申请日2003.09.25
公开(公告)日2004.09.15
IPC分类号C02F9/14
摘要
一种电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统处理垃圾渗滤液的技术，涉及垃圾渗滤液无害化处理技术。给出了EC、UASB、MBR反应器的运行条件及构造特征;给出了EC-UASB系统对渗滤液中典型毒害物的降解特性。本发明主要目标是：电化学处理使部分COD降解并使一些毒害性化合物被转化;厌氧处理去除废水中大部分COD，保证整个处理过程的高负荷和低成本;好氧处理使出水达到排放标准，该系统总的COD去除率>99%，出水COD浓度为50mg/L左右，NH3-N去除率>95%，出水NH3-N浓度为15mg/L左右，实现整体工艺的环境和社会效益，对实现垃圾渗滤液处理技术的低投资、低运行成本、高稳定性和全面达标具有重要的学术意义和实践价值。
权利要求书
1.一种垃圾渗滤液的处理方法，其特征是采用电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统处理垃圾渗滤液的技术;
电化学处理：垃圾渗滤液经EC反应器电化学氧化处理后，使COD去除率>52%，NH3-N去除率>75%，使一些毒害物被转化成可降解的有机化合物或有机酸，可生化性增加;
厌氧处理：EC反应器的出水进入升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，采用启动策略，UASB反应器可在64个运行日内成功启动，从进水为10%的EC出水逐步过渡为100%的EC出水，保持COD去除率>80%，NH3-N去除率>25%;
好氧处理：UASB出水进入一体式膜生物(MBR)反应器，有效去除EC-UASB系统出水中剩余的有机污染物，经8h处理COD去除率>90%，经6h处理NH3-N去除率>95%;
电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统总的COD去除率>99%，出水COD浓度为50mg/L左右，NH3-N去除率>95%，出水NH3-N浓度为15mg/L左右。
2.按照权利要求1所述垃圾渗滤液处理方法所采用的EC反应器，其特征是阳极材料为钛、铱、钌合金板，100mm×100mm，阴极材料为石墨，100mm×100mm，反应器有效容积为1L，两电极板接直流电源控制柜、EC反应器置于磁力搅拌器上。
3.按照权利要求1所述垃圾渗滤液处理方法所采用的UASB反应器，其特征是UASB反应器总容积1L，反应区容积900mL，反应区高度为170mm，温度控制在35±1℃，接种污泥量为650ml，接种时污泥的MLSS为37.36g/L，MLVSS为22.79g/L，MLVSS/MLSS=0.61。
4.按照权利要求1所述垃圾渗滤液处理方法所采用的一体式MBR反应器，其特征是总容积为20L，内置中空纤维膜组件4个，膜组件为中空纤维微滤膜，膜材质为聚丙烯，膜孔径为0.1μm，膜面积为0.5m2，反应器的液位通过自动液位控制器与进水泵的连动来调节，由空气泵提供的空气通过微孔曝气器进入，由自动程序控制器控制出水泵的开和停，出水泵采用间歇抽吸运行，抽吸频率为10min开，5min停，反应器内MLSS为12.55g/L，MLVSS为10.1g/L，MLVSS/MLSS=80.5%，工况期间不排泥。
5.根据权利要求1所述垃圾渗滤液的处理方法，其特征是EC处理：在添加Cl-4000mg/L，极板间距为10mm，电流密度为10A/dm2，pH为8，初始温度为50℃的条件下，经4h的电化学氧化，垃圾渗滤液的COD、氨氮和色度的去除率分别达到88%、100%和98%，电流效率达84%以上;相同条件下，经1h的电化学氧化，垃圾渗滤液的COD去除率>52%，氨氮去除率>75%。
6.根据权利要求1所述垃圾渗滤液的处理方法，其特征是UASB处理：反应器的启动和驯化是同时进行的，最初进水为可降解的底物，随着启动的进行，进水中逐渐增加渗滤液的含量，直到反应器进水完全是经EC处理后渗滤液;具体控制措施为：当COD去除率大于80%，且呈不断上升的趋势时，开始提高负荷;负荷提高后，稳定运行2～3d再测定COD去除率情况，负荷提高幅度为10～30%，整个启动阶段共分四个阶段，有效启动阶段时间64天，有机负荷4.4kgCOD/m3·d。
