+生物处理+深度处理”的工艺模式，其中，深度处理单元以膜处理、高级氧化处理、蒸发处理等方式最为常见。当前垃圾分类正全面实施，易腐垃圾作为垃圾渗滤液的主要产生来源备受关注。为避免渗滤液快速老龄化，做好垃圾分类，尤其是有机垃圾的分类回收意义重大。由于渗滤液在填埋场运营过程中水质变化较大，渗滤液出现老龄化后，原工艺不再适应老龄化渗滤液水质特征，工艺改造势在必行。以湖北省宜昌市某垃圾填埋场为例，分析了填埋场垃圾渗滤液处理运行过程中存在的问题及原因，并提出相关技术改造方案，以期为同类项目改造提供经验及借鉴。

2 工程概况

湖北省宜昌市某垃圾填埋场一期填埋区总库容2.37×106m3，有效库容为1.931×106m3，设计近期日均处理垃圾150 t，远期350 t，配套渗滤液处理规模200 m3/d［1］。2014 年7 月启动运行，由于城市快速发展，运行3 a 后日均垃圾处理量达到900 t，超设计负荷近2.6 倍，故启动填埋场二期扩建工程，并于2017 年9 月投产运行。扩建工程总占地面积为25.64 hm2，其中填埋库区占地面积为17.55 hm2，总库容为2.89×106m3，设计处理规模为1 000 t/d，服务年限6 a。现状及扩建工程总库容为5.383×106m3，总使用年限为12 a。填埋场库区增加2#、3#库，渗滤液处理能力增加300 m3/d，采用MBR（两级AO） +NF＋RO 工艺。随着垃圾填埋场的运行，渗滤液水质会出现严重的老龄化趋势，C/N 极速降低，基本维持在2 以内［2-3］；同时由于垃圾分类不到位，厨余垃圾未有效分离，有机成分超过50%，其中含氮有机物大量转化为氨氮，氨氮浓度较运行初期翻倍，同时总氮浓度升高［4-6］，导致渗滤液处理难度急剧增加。本研究项目为湖北省宜昌市某垃圾填埋场，一期配套建设200 m3/d，渗滤液系统为一级AO+UF+NF+RO 工艺，填埋场运行初期较为稳定。水质出现老龄化后，无法满负荷稳定运行，最多日处理量为120 t。为了将产能充分利用，在完成二期300 m3/d 渗滤液处理设施建设投产后，启动原200 m3/d 渗滤液处理系统改造工程迫在眉睫。

3 运行中存在问题及原因分析

3.1 脱氮能力不足

一般垃圾填埋场渗滤液出现老龄化现象多为填埋运行10 a［7］以上的垃圾场，但从表1 中数据可知，该垃圾填埋场运行仅5 a 就出现了急剧老龄化的渗滤液水质特征。老龄化加速主要原因是氨氮、总氮浓度急剧上升。二期项目投产前浓缩液全部回灌，投产后仍有一半浓缩液回灌，累计回灌量超过2.0×105m3，导致无机盐离子在渗滤液中反复浓缩，使得渗滤液老龄化；垃圾超负荷进场导致渗滤液产生量增加，设计渗滤液产生率30%，而经验统计值约50%，每天渗滤液产生量约500 m3，渗滤液处理系统一直处于超负荷状态，膜产水率下降，难降解有机物在浓缩液中快速积累，渗滤液可生化性下降。

表1 不同填埋时间的渗滤液特征

2015 年氨氮、总氮年均值分别为1 186、1 459 mg/L，2019 年其值分别达到了2 543、2 879 mg/L，氨氮和总氮指标均呈现了中老龄化趋势。一级AO 系统在2018 年运行过程中出现了出水氨氮和总氮严重超标情况，氨氮、总氮分别达到1 459、1 712 mg/L。在2018 年初运行时出现了污泥大面积死亡的现象，超滤膜1 d 内通量下降80%，检测生化系统氨氮浓度几乎无去除效果，游离氨（FA） 在200 mg/L 以上，硝化菌和反硝化菌均受到抑制，判断系统运行瘫痪。采取了补充活性污泥、清水置换、调降进水量的措施，使得生化系统氨氮逐渐降低，进水量维持在50～60 m3/d，氨氮和总氮指标年均值分别为143.5、231.7 mg/L，见表2。现有一级AO 无法适应高氨氮、总氮的水质，脱氮能力严重不足，提升脱氮效能刻不容缓。

