背景技术
随着经济发展、城市化水平和人们生活水平的提高,我国市政垃圾产生量迅速增加。市政垃圾中餐厨垃圾和瓜果等含水量高的有机垃圾比重加大,使垃圾燃烧热值低。如果垃圾焚烧时不能完全燃烧,就会增加二噁英等有毒有害物质的排放污染环境。市政垃圾填埋场一般建在距离市区较远的地方,垃圾的运输费用很高。为了增加垃圾的容重和降低运输费用,目前通行的方法是在垃圾转运站中,利用垃圾压榨机将压缩后的垃圾运输至垃圾填埋场或垃圾焚烧发电厂。运至垃圾焚烧发电厂的垃圾含水量依然很高。为了提高垃圾的热值,通常需要将垃圾堆放在垃圾储仓中进行沥干处理。在垃圾压缩过程中和沥干过程产生的液体被称为垃圾沥出液。
垃圾沥出液是一种成份十分复杂的黄褐色或棕黑色的散发恶臭的高浓度有机污水。垃圾沥出液的成分受季节、人们的生活习惯和生活水平以及垃圾收运条件等诸多因素影响。垃圾沥出液含有大量有机物、悬浮物、氨氮、重金属离子以及致病微生物。因此,垃圾沥出液是一种高污染强度的环境污染源。由此可见,如不加处理直接排放到周围环境中,不仅污染土壤、地表和地下水源,而且也污染周边的空气,影响周边居民的生活。因此,垃圾沥出液必须经过处理达到国家规定的排放标准后才能排放到自然水域中。
在垃圾沥出液的处理方法中,将垃圾沥出液与城市污水合并进行处理是最为经济、简单的方法。尽管这种处理技术上可行,但是通常垃圾焚烧发电厂远离城区的污水收集系统,与城市污水合并有很大困难,因此,往往需要对沥出液进行单独处理。
常用的垃圾沥出液的处理方法主要有化学沉淀法、氨吹脱法、生化法、以及膜过滤法。
化学沉淀法是对垃圾沥出液进行的预处理方法。通过投加大量的化学药剂降低垃圾沥出液中的悬浮物、氨氮以及有机物胶体,提高原水的可生化性。此种方法运行成本较高。
氨氮吹脱法需要向垃圾沥出液中添加大量的碱性化学品(石灰或烧碱),使pH值达到11.0以上,促使铵态氮转变成氨气散发到空气中。这种处理方法不仅运行成本高,而且散发的大量氨气对环境产生极大的污染。致使在现场工作的人员必须佩戴防毒面具才能进行工作。从本质上来讲,氨的吹脱并不是真正意义上的污染治理方法。它只是将液相的氨经吹脱后转移至大气环境之中,属于污染物的二次转移。国际上称之为“一种书生气十足的、浪费大量金钱而收效甚微的、已被广泛废弃的处理方法”。
膜过滤处理法是近几年广泛应用的技术。根据膜孔径的大小,可以分为微滤、超滤、纳滤和反渗透四级。处理垃圾沥出液采用微滤膜即可,但污水在进行膜处理前,需要良好的预处理,否则,滤膜极容易被污染和堵塞,从而影响处理效率。因此,膜处理法只能作为垃圾沥出液的深度处理技术,还需和其它的先进的处理技术相结合以达到良好的处理效果。
除上述处理方法,目前进行的垃圾沥出液处理的工艺研究还包括催化氧化法、湿式氧化法、电氧化法、光氧化法等,这些氧化法往往由于催化剂极易中毒、或由于耗电量太大等原因均无法投入实际工业化应用。
西方发达国家由于垃圾中厨余物少,热值高,沥出液产量少,一般采用将垃圾沥出液回喷焚烧炉内进行高温氧化处理。平时将垃圾沥出液集中在池内,当垃圾热值较高时,用高压泵将垃圾沥出液加压经自动过滤器、回喷系统喷入焚烧炉进行处理。回喷焚烧法适合于垃圾沥出液产量少、垃圾热值高的场合,对于热值较低的垃圾则不适合,否则会造成焚烧炉炉膛温度过低、甚至熄火的状况。
