申请日2015.07.23
公开(公告)日2015.12.16
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种生物膜海绵用作生物蒸发膨胀剂和生物载体联合MVC处理垃圾渗滤液的方法，该方法由MVC系统、生物膜海绵制备及生物蒸发系统组成，其中生物膜海绵由聚氨酯海绵接种活性污泥曝气培养驯化得到;渗滤液经MVC蒸发处理产生的浓缩液由生物蒸发技术处理;本发明利用MVC浓缩液中有机污染物微生物降解产生的代谢热蒸发浓缩液中的水分，且采用质轻易得、培养周期短、无二次污染的生物膜海绵作为生物蒸发膨胀剂和生物载体，并将MVC产生的浓缩液和冷凝水中的热量部分用于生物蒸发过程对热源的需求上，最大限度回收利用整个系统中的热能;克服了传统的纯物理分离过程，既能使渗滤液中的水分蒸发，又能将渗滤液中的污染物质削减。
权利要求书
1.一种垃圾渗滤液的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用作生物蒸发膨胀剂和生物载体的生物膜海绵的制备
①将聚氨酯海绵搅碎至直径为1-15mm;
②制备COD≥500mg/L的合成废水，其配制方法以COD为1000mg/L为母液，其中母液含有葡萄糖0.85-0.90g/L、酵母膏0.11-0.12g/L、NH4Cl0.17-0.18g/L、KH2PO40.020-0.025g/L、K2HPO40.020-0.025g/L、NaH2PO40.13-0.15g/L、Na2HPO40.64-0.78g/L、CaCl2·2H2O13.5-13.6μg/L、MgCl2·6H2O23.9-24.5μg/L、FeCl3·6H2O1.1-1.2μg/L、MnCl2·4H2O0.44-0.48μg/L、ZnSO4·7H2O0.14-0.15μg/L、CuCl2·2H2O0.19-0.20μg/L、CoCl2·6H2O0.27-0.28μg/L、Na2MoO4·2H2O0.041-0.045μg/L;
③将搅碎后的聚氨酯海绵放到反应器里，合成废水由反应器底部泵入，保证水力停留时间为8-12h，再将MLSS为2800-3200mg/L的活性污泥接种到反应器中，使混合后的活性污泥MLSS浓度为100-1000mg/L，其中MLSS是活性污泥的混合液悬浮物固体浓度;
④在反应器底部进行曝气，曝气量为反应器内每升混合物通入，连续培养一个周，通过蛋白质的测定判断生物膜在聚氨酯海绵上的生长情况，当蛋白质含量时，判定该聚氨酯海绵为生物膜海绵，取出海绵并控制含水量在70-80%;
(2)按常规方法对垃圾渗滤液依次进行缓垢预处理和过滤预处理，预处理后的渗滤液预热至沸点，通入机械蒸汽压缩蒸发装置中在100-105℃下进行低能耗机械蒸汽压缩蒸发处理，处理后浓缩液温度降至40-45℃后再通入步骤(1)的生物膜海绵中，调节含水量为75-90%，在曝气量为、生物膜海绵有机负荷为条件下曝气进行生物蒸发，同时蒸发过程中进行40-45℃的保温，蒸发的蒸馏水即为处理后废水;其中生物膜海绵有机负荷是指每公斤生物膜海绵的总固体对浓缩液挥发性固体的生物降解量，其中VS为浓缩液中的挥发性固体，挥发性固体含量是浓缩液的总固体经马弗炉550-555℃处理2-5小时后质量的差;TS为生物膜海绵的总固体，其含量为生物膜海绵在103-107℃下处理20-24小时后固体质量。
