曝气吹脱预处理渗滤液影响因素的中试研究
曾晓岚，万鹏，丁文川，韩乐，刘建栋，王双双，刘娇
(重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045)
摘要：为保证垃圾渗滤液与城市污水合并处理时污水厂的生物处理工艺正常运行，采取预处理措施降低渗滤液的高氨氮浓度，以前期实验室小试为基础，针对曝气吹脱工艺，在重庆市涪陵区污水处理厂进行中试研究，考察pH、吹脱时间、气液比和温度对吹脱效率的影响，并通过经济分析确定各因素较佳的取值范围。研究结果表明：pH、吹脱时间、气液比和温度对曝气吹脱预处理垃圾渗滤液的吹脱效率影响显著；经综合考虑，取pH为10.25~11.75，曝气吹脱时间≤4 h，气液体积比为400~1 200，渗滤液水温为10~15 ℃。
关键词：曝气吹脱；预处理；垃圾渗滤液；吹脱效率
中图分类号：X703.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)08-3314-06
Pilot study on influencing factors of pretreating leachate with ammonia stripping process
ZENG Xiao-lan, WAN Peng, DING Wen-chuan, HAN Le, LIU Jian-dong, WANG Shuang-shuang, LIU Jiao
(Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-environments, Ministry of Education,
Chongqing University, Chongqing 400045, China)
Abstract: In order to keep a proper biological process on operating properly and reduce the concentration of ammonia nitration with pretreatment measures when leachate is received by wastewater treatment plant and treated with domestic water together, a pilot study was conducted to examine the influence of pH,stripping time, gas-liquid ratio and temperature on nitrogen removal rate of ammonia stripping process in wastewater treatment plant in Fuling District of Chongqing City. And meanwhile, the better value range of each factor was decided by economic analysis. The results show that the influence of each factor on nitrogen removal rate is remarkable. The better range of pH, stripping time, gas-liquid volume ratio and temperature are 10.25-11.75, ≤4 h, 400-1 200, 10-15 ℃, respectively according to the technical and economic analysis.
Key words: ammonia stripping; pretreatment; leachate; ammonia nitrogen removal rate
垃圾渗滤液是一种被公认的污染物浓度高、水质水量(即渗滤液各项水质指标和渗滤液产生量)变化大的有机废水，是由高浓度有机及无机污染物组成的富含腐殖酸、氨氮、重金属、病菌和无机盐的混合物[1]。与普通生活污水相比，垃圾渗滤液具有营养元素比例失调、氨氮含量高、磷含量偏低、溶解性固体含量过高、水质变化较大、毒性较高等特点，其含有相当多对人体有毒有害的物质[2-3]，是地表水以及地下水的潜在污染源[4-5]。目前，国内外对垃圾渗滤液的处理方案可分为场内处理和场外处理2种[6]。场内处理是在垃圾填埋场内另建单独的渗滤液处理系统，而场外处理是将渗滤液输送至污水处理厂与城市污水合并，利用污水处理系统本身的潜能对其进行处理，以节省单独建设渗滤液处理系统的高额费用，从而降低处理成本。