微电解-厌氧-I-BAF工艺在垃圾渗滤液处理中应用

范达茂

（福建省新科环保技术有限公司  350005）

摘要：城市垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，若不加处理而直接排放，会造成严重的环境污染。以保护环境为目的，对渗滤液进行处理是必不可少的。分析了渗滤液的水质特点，结合本公司的工程实例，阐述该微电解-厌氧-I-BAF工艺解决上述问题的可行性及实际应用，并进一步指出需要完善之处。

 

关键词：垃圾渗滤液 微电解  固定化微生物曝气生物滤池  硝化 反硝化

0  引言

填埋作为一种城市固体废弃物（垃圾）处理方式已被国内外广泛应用，在我国目前有90%左右的城市固体废弃物是用填埋法处理的^[1]。随近年来,我国兴建了一批垃圾填埋场,改变了长期以来对垃圾的无控制处置的状况。然而垃圾填埋后产生的垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水,如不妥善处理,对周围的环境造成严重的污染。为此,垃圾渗滤液的处理问题又摆在了人们的面前。合理、有效地处理垃圾渗滤液非常重要。

城市垃圾渗滤液是一种成分复杂的高深度有机废水，渗滤液的水质有以下特点：(1)有机物质量浓度高，其中腐殖酸为小分子有机酸和氨基酸又合成的大分子产物，是渗滤液中长期性的最主要有机污染物，通常有200—1500mg/L的腐殖酸不能生物降解；(2)氨氮质量浓度高，一般小于3000mg/L，在500—2O43mg/L之间居多，其在厌氧垃圾填埋场内不会被去除，是渗滤液中长期性的最主要无机污染物；(3)金属含量高，垃圾渗滤液中含有10多种金属离子，由于国内垃圾不像国外某些城市那样经过严格的分类和筛选，所以国内外垃圾渗滤液中金属离子浓度有差异。其中铁浓度可高达2050mg/L,铅的浓度可达12.3 mg/L，锌的浓度可达130mg/L，钙的浓度可达4300 mg/L^[2]；(4)污染物深度高，变化范围大。渗滤液中污染物浓度及其变化范围见表1

表1渗滤液中污染物浓度及其变化范围见表^[3]

污染物	浓度范围（mg/L）	污染物	浓度范围（mg/L）	污染物	浓度范围（mg/L）
COD	100～90000	PH	5～8.6	Pb	0.02～2
BOD5	40～73000	Fe	0.05～2820	Zn	0.2～370
SS	10～7000	Ca2+	23～7200	SO42-	1.0～1600
氨氮	6～10000	Mg	17～1560

垃圾渗滤液的处理方法包括物理化学法和生物法。物理化学法主要有活性炭吸附、化学沉淀、化学氧化、化学还原、离子交换、膜渗析等多种方法，这些方法需要投要大量化学药剂，使得处理成本提高，操作复杂；有的生成大量副产物，处理不当易造成二次污染。对于单独厌氧处理，渗滤液中有毒重金属，会严重抑制厌氧微生物的正常代谢活动，需要在前面采取预处理去除抑制物质；对于单独好氧处理，若采用传统活性污泥法，直接处理这样氨氮高达1.5g/L的废水，将抑制微生物的生长，难以达标排放，除非用大量水稀释才能处理，这又导致基建和运行费用增加。

经过比较和结合本公司工程实例，微电解-厌氧-I-BAF工艺具有节能、投资小及运行费用低等特点，是处理渗滤液一种行之有效的方法。出水达到《综合污水排放标准》GB8978-1996一级标准：CODcr≤100mg/L，BOD5≤30mg/L，氨氮 ≤15 mg/L，SS≤70mg/l ，PH=6-9；本文将从工艺机理、工程实例上阐述微电解-厌氧-I-BAF工艺在处理渗滤液的优越性和可行性。

云南龙陵垃圾填埋厂渗滤液工程，日处理量100吨/天，工程总造价450万，其中土建130万，设备250万，设计安装调试等技术服务费约70万；运行费用为18.5元/m³水，其工艺流程如下：

进水

调节酸化池

微电解池

混凝沉淀池

厌氧折流池

I-BAF池

植物净化塘

达标排放（GB8978-1996）

污泥浓缩池

脱水

外运

污泥

预留膜处理接口

 

 

 

 

 

 

 

