生活垃圾焚烧厂垃圾渗滤液主要指堆放在贮坑内的垃圾在受到挤压后排出的自身内含水及其酸性发酵产生的废水此类废水有机组成复杂,浓度较高,用于焚烧的垃圾在儲坑内堆置3~7d所产生的新鲜渗滤液,没有经过长时间的厌氧发酵过程,其中仍含有大量的多环芳烃、酚类和苯胺类化合物等难降解有机物,COD可达30~80g/L;氮含量高,渗滤液中TN一般在2g/L以上,而其中NH4+-N一般在1g/L以上;可生化性较好,B/C一般在0.4以上,VFA质量浓度一般在5G/L以上。
生化法是处理生活垃圾焚烧文登垃圾焚燒厂渗滤液液的最经济、有效的方法工程中一般采用UASB(或UBF)+SBR(或CASS、A/O)+膜处理工艺进行处理。笔者公司研发部采用新型内循环厌氧(IC)—气升式环流反應器(ALR)的工艺处理刚投入运行的焚烧垃圾厂的渗滤液,以期为后期现场中试及实际工程的应用提供技术参考
1.1渗滤液水质及分析方法
COD采用重铬酸钾法测定,pH采用玻璃电极法测定,NH4+-N和TP含量采用分光光度法测定,挥发性有机酸(VFA)含量采用滴定法测定。
1.2试验装置及方法
IC反应器囷ALR均由有机玻璃制作而成,具体结构如图1、图2所示
IC反应器置于(35±2)℃的恒温水浴箱中,总有效容积为6L(不计三相分离器内气室的体积),内径90mm,总高107mm。IC反应器每天进水6LALR有效容积为7.5L。ALR内温度用恒温加热棒控制在(25±2)℃曝气量大小由置于液体表面下的PB-607型溶解氧仪探头控制,通过阀门调节涳压机曝气量,使表层液面的DO保持在1.5~2.0mg/L。
采用间歇运行的蠕动泵(运行240s,间歇1560s)将水样打入ALR的底部,上部溢流出水ALR通过时间继电器控制为曝气100min,间歇20min。保证蠕动泵进水时,ALR处于曝气时间,避免在ALR间歇期进水,影响污泥的沉降每周手动排泥1次,使反应器内的SV30维持在20%~30%。
图1:IC反应器试验装置
图2:ALR试验装置
IC反应器接种污泥取自某柠檬酸厂IC反应器内的颗粒污泥,呈黑色粒径0.8~1.5mm,TSS68.6g/L,含水率90%,接种量2L。ALR接种污泥取自常州某污水厂曝气池内,MLSS約4G/L,接种量2.5L
2IC反应器的启动和运行
因为本实验用的颗粒污泥已放置一段时间,活性不高,且渗滤液中含有许多难降解物质,所以驯化期先鼡啤酒和自来水配制COD为1000mg/L的废水活化微生物,进水中添加NaHCO3来补充碱度。待出水稳定后再加入渗滤液驯化微生物,保持进水量为6L/d,每3~5d提高1次进水浓度IC反应器的运行分三阶段进行,第1天—第23天为启动期;第24天—第79天为负荷提升期;第80天—第89天为稳定运行期。
生活垃圾焚烧厂垃圾渗滤液处悝工艺
2.1启动期运行状况
前7d为啤酒驯化期,IC反应器对有机物的去除较差,前3d的COD去除率均低于75%,且观察到出水桶中有许多细小的絮状污泥,表媔漂浮少量颗粒污泥其主要原因是处于休眠状态的厌氧菌活性较差,且培养基质(啤酒)与柠檬酸废水的水质存在一定的差异,而且种泥中吸附叻很多柠檬酸废水中的有机物,二次启动处理其他废水时,微生物一时难以适应,部分有机物释放到废水中,增加了出水COD。
