CN114956485B - 一种基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮处理方法，属于环境工程技术领域。其中，基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮处理的系统包括依次相连的调节池，缺氧池1，电化学反应池，缺氧池2，MBR模块和纳滤模块；所述膜生物反应器(MBR)模块包括好氧池和外置式超滤膜；所述缺氧池1还与所述好氧池相连。垃圾焚烧厂渗沥液经本发明提供的“调节池+缺氧池1+电化学反应池+缺氧池2+MBR模块(好氧池+外置式超滤膜)+纳滤模块(NF)”处理后，尾水中的化学需氧量(COD)与总氮(TN)浓度能稳定降至100mg/L和40mg/L以下，出水达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485‑2014)规定的尾水直接排放标准。

Description

一种基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮处理方法
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，特别涉及一种基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮处理方法。
背景技术
随着经济、城镇化进程的快速发展，生活垃圾每天产生，同时也伴随着大量渗沥液的产生，且产生量每年递增，处理处置压力巨大。焚烧发电作为一种既可有效地处理生活垃圾又能回收垃圾中的生物质能的方式，已逐渐成为最主要的城市生活垃圾处理手段。然而，在城市生活垃圾焚烧处置过程中，也会产生渗沥液等二次污染物。垃圾渗沥液被公认为高风险高污染的难降解有机废水，具有污染物浓度高、性质复杂多变等特点，其化学需氧量(COD)、总氮(TN)浓度分别高达30000mg/L-80000mg/L、1600mg/L-4500mg/L，要使其经过处理后达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)中规定的COD100mg/L、TN 40mg/L的直接排放标准，难度很大，采用生化工艺无法实现垃圾渗沥液的达标排放。
为保证垃圾焚烧厂渗沥液的达标排放，“调节池+厌氧反应器+MBR系统(两级缺氧/好氧+外置式超滤膜)+纳滤系统(NF)+反渗透系统(RO)”垃圾渗沥液处理工艺逐渐成为主流工艺。从该工艺处理效果看，出水中COD、TN、氨氮等各种污染物的控制效果可达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的直接排放标准，但由纳滤、反渗透两级膜处理产生的浓缩液量分别可达到渗滤液处理量(原液量)的15％-20％、15-25％。同时，由于浓缩液的处理费用很高，大量浓缩液的产生，极大推高了垃圾渗滤液的处理成本。因此，如何减少渗沥液处理过程中膜滤浓缩液的产生量，对降低垃圾渗沥液处理成本意义很大。
事实上，从渗沥液处理过程看，经过主流工艺“厌氧+MBR+纳滤系统”处理后，COD、TN、氨氮等指标浓度均已接近或低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的排放限值，比如从上海奉贤某垃圾焚烧厂渗沥液处理工程运行效果来看，COD的范围在130-180mg/L，氨氮小于1.0mg/L，总氮在38-55mg/L。总氮和COD尚无法稳定达标排放。可见，若能通过NF前生化段工艺的改进以降低MBR生化尾水的总氮含量，使其经过NF处理后将总氮浓度控制到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的排放限值以下，则可在不启用RO处理系统时，实现处理出水的达标排放，这样可避免RO系统的使用，使膜滤浓缩液的产生量大幅减少。