7.根据权利要求6所述垃圾渗滤液的处理方法，其特征是启动阶段的四个阶段：
第I阶段为初期间歇运行，1～3d，反应器运行2h，停2h，进水含10%的经EC处理后渗滤液，进水COD浓度为2000mg/L左右，反应器有机负荷OLR控制在1.1kgCOD/m3·d，COD去除率逐步提高，至第3运行日达到80%;
第II阶段为初期连续运行，4～8d，此阶段反应器连续运行，OLR仍控制在1.1kgCOD/m3·d，进水含10%的经EC处理后渗滤液，进水COD浓度为2000mg/L左右，出水SS从第4运行日的34mg/L降到第8运行日的15mg/L，COD去除率在81～86%之间;
第III阶段为渗滤液驯化负荷提高期，9～55d，从第9运行日开始提高反应器负荷，维持反应器水力负荷不变，靠增加进水COD浓度来提高负荷，进水中经EC处理后渗滤液含量从10%增加到80%，进水COD由初始2000mg/L提高到5000mg/L，反应器负荷由1.6kgCOD/m3·d提高到3.5kgCOD/m3·d，COD去除率均大于80%，出水SS一般在14～17mg/L，运行稳定，渗滤液驯化过程中一个分布合理的微生物群体已经初步形成;
第IV阶段为完全渗滤液运行期，56～64d，在OLR为8～10kg COD/m3·d，HRT为16.1～13h，MLVSS/MLSS为0.84，VA/ALK<0.3和进水pH为6.8-7.2的最佳条件下运行，进水为100%经EC处理后的渗滤液，HRT维持30h，进水COD浓度在5000～5400mg/L，OLR在4～4.4kgCOD/m3·d时，出水COD去除率大于80%，出水SS浓度稳定在15mg/L左右。
8.根据权利要求1所述垃圾渗滤液的处理方法，其特征是UASB处理：以EC处理后的渗滤液为反应器进水，有机负荷OLR为8-10kg COD/m3·d时，COD去除率>80%，NH3-N去除率>25%，COD去除率较高，产甲烷量也达到最大，反应器运行稳定，当OLR提高到13kg COD/m3·d后，反应器处理能力下降，系统有不稳定趋势;反应器内VA/ALK<0.3，系统的稳定性较高，可避免反应器出现酸化失稳现象;有机负荷OLR为8-10kg COD/m3·d时，反应器中颗粒污泥的最大比产甲烷活性最高，同时辅酶F420含量高，系统的产甲烷活性和能力均处于最佳状态。
9.根据权利要求1所述垃圾渗滤液的处理方法，其特征是EC-UASB系统处理后渗滤液中典型毒害物的降解特性：
EC-UASB系统能够有效地处理垃圾渗滤液，对难降解的有机化合物，如酚类、酰胺类、杂环芳烃类和多环芳烃类有很好的去除作用，EC-UASB系统出水中的有机物基本为可降解物质，渗滤液毒性明显降低;
在EC过程中，酚类、酰胺类、喹啉、萘降解速率快，去除率高，而外-2-羟基桉树脑、异喹啉降解速率慢，去除率低，但在UASB过程中却降解很快，出水中含量很低;4-甲基-苯酚、2(3H)苯并噻唑酮、苯并噻唑在EC过程中去除率高，而UASB过程中对它们几乎没有去除作用;渗滤液原水经EC处理后，VFA含量从原水中的0.68%增加到EC出水中的16.18%。
10.根据权利要求1所述垃圾渗滤液的处理方法，其特征是一体式MBR处理：一体式MBR反应器进水为UASB反应器出水，有机负荷8kg COD/m3·d，经8h处理后COD去除率>90%，经6h处理后，NH3-N去除率>95%，系统出水COD浓度为50mg/L左右，NH3-N浓度为15mg/L左右，污泥负荷约为2.1kg COD/m3·d。
说明书
一种电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统处理垃圾渗滤液的技术
技术领域
电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统处理垃圾渗滤液的技术，涉及垃圾渗滤液无害化处理技术。
背景技术