图1云南龙陵垃圾填埋厂渗滤液处理工艺流程图

1  工艺分析

1.1 微电解

由于此类废水成份复杂，含有对生化处理有抑制作用的重金属离子和难处理的大分子物质，经生物铁强化水解酸化处理，可改变含渗滤液废水的分子结构，把难降解的大分子有机物转化为小分子有机物，重金属离子通过沉淀去除，为下一步厌氧处理和接触氧化处理创造有利条件。微电解池采用底部进水上部出水方式，池子内部填充铁和碳，其中铁碳比体积比为1：3，采用、铁屑、活性炭和特定介质交替分层，解决了微电解填料板结问题，另外通过调节控制PH值在4-5；该技术已获得国家专利（专利号ZL 03 269345.1）。

从原理上讲微电解技术是利用铁、炭具有微电池反应、絮凝作用，对废水处理表现出十分显著的效果。下面对这一技术的原理作简要的分析：

①微电池反应

铁屑是由铁和碳及其它一些成份组成的合金，碳化铁和其它成份以极小的颗粒分散在铁屑中，当铁屑浸入废水中（废水可视作电解质溶液），构成了无数个腐蚀微电池，铁为阳极，碳为阴极，电极反应为：

阳极 Fe－2e → Fe₂⁺ E°Fe₂⁺∕Fe＝－0.44V

阴极 2H⁺＋2e → 2[H] →H₂ E°H⁺∕H₂＝－0.00V

微电池反应产物具有很高的化学活性，在阳极，产生的新生态Fe₂⁺;在阴极，产生的活性[H]，利用两极产生的电位差，废水中许多污染物组份发生氧化还原反应，使可溶的物质转化成难溶或微溶物质，通过絮凝作用沉淀除去；使大分子物质分解为小分子物质；使某些难生化降解的物质转变成容易处理的物质，提高废水的可生化性。

②絮凝作用

微电解阳极反应产生Fe₂⁺，Fe₂⁺易被空气中的O₂氧化成Fe₃⁺，生成具有强吸附能力的Fe(OH)₃絮状物。反应式为：

Fe₂⁺＋OH^- → Fe(OH)₃↓

4Fe₂⁺＋O₂＋2H₂O＋8OH^- → 4Fe(OH)₃↓

生成的Fe(OH)₃是活性胶体絮凝剂，其吸附能力比普通的Fe(OH)₃强得多，它可以把废水中的悬浮物及一些有色物质吸附共沉淀而除去，从而达到脱色的效果。

另外微电解出水中含有大量二价铁离子，与空气接触后，二价铁离子被氧化成三价铁离子，三价铁离子易生成Fe(OH)₃、Fe₂(SO₄)₃等沉淀，从而携带大量悬浮物与之共沉淀，减少了Ca²⁺、Mg²⁺以及一些重金属对后续生物处理的抑制作用，通过沉淀后出水比较澄清。

在经过微电解后使污水中色度大大降低，保证最终好氧出水比较澄清，从而使好氧出水后的混凝加药量减少一半以上。在云南龙陵垃圾填理厂渗滤液处理表明微电解出水的PH值可以从4.5-5提高到了7-7.5，节省加碱量，降低了运行费用。表2中列出了微电解进出水PH值的变化。

1.2 厌氧处理

垃圾填埋后，随着填埋年龄的增长，垃圾中有机物的降解速率、垃圾的持水能力和水的透过性能均发生变化。所产生的渗滤液性质在填埋场的不同年龄中也会有不同的性质。随着时间的增长，垃圾中难降解的高分子有机物逐渐取代了可生物降解的有机物。因此通过厌氧中水解、酸化等阶段处理提高污水可生化性，为后续好氧处理创造条件；同时由于厌氧能耗低和费用低，且其对废水中有机物的去除亦可节省好氧段的需氧量和相应的能耗，从而节省整体工艺的运行费用。

厌氧池，即在无氧或缺氧的条件下，由兼性菌和厌氧菌降解废水中的有机物。厌氧生物降解有机物过程是：先将废水中复杂的高分子量可溶性有机物（即碳水化合物、脂类、蛋白质等），及颗粒状有机物，水解成微溶性有机物，这些微溶性有机物在发酵阶段，通过产酸菌转化成较高级有机酸和醋酸，还有H₂和CO₂，较高级的有机酸通过产乙酸菌的作用，进一步转化成醋酸与H2。产酸菌和产乙酸菌属于一个即包括兼性厌氧微生物又包括专性厌氧微生物的大的不同种群。最后一个阶段由产CH₄菌来实现，专性厌氧微生物在代谢过程中能够利用甲酸、甲醇、CO、乙酸、H₂和CO₂，最终产生CH₄。

