工业水处理, 2021, 41(11): 70-76 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2021-0166

• 试验研究 •

电凝聚臭氧气浮-MBR工艺净化垃圾压滤液效果研究

张琼华,1, 芮文涛1, 金鹏康1,2, 杨超1, 金鑫1, 陈冲3, 吴侠3

1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西西安 710055

2. 西安交通大学人居环境与建筑工程学院, 陕西西安 710049

3. 江苏永冠给排水设备有限公司, 江苏徐州 221000

A purification effect study of electrocoagulation and ozone flotation combined MBR process to treat leachate from refuse transfer station

ZHANG Qionghua,1, RUI Wentao1, JIN Pengkang1,2, YANG Chao1, JIN Xin1, CHEN Chong3, WU Xia3

1. School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China

2. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China

3. Jiangsu Yongguan Water Supply and Drainage Equipment Co., Ltd., Xuzhou 221000, China

收稿日期: 2021-09-1  

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金项目.  52070151
国家自然科学基金青年科学基金项目.  51708443
陕西省科技成果转移与推广计划-吸纳成果转化项目.  2020CGXNG-021
国家重点研发计划项目.  2016YFC0400701

Received: 2021-09-1  

作者简介 About authors

张琼华(1981-),博士,副教授电话:18629288651,E-mail:qionghuazhang@126.com , E-mail：qionghuazhang@126.com

Abstract

A large amount of leachate is produced in the process of waste transportation and compression, which contains high concentration organic matter and nitrogen-containing pollutants, meanwhile lead a great threat to the water ecological environment. The 1.5 m3/d pilot scale experiment system for leachate treatment was constructed by using the electrocoagulation and ozone flotation(pretreatment)-MBR-the electrocoagulation and ozone flotation(advanced treatment) process. The purification effect of leachate from refuse transfer station in Xuzhou was analyzed. After 90 days stable operation, the experimental results showed that the pretreatment removal efficiencies of COD, TN, NH3-N and TP were 37%, 9%, 18% and 35%, while the removal efficiencies of pollutants in the A/O-MBR combined process with advanced treatment were above 95%, 94%, 92% and 91%, respectively. The pilot scale purification system effluent always could meet the standard of discharge. Meanwhile, in terms of labor maintenance cost, pharmacy and consumables costs, equipment power consumption and so on, the highest processing cost of this system was 139 yuan/t, which was only 46% of the local market price. Research suggested that this process for purification waste leachate is worth extending the application.

Keywords： electrocoagulation ; ozone flotation ; MBR ; refuse transfer station ; leachate

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本文引用格式

张琼华, 芮文涛, 金鹏康, 杨超, 金鑫, 陈冲, 吴侠. 电凝聚臭氧气浮-MBR工艺净化垃圾压滤液效果研究. 工业水处理[J], 2021, 41(11): 70-76 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0166

ZHANG Qionghua. A purification effect study of electrocoagulation and ozone flotation combined MBR process to treat leachate from refuse transfer station. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(11): 70-76 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0166

垃圾中转站压滤液（以下简称压滤液）是生活垃圾在转运过程中经物理压缩后产生的渗出液，通常每吨垃圾产生压滤液0.05~0.15 t〔1〕。压滤液具有3项典型特征：（1）有机污染浓度高，成分复杂〔2〕；（2）氨氮浓度高，浊度高且具有恶臭味；（3）含有一些有毒有害物质如重金属〔3〕等，严重影响中转站周边居民生活环境〔4〕。因此，相关排放标准规定压滤液需净化达到《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962—2015）要求方可纳入污水管网，压滤液的无害化处理与达标排放逐渐成为热点与难点〔5〕。

传统压滤液处理工艺为厌氧-缺氧-好氧与膜处理的组合工艺〔6〕，厌氧处理虽然能承受较高的有机污染负荷，但存在水力停留时间（HRT）长，装置占地面积大，产生H2S和CH4等气体造成空气污染；膜处理能耗高〔7〕，膜组件更换频繁以及浓缩液的再处理等〔8〕瓶颈。

电凝聚反应使胶体颗粒及悬浮杂质等发生凝聚而分离去除〔9-11〕；臭氧气浮是以臭氧气体作为气浮载气，结合溶气气浮和臭氧氧化的优点；MBR是通过特殊的构造对水中不同尺度的杂质在压力下去除。基于此，本研究借助“臭氧混凝互促增效”机制，将电凝聚与臭氧气浮结合，构建电凝聚臭氧气浮-膜生物反应器组合工艺，实现压滤液预处理、生物处理与深度处理3阶段净化流程，预处理阶段降低COD负荷并改善压滤液的可生化性〔12-13〕；生物处理阶段完成脱氮，同时进一步降解有机物；深度处理阶段实现稳定达标排放。研究表明，本工艺运行稳定、除污性能可靠，能为工程规模压滤液净化提供参考。