为增强NF前端的生化段脱氮处理效果，目前一般采用外加碳源的办法，虽然其可以有效降低出水中的总氮浓度，但容易增加MBR出水总氮中难以被微生物所降解的有机杂环氮的风险，并且部分小分子量的杂环氮化合物仍能透过NF。因此，尽管采用外加碳源的方法可降低硝态氮、亚硝态氮含量，但无法保证MBR出水经过NF处理后总氮低于排放标准规定的限值。可见，如何强化垃圾渗沥液处理工艺过程中的生化单元脱氮效果，使其经过NF系统处理后出水即能达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的直接排放要求，具有重大的应用推广价值。
发明内容
针对现有垃圾焚烧厂渗沥液处理主流工艺中生化单元总氮去除效果不佳的问题，本发明提出了一种基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮处理方法，通过增强系统生化处理单元的反硝化性能，使NF系统出水总氮浓度降低至40mg/L以下，同时进一步降低MBR出水的COD浓度，满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的尾水直接排放限值，大幅削减处理工艺浓缩液的产生量。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统，包括依次相连的调节池，缺氧池1，电化学反应池，缺氧池2，MBR模块和纳滤模块；
所述MBR模块包括好氧池和外置式超滤膜；
所述缺氧池1还与所述好氧池相连。
本发明技术方案之二：提供一种上述基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统进行垃圾渗沥液生物脱氮的方法，包括以下步骤：
将垃圾渗沥液在所述调节池中进行匀质，然后依次引入到所述缺氧池1、所述电化学反应池、所述缺氧池2和所述好氧池；垃圾渗沥液经所述好氧池处理后一部分回流至所述缺氧池1中，再依次进入所述电化学反应池、所述缺氧池2和所述好氧池；经所述好氧池处理后一部分回流至所述缺氧池2中，再进入所述好氧池；回流循环完成后，好氧池出水依次进入所述MBR模块中的外置式超滤膜和所述纳滤模块，完成垃圾渗沥液生物脱氮；
其中，好氧池中垃圾渗沥液回流至所述缺氧池1和所述缺氧池2的分配比为(1～4):(1～2)。
例如，好氧池中垃圾渗沥液回流至所述缺氧池1和所述缺氧池2的分配比可以为1:1，3:2，4:1；当分配比为3:2时效果最佳。
本发明中外置式超滤膜具体应用在MBR模块的处理过程中。超滤膜允许垃圾渗沥液中的水、无机盐及小分子物质透过膜，而阻止其中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质通过。本发明通过外置管式超滤膜将泥水分离，直接得到高质量的超滤产水，污泥被截留在好氧池中，使系统中能够维持较高的微生物浓度和较长的污泥龄，有效提高反应池的污泥浓度，提高对渗沥液中有机物的降解效率。
优选地，所述缺氧池1中垃圾渗沥液的溶解氧(DO)不超过0.5mg/L，水力停留时间为8～15h。
优选地，所述缺氧池2中垃圾渗沥液的溶解氧不超过0.5mg/L，水力停留时间为4～9h。
优选地，所述电化学反应池中的反应条件为电流密度2～10mA/cm2，电极间距2～4cm，反应时间15～30min，所用电极为钛/氧化钌析氯电极。
优选地，所述好氧池中垃圾渗沥液的溶解氧为2.0～3.0mg/L。
优选地，所述好氧池中垃圾渗沥液以200％-400％的循环比分别回流至所述缺氧池1和所述缺氧池2中；所述好氧池中垃圾渗沥液的水力停留时间为3～5d。
本发明通过将好氧池出水回流至缺氧池1，可以充分利用原垃圾渗沥液中含有的生物可利用性碳源，比如小分子有机酸，在反硝化的作用下实施系统脱氮效果；回流至缺氧池2，主要是利用反硝化作用消耗在电化学反应作用下生成的生物可利用性的小分子碳源，进一步加强系统的脱氮效果和内碳源的利用程度。
本发明技术方案之三：提供一种上述基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统在垃圾渗沥液生物脱氮中的应用。
本发明构建的“调节池+缺氧池1+电化学反应池+缺氧池2+MBR模块(好氧池+外置式超滤膜)+纳滤模块(NF)”的垃圾渗沥液处理工艺利用垃圾渗沥液内碳源处理垃圾渗沥液的原理为：