 厌氧总共可分为水解阶段、酸化阶段、产乙酸阶段及产甲烷阶段。水解酸化阶段通常是一起进行的，而产乙酸与产甲烷阶段也是同时进行的。表2中列出了厌氧池进出水COD及PH值的变化。

1.3 I-BAF工艺生物脱氮

生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N₂和N_xO气体的过程。其中主要包括硝化和反硝化两个反应过程。

硝化总反应式：

反硝化总反应式：

近年来，随着生物工程技术的发展，特别是定向分离和培育的特性微生物工程技术的飞速进步，由此发展的新工艺固定化微生物曝气生物滤池（简称I-BAF）：在固定化微生物技术（IM）基础上，结合曝气生物滤池（BAF）发展而成的污水处理新装置，该工艺采用一类高效悬浮大孔网状的载体，该载体比表面积大（82m²/g），孔隙率高（98％），再结合特定转基因高效微生物构成固定化微生物-曝气生物滤池,将大量工程菌牢牢固定在载体上，单位体积生物量大，最高可达60g/L，已获得国家专利(专利号:ZL2005-20200439.5)。依据载体性能可维持生物的多样性，使好氧菌（表层）、厌氧菌（里层）和兼氧菌（次层）同时存在，提高了去除污染物的广谱性，使得在同一生物反应器当中同时存在如下反应：①亚硝酸硝化/反硝化。因为载体堆集在一起，由于氧扩散的限制，在载体中产生溶解氧梯度，毕竟外表面积有限，大部分是兼氧层，在没有足够氧气条件下大部分氨氮转化成亚硝酸盐时，就进行反硝化反应，转化成氮气，通过该反应可以节省25％硝化曝气量，节省40％的反硝化碳源，节省50％反硝化反应器容积； ②厌氧氨氧化。一些微生物在缺氧的条件下将氨氮转化为氮气，以亚硝酸盐作为电子接受体。这一过程是自养的，无须投加碳源；③好氧反硝化。 在好氧条件下，某些好氧反硝化菌能够通过氨氮的生物作用形成氧化氮和氧化亚氮等气态产物。④同时硝化/反硝化工艺（SND）。在载体中微生物絮体内的缺氧微环境是形成同步硝化反硝化的主要原因，即好氧环境和缺氧环境同时存在的一个反应器中，由于许多新的氮生物化学菌族被鉴定出来，在菌胶团作用下，硝化/反硝化同时进行，从而实现了低碳源条件下的高效脱氮。表2列出好氧池进出水COD和氨氮的浓度变化。

较之已有的技术，本实用新型的显著特点是：

1、I-BAF技术它采用进口的转基因高效微生物，生物种类多寿命周期长，适应能力强不易退化变异。网状载体空隙.表比面积大，显潜浮状态不会堵塞不要反冲洗。I-BAF生化系统是集反应、过滤、沉淀一体的多功能反应器，不需另外增设二沉池，大大简化工艺流程，使操作管理更加简便，易于控制；

2、不管是吹脱法（大量加碱后PH值调到13以上后把氨吹到空气中）或其它传统技术，硝化、反硝化需在不同反应器中根据相应的条件分别进行，增加土建、运行费用和操作难度；而该技术依据载体性能可维持生物的多样性，使硝化、反硝化等反应均在一个反应器中进行，故只需3.5㎏左右的碱。因为该技术好氧菌、硝化菌、反硝化菌可以同时生长共存，当1kg氨氮被硝化菌硝化分解成硝酸盐和亚硝酸盐时，理论上需要消耗7.14kg碱（以CaCO₃计），反硝化菌降解1㎏硝酸盐和亚硝酸盐理论会产生3.57㎏碱（以CaCO₃计），这样不仅不会造成硝酸盐和亚硝酸盐沉积影响COD浓度，确保出水COD的达标排放，而且还大大降低了加碱量，节省了污水运行费用；

3、I-BAF技术由于采用的是转基因高效微生物和网壮大孔潜浮状载体，生物种类数量多，寿命长适应能力强，I-BAF的有机容积负荷最高可达3.6kgBOD₅/m³.d，载体降解氨氮单位去除能力高达0.9～1.2kg/m³·d，容积去除能力0.45～0.6 kg/m³·d；而传统生物技术容积去除能为只有0.1 kg/m³·d，对高氨氮污水处理存在技术瓶颈，所以采用I-BAF技术处理同种污水相对于传统技术池子容积可以大大降低，既节省了土地又降低了土建投资；

