申请日2010.08.23
公开(公告)日2011.02.09
IPC分类号C02F9/14; C02F1/461; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种城市垃圾渗滤液中氨氮的去除方法，属于废水处理领域。其依次包括SBR生化处理过程和电催化氧化过程：(1)将渗滤液引入SBR反应池进行生化除氮，其中曝气阶段水中溶解氧控制在1.0~2.0mg/L，曝气4~8h;搅拌阶段水中溶解氧控制在0.0~0.2mg/L之间，搅拌2~6h;(2)SBR出水进入电催化氧化反应器，电流密度控制在40~50mA/cm2，反应时间1.5~2h。本方法适宜于城市垃圾渗滤液的各阶段的达标处理，且不会产生二次污染，运行方式灵活简便，在产业应用上有良好的前景。
权利要求书
1.一种生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于依次包括SBR生化处理过程和电催化氧化过程，具体为：
(1)将渗滤液引入SBR反应池进行生化除氮，其中曝气阶段水中溶解氧控制在1.0~2.0mg/L，曝气4~8h;搅拌阶段水中溶解氧控制在0.0~0.2mg/L之间，搅拌 2~6h;
(2)SBR出水进入电催化氧化反应器，电流密度控制在40~50mA/cm2，反应时间1.5~2h。
2.如权利要求1所述的生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于：SBR生化处理过程中，沉淀0.5~1.5 h，排水0.5h。
3.如权利要求1或2所述的生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于：SBR反应器中内置填料或膜组件。
4.如权利要求3所述的生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于：所述SBR反应器中内置填料为火山岩生物滤料。
5.如权利要求3所述的生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于：所述SBR反应器中内置膜组件为聚偏氟乙烯膜组件。
6.如权利要求1或2所述的生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于：电催化氧化反应器采用二维电极或三维电极。
7.如权利要求6所述的生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于：所述二维电极阳极为Ti/RuO2-IrO2极板，阴极为不锈钢板。
8.如权利要求6所述的生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，其特征在于：所述三维电极为阴阳电极板之间置入活性炭。
说明书
一种生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法
技术领域
本发明涉及一种城市垃圾渗滤液的处理方法，具体地涉及一种城市垃圾渗滤液中氨氮的去除方法，属于废水处理领域。
背景技术
垃圾渗滤液是指垃圾在堆放和填埋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、水解和发酵而过滤出来的污水。总体来看，渗滤液具有如下特征：(1)有机物浓度高。 (2)含有多种金属。(3)营养元素比例失调，垃圾渗滤液的含磷量通常较低。(4)水质变化大，会随季节、气候、填埋年数的长短及其垃圾的种类和数量的变化而变化。(5)含有大量氯离子。(6)氨氮含量高。渗滤液氨氮具有浓度高(可达几千mg/L)、浓度变化范围大(在整个填埋期内可以从低于100mg/L到几千mg/L)等特点。对于这样一种成分复杂，高浓度氨氮，高浓度有机废水，若不加处理而直接排入环境，会造成严重的环境污染，而处理渗滤液的一大难关就是对渗滤液中氨氮的处理。