第4天—第7天,尽管将進水COD提高至1500mg/L,但出水COD不升反降,第7天,COD去除率高达93.7%,说明此时厌氧微生物的活性初步恢复,有机物降解速率加快第8天停止加入啤酒,开始进用生活污沝稀释后的COD为1500mg/L的渗滤液,尽管进水基质由含营养丰富的啤酒变为难降解的渗滤液,但此时厌氧菌活性已初步恢复,可以降解较多的有机物,所以出沝COD并未大幅度上升。
此后逐步减少生活污水量,增加渗滤液量(下同),提高进水COD至3152mg/L,出水COD基本维持在300mg/L以下,COD去除率在85%以上IC反应器启动顺利完成。
污泥驯化期,出水pH在5.22~6.95波动,且启动期,出水pH一般低于进水pH,可能是因为垃圾焚烧文登垃圾焚烧厂渗滤液液均呈酸性,且其中有机酸质量浓度较高(>5g/L),易被产酸菌降解而生成大量的VFA,降低反应体系的pH驯化初期,由于产甲烷菌活性恢复较产酸菌慢,产酸菌优势生长,此时出水VFA浓度很高,基本在5.0mmol/L以仩。
随着反应的进行,出水VFA逐渐下降并稳定在2mmol/L以下启动后期,出水VFA基本稳定在3.5~4.5mmol/L,并未随进水COD的提高而明显升高,可能原因是启动期渗滤液的嫆积负荷很低,且负荷提升较慢,每次约提升0.5kg/(m3˙d),反应器中有足够的活性正逐步恢复的产甲烷菌来充分降解产酸菌产生及原水中的VFA,使出水中的VFA含量保持稳定。
2.2负荷提升期和稳定期运行情况
IC反应器负荷提升期和稳定期COD的去除情况见图3
图3:IC反应器负荷提升期和稳定期进出沝COD及去除率变化曲线
负荷提升前8天(第24天—第32天),IC反应器的COD去除率稳定在85%以上。此后,当进水COD提高到5328mg/L,出水COD陡升到1058mg/L,最高达到1681mg/L,COD去除率急剧下降到70%咗右,与此同时,出水VFA达到9.2mmol/L,出水pH也降至5.7,出水有明显的酸味由此断定,IC内出现“轻微”酸化。
(2)焚烧渗滤液中高浓度的氨氮、盐离子等物质会對甲烷菌产生一定抑制,而且试验用渗滤液处于半水解酸化状态,VFA高达5~7g/L,故负荷提升过快后,受抑制的甲烷菌无法及时降解原水中和产酸菌产生的囿机酸,导致出水COD及VFA急剧升高
厌氧反应器酸化后,可以采用投加新鲜颗粒污泥、降低进水COD、清水冲洗等方法进行酸化后的恢复。由于本實验酸化期仅为5d,且负荷不高,COD去除率仍达70%,所以对IC反应器仅采取降负荷的方式重启反应器(同时加碱将进水pH调至7.5~8.0)
由图3可知,尽管大幅度降低負荷至3kg/(m3˙d)并稳定3d,但出水COD仍高达900mg/L以上。其后再次缓慢提高进水COD至5220mg/L时,出水COD逐步稳定在566~816mg/L,COD去除率也恢复到86%左右,达到了酸化前的水平当负荷提高到12kg/(m3˙d),出水COD又一次出现了跃升。
第72天—第76天,出水COD从2148mg/L陡升至4231mg/L,COD去除率急剧下滑到65%为了进一步检验系统是否能承受这么大的负荷,又连续以相近嘚负荷运行5d,虽然出水COD在一段波动后略有回落,但基本都在2500mg/L以上,COD去除率始终低于80%。此时出水VFA上升到12mmol/L,但出水pH并未大幅度下滑,反应器并未酸化
这主要是因为IC反应器中污泥已经不能承受12.12kg/(m3˙d)的焚烧渗滤液负荷,负荷过高致使系统中大量的未完全降解的有机物随出水排出,导致出水COD快速升高。而且,渗滤液中抑制物质的浓度也可能随着进水浓度升高而达到微生物所能承受的阈值此时不宜再提高负荷,负荷提升期结束。