发达国家多采用填埋场内预处理及外送与城市污水合并处理的方法，以达到良好出水效果[7]。研究表明[8-10]：垃圾渗滤液中高浓度氨氮对微生物活性有抑制作用，会降低生化系统对有机污染物的降解效率，从而导致出水难于达标排放。为了使渗滤液能进行生物处理，必须对高氨氮采取预处理。虽然对接入生物处理工艺渗滤液氨氮限制质量浓度的研究尚未达成共识，但认为有生物抑制作用的氨氮限制质量浓度为50~100 mg/L[11-12]。目前，针对渗滤液高氨氮的预处理技术主要有MAP法，曝气吹脱法和厌氧生物法 等[13]。其中，曝气吹脱处理垃圾渗滤液不仅可以吹脱掉其中大量的氨氮，还可以去除部分苯酚、氰化物、硫化物及其他难去除、对生化有抑制作用、毒性大的挥发性物质，为后续的生物处理提供有利条件[14]。但吹脱法吹脱出大量有毒有害的挥发性气体易造成环境二次污染[15-16]，需对吹脱出的氨进行吸收处理。为此，本文作者在前期对曝气吹脱预处理垃圾渗滤液的小试研究基础上，针对主要的影响因素如温度、曝气时间、气液比等[17]，通过在重庆市涪陵区污水处理厂进行中试研究，考察其对渗滤液氨氮去除效果的影响，以便为垃圾渗滤液与城镇污水协同处理的预处理技术选择及其生产性应用等提供技术支持。
1 试验装置、材料与方法
1.1 试验装置与材料
研究采用的曝气吹脱工艺流程如图1所示。该工艺装置如下：前置调节池，长×宽×高为3.0 m× 0.8 m×3.0 m；曝气吹脱池，长×宽×高为1.3 m× 1.0 m×1.0 m，池内布置两排可变孔径微孔曝气软管；后置调节池，长×宽×高为1.3 m×1.0 m×1.5 m；SR80型三叶罗茨风机1台，功率为3 kW，流量为4.2 m3/min，压力为20 kPa，转速为1 560 r/min；LZB80玻璃转子流量计1台。
1.2 试验水样
试验用垃圾渗滤液取自重庆市涪陵某垃圾填埋场，呈黑色，有恶臭，pH=8.3，其平均水质(质量浓度)如表1所示。
表1 重庆市涪陵某垃圾填埋场渗滤液平均水质(质量浓度)
Table 1 Quality of leachate from fuling landfill mg/L
1.3 主要测定指标与方法
加400 L渗滤液原液于吹脱池中，用工业级氢氧化钠调节pH，开启罗茨风机，对渗滤液进行曝气吹脱，保持渗滤液水温,反应一段时间后静置20 min，取上清液测定氨氮、TN质量浓度和pH。检测方法和仪器如表2所示。
图1 曝气吹脱工艺流程图
Fig.1 Ammonia stripping process flow diagram
表2 检测项目及方法一览表
Table 2 Detecting items and methods of experiment
2 结果及讨论
2.1 pH对氨吹脱效果的影响
NaOH的投加量与相应pH的关系见表3。
试验固定曝气吹脱时间为4 h，气液比为1 050，控制渗滤液温度为(15±1) ℃，观察不同pH下渗滤液氨氮、TN的去除效果，如图2所示。
由图2可知：pH低于10.25时的斜率比pH高于10.25时的斜率大。其原因可能是废水中的酸碱缓冲体系被打破；当pH大于10.25时，继续提高渗滤液的pH，氨氮、TN的去除效率升高变缓。并且由表3可知：过高的pH不但要求在调节时加入大量的NaOH, 而且在吹脱处理后，需要将过高含量的碱用酸回调，直到渗滤液接近中性才可进入后续生化处理系统，这极大地增加了运行成本；同时，高pH容易导致吹脱过程中产生大量黏性气泡，降低曝气吹脱池的容积利用率。
表3 NaON投加量与pH的关系
Table 3 Relationship between NaOH amount and pH
图2 pH对氨氮和TN去除率的影响
Fig.2 Influence of pH on ammonia nitrogen and TN removal rate
2.2 曝气吹脱时间对氨吹脱效果的影响
中试用垃圾渗滤液初始pH和氨氮质量浓度分别为8.32和950 mg/L，用氢氧化钠调节pH至10.5，固定气液比为1 050，曝气吹脱时间分别取30，60，120，180，240，300和360 min，氨氮和TN去除效率见 图3。
从图3可见：氨氮和TN去除率随曝气吹脱时间的增加而增大，但当曝气吹脱时间增大到一定程度时，吹脱效率增大不显著；吹脱效率在4 h内增加的速度较快，而在4 h以后，增加的速度明显降低。这可能与氨氮、TN本身浓度有关，在吹脱初期，渗滤液中氨氮、TN浓度高，有利于氨的吹脱，去除率增加较快；随着吹脱的进行，渗滤液中氨氮、TN质量浓度降低，去除率增长缓慢。
图3 曝气吹脱时间对氨氮和TN去除率的影响
Fig.3 Influence of air stripping time on ammonia nitrogen and TN removal rate
2.3 气液比对氨吹脱效果的影响