(1)垃圾焚烧厂渗沥液中通常含有8000mg/L以上的挥发性脂肪酸(VFAs)，在系统前端设置缺氧池，在好氧池中硝态氮回流的基础上，以挥发性脂肪酸作为碳源利用反硝化微生物进行脱氮，与传统生化处理主流工艺相比，减少了厌氧反应池，避免挥发性脂肪酸转化为沼气，增加了挥发性脂肪酸作为反硝化基质的比例，提高了系统脱氮效率，同时大幅减少了系统的水力停留时间(HRT)；(2)增加电化学反应池的处理单元，使经过缺氧池1反应后出水中的大分子有机物或难生物降解有机物转化为易被反硝化微生物利用的小分子有机物，可为后续的缺氧池2的反硝化反应提供基质，并降低了MBR模块对难降解有机物去除的压力。进一步提高了系统对垃圾渗滤液内碳源的利用率，强化了系统的反硝化脱氮效果；(3)电化学反应池中由析氯电极反应产生的活性氯、羟基自由基等氧化性物质可以转化系统中的部分氨氮，使其直接生成N2排放或氧化成亚硝态氮和硝态氮，从而降低了后续好氧池的硝化反应压力，减少了溶解氧的消耗量。另一方面电化学反应时间与厌氧池的水力停留时间相比，基本可以忽略不计。
本发明通过充分利用垃圾焚烧厂渗沥液中富含的内碳源来强化新工艺生化处理段的微生物反硝化功能，有效地提高了系统的总氮去除能力，同时降低了出水的COD浓度，节省了占地、降低了运行成本。
本发明的有益技术效果如下：
(1)垃圾焚烧厂渗沥液经本发明提供的“调节池+缺氧池1+电化学反应池+缺氧池2+MBR模块(好氧池+外置式超滤膜)+纳滤模块(NF)”处理后，尾水中的COD与总氮浓度能稳定降至100mg/L和40mg/L以下，出水达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的尾水直接排放标准；
(2)本发明提供的垃圾渗沥液生物脱氮的方法中，垃圾渗沥液总的水力停留时间与目前主流的“调节池+厌氧反应器+MBR系统(两级缺氧/好氧+外置式超滤膜)+纳滤系统(NF)+反渗透系统(RO)”处理工艺相比，渗沥液在缺氧池与好氧处理池中的名义水力停留时间分别不超过24.0h、5d，好氧池回流到缺氧池的总回流比不超过400％，并且省去了厌氧反应器，与当前主流的可行处理工艺相比，大幅降低了系统总的水力停留时间；
(3)本发明中电化学反应池的设置，可产生多种氧化性物质使系统中的部分氨氮直接生成N2排放或氧化成亚硝态氮/硝态氮，从而降低了后续好氧池的硝化反应压力，减少了氧的消耗量，降低了系统运行能耗；
(4)本发明中电化学反应池的设置，可使经过缺氧池1反硝化反应后的出水中的部分大分子有机物或难生物降解的有机物转化为易生物降解的小分子有机物，增加了缺氧池2的反硝化反应基质，并降低了好氧池的有机物去除压力，降低出水中的COD浓度；
(5)经过本发明处理的NF出水即可达标直排，无需再经过反渗透(RO)处理，降低了运行费用，与传统主流工艺相比，新工艺的浓缩液产生量降低50％以上。
附图说明
图1为本发明实施例1的垃圾焚烧厂渗沥液生物脱氮工艺流程图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
上海市某垃圾焚烧厂产生的垃圾渗沥液，其COD为45800mg/L，TN为1650mg/L，将渗沥液引入调节池，调节池底部安装潜水搅拌器，搅拌速率为50rpm，对渗沥液进行连续搅拌；将调节池中的渗沥液均匀地引入缺氧池1，系统中的DO保持在0.5mg/L，并将后端设置的好氧池中的混合液以120％的循环比回流到缺氧池1，回流混合液中的硝态氮以渗沥液中的挥发性脂肪酸作为碳源进行反硝化脱氮反应，缺氧池1的水力停留时间为8.0h；将经过缺氧池1反应后的出水引入电化学反应池，反应电极为钛/氧化钌析氯电极，反应电流密度为2mA/cm2、电极板间距为2cm，反应时间为15min，将经过反硝化后的渗滤液中的大分子及难降解有机物转化为易生物降解的小分子有机物，同时将部分蛋白质分子分解为氨氮，然后直接转化为N2或亚硝态氮/硝态氮；将经过电化学反应池处理后的渗沥液引入缺氧池2，保持系统的DO在0.4mg/L，并将后端设置的好氧池中的混合液以80％的循环比回流到