2.根据权利要求1所述的垃圾渗滤液的处理方法，其特征在于：步骤(2)中浓缩液COD含量大于200g/L。
说明书
一种垃圾渗滤液的处理方法
技术领域
本发明属于污水处理中垃圾渗滤液处理技术领域，具体涉及一种用生物膜海绵作生物蒸发膨胀剂和生物载体联合MVC处理垃圾渗滤液的方法。
背景技术
随着城市的发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾量日益增长，垃圾的处置成为一项紧迫的任务。卫生填埋作为我国城市垃圾处理的主要方式之一，存在着填埋场垃圾渗滤液处理的问题。垃圾渗滤液是指垃圾在堆放和处置过程中由于雨水的淋洗、冲刷，以及地表水和地下水的浸泡，通过萃取、水解和发酵而产生的二次污染物，主要来自垃圾本身的内含水、垃圾生化反应产生的水和大气降水。具有污染物组分复杂、污染物浓度高、氨氮和重金属离子含量高等特点，如果垃圾渗滤液处理不当，将会严重污染土壤、大气、地表水和地下水，造成二次污染，这些特点使得渗滤液的处理成为目前世界性难题。
目前垃圾渗滤液处理工艺主要有：生物处理-混凝沉淀、生物物理处理-化学氧化-后处理、生物处理-膜处理、蒸发处理等。申请号为CN201220641712.8和CN201320651165.6的中国发明专利采用厌氧+好氧+反渗透膜(RO)处理系统处理垃圾渗滤液，该工艺虽然工程投资较小，由于存在生物处理单元，对渗滤液原水水质的可生化性能(COD/BOD)和碳氮比(C/N)要求较高，对原水水质变化适应能力较弱，且反渗透RO产生的浓缩液为二次污染物，目前无较好的处理方法;申请号为CN201420442437.6的中国实用型新型专利采用MBR膜生物反应器+砂滤+两级DTRO+脱气工艺处理渗滤液，该工艺处理效率高，水质适应性强，但两级DTRO的浓缩液也无较好的处理方法;近年来兴起的机械蒸汽压缩蒸发(MVC)是一种较为理想的新工艺，王彩虹等人研究了机械蒸发(MVC)+离子交换铵回收工艺在垃圾渗滤液处理中的应用，以及申请号为CN201220475764.2的中国实用新型专利采用序列间歇式活性污泥法(SBR)+MVC工艺对渗滤液进行处理，MVC蒸发技术具有先进、节能、高效、低成本的特点，在未来的垃圾渗滤液处理中有较大优势，但MVC产生的高浓度的浓缩液目前的处理方法为回灌，而回灌对地下水污染的可能性增加，水流可形成短路，使填埋层含水率增加，此外，浓缩液直接回灌也有可能导致污染物的重复分离，垃圾场含盐量增加，使MVC后续清水出率低等。从水处理角度看，MVC蒸发技术为纯物理分离过程，没有对污染物质进行有效削减。因此，MVC技术急需结合一种有效的高浓度废水处理技术对有机污染物进行降解处理。
近来，一项被新提出的针对高浓度有机废水的处理技术可以用来处理MVC工艺产生的浓缩液，申请号为PCT/KR2014/003527的国际发明专利提出的针对高浓度有机废水的生物蒸发处理技术，其原理是利用微生物在好氧代谢中产生的代谢热为热源来蒸发高浓度有机废水里的水分，有机物作为微生物代谢的底物，随着有机物浓度不断增加，微生物的代谢热也增加，代谢热不断积累形成高温并对废水中的水分进行汽化，汽化后的水蒸气由通风气流带出反应器以达到去除效果。垃圾渗滤液原液中有机质含量较高，COD一般高20000mg/L，MVC系统的蒸发效率可以达到90%以上，因此浓缩液中COD的含量高达200g/L，满足生物蒸发处理技术对高浓度有机废水COD含量最低为120g/L的要求。