1 材料与方法

1.1 原水水质

本研究压滤液取自徐州市某垃圾中转站现场产生的原液。试验装置安放于垃圾中转站现场，实现压滤液的原位净化，同时进行相关检测分析。结果表明夏秋季压滤液产生量和有机物浓度均高于春冬季，这也是压滤液水质共性〔14〕。本研究压滤液主要水质（括号内为排放标准，单位均为mg/L）：COD 39 550±4 149（500），BOD5 14 398±2 707（350），TN 915±100（70），NH3-N 737±47（45），TP 67±21（8）。

1.2 实验装置

本实验电凝聚臭氧气浮联合膜生物反应器及深度处理装置如图 1所示。

图1

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图1   电凝聚臭氧气浮联合膜生物法处理装置

1—直流电机；2—螺杆泵；3—储泥罐；4—预处理反应器；5—液体流量计；6—臭氧发生器；7—阀门；8—搅拌桨；9—抽水泵；10—MBR生物膜；11—微孔曝气盘；12—生化反应池；13—反冲洗水箱；14—深度处理反应器；15—气体流量计；16—罗茨风机。

Fig.1   The combined device of electrocoagulation-ozone flotation combined MBR treatment


实验装置由电凝聚臭氧气浮预处理、缺氧-好氧-MBR反应器二级生物处理以及电凝聚臭氧气浮深度处理组成。

预处理装置有效容积0.8 m3，采用空气源臭氧发生器（60 g/h，青岛国林）产生臭氧气体，交流变直流电机（15 V，无锡申海达）提供直流电，试验控制电流为60 A，铁板（尺寸500 mm×500 mm×50 mm，共4片）作为阴、阳电极板。压滤液通过螺杆泵由储液池抽入电凝聚臭氧气浮反应器内进行预处理。

预处理反应液自流进入（A/O）-MBR反应器内进行二级处理，其中缺氧池有效容积4.0 m3，缺氧池底部与好氧池联通过水；好氧池有效容积8.0 m3，使用罗茨风机对好氧池曝气；MBR为弦纹平板膜组件（碧水源CM-I-6型，PVDF材质，孔径1.6 mm；单片膜面积1.5 m2，每套6片膜，2套联用，共18 m2），弦纹平板膜浸没于好氧池内，以内置式MBR膜组件完成二级水处理。

深度处理反应器有效容积为0.5 m3，采用空气源臭氧发生器（20 g/h，佛山万格立）产生臭氧气体，气体流量40~50 L/min，臭氧质量浓度12~18 mg/L；交流转直流电源电机（15 V，无锡申海达）输出直流电，阴阳极均为铁极板（尺寸500 mm×500 mm×50 mm，共2片）。深度处理旨在去除MBR出水中残余的难降解有机物〔15-16〕，保障出水稳定达标。

1.3 运行过程

实验分为调试阶段和运行阶段。调试阶段完成生化处理装置内污泥驯化与MBR的微生物挂膜。生化池接种污泥取自当地污水处理厂二沉池脱水污泥，该污水厂主体工艺为A2/O。污泥接种质量浓度为5 000 mg/L，采用逐渐提高处理水量的阶梯进水方式进行污泥驯化，根据出水水质与污泥性状判断驯化效果。污泥驯化进行1个月后，生化处理装置污泥质量浓度达12 000 mg/L，污泥SV30为50%，连续7 d测得MBR出水COD稳定于400~600 mg/L，表明污泥驯化与MBR挂膜等调试基本完成。

调试完成后进行反应条件优化实验，优化实验得出预处理、膜生物处理及深度处理3个处理阶段的最优条件：预处理进水流量100 L/h，HRT=8 h，预处理臭氧供给量60 g/h，输出电流60 A；经预处理后处理液进入膜生物反应阶段，缺氧池溶解氧维持在0.5 mg/L以下，污泥质量浓度15~25 g/L，处理液HRT为4 d，平均污泥停留时间20 d；维持好氧池溶解氧2.0~4.0 mg/L，污泥质量浓度10~20 g/L，处理液HRT为8 d，平均污泥停留时间30 d；MBR膜均匀间歇出水，出水泵的开停比为7∶3（膜出水7 min再关停3 min，由时间继电器控制实现），以此连续循环运行；每3 d加次氯酸钠或柠檬酸溶液对MBR进行反冲洗，其中柠檬酸溶液反冲洗质量浓度为10 g/L，次氯酸钠溶液的反冲洗质量浓度为1 g/L；MBR膜出水一部分作为硝化液回流至前端缺氧池，保持硝化液回流比为200%~300%；1.0 m3/d膜出水通过流量计调节后均匀进入电凝聚臭氧气浮深度处理，深度处理条件为臭氧量20 g/h，极板电流强度20 A，HRT=12 h。

