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管式膜MBR技术在垃圾渗滤液处理中的应用
发表时间:2011-06-15

    管式膜MBR技术在垃圾渗滤液处理中的应用 城市垃圾是城市环境治理的一大难题。垃圾转运站、焚烧场或填埋场的垃圾渗滤液是由各种化合物和沤化腐烂物质生成,含有浓度极高的BOD、COD、含氮化合物、含磷化合物、有机卤化物及硫化物、无机盐类等,不仅气味恶臭,

 管式膜MBR技术在垃圾渗滤液处理中的应用

     城市垃圾是城市环境治理的一大难题。垃圾转运站、焚烧场或填埋场的垃圾渗滤液是由各种化合物和沤化腐烂物质生成,含有浓度极高的BOD、COD、含氮化合物、含磷化合物、有机卤化物及硫化物、无机盐类等,不仅气味恶臭,而且其中不少是致癌物。若排放地表,污染环境,溶入地下,污染水源,是城市环境和人体健康的一大危害。而且垃圾填埋时间越久,其渗滤液的浓度就越高、危害就越大。近些年来生活垃圾处理越来越受到人们的重视,我国专门制定了GBl6889-1997生活垃圾填埋污染控制标准。

     膜生物法(MBR)是近些年才出现的一种集膜过滤和生物处理于一体的新型高效生物处理技术。由于膜的高效截留作用,可以使污泥浓度达到较高的水平,大大提高污泥负荷,减少占地面积,出水水质好,适合垃圾渗滤液这样高浓度难降解有机废水处理,有很大的应用前景。


l垃圾渗滤液的特性
    垃圾渗滤液是一种高浓度有机废水,其成分复杂、水质水量变化大。垃圾渗滤液的来源主要有直接降水、地表径流、地表灌溉、地下水、垃圾自身的水分、覆盖材料中的水分和垃圾生化反应的生成水等。影响垃圾渗滤液成分的因素主要有:垃圾成分、场地气候条件、场地的水文地质降雨条件、填埋条件及填埋时间等。这就决定了垃圾渗滤液的水质水量的变化大,且变化规律复杂。CODcr、BOD5、氨氮的含量较高,且随填埋时间的延长,垃圾中的有机氮转化为无机氮,氨氮浓度升高。由于垃圾降解产生的CO2溶解使得垃圾渗滤液呈微酸性,这种偏酸性的环境加剧了垃圾中不溶于水的碳酸盐、金属及其金属氧化物等发生溶解,因此渗滤液中含有较高浓度的金属离子。
垃圾渗滤液的难处理还表现为它的变化性。一是产生量呈季节性变化,雨季明显大于旱季。二是污染物组成及其浓度的季节性变化,平原地区填埋场干冷季节渗滤液中的污染物组成和浓度较低。三是污染物组成及其浓度随填埋年限的延长而变化。填埋层各部分物化和生物学特征及其活动方式都不同,“年轻”填埋场(使用5年以内)的渗滤液pH值较低,BOD、COD、VFA、金属离子浓度和BOD/COD较高;“年老”填埋场(使用10年以上)的渗滤液pH值近中性,BOD、COD、VFA浓度和BOD/COD较低,金属离子浓度下降,但氨氮浓度较高。因此在选择垃圾渗滤液处理工艺时要适应垃圾渗滤液的变化特性,由于垃圾渗滤液的复杂变化,因此只有稳定运行,才可以对其进行较好的处理。应用管式膜MBR处理工艺可以对不同时间的垃圾渗滤液进行处理,都具有较好的处理效果。目前,我国的垃圾渗滤液存在水质变化大和可生化性差的问题,而管式膜MBR技术可以解决这两个问题。

2垃圾渗滤液的处理方式
渗滤液的处理方法一般有物化法和生物法。
2.1物化法
物化法是指通过物理化学的方法去除渗滤液中的COD、SS、色度、重金属等。相对于生物法,物理化学法不受渗滤液水质水量的影响,抗冲击负荷能力较强,出水水质比较稳定,尤其在废水可生化性较差的时候有比较好的处理效果;但是物化法处理成本较高,不适于大量垃圾渗滤液的处理。近年来,用于渗滤液处理的物化法主要有活性炭吸附、化学沉淀法、吸附法、化学氧化法、反渗透法、电渗析等多种方法。目前物化法主要用作预处理或与其他方法联合使用。
2.2生化法
    当渗滤液的BOD/COD值大于0.3时,表明渗滤液的可生化性较好,可采用生化法处理,生化处理具有处理效果好、成本低等优点,它是目前应用最广泛的处理方法。但是垃圾渗滤液随填埋时间的增加,BOD/COD比值变低,可生化性变差。生物法处理垃圾渗滤液对COD的去除率只有70%左右,当进水COD较高时,仅用生物法不能达到国家排放标准。
2.3组合式工艺处理垃圾渗滤液
渗滤液成分复杂,仅采用普通的生物处理工艺难以达到理想的效果,因此需采用合适的预处理措施来提高它的可生化性,以改善后续工艺的运行环境。采用物化和膜生物组合式的处理工艺处理垃圾渗滤液,可以避免这两种方法的缺点。
 