此外，由于高浓度废水为粘稠状，空隙度小，自身含有较少的用于生物蒸发的微生物，因此在生物蒸发过程中需要向高浓度有机废水中添加膨胀剂和微生物载体，其中膨胀剂要求具有空隙结构、比表面积大、吸水性好，这样可以给堆体提供结构支持和较高的自由空域，使氧气传质更加容易;生物载体为生物蒸发过程接种微生物，生物载体要求微生物为杂菌，含有适应各种环境的微生物。膨胀剂将废水吸到表面形成一层薄薄的水膜，利于氧气传质，因此，在膨胀剂的表面为微生物提供了一个良好的生长环境进行好氧代谢。目前，生物蒸发使用的膨胀剂和生物载体为生物干化污泥，其由城市生活污水处理厂脱水污泥经生物干化过程得到。生物干化污泥含水率低，孔隙率高，比表面积大，微生物种类多且活性较高，此外，生物干化污泥自身含有未被生物降解的有机质，在生物蒸发过程中这部分有机质被微生物降解产生的代谢热也对水分蒸发产生贡献，所以可以降低生物蒸发对废水有机质含量的要求，因此，生物干化污泥被用作生物蒸发的膨胀剂和生物载体。但是生物干化污泥的制备需经脱水污泥的生物干化过程，脱水污泥含水率达80%以上，需先调节初始含水率方可进行生物干化，且生物干化过程耗时较长，一般需2-3周;而且脱水污泥里含有在污水处理厂中没有被硝化和反硝化的氨氮，在生物干化过程中会产生氨气形成二次污染物;脱水污泥有刺鼻性气味，且密度较大(530-560g/L)，在搬运和生物干化过程中劳动强度极大。
此外，生物蒸发过程需要良好的保温效果，目前的保温策略为在生物蒸发反应器外加保温材料，但是其保温效果有限且无法和反应器有效结合。
发明内容
为克服现有的MVC工艺对渗滤液中的污染物质没有削减和产生的浓缩液无法处理的不足以及生物蒸发技术中生物干化污泥作为膨胀剂和生物载体、反应器保温效果差等存在的问题，本发明提供了一种用生物膜海绵作生物蒸发膨胀剂和生物载体联合MVC处理垃圾渗滤液的新工艺;本发明的目的是利用价廉、质轻、多孔的聚氨酯海绵为介质，将微生物驯化培养到碎海绵表面，经挂膜后的碎海绵用作生物蒸发的膨胀剂和生物载体，然后再用MVC技术和生物蒸发技术联合处理垃圾渗滤液;在MVC蒸发系统中，经预处理的渗滤液被高温高压的蒸汽换热蒸发，蒸汽冷凝为冷凝水，被蒸发的渗滤液经压缩成为二次高温蒸汽，这样连续进行蒸发，该过程同时把渗滤液中难生物降解的大分子物质经过高温高压裂解为易生物降解的小分子物质，这样为后续生物蒸发提高了废水的可生化性。MVC系统产生带有显热的浓缩液进入生物蒸发系统，浓缩液与生物膜海绵充分混合并曝气，微生物利用可降解有机物进行好氧代谢，代谢热在反应器内积累使堆体温度升高并蒸发水分，带有显热的浓缩液可以提高物料的温度，从而缩短生物蒸发的启动时间，同时MVC系统产生的带有显热的冷凝水对生物蒸发过程进行保温，生物蒸发系统由生物蒸发产生的代谢热+浓缩液自身显热+冷凝水保温三者组成的高温对浓缩液里的水分进行蒸发，浓缩液里的污染物质被膨胀剂和生物载体中的微生物所降解消耗。
本发明是通过以下方式实现的：
本发明是用生物膜海绵作生物蒸发膨胀剂和生物载体联合MVC处理垃圾渗滤液的方法，该方法包括MVC处理系统、生物膜海绵培养系统以及生物蒸发系统，该方法包括如下步骤：
(1)用作生物蒸发膨胀剂和生物载体的生物膜海绵的制备
①将聚氨酯海绵搅碎至直径为1-15mm;