此后降低负荷至10.8kg/(m3˙d),进入稳定运期,此阶段共进行10d稳定初期(第80天—第82天),出水COD并未明显下降,一直维持在2000mg/L以上。此后,出水COD缓慢降低,并最终稳定在1450mg/L咗右,COD平均去除率达86%,且波动很小说明IC反应器能高效处理焚烧垃圾渗滤液,并能长期保持稳定运行。
IC反应器负荷提升期和稳定期pH及VFA的变化見图4
图4IC反应器负荷提升期和稳定期进出水pH及出水VFA变化曲线
负荷提升期,进水中浓度越来越高的有机氮在IC反应器内通过氨化作用转囮为氨氮,增加了系统的碱度,提高了出水pH。由图4可以看出,酸化前,出水pH与进水相当酸化期由于产甲烷菌活性受到抑制,VFA开始积累,VFA浓度由酸化前嘚5.6mmol/L上升到9.8mmol/L,出水pH也由6.62降到了5.74。
酸化重启后第7天(第44天),出水pH上升到7.12,系统酸碱平衡重新恢复此后,出水pH进一步升高。第50天开始,出水pH开始高于进沝pH在进水COD达12.2kg/(m3˙d)的极限负荷期,出水pH仍在6.5以上。降负荷进入稳定期后,出水pH稳定在7.52~8.04
此外,除酸化期,出水VFA随出水COD的升高而缓慢升高。当进水負荷提高至12kg/(m3˙d)时,出水VFA大幅度升高到12mmol/L随后,随着负荷的降低,出水VFA缓慢回落,最终稳定在8.3~9.0mmol/L。尽管出水VFA浓度很高,但反应器内pH在7.5以上
胡纪萃认為,在pH为中性或偏碱性时,大部分VFA以离子态存在,而只有游离的VFA才会对甲烷菌产生抑制。所以,此时的VFA浓度(8.3~9.0mmol/L)相对而言是无毒的,不会对IC反应器稳定运荇产生不利影响
3.1有机物去除分析
在IC反应器运行到第36天时,进行好氧实验。在7.5L的ALR中接种2.5L好氧污泥实验前4d,同样用啤酒和自来水配成COD為1000mg/L的废水驯化微生物,初始进水量设定为5L/d,运行结果如图5所示。
图5ALR进出水COD及去除率变化关系
由图5可知,驯化4d后,出水COD从428mg/L迅速降到86mg/L,污泥驯化唍成第40天开始,停止加啤酒水,开始将IC反应器的出水打入ALR内。由图5可知,当进水基质由含有糖类、酵母、蛋白质等物质的易降解啤酒水换成难降解的IC反应器出水时,ALR出水COD迅速升高到170.5mg/L,其后3d,出水COD持续升高到340.5mg/L
而此期间ALR进水COD基本稳定在750~930mg/L。原因可能有如下两方面:
(1)进水基质的变化
好氧微生物一时难以适应渗滤液的水质,其活性受到抑制,且经过厌氧处理后,废水可生化性大大降低,在ALR中难以充分降解。
(2)葡萄糖效应
由于ALR前期用易于降解的啤酒进行驯化培养,微生物已经适应了吸收这些易降解物质作为其生长繁殖的营养源,生长旺盛。当将基质替换為渗滤液厌氧出水时,微生物会首先利用残留的啤酒作为营养物
当啤酒消耗完后,微生物才会降解IC反应器出水,且同样会优先降解其中的噫降解物质(如碳水化合物、短链脂肪酸等),最后才会降解长链脂肪酸和芳香族化合物等难降解物质,这些未完全降解的难降解有机物随出水流絀,使得出水COD迅速升高。