垃圾渗滤液的无害化处理一直是世界性的一个难题。垃圾渗滤液的成分取决于垃圾成分、填埋时间、气候条件、填埋厂设计等因素，但一般说来，垃圾渗滤液具有几方面的特点：(1)水质复杂，危害性大，其中22种被列入我国和美国EPA环境优先控制的污染物的黑名单中;(2)COD和BOD5浓度高，垃圾渗滤液中的COD最高可达90000mg/l，BOD5最高可达38000mg/l;(3)金属离子含量高，垃圾渗滤液中有10几种金属离子，其中铁2050mg/l，铅12.3mg/l，锌370mg/l，钙甚至高达4300mg/l;(4)氨氮含量高，含盐量高。氨氮浓度随填埋时间的增长而增加，最高可达1700mg/l，渗滤液中的氮多以氨氮形式存在，约占总凯氏氮(TKN)40%-50%。渗滤液中的盐主要为氯化物(100-4000mg/l)和磷酸盐(9-1600mg/l);(5)色度深且有恶臭;(6)微生物需要的营养元素比例严重失调，通常有机物、氨氮含量高，而磷元素较为缺乏;(7)水质变化大，渗滤液BOD/COD一般在0.4-0.75，但随着填埋时间的增加，垃圾层日趋稳定，垃圾渗滤液中的有机物浓度降低，可生化性差的相对分子量大的有机物占优势，其BOD/COD值甚至可低于0.1。
近10年来，国内、外对垃圾渗滤液的处理研究和工程实践日趋重视，比较有代表性的工程技术和方法包括：稳定塘+芦苇湿地化学氧化(或化学混凝)，A2/O复合生化法+化学混凝，回灌+生化处理，改良式序批反应器(MSBR)法，活性污泥膜一体化技术，以及亚滤技术、电化学技术等20多种。综观国内外的研究结果，主要存在几个问题：(1)常规方法处理废水的效率不高，有些毒害性化合物难以去除，出水不能真正达到排放标准;(2)一些特殊工艺投资较大，处理废水的成本较高，难以推广应用;(3)系统较为复杂，运行操作要求较高，稳定性有待改善。目前国内外对垃圾渗滤液处理技术的发展趋势是水处理工艺中高效新颖技术的应用和多元工艺组合的集成开发，如应用膜技术、填料生物膜法、电化学氧化法、蒸发技术;开发化学氧化、各种高效混凝剂、脱氮和去除重金属及有害物质的各种药剂。
基于国内外处理垃圾渗滤液技术的应用状况、存在的问题以及本研究室已有的研究经验，本发明提出采用电化学(EC)-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统进行垃圾渗滤液的处理，其中厌氧为升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，好氧为一体式膜生物(MBR)反应器。
发明内容
本发明的目的是提出一种电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统处理垃圾渗滤液的技术，主要解决了目前存在的以下几个问题：(1)常规方法处理废水的效率不高，有些毒害性化合物难以去除，出水不能真正达到排放标准;(2)一些特殊工艺投资较大，处理废水的成本较高，难以推广应用;(3)系统较为复杂，运行操作要求较高，稳定性有待改善。本发明主要目标是：电化学处理使部分COD降解并使一些毒害性化合物被转化;厌氧处理去除废水中大部分COD，保证整个处理过程的高负荷和低成本;好氧处理使出水达到排放标准，实现整体工艺的环境和社会效益。本发明对实现垃圾渗滤液处理技术的低投资、低运行成本、高稳定性和全面达标具有重要的学术意义和实践价值。
本发明采用的分析测定方法：
COD、BOD、NH3-N、pH、Cl-、电导率、色度均按国家标准方法测定，方法如下：
COD：重铬酸钾法/5B-1型COD快速测定仪;
BOD：接种稀释法;
悬浮固体浓度(SS)：重量法;
NH3-N：纳氏试剂分光光度法;
P-PO43-：钼锑分光光度法;
Cl-：电位滴定法;
pH：pHs-2型精密酸度计;
碱度(ALK)：酸碱指示剂滴定法;
挥发性有机酸(VA、VFA)：气相色谱法;
COLOR：稀释倍数法;
混合液悬浮固体浓度(MLSS)：重量法
混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)：重量法。
渗滤液中有机化合物分析采用GC-MS技术测定，采用美国Finnigan trace MS联用仪分析色谱条件：OV1701毛细管色谱柱，30m×0.25mm×0.25μm，进样口温度250℃，采用分流方式进样，分流孔40mL/min，程序升温，初始温度40℃，以4℃/min升至60℃，再以10℃/min升至250℃.载气为氦气.质谱条件：离子源EI，电子轰击能量为70eV，放射电流150μA，接口温度250℃，离子源温度200℃，检测器电压350V。