②制备COD≥500mg/L的合成废水，其配制方法以COD为1000mg/L为母液，所需具体合成废水COD按比例由母液稀释得出或按比例由母液组成配制;其中母液含有葡萄糖0.85-0.90g/L、酵母膏0.11-0.12g/L、NH4Cl0.17-0.18g/L、KH2PO40.020-0.025g/L、K2HPO40.020-0.025g/L、NaH2PO40.13-0.15g/L、Na2HPO40.64-0.78g/L、CaCl2·2H2O13.5-13.6μg/L)、MgCl2·6H2O23.9-24.5μg/L、FeCl3·6H2O1.1-1.2μg/L、MnCl2·4H2O0.44-0.48μg/L、ZnSO4·7H2O0.14-0.15μg/L、CuCl2·2H2O0.19-0.20μg/L、CoCl2·6H2O0.27-0.28μg/L、Na2MoO4·2H2O0.041-0.045μg/L;
③将搅碎后的聚氨酯海绵放到反应器里，合成废水由反应器底部泵入，保证水力停留时间为8-12h，再将MLSS为2800-3200mg/L的活性污泥接种到反应器中，使混合后的活性污泥MLSS浓度为100-1000mg/L，其中MLSS是活性污泥的混合液悬浮物固体浓度;
④在反应器底部进行曝气，曝气量为反应器内每升混合物通入，连续培养一个周，通过蛋白质的测定判断生物膜在聚氨酯海绵上的生长情况，当蛋白质含量时，判定该聚氨酯海绵为生物膜海绵，取出海绵并控制含水量在70-80%;
(2)渗滤液预处理：按常规方法对垃圾渗滤液依次进行缓垢预处理和过滤预处理;
缓垢预处理采用常规微电解填料，主要作用为利用过滤机理去除部分SS(悬浮固体)和有机物，使得后续机械蒸汽压缩蒸发装置的结垢情况得到有效缓解;过滤预处理采用全自动在线清洗快速精密过滤器，过滤精度为100μm，经过滤去除渗滤液中的SS，防止其在后段的蒸发过程中包裹换热管，为蒸发处理系统有效运行创造良好的条件，保证蒸发效率。
(3)预处理后的渗滤液预热至沸点，通入MVC装置中在100-105℃下进行低能耗机械蒸汽压缩蒸发处理，使渗滤液中大多数的COD、BOD、氨氮和金属离子等污染物质与水分离，处理后的浓缩液体积约为渗滤液体积的5-10%，产生的氨气由吸氨装置吸收，不凝气体由排空冷凝器吸收，处理后浓缩液先预热垃圾渗滤液原液，浓缩液温度降至40-45℃再通入步骤(1)的生物膜海绵中;
MVC产生的冷凝水也先通入渗滤液预热装置对原液进行预热，冷却后的冷凝水再流入生物蒸发过程中用于保温，带有显热的冷凝水在反应器保温层循环流动，热量经换热面传热到反应器内进行保温和增温，再次冷凝后的冷凝水达标排放;
(4)浓缩液与步骤(1)的生物膜海绵混合后，调节含水量为75-90%，在曝气量为、生物膜海绵有机负荷为条件下曝气进行生物蒸发，同时蒸发过程中进行40-45℃的保温，蒸发的蒸馏水即为处理后废水;其中生物膜海绵有机负荷是指每公斤生物膜海绵的总固体对浓缩液挥发性固体的生物降解量，其中VS为浓缩液中的挥发性固体，挥发性固体含量是浓缩液的总固体经马弗炉550-555℃处理2-5小时后质量的差;TS为生物膜海绵的总固体，其含量为生物膜海绵经恒温烘箱在103-107℃下处理20-24小时后固体质量。
在生物蒸发过程中采用底部均匀曝气，可实时在线监测氧气浓度来决定曝气量或恒定曝气;氧气浓度反映微生物的活性以及通风策略，根据氧气浓度可以控制曝气装置的曝气量;