实验确定各阶段处理工况后，对垃圾压滤液进行90 d连续处理运行，以研究本工艺对压滤液处理的稳定性与可靠性，其中进水1.0~1.5 m3/d，缺氧池排泥100~200 L/d，好氧池排泥200~300 L/d。

1.4 分析方法

通过测定压滤液进水水质和各阶段处理液COD、BOD5、NH3-N、TN、TP水质指标，研究电凝聚臭氧气浮联合生化处理工艺对压滤液处理过程中污染物的转化及去除状况，其中COD采用重铬酸钾法、BOD5采用微生物传感器快速测定法、TN采用过硫酸钾氧化-紫外可见分光光度法、NH3-N采用纳氏试剂分光光度法、TP采用钼锑抗分光光度法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 有机物去除效果

2.1.1 预处理运行效果

对预处理电流密度与臭氧曝气量等运行工况优化后，在最优运行工况下，连续处理压滤液90 d得到各处理工段水质数据，分析本套组合工艺与装置对压滤液的处理效果，有机物预处理效果见图 2。

图2

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图2   预处理对有机物去除效果

Fig.2   The effect of pretreatment on organic matter removal


压滤液原液COD为30 989~47 908 mg/L，有机物浓度波动较大，原液平均COD为（39 550±4 172）mg/L。由图 2（a）可知，预处理后COD降至（18 049~29 701）mg/L，预处理平均出水COD为（25 124±2 860）mg/L，去除率为（36.47±9.43）%。

检测发现，压滤液原液浊度为1 300~2 100 NTU，预处理对浊度降低最显著的7 d中，浊度均稳定在690 NTU以下，对应的COD去除率均在50%以上，表明压滤液中悬浮物及胶体贡献了较多COD，由此可知臭氧气浮工艺对压滤液净化具有重要作用。气浮将压滤液中悬浮固体物上浮至反应器液面，与电凝聚反应去除胶体产生的絮体等杂质聚集成浮渣与浮沫，由排渣管排出。预处理工段COD去除率在25%以下有12 d，其余71 d预处理工段去除率保持在25%~50%，表明预处理对有机物去除具有稳定性。

预处理降解压滤液有机物的同时提高了其可生化性，如图 2（b）所示。原液BOD5为8 381 ~20 099 mg/L，平均BOD5为（14 398±2 707）mg/L，平均B/C为0.36±0.06；预处理后平均BOD5为（13 644±1 987）mg/L，平均B/C提升至0.54±0.05，预处理液相较原液可生化性显著提高。本工艺通过臭氧氧化作用、臭氧气浮作用〔17〕、电化学作用（电氧化、电还原、电絮凝、电Fenton）互促增效〔18〕去除有机物，反应生成氧化性较强的羟基自由基〔19〕，与压滤液中存在的芳香化合物和杂环化合物等有机物相互作用，使芳香环和杂环断裂，生成小分子有机酸（如羧酸），和易于被微生物吸收的其他短链化合物〔13, 20〕等同时矿化形成一些无机物（如CO2与H2O）〔21〕；或在臭氧直接作用下，将压滤液中苯胺类、挥发酚类及硝基苯类大分子有机物氧化分解为酯类及烷烃类小分子有机物〔22〕，整体改善压滤液可生化性〔23-24〕。此外，对其中一些有毒有害物质如重金属离子等，进行降解或迁移转化〔25〕。

2.1.2 生物处理与深度处理对COD去除效果

膜生物反应器及深度处理对COD去除效果见图 3。

图3

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图3   膜生物反应器及深度处理对COD去除效果

Fig.3   The effect of MBR and advanced treatment on COD removal


二级生物处理采用（A/O）-MBR组合工艺，缺氧池前置可抗有机物负荷冲击，对整个生化反应体系起缓冲作用，此外还有利于进行NH3-N的硝化与反硝化反应。处理液经缺氧-好氧反应后通过MBR膜组件实现反应液的出水，出水过程膜表面附着的微生物对有机物、NH3-N等进一步吸收去除。生化处理进水平均COD为（25 124±2 860）mg/L，经缺氧（HRT=4 d）和好氧（HRT=8 d）处理后，MBR出水COD长期保持在400~800 mg/L，生物处理对COD去除率高达95%以上。