美国专利(US 5238580),提到了一种提高pH值处理垃圾沥出液的处理方法,该方法将垃圾沥出液及焚烧产物集中处理,加入pH调节剂提高沥出液的pH值,这样氨氮、COD和有机碳等物质会形成可挥发性气体,重金属会形成不可溶的化合物。这种处理方法成本高,且处理过程中会造成二次污染。中国专利“一种垃圾焚烧厂沥滤液处理方法及系统”(公开号CN 101209881A)采用蒸发浓缩系统及氨吹脱系统,此方法装置复杂,且运行成本高,很难推广应用。中国专利“城市生活垃圾渗滤液厌氧-好氧-膜处理工艺”(公开号CN 101148307A)则是采用厌氧-好氧-膜处理工艺,虽然工艺简单,但没有解决城市沥出液高色度的问题。而且由于采用纳滤处理,纳滤膜需频繁更换,成本非常高,存在着难以应用推广的缺点。
采用传统处理方法处理后的垃圾沥出液的盐含量高、色度大。传统的脱色方法处理效果较差,其色度无法达到中水的要求。虽然活性炭法,是比较有效、污染较小的处理方法,但是用活性炭法对垃圾沥出液进行脱色处理时,需要设置较大面积和体积的活性炭层,从而会导致需要花费较大的处理成本。采用化学药剂处理法,虽效果快速明显,但需频繁添加,也需要较高成本。
本项发明的发明者还发现,垃圾沥出液中含有极高浓度的氨态氮,其碳氮比仅为2~3∶1(质量比)。它远远低于对沼气发酵产生抑制作用的最低碳氮比——10∶1(质量比)。因此,无法使用单纯厌氧发酵的方法去除垃圾沥出液中的碳、氮污染物。
可以看出,找到有效、经济、安全、可靠的处理技术对市政垃圾沥出液的处理与再生回用有着重要的实际意义。
发明内容
为了克服现有的市政垃圾沥出液处理上存在的问题,本发明提供了一种高效、节能的处理市政垃圾沥出液的方法,该方法是一套处理市政垃圾沥出液的组合工艺,集成多项技术于一体。
实现上述目的的技术方案如下:
一种市政垃圾沥出液的处理方法,处理过程分四个步骤进行,(一):上流式厌氧预处理,(二):序批式好氧处理,(三):膜生物反应器处理,(四):电解脱色处理;
所述上流式厌氧预处理为:在上流式厌氧预处理反应器内投加挂好膜的复合填料,其装填体积为10%~20%,预处理反应器内的温度控制在5℃~40℃,水力停留时间设定为56h~72h;
所述序批式好氧处理是:从预处理反应器的出水依靠重力流向序批式好氧处理池,处理池底部设有微孔曝气盘,该微孔曝气盘内装填挂有生物膜的复合填料,装填体积为15%~22%;处理池上部设有出水口,通过水泵连接到膜生物反应器;
所述步骤(一)和(二)中的所述的复合填料为装有复合聚氨酯介质的多孔塑料球,其中,复合聚氨酯介质由骨料和聚氨酯多孔材料复合而成,其体积百分比含量为:
骨料:30%~50%;
聚氨酯多孔材料:50%~70%;
所述的骨料为陶粒,聚氨酯多孔材料由基材、成孔剂和添加剂制成,其中,所述的基材为热塑性聚氨酯树脂,成孔剂为热塑性聚氨酯树脂的溶剂,添加剂为分子量代号K30~K50的聚乙烯吡咯烷酮。
进一步地,所述的聚氨酯多孔材料各配方组分的质量百分比含量是:
基材:15%~25%;
成孔剂:65%~75%;
添加剂:10%~20%。
更进一步地,所述热塑性聚氨酯树脂的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的一种或其混合物。
更进一步地,所述膜生物反应器底部装设有微孔曝气盘,该微孔曝气盘内部安装有聚氨酯材料制成的中空纤维膜组件,构成该中空纤维膜组件的中空纤维膜的表面积与膜反应器容积之比为2∶1。
本发明所述的处理方法,可实现含有高浓度污染物的市政垃圾沥出液的无害化处理。特别是该方法中使用的复合填料,复合填料表面和内部均具有丰富的孔道,内外孔道脉络相连,其物理化学性能远优于陶粒滤料、活性炭滤料等常规载体,比表面具有数量级的差别。该复合填料的应用将可以较大地改善系统中微生物的挂膜效果,直接为微生物菌群提供生化反应的界面,提高生物降解效率。同时,该复合填料生产工艺简单,处理效果是常规滤料或填料的数倍,而产品成本却低于或接近常规滤料,具有较高的性价比。所述复合填料也可以单独或以组合的形式应用到其他高浓度有机污水处理场所。本发明所述处理方法对于市政垃圾沥出液的处理效果非常好,且具有抗冲击负荷能力强、运行稳定、能耗小等优势。