生物蒸发过程中实时监控反应器内的温度，反应器内的温度反映堆体微生物的活性以及生物蒸发进程，实时添加新的浓缩液，控制生物膜海绵有机负荷为。当堆体温度达到45℃时高温微生物开始大量繁殖，所以将预热渗滤液原液后的冷凝水在保温层内流动温度控制在40-45℃;
生物蒸发会产生一定量的氨气、硫化氢、甲烷等有害气体，所以在气体外排前需经化学吸收或者生物滤池过滤净化。
生物蒸发是一项新型的高浓度有机废水处理技术，其利用废水含有的潜在生物能为蒸发驱动力，可以实现废水的零排放处理。在生物蒸发过程中，膨胀剂和生物载体、堆体混合物的初始水分以及曝气量是影响蒸发效果的几个重要因素，膨胀剂和生物载体是生物蒸发过程必不可少的添加剂，没有膨胀剂对粘稠状的废水做结构支撑氧气的传质会受阻，而没有生物载体接种微生物，有机物就无法进行有效快速的生物降解;对于初始水分，过高会减少自由空域，增加氧气在介质中的传质阻力，过低会抑制微生物的活性，因为微生物的生长需要在适度的水环境中;对于通风策略，过高的曝气量会带走反应器内的代谢热降低堆体温度，过低的曝气量使堆体局部处于厌氧状态，厌氧发酵产生的代谢热远低于好氧发酵，不利于水分蒸发。生物蒸发技术属于水处理范畴，与传统的水处理技术相比，本技术处理的对象为高浓度有机废水，不需预处理，无二次污染物，且处理费用较小，仅有向反应器曝气所产生的能耗。生物蒸发技术经济、节能、环保，在高浓度有机废水处理上是一种革命性的突破，目前在国内市场还没有被运用过。
有益效果如下：
本发明用生物膜海绵作为生物蒸发膨胀剂和生物载体，再将MVC技术和生物蒸发技术有效结合，提供了一种垃圾渗滤液处理的全新方法。
传统生物蒸发技术用生物干化污泥作为膨胀剂和生物载体，要将污水厂的脱水污泥经空气干化调节初始含水率后进行生物干化，此过程需要耗费大量的人力物力，脱水污泥含水率达80%以上导致搬运不便，同时需要室外较大场地对脱水污泥晾晒及翻转捣碎，而且生物干化中会产生甲烷、硫化氢等刺鼻性气味造成二次污染，此外，生物干化过程历时较长，一般需要3周;相比较生物干化污泥，本发明运用的聚氨酯海绵也具备多孔结构、比表面积大、有一定吸水能力，微生物在其里表面和外表面都能形成良好的生物膜，因此生物膜海绵也可作为膨胀剂和生物载体实现对废水的生物蒸发处理，此外，生物膜海绵作为膨胀剂和生物载体有其特殊的优势：聚氨酯海绵质轻易得，仅需将其搅碎后和活性物污泥混合培养一个周即可，整个过程可在室内进行，占地面积小，用泵可以换水和曝气，所以劳动强度低，同时不会产生二次污染。所以，生物膜海绵是生物蒸发膨胀剂和生物载体更好的选择。
目前市场上已有较成熟的MVC工艺处理垃圾渗滤液，但都避免不了产生体积约为渗滤液原液5-10%的浓缩液，该浓缩液有机物浓度高，处理难度大、成本高，目前对该类废水没有较好的处理方法。本发明运用新提出的生物蒸发技术来处理MVC系统产生的浓缩液，浓缩液的高COD含量刚好满足生物蒸发对高有机物的要求，其中原液中难生物降解的有机物在高温高压的MVC系统中裂解成为易生物降解的小分子物质收集到浓缩液中，二者有效结合，合理的把MVC产生的浓缩液和冷凝水带有的显热利用到生物蒸发技术对进料温度和保温效果的需求上，这样最大限度回收利用了整个系统中的热能，大幅度节省运行费用，同时克服了传统MVC的纯物理分离过程，既能实现传统MVC对渗滤液的污染物质和水分的高效分离，又能实现生物蒸发对渗滤液中的污染物质的降解消耗，实现了一定程度上的渗滤液零排放处理。所以，本发明是一项科技惠民的发明。