缺氧-好氧组合MBR生物法COD去除效果显著，这是由于预处理提高了有机物的可生化性，有利于生化反应的进行；其次好氧池高MLSS且HRT较长，有利于微生物对COD的吸收和转化；经检测，缺氧池污泥质量浓度为15 000~25 000 mg/L，污泥龄20 d；好氧池污泥质量浓度在10 000~20 000 mg/L，污泥龄27 d。另外，膜出水一部分作为硝化液以200%~300%回流比回流至前端缺氧池，对进入缺氧池的有机物存在一定的缓冲作用。

MBR出水尚未稳定达到《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962—2015）A级标准中COD在500 mg/L以下的要求，为保证出水稳定达标，选用电凝聚臭氧气浮工艺对膜出水进行深度处理〔26-27〕。深度处理后COD降至350~450 mg/L，平均去除率为（30±12）%，经深度处理后COD稳定达到排放标准。

2.2 TN与NH3-N去除效果

2.2.1 TN去除效果

处理工艺各阶段对TN的去除效果见图 4。

图4

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图4   处理工艺对TN去除效果

Fig.4   The effect of treatment system on TN removal


如图 4（a）所示，压滤液原液TN在650~1 200 mg/L，平均TN（915±100）mg/L，预处理后TN下降至577~971 mg/L，平均TN降至（830±88）mg/L，预处理对TN平均去除率为（9±7）%，可知电凝聚臭氧气浮工艺预处理对TN去除效果不显著。

相比预处理对TN去除率低下，TN主要在生物二级处理完成去除，如图 4（b）所示，经A/O-MBR处理后，出水TN在23~74 mg/L，平均TN为（50±9）mg/L，平均去除率为（94±1）%；深度处理后TN在21~50 mg/L，平均TN降至（42±6）mg/L，平均去除率为（16±9）%。

2.2.2 NH3-N去除效果

如图 5（a）为预处理对NH3-N的去除情况，压滤液原液NH3-N为601~900 mg/L，平均为（737±47）mg/L；经预处理后NH3-N下降至500~680 mg/L，平均为（609±46）mg/L，平均去除率为（17±8）%。预处理对NH3-N去除效果优于TN，这是由于预处理臭氧气浮中对NH3-N的吹脱作用造成的。

图5

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图5   处理工艺对NH3-N的去除效果

Fig.5   The effect of treatment system on NH3-N removal


净化系统在生物处理阶段对NH3-N完成主要去除，如图 5（b）所示。生物处理后MBR出水NH3-N下降至60 mg/L以内，平均为（50±6）mg/L，去除率为（91±2）%；深度处理中臭氧对NH3-N具有一定吹脱作用，出水NH3-N质量浓度为25~41 mg/L，平均质量浓度（34±3）mg/L，平均去除率（24±11）%。

2.3 TP去除效果

垃圾压滤液中TP较低，在20~160 mg/L，平均TP为（67±21）mg/L，图 6是处理工艺各阶段对TP的去除效果。经预处理后平均TP降至（44±13）mg/L，平均去除率（35±5）%；预处理液进入MBR，经微生物作用（HRT=12 d），MBR出水TP长期稳定在5 mg/L以下，平均去除率（91±4）%。MBR对TP的去除效果很显著，这是由于TP的起始浓度低，不同于高有机物和高NH3-N的特性；其次，微生物生长需要一定比例的C、N、P，微生物对C和N的吸收过程中，同时吸收P，从而对TP实现生物处理。由于MBR出水TP已稳定达到排放标准，因此深度处理阶段不对TP进行关注。

图6

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图6   处理工艺对TP去除效果

Fig.6   The effect of treatment system on TP removal


2.4 各处理阶段DOM的三维荧光分析

为了研究压滤液处理过程中各反应阶段溶解性有机物组分迁移与降解过程，选取稳定处理运行中典型的一组各阶段处理出水，水样分别稀释5倍后进行三维荧光分析。根据三维荧光法对不同溶解性有机物（DOM）激发出不同的荧光基团与不同的荧光强度〔28〕的原理，表征有机物官能团、结构、分子质量等信息〔29-31〕，结果如图 7所示。原液、预处理出水、MBR出水、深度处理出水中可溶性COD分别为32 559、23 814、685、261 mg/L。