具体实施方式
本发明涉及的处理方法共分为四个步骤进行,第一步:上流式厌氧预处理,第二步:序批式好氧处理,第三步:膜生物反应器处理,第四步:电解脱色处理。即通过厌氧、好氧相结合的处理工艺,以及专用菌剂、复合填料、聚氨酯中空纤维膜生物反应器以及电解脱色装置的组合应用,将高浓度的市政垃圾沥出液处理达标后回用。
(1)上流式厌氧预处理——在上流式厌氧预处理反应器内投加挂好膜的复合填料,其装填体积为10%~20%。预处理反应器内的温度控制在5℃~40℃。水力停留时间设定为56h~72h。预处理反应器借助于专用菌剂的高效降解作用,将沥出液中的高分子有机物分解为结构简单的低分子有机物。附着在复合填料上的生物膜中的反硝化细菌、甲烷菌等厌气微生物再以低分子有机物作为受氢体,将它们转变为甲烷、氮气、二氧化碳和水等终产物。从而可以除去沥出液中大量的氨氮、COD和BOD5。此种方法非常适合作为生活垃圾沥出液的预处理单元。它不仅能起到均衡营养、减少好氧工艺有机物负荷的作用,而且也使其后的好氧工艺阶段的需氧量大为减少,既节约能源又便于运行过程的控制。
作为接种用的微生物为专用菌剂,即03139728.X专利中使用的复合微生物。挂膜过程一直持续到垃圾沥出液中的污泥(以下简称活性污泥)沉降比达到15%~20%(体积比)时为止。此时活性污泥已经被驯化,凝聚沉淀性能良好。
该专用菌剂主要由醋酸杆菌、大肠杆菌、硫巴氏菌、乳酸杆菌、细球菌、成黄杆菌、酵母菌、白硫菌、硝化菌、亚硝化菌和光合细菌及其菌属等具有强分解能力的微生物复合,再扩增、培养而成。
将专用菌剂和垃圾沥出液按体积比1∶100~150将菌液投加至污水中,并按照前述的装填体积要求加入复合填料后进行挂膜。垃圾沥出液在上流式厌氧预处理反应器内闷置3天,分批加入菌液,总体积量的30%-40%的菌液于闷置后一天加入,以后逐天均分,三天投加完毕。然后沥出液流入序批式好氧处理池,置于常温下充分曝气,直至沥出液中活性污泥的沉降比达到15%~20%(体积比)时为止。
挂膜处理过程中,微生物不仅附着生长在多孔的复合填料的内外表面上,而且也以悬浮状态生长在垃圾沥出液中,从而为各种参与降解过程的微生物提供不同的生态环境,极大地提高了参与降解活动的微生物菌群的密度和生物氧化能力以及系统的稳定性。在复合填料表层上形成的生物膜和产生的活性污泥对糖类、脂肪类、蛋白质类、有机氯类等有机物具有相当高的降解能力。
(2)从预处理反应器的出水依靠重力流向序批式好氧处理池。处理池底部设有微孔曝气盘,其内装填挂有生物膜的复合填料,装填体积为15%~22%。处理池上部设有出水口,连接水泵到膜生物反应器。处理池不出水时,该水泵充当循环泵,以实现处理池内水流循环和消泡作用。处理池内的水温控制在5℃~40℃。水力停留时间设定为36h~54h。根据池内溶解氧浓度和COD、氨氮和固体悬浮物等指标的降解情况对处理池内曝气状况进行自动控制。
池内反应过程的pH值控制在8.43~8.78。溶解氧浓度控制在3mg/l~5mg/l。当溶解氧浓度小于3mg/l时,进行曝气;当溶解氧浓度大于5mg/l时,停止曝气。投加的复合填料在处理池中可以有效形成厌氧一兼氧一好氧的微生态环境,促使硝化菌固定生长在复合聚氨酯介质表层,反硝化菌固定在复合聚氨酯介质内部。这种生态环境为硝化作用和反硝化作用的同步进行创造了良好的条件,非常有利于氨氮的去除。在充分供氧的情况下,利用好气微生物旺盛的代谢作用,可以有效降低废水中的BOD5、COD和氨氮,同时可除去铁、锰等重金属离子。