经过超滤膜过滤后的清液使用纳滤膜进行再过滤和浓缩,纳滤膜能脱除高价金属离子和色度,纳滤膜对有机污染物CODCr、BOD5和SS的平均去除率分别达到85.7%、88.6%和100%,出水完全达到国家二级排放标准。
为了使处理后的出水水质达到一级排放标准,对纳滤膜出水中含有的一些小分子有机物进行使用反渗透再浓缩,脱除绝大部分金属离子和小分子色素及小分子有机物,从而使出水水质达到国家一级排放标准。
MBR+RO工艺可以有效的去除渗滤液中的污染物。MBR工艺可以降解有机物和去除氨氮,RO工艺可去除无机离子和难降解的物质。经过MBR工艺处理后,进水COD平均为1017mg/L,出水COD为32mg/L,平均去除率为97%;出水的BOD5平均为9mg/L,去除率为97%左右。MBR工艺作为RO工艺的前处理可有效去除SS,这可以防止反渗透膜孔道堵塞,MBR工艺中硝化产生的NO3-N和NO2-N被后续的RO工艺去除。由此可见,垃圾渗滤液采用生物法和反渗透膜相结合的组合工艺进行处理,其处理后的出水可以达到回用标准。

3管式膜MBR工艺介绍
膜生物反应器(MBR)是膜分离技术与生物技术相结合的新型废水处理技术,是废水处理技术的一项创新。由于膜的使用,彻底改变了传统生化的一些基本特性。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子物质截留住,使得活性污泥浓度大大提高,水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)大大缩短,由于活性污泥浓度的较大提高,难降解的物质在反应器中不断反应、降解。因此,膜生物反应器工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。
由于膜的放置形式不同,膜生物反应器分为浸没式(也叫内置式或一体式)和外置式(或分体式)。由于处理垃圾渗透液生化污泥浓度较高,常常是15~30g/L,因此浸没式中空纤维MBR很容易造成堵塞、断丝和瘫痪。管式膜MBR技术是外置式形式,通过水泵将污泥打入膜管内,在压力的驱动下进行膜分离,出水透过膜进入产水箱,而污泥回到生化池继续参与生化反应,膜过滤原理及管式超滤膜系统的过滤原理见图1、2。


           MBR技术是用膜过滤替代传统活性污泥法中的二沉池,可使生化反应器内的污泥浓度从3~5g/L提高到20~30g/L,最高可达到40g/L,使反应效率提高,出水无菌体及悬浮物。并且无须太多考虑污泥沉降和膨化的问题。工艺流程为:渗滤液-预处理-调节池-MBR池(管式超滤膜)-RO-出水。MBR的主要特点:主要污染物COD、BOD和氨氮有效降解,无二次污染;出水无细菌和固形物;工程占地面积小;剩余污泥量小;无需脱臭装置;运行费用较低。垃圾渗滤液经MBR处理,一般能满足间接排放要求,如出水需达到直接排放标准,根据不同情况,后续可用RO作深度处理。
与传统生化处理工艺相比,活性污泥通过超滤(UF)系统进行固液分离,将粒径大于0.02 m的颗粒、悬浮物等截留在系统内,超滤出水清澈。有单独循环泵以产生较大的过滤通量,流速为3.5m/s,避免膜管堵塞。超滤最大压力为0.6MPa,膜管由清洗泵冲洗,清洗后的清洗水在膜环路中循环回到清洗槽,直到充分清洗,每1~3个月加化学药剂清洗一次。为了达到更好的出水水质,超滤后出水可再进入RO系统,截留那些不易降解的大分子有机物,使出水降到120 mg/L以下或更低的水平,出水稳定达标。

4膜污染及清洗
目前制约膜技术发展的一个重要问题是膜污染,即膜组件运行一定时间后,膜通量下降的现象。目前国外采用的一些管式超滤膜针对膜污染问题已经做了很大的改进,具有以下特点:
①具有较高的膜通量,是浸没式膜的5~10倍;
②使用坚固耐用的PVDF和PES材质;
③膜的使用寿命高达7年;
④可以在不同的污泥浓度下稳定运行(浓度最高可达40g/L);
⑤无须反冲,易于清洗和更换;
⑥占地面积小。            
这种膜在世界各地的应用案例已有一千余项,可以用化学清洗满足这种管式超滤膜的通量恢复,使其寿命达7年以上。化学清洗时pH值范围为1~11、温度低于40℃。使用的化学试剂有:双氧水(最大浓度:1000ppm)、氢氧化钠溶液(pH最大11)、硝酸(pH最小1)、磷酸(pH最小1)、磷酸纳、柠檬酸、草酸及EDTA溶液。