电流效率表征极板间电流的有效度，引出了瞬时电流效率(ICE)的概念：
式中，CODt+Δt——反应后(t+Δt时刻)的COD值，CODt——反应前t时刻的COD的值，g/L;V——液体体积，L;I——电流强度，A;F——法拉第常数。
本发明的技术方案：
一种垃圾渗滤液的处理方法，是采用电化学-厌氧-好氧膜生物组合系统处理垃圾渗滤液的技术;
电化学处理：垃圾渗滤液经EC反应器电化学氧化处理后，使COD去除率>52%，NH3-N去除率>75%，使一些毒害物被转化成可降解的有机化合物或有机酸，可生化性增加;
厌氧处理：电化学(EC)反应器的出水进入升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，采用启动策略，UASB反应器可在64个运行日内成功启动，从进水为10%的EC出水逐步过渡为100%的EC出水，保持COD去除率>80%，NH3-N去除率>25%;
好氧处理：UASB出水进入一体式膜生物(MBR)反应器，有效去除EC-UASB系统出水中剩余的有机污染物，经8h处理COD去除率>90%，经6h处理NH3-N去除率>95%;
电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统总的COD去除率>99%，出水COD浓度为50 mg/L左右，NH3-N去除率达95%，出水NH3-N浓度为15mg/L左右。
所采用的EC反应器，阳极材料为钛、铱、钌合金板，100mm×100mm，阴极材料为石墨，100mm×100mm，反应器有效容积为1L，两电极板接直流电源控制柜、EC反应器置于磁力搅拌器上。
所采用的UASB反应器，UASB反应器为有机玻璃制成，总容积1L，反应区容积900ml，反应区高度为170mm。反应器安装在特制的恒温箱内，用WMZK-01温度指示控制仪和热源构成自动温度控制系统，温度控制在35±1℃。接种污泥来自于太湖水集团啤酒厂UASB反应器的颗粒污泥。接种污泥量为650ml，接种时污泥的MLSS为37.36g/L，MLVSS为22.79g/L，MLVSS/MLSS=0.61。
所采用的一体式MBR反应器，总容积为20L，内置中空纤维膜组件4个，膜组件为杭州浙大凯华膜技术有限公司生产的中空纤维微滤膜，膜材质为聚丙烯，膜孔径为0.1μm，膜面积为0.5m2，反应器的液位通过自动液位控制器与进水泵的连动来调节，由空气泵提供的空气通过微孔曝气器进入，由自动程序控制器控制出水泵的开和停，出水泵采用间歇抽吸运行，抽吸频率为10min开，5min停，反应器内MLSS为12.55g/L，MLVSS为10.1g/L，MLVSS/MLSS=80.5%，工况期间不排泥。
EC处理：EC处理时，初始温度升高，有利于COD和氨氮的去除;极板间距对COD和氨氮的去除影响较大，以10mm为宜;间距过大或过小均产生不利影响;Cl-的适当添加有利于污染物的去除，高浓度Cl-与电流密度具有相当强的协同作用效应;pH值通过影响溶液中的有效氯含量而间接影响EC反应器对污染物的去除能力。
在添加Cl-4000mg/L，极板间距为10mm，电流密度为10A/dm2，pH为8，初始温度为50℃的条件下，经4h的电化学氧化，垃圾渗滤液的COD、氨氮和色度的去除率分别达到88%、100%和98%，电流效率达84%以上;相同条件下，经1h的电化学氧化，垃圾渗滤液的COD去除率>52%，氨氮去除率>75%。
UASB处理：反应器的启动和驯化是同时进行的，最初进水为可降解的底物，随着启动的进行，进水中逐渐增加渗滤液的含量，直到反应器进水完全是经EC处理后渗滤液。具体控制措施为：当COD去除率大于80%，且呈不断上升的趋势时，开始提高负荷;负荷提高后，稳定运行2～3d再测定COD去除率情况，负荷提高幅度一般为10～30%。整个启动阶段共分四个阶段，有效启动阶段时间64天，有机负荷(OLR)4.4kgCOD/m3·d。
启动阶段的四个阶段：
第I阶段为初期间歇运行，1～3d，反应器运行2h，停2h，进水含10%的经EC处理后渗滤液，进水COD浓度为2000mg/L左右，反应器有机负荷OLR控制在1.1kgCOD/m3·d时，COD去除率逐步提高，至第3运行日达到80%;