图7

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图7   各处理工段溶解性有机物三维荧光图

Fig.7   Three dimensional fluorescence of dissolved organic matter in different treatment stages


图 7（a）中压滤液原液存在2个荧光峰，荧光峰Peak B发射波长λEm介于340~370 nm，激发波长λEm在280 nm左右。根据有机物荧光特性〔28〕分析，此区间主要有易于生物氧化降解的小分子有机物〔32〕，以及酪氨酸与色氨酸类蛋白；荧光峰Peak A的λEm/λEx为420 nm/340 nm，属于疏水性类腐殖酸。

图 7（b）中预处理出水仍然呈现2个荧光峰，Peak B发射扫描波长λEm/λEx为310 nm/277 nm，此区间主要为可生化性的色氨酸类蛋白与酪氨酸，对比图 7（a）中Peak B，有机物的类别没有变化，而荧光强度变化较大，荧光强度由2 300上升至2 833，表明预处理将一部分有机物转化为色氨酸类蛋白与酪氨酸，提高了处理液的可生化性，与预处理提高压滤液的B/C实验结果一致；图 7（b）中Peak A发射波长λEm在380~430 nm范围内，λEx在280~340 nm范围内，分析得此区间主要有机物为海洋类腐殖酸〔28, 33〕，经预处理荧光强度下降21.43%，表明预处理对腐殖酸类有机物去除效果不显著。

图 7（c）为MBR出水三维荧光光谱图，图中只有1个荧光峰Peak A，没有Peak B，说明生物处理将可生化性良好的类蛋白质等有效去除；相较于图 7（b），荧光峰Peak A荧光强度增大但峰值范围缩小，荧光峰范围缩小至λEm 410~445 nm、λEx330~360 nm，说明膜生物出水存在难生物降解有机物的浓缩现象同时难生物降解有机物类别趋于单一化。

图 7（d）深度处理出水三维荧光光谱图仍然只有一个荧光峰Peak A，位置与图 7（c）相重合，表明可溶性有机物种类一致，但荧光强度明显下降，荧光强度下降71.95%，表明深度处理对腐殖酸类有机物有效去除〔34〕。

3 成本核算

运行成本包括3部分：人工维护费用、药剂采购与零部件更换费用、设备耗电费用。人工维护费用每人30元/d，共1人；药剂及零部件更换费用，统计运行90 d时共计花费1 450元，折合16元/d；设备电费计93元/d，实验设备耗电费用如表 1所示。设备进入垃圾压滤液原液1.2~1.5 m3/d，排泥200~500 L/d，深度处理出水1.0 m3/d，即实际处理出水1 m3/d，共计压滤液处理成本为139元/t。经过调研，当地垃圾压滤液处理市场价300元/t，对比得本装置净化成本低，具有经济可行性。此外，研究仅为中试试验，当处理量扩大到工程规模时，处理费用将低于此核算费用，因此试验139元/t处理成本为最高成本。

表1   实验装置耗电费用统计

Table 1  Total power consumption of experimental equipment

设备名称额定功率/kW运行时间/h能耗/（kW·h）费用/元
深度处理臭氧发生器0.3247.24.32
预处理臭氧发生器1.01212.07.20
空气压缩机2.01224.014.40
冷冻式空气干燥机0.8129.65.76
MBR出水泵1.01212.07.20
MBR反冲洗泵1.011.00.60
罗茨风机2.22452.831.68
潜水搅拌机1.52436.021.60
费用合计92.76

注：电费单价以0.6元/（kW·h）计。

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4 结论

（1）构建以电凝聚臭氧气浮技术作为预处理与深度处理工艺，与缺氧-好氧-MBR技术作为二级生物处理工艺相组合，对垃圾中转站压滤液展开净化效果试验，通过90 d运行与水质检测得，采用该工艺处理压滤液净化能够达到《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962—2015）A级出水要求。

（2）本工艺中有机物去除主要在预处理与二级生物处理中实现，深度处理保障有机物达标排放；TN与NH3-N主要由二级生物处理完成，电凝聚臭氧气浮对TN与NH3-N去除作用不显著；压滤液中TP含量较低，经二级生物处理即可稳定达标。

（3）系统对压滤液净化最高成本为139元/t，仅为当地压滤液处理市场价格的46%，电凝聚臭氧气浮组合缺氧-好氧-MBR净化压滤液工艺可靠、出水稳定达标、运行成本低，能够作为工程规模进行推广应用。

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