通过检测pH值、溶解氧浓度的变化情况确定反硝化作用完成后,终止曝气,静置50~80分钟,进行泥水分离。上清液依靠重力通过排水阀直接进到下一级处理单元——聚氨酯中空纤维膜生物反应器。
(3)聚氨酯中空纤维膜生物反应器底部装设有微孔曝气盘,内部安装有聚氨酯材料制成的中空纤维膜组件。总的膜表面积与膜反应器容积之比为2∶1。微孔曝气盘由曝气调节装置控制,根据污泥沉降率调整通气量。
采用聚氨酯中空纤维膜生物反应器取代传统活性污泥法中的二沉池,进行固液分离,可以有效达到泥水分离的目的。膜的高效截留作用,可以截留住硝化菌及其它参与污水处理过程的微生物,使它们在膜生物反应器中充分发挥对残余污染物的降解作用。同时,膜可以截留一时难于降解的大分子有机物,延长其在反应器的停留时间,使之得到最大限度的分解。另外,通过膜的过滤作用,使出水的菌体数和悬浮物量均能达到国家规定的排放要求。
微生物细胞不断在膜生物反应器内积累形成污泥,并通过回流泵直接回流到前一处理单元,即序批式好氧处理池中。膜生物反应器的污染去除率可达93%以上。其出水悬浮物和浊度近于零,水质良好且稳定。
(4)聚氨酯中空纤维膜生物反应器的出水进入电解脱色装置进行脱色处理。此过程借助于电解垃圾沥出液中氯化钠产生的次氯酸钠将呈色物质氧化分解变成无色物质,使出水色度符合规定的排放要求。
下面以几个实施例,对本发明加以进一步说明,但本发明所保护的范围并不限于以下实施例。
实施例1:采用本发明提出的方法处理转运站内垃圾压缩过程中得到的压滤液。
测得沥出液原液的污染指标为COD=24000mg/L,氨氮=1800mg/L。第一步,进行上流式厌氧预处理,反应器内水温均控制在5℃~40℃,水力停留时间设定为72h,处理后污染指标下降到COD=2900mg/L,氨氮=250mg/L;第二步,进行序批式好氧处理,反应器内水温均控制在5℃~40℃,水力停留时间设定为36h,处理后污染指标下降到COD=178mg/L,氨氮=55mg/L;第三步,使用聚氨酯中空纤维膜生物反应器进行膜处理,COD浓度下降到35mg/L,氨氮浓度下降到18mg/L;第四步,电解脱色处理,处理后最终出水的COD=17mg/L,氨氮=8mg/L,色度达到20。经过上述四步的处理,COD和氨氮去除率均达到99%以上。
上述处理方法中,上流式厌氧预处理反应器和序批式好氧处理反应池使用的微生物载体为复合填料,使用具有高效降解作用的专用菌剂对复合填料挂膜。其中复合填料为装有复合聚氨酯介质的多孔塑料球,其中,复合聚氨酯介质由骨料和聚氨酯多孔材料复合而成,其体积百分比含量为骨料30%,聚氨酯多孔材料70%。所述的骨料为陶粒,所述的聚氨酯多孔材料由基材热塑性聚氨酯树脂(德国拜耳公司,产品型号Au3690,以下实施例同)、成孔剂N,N-二甲基乙酰胺和分子量代号为K30~K50的聚乙烯吡咯烷酮的添加剂制成,各配方组分的质量百分比含量是:基材25%,成孔剂65%,添加剂10%。
复合填料的制备为:按上述质量百分比要求称取基材、成孔剂、添加剂,于55~75℃温度范围内混合后轻轻搅拌至完全溶解,排除气泡后,投入骨料造球,初生的复合球体依靠重力在在空气中经3~40cm距离后落入温度50~70℃的胶凝固水浴中,此时附着在骨料表面的初生膜中的溶剂向胶凝固体系中外扩散,在相界面上发生溶剂、非溶剂的传质交换。随着传质交换的不断进行,初生膜产生非稳态,导致液-液相分离,附着在骨料表面的初生膜进入玻璃化转变区从而凝固形成多孔材料,即复合聚氨酯介质。在室温下,将制得的复合聚氨酯介质浸泡在含有1800~2200ppm的次氯酸钠的溶液中,3~4小时后取出;再将其在60~90℃的热水中浸泡15~25小时以去除多孔材料内残留的溶剂和添加剂。将所述聚氨酯介质装至多孔塑料球内可制得复合填料。复合聚氨酯介质的装填体积为多空塑料球体积的1/3~2/3。