垃圾渗滤液的氨氮主要来源于生活垃圾中蛋白质等含氮类物质的生物降解，由于目前多采用厌氧填埋技术，因而渗滤液中的NH4+-N浓度在填埋场进入产甲烷阶段后不断上升，并在达到高峰值后延续很长时间，直至最后封场，甚至当垃圾填埋场稳定后仍可达到相当高的浓度(10000mg/L)，其含量常占总氮量TN的85%～89%。可见，“中老年”填埋场渗滤液中很高的NH4+-N浓度是其重要水质特征之一，也是导致其处理难度增大的一个重要原因。
废水中的氨氮去除的方法主要包括生化法和物理化学法两大类。生化法是目前运用最广、最有前景的方法，其主要原理是经硝化—反硝化处理，把污水中的氨氮转化为无害的氮气释放，其处理效果稳定，成本低。SBR是序列间歇式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。SBR工艺集进水、反应、沉淀、排水于一池，具有工艺简单、节省费用、泥水分离效果好、耐冲击负荷、活性污泥高、运行费用低等优点。同时SBR法由于在时间序列上提供了好氧和缺氧的环境条件，使好氧条件下实现硝化、缺氧条件下实现反硝化，从而有效地脱氮的目的。因此在渗滤液的氨氮处理上SBR法是一种有前途的工艺。
物理化学法除氮主要包括吹脱法、化学沉淀法、折点加氯、离子交换和电催化氧化除氮等。氨吹脱工艺对提高后续厌氧工序的处理效果是明显的，但同时也存在吹脱气体的二次污染问题，吹脱气体会造成周围大气环境质量的下降。同时也存在低温时效率急剧下降和运行费用较高的问题。化学沉淀法除氨是虽然是一种常见的方法，但存在后续污泥处理的问题，增加处理成本。离子交换和折点加氯法可以有效去除氨氮，但成本偏高，操作要求严格，且对产生的废液需要进行二次处理。电催化氧化除氮的去除效果好，但是存在对于含高浓度氨氮废水，所需反应时间长和电耗大的问题。
专利CN100537458C公布了一种垃圾渗滤液中氨氮的去除方法。将渗滤液引入反应池中，向反应池中按比例投加镁盐和磷酸盐，再投加氢氧化钠调节体系的pH为8.5~10，进行化学沉淀处理，出水氨氮浓度低于100mg/L。将化学沉淀法中产生的沉淀物磷酸铵镁与高炉矿渣混合加热，时间控制在2~6h，最佳温度范围为100~120℃，磷酸铵镁分解，放出氨气，然后将热解产物磷酸氢镁作为沉淀剂循环利用，降低部分化学药剂费用;同时利用生物滴滤床处理热解产生的氨气。渗滤液中氨氮得到有效去除，但出水中氨氮浓度还不能稳定达到“生活垃圾填埋场污染控制标准(GB 16889-2008)”的现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值25mg/L和特别排放限值8mg/L的要求。
专利CN1433978A公布了一种方法，将垃圾渗滤液经电解脱氮→缺氧/好氧SBR生化处理→加氯消毒处理。电解槽中废水采用盐酸调节pH为4~6，电流密度在80~150 mA/cm2;SBR采用缺氧/好氧的运行方式;再经加氯消毒处理，出水氨氮浓度在20~50 mg/L。渗滤液中氨氮得到有效去除，但还不能稳定达到“生活垃圾填埋场污染控制标准(GB 16889-2008)” 的现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值25mg/L和特别排放限值8mg/L的要求;并且在处理过程中采用盐酸调节pH，增加了药剂使用的费用;以及直接利用电解法处理高浓度有机废水，电耗大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种高效、经济的去除垃圾渗滤液中氨氮的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，依次包括SBR生化处理过程和电催化氧化过程，具体为：
(1)将渗滤液引入SBR反应池进行生化除氮，其中曝气阶段水中溶解氧控制在1.0~2.0mg/L，曝气4~8h;缺氧搅拌阶段水中溶解氧控制在0.0~0.2mg/L之间，搅拌 2~6h;
(2)SBR出水进入电催化氧化反应器，电流密度控制在40~50mA/cm2，反应时间1.5~2h。