4、在实际工程和中试研究中，该项技术进入好氧池氨氮浓度可达2000～2500mg/L,而传统技术最高限值才100～200 mg/L，否则将抑制微生物正常代谢。若采用传统技术直接处理高氨氮污水，则需要通过出水回流将氨氮浓度稀释至100～200 mg/L，这样就增加池子的容积和占地面积。而采用I-BAF技术池子容积只有传统生物技术的确1/6～1/10；

5、在实际工程运行中，硝酸盐和亚硝酸盐的反硝化阶段，对C：N比没有具体要求，而传统生物技术需要BOD5/TKN在4~6才认为碳源充足，否则需要外加碳源；

6、由于采用改性转基因的微生物，硝化、反硝化细菌可在5~55℃条件下正常运行，而传统生物技术在硝化细菌在10℃时只能免强维持，在5℃时，其生理活动会完全停止；在青海明胶股份有限公司污水处理工程中表明I-BAF技术可以在年平均气温低的高寒地区正常运行。

1.4 植物净化塘

根据该污水的特性，在好氧池的后端设置潜流人工氧化塘作为深化处理的手段，选用页岩、石灰石和灰渣等取材方便、经济适用、且能够高效除磷的材料做为氧化塘基质，氧化塘基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，通过沉淀、过滤和吸附等作用去除污染物。

大量种植植物在人工氧化塘系统中主要起固定床体表面、提供良好的过滤条件、防止氧化塘被淤泥淤塞、为微生物提供良好根区环境等作用。人工氧化塘中的植物一般应具有抗污能力强、成活率高且具有一定美学或经济价值的水生植物，本工艺选用芦苇、灯心草、香蒲、美人蕉等植物与湿生花卉。表2列出好氧池进出水COD和氨氮的浓度变化。

1.5 反渗透装置

我们当时考虑到环保要求越来越严格，故在出水处预留一个接口，若到时出水需达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）排放标准：COD≤60mg/L,BOD₅≤20mg/L，SS≤30mg/L，氨氮≤8mg/L，则在接口处加一套膜过滤，成本约60万；经过处理后可达到排放标准。

反渗透的分离原理主要是使水溶液能够顺利地通过膜，而其他的化合物则或多或少被膜截留。反渗透操作压力一般为1.5～10.5Mpa,截留组分为（1～10）×10^-10的小分子。若渗滤液直接通过膜过滤，最主要问题是过滤后的浓缩液处理，因为通过膜过滤只有70%左右顺利通过膜，约30%左右的浓缩液是一种高浓度的有机废液，其COD和电导率是原液的3～4倍，若处理不当会造成二次污染；而我们公司采用的生物处理后COD为100～400mg/L,再经过膜过滤后浓缩液COD浓度才300～1600mg/L,远远低于渗滤液浓度，排入渗滤液调节池即起到稀释作用，又不会造成二次污染。

2  福建省新科环保技术有限公司工程实例运行数据

云南龙陵垃圾填埋厂渗滤液处理工程2008年开工，2009年调试，整个系统调试稳定运行数据如下表2：

表2  整个系统稳定运行阶段实验监测数据            单位：mg/L  除PH外

3  结论和存在问题

（1）大量的研究和事实表明，微电解-厌氧-I-BAF工艺是处理垃圾渗滤液是可行的，针对该股污水中重金属、难降解、氨氮高等特点，该工艺具有优越性。

（2）I-BAF在运行过程中出现了明显的NO₂^-积累现象，而出水连续检测和在反应器内不同部位取样分析均未发现NO₃^--N的相应增加，与此同时对TN去除率却较高，说明氨氮被氧化为NO₂^--N后并没有进一步被氧化为NO₃^--N，而是直接被反硝化去除，表现出显著的亚硝酸硝化反硝化特征。

（3）本技术不仅承载污染负荷高，抗冲击力强，而且加药量少，运行费用低，系统运行稳定，出水水质好。

（4）虽然前面微电解去除部分钙离子，但在I-BAF运行过程中出现载体钙化问题，需要在以后实践中深入研究，找出解决方案。

 

参考文献

[1]Maxfield P L,Vanerbilt E S.Conceptual models of groundwater contamination investigations at a solid waste ladfill WQI,1997(11/12):36～39。

[2]扬霞，扬朝辉等。城市生活垃圾填埋场渗滤液处理工艺的研究。环境工程，2000，18（15）：12～14。

[3]喻晓,张甲耀。垃圾渗滤液污染特性及其处理技术研究和应用趋势。环境科学与技术，2002，25（5）：42～46。