采用上述方法所获得的复合聚氨酯介质内外孔道脉络相连,具有十分优异的性能。采用本发明专利提供的复合聚氨酯介质制备配方及工艺技术,制备的复合填料在废水处理,废气处理等领域具有广阔的工业应用前景。
以下实施例中,所述的复合填料的制备方法按照所述的质量百分比和材料,与本实施例的中制备步骤相同。
实施例2:采用本发明提出的方法处理垃圾焚烧发电厂垃圾堆放沥干过程中渗出的沥出液。
测得沥出液原液的污染指标为COD=1g000mg/L,氨氮=2100mg/L。第一步,进行上流式厌氧预处理,反应器内水温均控制在5℃~40℃,水力停留时间设定为60h,处理后污染指标下降到COD=2500mg/L,氨氮=220mg/L;第二步,进行序批式好氧处理,反应器内水温均控制在5℃~40℃,水力停留时间设定为40h,处理后污染指标下降到COD=201mg/L,氨氮=45mg/L;第三步,使用聚氨酯中空纤维膜生物反应器进行膜处理,COD浓度下降到30mg/L,氨氮浓度下降到12mg/L;第四步,脱色处理,处理后最终出水的COD=25mg/L,氨氮=9mg/L,色度达到15。经过上述四步的处理,COD和氨氮去除率均达到99%以上。
上述处理方法中,上流式厌氧预处理反应器和序批式好氧处理反应池使用的微生物载体为复合填料,使用具有高效降解作用的专用菌剂对复合填料挂膜。其中复合填料为装有复合聚氨酯介质的多孔塑料球,其中,复合聚氨酯介质由骨料和聚氨酯多孔材料复合而成,其体积百分比含量为骨料50%,聚氨酯多孔材料50%。所述的骨料为陶粒,所述的聚氨酯多孔材料由基材热塑性聚氨酯树脂、成孔剂N,N-二甲基甲酰胺和分子量代号为K30~K50的聚乙烯吡咯烷酮的添加剂制成,各配方组分的质量百分比含量是:基材15%,成孔剂75%,添加剂10%。
实施例3:采用本发明提出的方法处理转运站内垃圾压缩过程中得到的压滤液。
测得沥出液原液的污染指标为COD=28000mg/L,氨氮=1600mg/L。第一步,进行上流式厌氧预处理,反应器内水温均控制在5℃~40℃,水力停留时间设定为56h,处理后污染指标下降到COD=3500mg/L,氨氮=360mg/L;第二步,进行序批式好氧处理,反应器内水温均控制在5℃~40℃,水力停留时间设定为54h,处理后污染指标下降到COD=180mg/L,氨氮=100mg/L;第三步,使用聚氨酯中空纤维膜生物反应器进行膜处理,COD浓度下降到50mg/L,氨氮浓度下降到20mg/L;第四步,脱色处理,处理后最终出水的COD=20mg/L,氨氮=12mg/L,色度达到28。经过上述四步的处理,COD和氨氮去除率均达到99%以上,效果显著。
上述处理方法中,上流式厌氧预处理反应器和序批式好氧处理反应池使用的微生物载体为复合填料,使用具有高效降解作用的专用菌剂对复合填料挂膜。其中复合填料为装有复合聚氨酯介质的多孔塑料球,其中,复合聚氨酯介质由骨料和聚氨酯多孔材料复合而成,其体积百分比含量为骨料40%,聚氨酯多孔材料60%。所述的骨料为陶粒,所述的聚氨酯多孔材料由基材热塑性聚氨酯树脂、成孔剂二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮和分子量代号为K30~K50的聚乙烯吡咯烷酮的添加剂制成,各配方组分的质量百分比含量是:基材15%,成孔剂65%,添加剂20%。
由上述实例可见,本发明组合工艺对于不同水质的垃圾沥出液均具有良好的处理效果,最终出水达到污水综合排放标准。