表2 渗滤液进出水水质统计

原水COD 数值较低，碳氮比基本在1.5 以下，需要补充碳源。理论上为了保证总氮达标，需要保证水处理C∶N≥4∶1，因此需要增加碳源，实践中使用葡萄糖作为碳源进行补充。另一方面，设计进水氨氮浓度为1 500 mg/L，而实际进水浓度超过了2 500 mg/L，超出了系统处理能力，因此运行中实际处理能力仅为100～120 t/d。由于近5 年的浓缩液均采用回灌处理，2015 年渗滤液中溶解性固体总量（TDS） 为6 000～10 000 mg/L，2019 年达到了20 000～25 000 mg/L。

3.2 池容不足

池容设计偏小，有效容积严重不足。渗滤液进水COD 范围2 000～3 000 mg/L，氨氮范围2 200～2 900 mg/L，以此数据作为基础进行核算。现场设备反硝化罐有效容积为120 m3，停留时间1.2 d，污泥浓度取10 g/L，脱氮速率（以MLSS 计） 为0.05 kg/（kg·d），所需池体有效容积为317 m3，即所需池体有效容积最少需要320 m3，停留时间3.2 d，原有池容无法满足要求，需新增反硝化池；现场硝化罐有效容积为360 m3，停留时间3.6 d，按照污泥浓度取12 g/L，设计硝化速率（以MLSS 计）为0.03 kg/（kg·d），所需池体有效容积为604 m3，即所需池体有效容积最少需要610 m3，停留时间6 d，原有池容无法满足要求，需新增硝化池。

3.3 设备处理能力不足

1） 换热器。生化系统配套的冷却塔设计偏小，在夏季的高温期会导致生化温度过高，致使系统无法正常运行。100 t 处理线所需冷却塔处理能力为150 t/h，板式换热器面积为40 m2。根据计算循环水量100 t/h，即冷却塔至少选择100 t/h，考虑到生化池温度对COD 和氨氮去除效果影响较大，冷却塔参数选择100 t/h。现有设备冷却塔处理能力为80 t/h，板式换热器面积为25 m2，如遇高峰负荷时，冷却能力有限，影响生化处理效果。

2） 鼓风机。鼓风机曝气风量设计偏小，未考虑到水质变化造成的影响。硝化池采用射流曝气方式，运行过程中会出现泡沫超出安全液位的情况，需要控制曝气风机，也间接导致溶解氧偏低。曝气风机风量，单条处理线经核算风机曝气量为24.5 m3/min。现有设备为4 台，单条处理线为100 m3/d，空气风机20 m3/min，1 用1 备，高负荷时需要2 台同启，同时开启又经常出现泡沫外溢情况。

3） 膜系统。膜系统采用外置式MBR，NF 和RO 均采用一级一段式设置，膜采用并联方式运行。由于5 a 运行浓缩液均采用回灌处理，渗滤液中的TDS［8］达到了20 000 mg/L 以上，膜系统综合产水率从65%降至50%。系统设计回收率为75%，实际产水率较低。

4 技术改造方案

4.1 工艺流程及进出水指标

二级AO 系统是对单级AO 脱氮系统的强化，增加了1 个后置反硝化池和后曝气池，由4 个反应池构成。好氧池中的混合液进入后置反硝化池，同时后置反硝化池中需投加外部碳源，进行反硝化反应，进一步去除残留的总氮［9］。两级AO 系统能够满足总氮去除率要求较高的场景，二级反硝化增加了脱氮达标的保障，但是需要外部投加碳源，增加了一级好氧系统，增加了药耗和能耗。目前200 m3/d 系统主要问题是生化系统的总氮处理能力不足，康广凤等［10］研究表明，MBR 采用两级反硝化、硝化，脱氮效果更有保障。杜昱等［11］研究发现单级硝化反硝化系统在进水氨氮浓度较低时，单级生物脱氮后仍有一定量的硝酸盐在系统中，增加二级硝化反硝化能够进一步去除剩余硝酸盐、亚硝酸盐。因此二级的硝化反硝化系统串联是一种较好的总氮去除处理方式，是一级AO 系统脱氮效能改造的较好选择。