5结论
渗滤液水质是连续变化的,这与垃圾填埋场所处地区气候、降水、水文特点有关,也与填埋场运行时间密切相关。所以对渗滤液的处理,不仅要考虑工艺方法对渗滤液的处理效果,而且更要考虑该工艺方法对水质、水量变化的适应性。物化法控制条件灵活、调整参数方便可靠,而生物法则对连续变化的渗滤液水质具有较好的适应性,结合两者各自特点,采用组合式工艺管式膜MBR与RO组合方式处理垃圾渗滤液,对水质水量的变化有很好的适应性,在其水质水量变化时均能够稳定的运行,同时具有较强的可扩充性,可根据需要增加一级、二级RO膜组。
管式膜MBR与RO组合工艺是处理垃圾渗滤液的一个发展方向,有着广阔的应用前景。

二阶段浸没燃烧蒸发技术
二阶段浸没燃烧蒸发技术原理
清华大学环境科学与工程系经过多年探索研究开发了二阶段浸没燃烧蒸发技术,渗滤液的蒸发分为两个阶段执行,通过控制工艺条件使大量挥发性污染物在极短的时间内由第一阶段挥发进行焚烧处理;经第一阶段初步蒸发的渗滤液进入第二阶段继续蒸发浓缩,使水与不挥发性的溶质得到较有效的分离,所产生的蒸汽冷凝液视当地环保要求可直接排放或经过简单处理后排放。最终浓缩液含固率可达25%以上,主要含有盐类、大分子有机物和微量重金属,可采用固化技术对其进行处理。
浸没燃烧蒸发设备
在浸没燃烧蒸发过程中,由于气流激烈扰动和气泡破裂形成的微小液滴不可避免地随蒸发尾气上升并最终可能被夹带出蒸发装置,因此雾沫夹带控制是提高浸没燃烧蒸发技术净化功能的另外一条重要的技术途径。为了有效抑制蒸发过程雾沫夹带、提高处理过程的去污性能,专有浸没燃烧蒸发器,极大地提高了蒸发器气液分离效果,确保蒸发冷凝液的良好水质。
[工艺流程]
二阶段浸没燃烧蒸发工艺流程如图所示。由两级浸没燃烧蒸发器组成,一级蒸汽在二级蒸发器的填埋气体燃烧室焚烧去除有害污染物,二级蒸发器产生的尾气主要为水蒸汽,可用于进料的预热。该工艺具有如下优点:
工艺流程短、设备投资远低于国外产品;两级蒸发器协同作用,分别实现污染物挥发焚烧和渗滤液蒸发浓缩功能,分工明确,处理效率高;控制上两级蒸发器各自独立,系统控制方便,自动化程度高;系统适应性和抗变负荷能力强,稳定性好,适用范围广;焚烧销毁污染物的热量作为第二级蒸发器的能量来源,冷凝液用于对渗滤液进料进行预热,能量利用科学而高效;与现有浸没燃烧蒸发工艺相比,能耗极低,同等处理规模,填埋气体用量最多可削减50%以上;可使渗滤液浓5~50倍以上,冷凝液水质能够达到二级标准以上,可有效控制填埋场渗滤液的污染。


 
随着我国环保投资力度的不断加大以及环境标准的日趋严格,在出现有效替代技术之前反渗透将在渗滤液处理领域获得越来越多的应用,对反渗透浓缩液的高效处理技术的需求也将越来越迫切,因此二阶段浸没燃烧蒸发技术在渗滤液处理领域有广泛的应用前景。
如果填埋场集气量相对较大,可满足全部渗滤液蒸发的需要,那么二阶段浸没燃烧蒸发技术亦可直接用于渗滤液经生物处理后出水的蒸发浓缩,从而节省膜系统的巨额投资和运行费用。