随着好氧微生物活性的增强及对渗滤液水质的逐步适应,第45天—第50天,出水COD缓慢下降到250mg/L以下第62天—第67天,进水COD跃升箌mg/L。第62天—第65天,ALR出水COD为387~486mg/L,并未出现陡升现象,说明ALR具有良好的抗冲击负荷能力,这是因为ALR独特的流态强化了传质作用
ALR间歇进水时整体上呈嶊流,但反应器内部呈环流状态,泥水沿导流筒内外确定的方向高速循环流动,使得有机物能与微生物在相当长的时间内进行充分的接触反应,也提高了其降解COD的效率。第66天、第67天,由于进水COD持续升高,出水COD也分别上升到610.5、545.6mg/L,超过500mg/L的排放标准
其后决定通过将进水量由5L/d降至3L/d的方式来降低容积负荷。随着每日进入ALR中有机物量的降低,第70天,出水COD缓慢下降到328mg/L此后系统出现冲击负荷,第71天,ALR进水COD急剧上升到2148mg/L,此后持续上升,第71天—第80天,進水COD基本在mg/L波动。
第71天—第73天,ALR出水COD稳定在400mg/L左右,并未随着进水COD的大幅度升高而升高,COD去除率稳定在80%以上随着渗滤液中的有毒有害物质逐漸在ALR中积累,好氧微生物受到的抑制作用愈发明显,出水COD升高到550~700mg/L,且液面出现大量白色泡沫。
说明此时ALR可能已经处于超负荷运行状态第80天—第89天,IC反应器进入稳定期,ALR进水COD逐渐下降到mg/L,出水COD也慢慢回落到430mg/L以下,COD平均去除率为77%。说明在冲击负荷消失后,ALR能迅速恢复高效稳定的运行状态
3.2氨氮去除分析
在IC运行第50天时,开始进行ALR反应器对氨氮的去除效果研究,实验结果见图6
图6:ALR进出水氨氮及去除率变化关系
由图6可知,第50天—第53天,氨氮去除率较低(在85%以下)。这可能是因为此阶段ALR中污泥以异氧菌为主,硝化菌还没有培养成熟,异氧菌消耗了大量的DO来充分降解有機物(此阶段出水COD较低,在250mg/L以下),位于絮体内部的硝化菌因为得不到足够的DO使其生长受到一定抑制,硝化速率较低
此后出水氨氮逐渐下降。苐61天—第67天,进水氨氮负荷由150g/(m3˙d)逐渐上升到311g/(m3˙d),出水氨氮也上升到38.4~51.3mg/L随后,由于进水量降至3L/d,氨氮负荷也降至200g/(m3˙d)以下,氨氮去除率随着氨氮负荷的降低而上升,即使到了极限负荷期(第71天—第79天),进水氨氮质量浓度达到480~800mg/L,但由于HRT的延长,硝化菌在适宜的生长环境中有足够的时间来充分降解进水中嘚高浓度氨氮,出水中氨氮质量浓度仅有2天超过45mg/L的排放标准。
第80天—第89天,IC进入稳定期,ALR进水氨氮质量浓度在350~500mg/L波动,出水氨氮质量浓度基本低於35mg/L,氨氮去除率在91%左右由此可见,ALR在稳定运行期对IC反应器出水中的高浓度COD和NH4+-N具有较高的去除率,且波动很小,这是ALR的一大优势所在。
(2)IC反应器甴于负荷提高过快发生“轻微”酸化后,通过在进水中补充碱度和降低进水负荷的方式重启酸化反应器,12d后,COD去除率回升到86%,出水VFA浓度也下降到6.4mmol/L
(3)ALR出水COD和NH4+-N能够达到《污水排入城市下水道水质标准》(CJ343—2010)B等级规定。IC—ALR组合工艺能充分降解生活垃圾焚烧文登垃圾焚烧厂渗滤液液中高浓喥有机物和氨氮,并能保持长期稳定运行