第II阶段为初期连续运行，4～8d，此阶段反应器连续运行，OLR仍控制在1.1kgCOD/m3·d，进水含10%的经EC处理后渗滤液，进水COD浓度为2000mg/L左右，出水SS从第4运行日的34mg/L降到第8运行日的15mg/L，COD去除率在81～86%之间;
第III阶段为渗滤液驯化负荷提高期，9～55d，从第9运行日开始提高反应器负荷，维持反应器水力负荷不变，靠增加进水COD浓度来提高负荷，进水中经EC处理后渗滤液含量从10%增加到80%，进水COD由初始2000mg/L提高到5000mg/L，反应器负荷由1.6kgCOD/m3·d提高到3.5kgCOD/m3·d，COD去除率均大于80%，出水SS一般在14～17mg/L，运行稳定，渗滤液驯化过程中一个分布合理的微生物群体已经初步形成;
第IV阶段为完全渗滤液运行期，56～64d，在OLR为8～10kg COD/m3·d，水力停留时间(HRT)为16.1～13h，MLVSS/MLSS为0.84，VA/ALK<0.3和进水pH为6.8-7.2的最佳条件下运行。进水为100%经EC处理后的渗滤液，HRT维持30h，进水COD浓度在5000～5400mg/L，OLR在4～4.4kgCOD/m3·d时，出水COD去除率大于80%，出水SS浓度稳定在15mg/L左右。
以EC处理后的渗滤液为反应器进水，有机负荷OLR为8-10kg COD/m3·d时，COD去除率>80%，NH3-N去除率>25%，COD去除率较高，产甲烷量也达到最大，反应器运行稳定，当OLR提高到13kg COD/m3·d后，反应器处理能力下降，系统有不稳定趋势;反应器内VA/ALK<0.3，系统的稳定性较高，可避免反应器出现酸化等失稳现象;有机负荷OLR为8-10kg COD/m3·d时，反应器中颗粒污泥的最大比产甲烷活性最高，同时辅酶F420含量高，系统的产甲烷活性和能力均处于最佳状态。
EC-UASB系统处理后渗滤液中典型毒害物的降解特性：
EC-UASB系统能够有效地处理垃圾渗滤液，对难降解的有机化合物，如酚类、酰胺类、杂环芳烃类和多环芳烃类有很好的去除作用，EC-UASB系统出水中的有机物基本为可降解物质，渗滤液毒性明显降低;
在EC过程中，酚类、酰胺类、喹啉、萘降解速率快，去除率高，而外-2-羟基桉树脑，异喹啉降解速率慢，去除率低，但在UASB过程中却降解很快，出水中含量很低;4-甲基-苯酚、2(3H)苯并噻唑酮、苯并噻唑在EC过程中去除率高，而UASB过程中对它们几乎没有去除作用。渗滤液原水经EC处理后，VFA含量从原水中的0.68%增加到EC出水中的16.18%。
一体式MBR处理：一体式MBR反应器进水为UASB反应器出水，有机负荷8kgCOD/m3·d，经8h处理后COD去除率>90%，经6h处理后NH3-N去除率>95%，系统出水COD浓度为50mg/L左右，NH3-N浓度为15mg/L左右;污泥负荷约为2.1kg COD/m3·d。
本发明的有益效果：本发明涉及垃圾渗滤液无害化处理技术。采用电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合处理技术，垃圾渗滤液经过电化学氧化处理1h后，COD去除率为52%左右，一些毒害性化合物同时被转化为可降解的有机化合物或有机酸阶段，在UASB反应器进入生化处理;给出了UASB反应器中的启动操作条件和最佳运行条件;给出了UASB反应器对渗滤液中典型毒害物的降解特性;给出了MBR的运行条件，以及所采用的EC反应器、UASB反应器和MBR反应器的构造特征和运行工艺流程。电化学处理使垃圾渗滤液中部分COD降解的同时，一些毒害物被转化，然后通过高效的厌氧-好氧处理使出水达到排放标准，电化学-厌氧-好氧膜生物反应器组合系统总的COD去除率>99%，出水COD浓度为50mg/L左右，NH3-N去除率>95%，出水NH3-N浓度为15mg/L左右。本发明的表观污泥产率约为0.026kg MLVSS/kg COD，只有传统的活性污泥工艺的20%左右，系统的操作弹性很大，可根据实际运行工况进行调控，EC反应器出水挥发性有机酸(VFA)含量为16.18%，渗滤液毒害性显著降低，UASB反应器又进一步去除毒害物，为一体式MBR反应器出水达标奠定基础。本发明对实现垃圾渗滤液的低投资、低运行成本、高稳定性和全面达标具有重要的学术意义和实践价值。