缺氧池2，以电化学反应池处理后的小分子有机物为碳源进行反硝化作用，其水力停留时间为4h；然后将缺氧池2中的出水引入MBR系统进行好氧处理，好氧处理进一步分解有机物并将铵态氮转化为硝态氮，好氧处理池中溶解氧浓度为2.0mg/L，好氧池出水以200％的总循环比分别回流到前端的缺氧池1和缺氧池2，好氧池的水力停留时间为3d；回流循环完成后，好氧池出水进入MBR模块中的外置式超滤膜，将MBR模块的出水引入纳滤模块(采用错流过滤的方式)进一步处理，经过NF处理后，纳滤膜截留下15％的浓缩液，出水中COD为92-98mg/L，总氮浓度为32-37mg/L，其他出水指标也均能达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的尾水直接排放标准，出水作为处理系统尾水进行排放，实施例1中垃圾渗沥液经各模块处理后出水水质见表1。
本发明实施例1的垃圾焚烧厂渗沥液生物脱氮工艺流程图见图1。
表1实施例1渗沥液处理系统各个模块出水水质(单位：mg/L)
处理模块 原水 缺氧池1 电化学反应池 缺氧池2 MBR 纳滤
COD 45800 5680 1560 835 524 96
TN 1650 245 175 115 72 35
实施例2
上海市某垃圾焚烧厂产生的垃圾渗沥液，其COD为68700mg/L，TN为1780mg/L，将渗沥液引入调节池，调节池底部安装潜水搅拌器，搅拌速率为100rpm，对渗沥液进行连续搅拌；将调节池中的渗沥液均匀地引入缺氧池1，系统中的DO保持在0.4mg/L，并将后端设置的好氧池中的混合液以240％的循环比回流到缺氧池1，回流混合液中的硝态氮以渗沥液中高浓度的挥发性脂肪酸作为碳源进行反硝化脱氮反应，缺氧池1的水力停留时间为10.0h；将经过缺氧池1反应后的出水引入电化学反应池，反应电极为钛/氧化钌析氯电极，反应电流密度为10mA/cm2、电极板间距为3cm，反应时间为25min，将经过反硝化后的渗滤液中的大分子及难降解有机物转化为易生物降解的小分子有机物，同时将部分蛋白质分子分解为氨氮，然后直接转化为N2或亚硝态氮/硝态氮；将经过电化学反应后的渗沥液引入缺氧池2，保持系统的DO在0.4mg/L，并将后端设置的好氧处理池中的混合液以160％的循环比回流到缺氧池2，以电化学反应后的小分子有机物为碳源进行反硝化作用，其水力停留时间为7h；将缺氧池2中的出水引入MBR系统进行好氧处理，好氧处理进一步分解有机物并将铵态氮转化为硝态氮，好氧池中溶解氧浓度为3.0mg/L，好氧池出水以400％的循环比分别回流到前端的缺氧池1和缺氧池2，好氧处理池的水力停留时间为5d；回流循环完成后，好氧池出水进入MBR模块中的外置式超滤膜，将MBR模块的出水引入纳滤模块(采用错流过滤的方式)进一步处理，经过NF处理后，纳滤膜截留下10％的浓缩液，出水中COD为88-95mg/L，总氮浓度为28-35mg/L，其他出水指标也均能达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的尾水直接排放标准，出水作为处理系统尾水进行排放，实施例2中垃圾渗沥液经各模块处理后出水水质见表2。
表2实施例2渗沥液处理系统各个模块出水水质(单位：mg/L)
处理模块 原水 缺氧池1 电化学反应池 缺氧池2 MBR 纳滤
COD 68700 5120 1340 814 502 93
TN 1780 225 164 105 70 33
实施例3
上海市某垃圾焚烧厂产生的垃圾渗沥液，其COD为76700mg/L，TN为1840mg/L，将渗沥液引入调节池，调节池底部安装潜水搅拌器，搅拌速率为80rpm，对渗沥液进行连续搅拌；将调节池中的渗沥液均匀地引入缺氧池1，系统中的DO保持在0.4mg/L，并将后端设置的好氧池中的混合液以180％的循环比回流到缺氧池1，回流混合液中的硝态氮以渗沥液中高浓度的挥发性脂肪酸作为碳源进行反硝化脱氮反应，缺氧池1的水力停留时间为15.0h；将经过缺氧池1反应后的出水引入电化学反应池，反应电极为钛/氧化钌析氯电极，反应电流密度为8mA/cm2，电极板间距为4cm，反应