现状处理工艺为“MBR（单级AO） +NF+RO”，分两组100 m3/d 处理规模运行，但不能达产，改造对象为现状200 m3/d 生化处理单元。现状AO 池均为钢制罐体，单组反硝化罐、硝化罐有效容积分别为120、360 m3。如图1 所示，原反硝化罐、硝化罐改成第二级AO 单元，新增第一级AO 系统。

图1 工艺流程示意

总体工艺单元可分为4 个系统：渗滤液生化系统（AO+MBR 系统）、膜深度处理系统、污泥处理系统、浓缩液处理系统。其中MBR 系统可分为生化系统（一级、二级反硝化及硝化单元）、UF 系统及辅助系统。

垃圾渗滤液经调节池提升泵提升至进水池MBR 系统的生化段，生化段由两级A/O 组成，渗滤液依次流经一级反硝化池、一级硝化池、二级反硝化罐、二级硝化罐。通过内回流，在交替缺氧、好氧条件下，渗滤液中的有机物、氨氮、硝态氮得到降解去除。生化系统的泥水混合物通过UF 系统分离后，清液进入膜系统深度处理，浓缩污泥回流至生化系统。经过UF 系统单元处理后的清液进入NF+RO 系统后，剩余有机污染物及盐类大部分被膜拦截于NF 和RO 浓缩液中，透过的清液排入NF、RO 清液池。NF 清液达标可直接排放，若不达标进入RO 系统进一步处理后达标排放；浓缩液排入浓缩液池后，进入浓缩液蒸发系统进行处理。

进出水水质指标按照表3 数据执行，进水参考现状水质情况和我国多地区水质统计情况综合确定。出水执行GB 16889—2008 生活垃圾填埋场污染控制标准中表2 限值。

表3 设计水质指标

4.2 生化系统

原来一级AO 系统改造成第二级反硝化硝化系统，新增第一级反硝化硝化系统，均分两座布置，每座处理能力100 m3/d。一级反硝化池和硝化池有效容积分别为306、688 m3，二级反硝化罐和硝化罐有效容积分别为120、360 m3。如表4 所示，二级反硝化罐和硝化罐设计水力停留时间（HRT） 分别为1、2 d，由于罐体易产生泡沫外溢，因此将有效液位适当降低，确保HRT 同时保证泡沫不发生外溢。一级反硝化池脱氮速率取0.05 kg/（kg·d）（以MLSS计），污泥浓度取12 g/L；一级硝化池污泥负荷取0.18 kg/（kg·d）（以MLSS 计），污泥浓度取12 g/L。

表4 生化系统、脱泥系统主要设备及工艺参数统计

20 ℃标准供氧量62 kg/h，氧利用率22%，原4 台45 kW 风机保留2 台向二级硝化罐供氧，新增2 台110 kW 向新建一级硝化池供氧。原硝化液回流泵、射流循环泵、冷却循环泵等均作了适当调整，确保处理效果同时降低能耗。UF 膜、NF 膜、RO 膜除了正常更换膜组件外其他未做改动，相关设备规格指标［1］仍保持原状。

4.3 脱泥系统

原脱泥系统为板框压滤机，过滤面积8 m2，功率1.5 kW，为手动拉板式工作模式，工作效率十分低下。此次改造将脱泥机更换为叠螺脱水机，绝干污泥处理流量Q=60～100 kg/h，N=1.65 kW。在运行过程中发现，虽然MBR 理论上可以无限延长污泥龄，但投加葡萄糖后污泥生长速度较快，仍然需要定时脱泥，因此增大脱泥效率十分必要，有助于生化系统长期稳定运行。