上述方法中，步骤(1)中可根据进水水质变化调整好氧与缺氧的顺序和次数，曝气、搅拌和沉淀的时间及比例，使之符合有机物降解和脱氮的规律，达到处理的最优化。当进水中的难降解有机物浓度高时，可以采用先缺氧搅拌再好氧曝气的顺序;当有机物和氨氮浓度都较高时，可以增加好氧与缺氧交替次数，以达到更彻底去除氨氮的目的。曝气时间延长，则有利于硝化菌对氨氮的氧化;搅拌时间延长，则有利于可以提高整个处理系统的反硝化程度，从而利于提高脱氮效率。同时视反应器中污泥沉淀性能来调整沉淀时间，当污泥沉淀性能好时可以适当缩短沉淀时间。当有填料时，沉淀时间缩短;当采用内置膜组件时，不需要沉淀阶段。
上述方法中，步骤(1)中沉淀0.5~1.5 h，排水0.5h。
上述方法中，步骤(2)的反应过程中可根据进水水质变化调整电流密度大小和电解时间。当进水氨氮浓度高时，可以适当提高电流密度来加快氨氮的去除速率，或者通过延长反应时间来达到所要求的去除率。当进水氨氮浓度较低时，同样电流密度下则需要更短时间就能使氨氮去除达到所需效果。
上述方法中，SBR反应器中可内置填料或膜组件，内置填料或膜组件能增加混合液悬浮固体(MLSS)的浓度，提高氨氮负荷。
上述方法中，电催化氧化反应器可采用二维电极或三维电极形式。
三维电极是一种新型的电化学反应器，又叫粒子电极或床电极。它是在传统二维电解槽电极之间装填粒状或其他碎屑状工作电极材料并使装填工作电极材料的表面带电，成为新的一极，即第三极，在工作电极表面能发生电化学反应。与二维电极相比，三维电极的比表面积增大，而且因为粒子间距小，物质效果极大改善，因而具有较高的电流效率;当废水电导率较低时，二维电极处理效果不理想，需要投入大量电解质，加大了处理费用，而三维电极在一定程度上克服了这一缺点。
本发明方法中SBR反应池采用好氧与缺氧交替运行的方式，在好氧段，有机物得到充分去除，部分氨氮发生硝化反应，在缺氧段，发生反硝化作用。生物脱氮的主要机理就是硝化和反硝化，其中反硝化过程中存在三种不同的反硝化速率。在反硝化开始的5~15min内为反硝化菌利用挥发性脂肪酸和醇类等易被降解的厌氧发酵产物作为碳源，反应速率最快的第一阶段;第二阶段自第一阶段结束一直延续至全部外碳源被利用完全;在第三阶段，反硝化菌通过内源呼吸作用进行反硝化，此时反应速率较低。由此可见，对于有机物浓度较低，氨氮浓度较高的垃圾渗滤液，增加内源呼吸阶段可以提高整个处理系统的反硝化程度，从而利于提高脱氮效率。
电催化氧化反应器，主要利用间接电化学氧化作用去除氨氮。有Cl-存在下的水溶液中，电解过程生成次氯酸盐，利用折点加氯的原理去除体系中氨氮。在弱碱性条件下产生Cl-→Cl2→ClO-→Cl-的氧化还原循环，使氯离子得到更有效利用。由于出水一般呈弱碱性，所以不需调pH。
在本发明的垃圾渗滤液处理工艺中，SBR过程扮演氮去除的主要角色，因为生物脱氮(硝化-反硝化作用)是实现氨氮去除的经济、有效方式。同时本实验选择处理效率高的电催化氧化法深度处理渗滤液中氨氮，保证出水氨氮达标排放。本发明方法对垃圾渗滤液有很好的适应性，当进水中的有机物浓度高时，可以采用先缺氧搅拌再好氧曝气的顺序;当有机物和氨氮浓度都较高时，可以增加好氧与缺氧交替次数;当混合液悬浮固体(MLSS)的浓度较高时，SBR反应器中可内置填料或膜组件。同时在实际应用中，本发明具有良好的操作性能，当渗滤液经SBR处理后，出水氨氮浓度较高时，在电催化阶段可以适当提高电流密度或者通过延长反应时间来达到所要求的去除率;如果同时要控制能源消耗和保持效率，电催化氧化反应器可采用三维电极形式。总之，由于本发明集成了多个技术方法，具有优良的适应性和操作性。对垃圾填埋场渗滤液这种成分复杂、变化大、氨氮高的污水，本发明的除氮方法具有经济、高效和灵活的优点，在产业应用上有良好的前景。
具体实施方式
一种生物-化学联合处理垃圾渗滤液中氨氮的方法，依次包括SBR生化处理过程和电催化氧化过程，具体为：
(1)将渗滤液引入SBR反应池进行生化除氮，其中曝气阶段水中溶解氧控制在1.0~2.0mg/L，曝气4~8h;搅拌阶段水中溶解氧控制在0.0~0.2mg/L之间，搅拌 2~6h;
(2)SBR出水进入电催化氧化反应器，电流密度控制在40~50mA/cm2，反应时间1.5~2h。