时间为30min，将经过反硝化后的渗滤液中的大分子及难降解有机物转化为易生物降解的小分子有机物，同时将部分蛋白质分子分解为氨氮，然后直接转化为N2或亚硝态氮/硝态氮；将经过电化学反应后的渗滤液引入缺氧池2，保持系统的DO在0.4mg/L，并将后端设置的好氧处理池中的混合液以120％的循环比回流到缺氧池2，以电化学反应池处理后的小分子有机物为碳源进行反硝化作用，其水力停留时间为9h；将缺氧池2中的出水引入MBR系统进行好氧处理，好氧处理进一步分解有机物并将铵态氮转化为硝态氮，好氧处理池中溶解氧浓度为2.5mg/L，好氧处理池出水以300％的循环比分别回流到前端的缺氧池1和缺氧池2，好氧处理池的水力停留时间为4d；回流循环完成后，好氧池出水进入MBR模块中的外置式超滤膜，将MBR模块的出水引入纳滤模块(采用错流过滤的方式)进一步处理，经过NF处理后，纳滤膜截留下12％的浓缩液，出水中COD为84-92mg/L，总氮浓度为25-32mg/L，其他出水指标也均能达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定的尾水直接排放标准，出水作为处理系统尾水进行排放，实施例3中垃圾渗沥液经各模块处理后出水水质见表3。
表3实施例3渗沥液处理系统各个模块出水水质(单位：mg/L)
处理模块 原水 缺氧池1 电化学反应池 缺氧池2 MBR 纳滤
COD 76700 4890 1438 798 498 88
TN 1840 235 155 97 68 29
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统，其特征在于，包括依次相连的调节池，缺氧池1，电化学反应池，缺氧池2，MBR模块和纳滤模块；
所述MBR模块包括好氧池和外置式超滤膜；
所述缺氧池1还与所述好氧池相连；
所述基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统进行垃圾渗沥液生物脱氮的方法，包括以下步骤：
将垃圾渗沥液在所述调节池中进行匀质，然后依次引入到所述缺氧池1、所述电化学反应池、所述缺氧池2和所述好氧池；垃圾渗沥液经所述好氧池处理后一部分回流至所述缺氧池1中，再依次进入所述电化学反应池、所述缺氧池2和所述好氧池；经所述好氧池处理后一部分回流至所述缺氧池2中，再进入所述好氧池；回流循环完成后，好氧池出水依次进入所述MBR模块中的外置式超滤膜和所述纳滤模块，完成垃圾渗沥液生物脱氮；
其中，好氧池中垃圾渗沥液回流至所述缺氧池1和所述缺氧池2的分配比为(1～4):(1～2)；
所述电化学反应池中的反应条件为电流密度2～10mA/cm2，电极间距2～4cm，反应时间15～30min，所用电极为钛/氧化钌析氯电极。
2.根据权利要求1所述的基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统，其特征在于，所述缺氧池1中垃圾渗沥液的溶解氧不超过0.5mg/L，水力停留时间为8～15h。
3.根据权利要求1所述的基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统，其特征在于，所述缺氧池2中垃圾渗沥液的溶解氧不超过0.5mg/L，水力停留时间为4～9h。
4.根据权利要求1所述的基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统，其特征在于，所述好氧池中垃圾渗沥液的溶解氧为2.0～3.0mg/L。
5.根据权利要求1所述的基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统，其特征在于，所述好氧池中垃圾渗沥液以200％-400％的循环比回流至所述缺氧池1和所述缺氧池2中；所述好氧池中垃圾渗沥液的水力停留时间为3～5d。
6.权利要求1所述基于强化垃圾渗沥液内碳源利用的生物脱氮系统在垃圾渗沥液生物脱氮中的应用。
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