5 运行效果分析

5.1 MBR 运行情况

改造前单套系统日处理渗滤液50 t，加入葡萄糖250 kg，改造后日处理100 t，加入葡萄糖750 kg。经过长时间运行，在运行稳定情况下取样监测。

改造前和改造后分别对MBR 系统出水1 个月内间隔取样10 次，检测结果显示COD、氨氮、总氮3 个指标均明显改善，如表5 和图2～4 所示。改造前原水COD 在1 800～3 100 mg/L，均值2 469.2 mg/L，MBR 出水COD 在1 200～2 400 mg/L，均值2 017.5 mg/L；改造后渗滤液原水COD 在3 100～7 800 mg/L，均值4 643.9 mg/L，MBR 出水COD 在800～1 200 mg/L，均值1 030.2 mg/L。

表5 改造前后水质情况对比

图2 COD 变化趋势

图3 氨氮变化趋势

图4 总氮变化趋势

如表5 所示，改造前原水氨氮均值2 062.9 mg/L，MBR 出水氨氮均值为546.2 mg/L，MBR 氨氮去除率均值仅为73.52%。改造后氨氮原水均值为2 459.7 mg/L，MBR 出水氨氮均值为36.5 mg/L，MBR 出水氨氮去除率均值达到了98.52%。经过改造氨氮的去除率得到了较大提高。改造前渗滤液原液总氮均值为2 285.9 mg/L ，MBR 出水总氮的均值为696.8 mg/L，改造后渗滤液原水总氮均值为2 718 mg/L，MBR 出水总氮均值仅为115.9 mg/L，总氮去除效果也较为明显。

5.2 膜深度处理系统运行情况

COD 去除率均值从81.35%增加到98.27%；氨氮主要在生化阶段去除，膜系统对氨氮的去除效果有限。总氮去除率均值从90.06%提升至99.15%（表5）。改造后相关出水指标均能达到表3 设计值，符合GB 16889—2008 中表2 要求。

6 经济指标分析

改造前直接运行成本为53.93 元，主要包含电费30.5 元/t，药剂费18.2 元/t；改造后运行费用有所增加，电费达到35.08 元/t，药剂费因葡萄糖等碳源投加量猛增达到了24.32 元/t，总共吨均处理成本65.85 元，如表6 所示。将蒸发系统单独核算，每吨浓缩液处理成本约80 元。

表6 系统运行直接成本 元

7 结论和建议

7.1 结论

1） 渗滤液老龄化原因。老龄化加速主要原因是氨氮、总氮浓度急剧上升；浓缩液回灌导致无机盐离子在渗滤液中反复浓缩；垃圾超负荷进场导致渗滤液产生量增加，经验统计值约50%，每天渗滤液产生量约500 m3，渗滤液处理系统一直处于超负荷状态，膜产水率下降，难降解有机物在浓缩液中快速积累，渗滤液可生化性下降。

2） 改造效果良好。MBR/NF/RO 系统将一级AO 改造成两级AO 后运行效果良好，不仅使得200 m3/d 系统满负荷运行，而且水质各项指标均能达到设计值，出水满足GB 16889—2008 中表2 要求。COD 去除率达到98.27%，总氮去除率达到99.15%，MBR 氨氮去除率达到98.52%。

3） 经济指标。由于长期处于超负荷处理生活垃圾状态，垃圾渗滤液C/N 低至1.5∶1 以下，水质老龄化趋势明显，直接运行费用较早期渗滤液处理明显增加，改造后吨渗滤液处理费用达到65.85 元。

7.2 建议

为避免快速老龄化，建议做好垃圾分类，对于有机垃圾尽量分类回收，避免过多有机成分进入填埋场。老龄垃圾渗滤液突出的问题是总氮去除效果较差，MBR 一级AO 系统改造成两级AO 系统，强化脱氮是一种行之有效的改造方法，建议类似的垃圾填埋场可以借鉴此方法进行改造，以应对垃圾渗滤液老龄化问题。