         MBR工艺出水悬浮物为零,细菌总数优于饮用水标准,COD和氨氮去除率高于95%,出水可以直接回用。对MBR工艺进行的经济分析表明:与传统的三级处理相比,MBR工艺的基建费用低,但运行费用较高(目前MBR工艺的电耗为1.0 kW.h/m3)。
膜生物反应器是将膜分离技术和生物处理技术直接相结合,几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中,这使反应器中的生物污泥浓度极高,理论上污泥泥龄可以无限长,使出水的有机污染物含量降到最低,极有效地去除氨氮,对难降解的工业废水也非常有效。膜过滤作用使出水清澈透明,无悬浮物,可直接回用。
   在膜生物反应器中,由于污泥泥龄长,而且溶解氧充足,有利于硝化菌生长,因此氨氮去除良好。试验期间内,进水氨氮浓度为10~20mg/L,其平均值为16mg/L,出水氨氮浓度<1mg/L,氨氮去除率在97%以上。
 膜生物反应器的经济分析
  膜生物反应器技术具有出水水质良好、运行管理简单、占地面积小等优点,是污水回用的适用技术。本研究对一个规模为806m3/d居住区污水回用工程分别采用厌氧→好氧→絮凝→沉淀→过滤→消毒工艺(以下简称工艺1)和膜生物床工艺(以下简称工艺2)进行了初步设计,同时进行了经济分析和比较。经济分析和比较依照有关手册进行[5]。就出水水质而言,工艺2出水的浊度、SS、COD和NH3-N优于工艺1,但是出水中的NO3--N会劣于工艺1。经济分析比较的主要结论:两种污水处理工艺的经济比较比较项目工艺1工艺2工艺1的总基建投资是工艺2的2.78倍。由于目前国产膜组件的成本较高且工作寿命较低,更换膜组件的费用占了运行费用的约50%,如果膜组件的费用可以减低20%,工艺2的运行费用与工艺1的基本持平。由于工艺2的基建费用低,它的企业内部收益率高于工艺1。 

随着城市建设的飞速发展和城镇人口数量的增长,城市垃圾已经成为全球性环境污染的主要因素之一。目前,国内外广泛采用的城市垃圾处理方式主要有综合利用、焚烧、堆肥和卫生填埋四种处理方式。卫生填埋是世界范围内垃圾处理的主要方式。而填埋过程中由于垃圾发酵和降水,地下水和地表水浸泡,将产生大量的垃圾渗滤液。城市垃圾填埋场渗滤液的处理一直是填埋场设计、运行和管理中非常棘手的问题。
    由于液体在流动过程中有许多因素可能影响到渗滤液的性质,包括物理因素、化学因素以及生物因素等,所以渗滤液的性质在一个相当大的范围内变动。一般来说,其pH值在4~9之间,COD在2000~62000mg/L的范围内,BOD5在60~45000mg/L 范围内,NH4-N在50~1000mg/L 范围内,SS在30~2000mg/L范围内,TN在100~2000mg/L 范围内。重金属浓度和市政污水中重金属的浓度基本一致。城市垃圾填埋场渗滤液是一种成分相当复杂的高浓度有机废水,若任其排放将严重污染周围农田及水系,特别是会造成地下水或周围环境污染,后果更为严重。以保护环境为目的,对渗滤液进行处理是尤为必要的。圾渗滤液具有不同于一般城市污水的特点:BOD5和COD浓度高、金属含量较高、水质水量垃变化大、氨氮的含量较高,微生物营养元素比例失调等 。
   
    在渗滤液的处理方法中,如将渗滤液与城市污水合并处理很容易破坏微生物的活性,另外填埋场通常远离城镇,因此其渗滤液往往不得不单独处理。目前成熟而适用的工艺是:生化法+膜分离法,该工艺不但生产成本低,而且出水水质好,符合国家新颁布的一级排放标准。


与传统活性污泥法污水处理工艺相比,MBR的优点很明显:

1 出水水质优质稳定

     由于膜的高效分离作用,分离效果远好于传统沉淀池,处理出水极其清澈, 悬浮物和浊度接近于零,细菌和病毒被大幅去除 ,出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准( CJ25.1-89 ),可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用。

     同时,膜分离也使 微生物被完全被截流在生物反应器内, 使得系统内能够维持较高的微生物浓度,不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率,保证了良好的出水水质,同时反应器对进水负荷(水质及水量)的各种变化具有很好的适应性,耐冲击负荷,能够稳定获得优质的出水水质。

2 剩余污泥产量少

    该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行,剩余污泥产量低(理论上可以实现零污泥排放),降低了污泥处理费用。

3 占地面积小,不受设置场合限制

    生物反应器内能维持高浓度的微生物量,处理装置容积负荷高,占地面积大大节省; 该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省,不受设置场所限制,适合于任何场合,可做成地面式、半地下式和地下式。
 
4 可去除氨氮及难降解有机物

    由于微生物被完全截流在生物反应器内,从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长,系统硝化效率得以提高。同时,可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间,有利于难降解有机物降解效率的提高。

5 操作管理方便,易于实现自动控制

    该工艺实现了水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的完全分离,运行控制更加灵活稳定,是污水处理中容易实现装备化的新技术,可实现微机自动控制,从而使操作管理更为方便。
 
6 易于从传统工艺进行改造

    该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元,在城市二级污水处理厂出水深度处理(从而实现城市污水的大量回用)等领域有着广阔的应用前景。
    纳滤膜能脱除高价金属离子和色度等。出水可直接回用,或达到国家一、二级排放标准。
    反渗透膜能脱除水中95%以上的金属离子,出水可直接回用,达到国家新一级排放标准。
   

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