下面通过实施例来进一步详细介绍本发明。
实施例一
本例联合处理工艺为传统SBR反应器与二维电极电化学反应器的组合。
取某市政垃圾填埋场渗滤液，主要水质指标为：CODCr1715mg/L，氨氮1765mg/L，Cl-2070 mg/L，pH 8.0，该废水进入SBR反应器处理，反应器有效容积为10L，日处理水量为3.5L，运行周期为24h，运行方式为：瞬时进水，曝气8h，搅拌3h，曝气6h，搅拌5h，沉淀1.5h，排水0.5 h。反应器中混合液悬浮固体(MLSS)为3800mg/L，好氧阶段溶解氧DO：1.0~2.0mg/L，缺氧搅拌阶段水中溶解氧控制在0.0~0.2mg/L。生化出水水质为：氨氮520 mg/L，pH8.8。取SBR出水0.2L进入电催化氧化反应器进行处理，电解槽为50mm×50mm×100mm透明有机玻璃槽;阳极为(Ti/RuO2-IrO2)极板，阴极为不锈钢板，尺寸均为50mm×120mm×2mm;电极间距为22mm;电流密度为47 mA/cm2;反应时间为1.5h。处理后出水氨氮为8.2 mg/L，完全可以达到“生活垃圾填埋场污染控制标准(GB 16889-2008)” 现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值的要求，即氨氮≤25 mg/L。
实施例二
本例联合处理工艺为内置膜组件的SBR反应器与三维电极电化学反应器的组合。
取某市政垃圾填埋场渗滤液，主要水质指标为：CODCr 6325 mg/L，氨氮1269 mg/L，Cl- 2075 mg/L，pH 8.8。该废水进入SBR反应器处理，SBR系统内置聚偏氟乙烯(PVDF)膜组件，采取抽吸出水。反应器有效容积为12L，SBR的日处理水量为4L，运行周期为12小时，运行方式为：瞬时进水，曝气4h，搅拌2h，曝气4h，搅拌出水2h，反应器中MLSS为4000mg/L，好氧阶段DO：1.0~2.0mg/L，缺氧搅拌阶段水中溶解氧控制在0.0~0.2mg/L。生化出水水质为：氨氮102 mg/L，pH 8.2。取SBR出水1L进入电催化氧化反应器进行处理，采用三维电极反应器(按一定炭水比计算，将一定量的粒径约为4 mm的柱形活性炭放入反应器的阴阳电极板之间)，电解槽为147mm×76mm×210mm透明有机玻璃槽;阳极为(Ti/RuO2-IrO2)极板，阴极为不锈钢板，尺寸均为150mm×200mm×1mm;电极间距为48mm;电流密度为40mA/cm2;反应时间为2h。处理后出水氨氮为22 mg/L，完全可以达到“生活垃圾填埋场污染控制标准(GB 16889-2008)” 现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值的要求，即氨氮≤25 mg/L。
实施例三：
本例联合处理工艺为内置填料的SBR反应器与二维电极电化学反应器的组合。
取某市政垃圾填埋场渗滤液，主要水质指标为：CODCr 2495 mg/L，氨氮1680 mg/L， Cl- 2046 mg/L，pH8.5，该废水进入SBR反应器处理，SBR系统内置火山岩生物滤料。反应器有效容积为7L，SBR的日处理水量为2L，运行周期为24小时，运行方式为：瞬时进水，搅拌6h，曝气8h，搅拌4h，曝气5h，沉淀0.5h，出水0.5h，反应器中MLSS为3300mg/L，好氧阶段DO：1.0~2.0mg/L，缺氧搅拌阶段水中溶解氧控制在0.0~0.2mg/L。生化出水水质为：氨氮516 mg/L，pH8.6。取SBR出水0.2L进入电催化氧化反应器进行处理，电解槽为50mm×50mm×100mm透明有机玻璃槽;阳极为(Ti/RuO2-IrO2)极板，阴极为不锈钢板，尺寸均为50mm×120mm×2mm;电极间距为22mm;电流密度为50mA/cm2;反应时间为2h。处理后出水氨氮为9 mg/L，完全可以达到“生活垃圾填埋场污染控制标准(GB 16889-2008)” 现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值的要求，即氨氮≤25 mg/L。