通过增加气液界面的表面张力可以提高氨氮的吹脱效果，因此，选择适当的气液比也是提高吹脱效果的重要条件。气液比反映的是空气对渗滤液的扰动程度，随着气液比的增加，游离氨从水中逸出到大气中速率增大，去除率也相应增大。在pH为10.5，原水水温为15 ℃的条件下，研究不同气液比对氨氮、TN去除率的影响，其结果见图4。
图4 气液比对氨氮和TN去除率的影响
Fig.4 Influence of air-liquid ratio on ammonia nitrogen and TN removal rate
由图4可见：当气液比为400~1 200时，氨氮、TN在气液界面能达到平衡，吹脱效率与气液比近呈线性关系；当气液比为1 200~1 800时，吹脱过程中单位吹脱效率提高较平缓，这主要在高度湍流情况下气液两相达到平衡较困难所致。
2.4 温度对氨吹脱效果的影响
当试验水样水温为7~26 ℃。调节pH为10.5，气液比为1 050时，针对不同的渗滤液水温进行试验，其结果如图5所示。
从图5可见：当控制水样温度为15 ℃时，氨氮去除率＞85%；当水温为10~15 ℃时，氨氮去除率与之基本呈线性关系；当水温＞15 ℃时,氨氮去除率趋于平缓。试验结果表明：当水温在15 ℃以下时，水温降低，对氨氮和TN的去除率有显著影响。
图5 温度对氨氮和TN去除率的影响
Fig.5 Influence of temperature on ammonia nitrogen and TN removal rate
2.5 经济分析
考虑到一般后续生物处理系统对氨氮有一定的去除能力，在选用曝气吹脱作为预处理工艺时，其操作参数可结合后续生物处理需要的吹脱效率来确定。因曝气吹脱处理渗滤液的运行成本主要由调节pH的NaOH(工业级)和电耗组成，本研究针对曝气吹脱预处理氨氮去除率为55%以下的情况进行分析。NaOH投加量与费用的关系、曝气吹脱时间与电耗费用的关系以及氨氮去除率与总处理费用的关系分别见图6、图7和图8。
从图6可以看出：当NaOH投加量为2.5 kg/m3之前，垃渗透液的pH快速增大；当渗透液pH达10.25后，其增速减缓。其原因可能是在pH为10.25之前，破坏垃圾渗滤液的酸碱平衡需要消耗大量的碱；而在pH为11.75(NaOH投加量为3.5 kg/m3)后，渗滤液pH随NaOH投加量的增加增速减慢。因此，NaOH投加量对渗滤液pH值影响的取值范围为2.5~3.5 kg/m3。
图6 NaOH投加量与费用的关系
Fig.6 Relationship between NaOH mass concentration and cost
图7 曝气吹脱时间与电耗费用的关系
Fig.7 Relationship between stripping time and cost
图8 氨氮去除率与总费用的关系
Fig.8 Relationship between ammonia nitrogen removal rate and total cost
从图7可以看出：当氨氮去除率为0~50%时，随着曝气时间的增加，垃圾渗滤液的氨氮去除率增大，两者呈现出良好的线性关系。而曝气时间与电耗费用也具有明显的线性关系，这意味着高氨氮去除率的获得是以增加电耗费用为代价的。因此，后接生物处理工艺的曝气吹脱预处理应尽量减少曝气时间，从而达到降低渗滤液处理费用的目的。
从图8可以算出：总处理费用中的电耗费用占 70%左右，比药剂费用高，因此，确定曝气吹脱预处理最优的操作参数时应主要以控制曝气时间为主。本试验是在气液比为250，水度为15 ℃条件下开展的，在pH为10.5，曝气时间为4 h，NH3-N的去除率为52%左右时，对应的总去除费用为17.5元/m3。
廖玲玲等[18]采用吹脱塔处理垃圾渗滤液进行研究发现：在pH为10.5~11.0，气液比为3 150，进水水温为16 ℃的试验条件下，NH3-N的去除率为68%。与吹脱塔工艺相比，本研究采用的微孔曝气软管曝气方式具有明显低气液比优势，低气液比即意味着低能耗，因此，可以认为曝气吹脱方式是经济和高效的。
3 结论
(1) pH、吹脱时间、气液比和温度对曝气吹脱预处理垃圾渗滤液的吹脱效率影响显著。各因素的较佳取值如下：pH为10.25~11.75，曝气吹脱时间≤4 h，气液比为400~1 200，渗滤液水温为10~15 ℃。
(2) 在同等氨氮去除率条件下，与传统吹脱塔工艺相比，采用曝气软管曝气的吹脱方式具有气液比低的优势。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-09-29；修回日期：2011-12-20
基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07315-003-02)
通信作者：曾晓岚(1972-)，女，云南文山人，博士，副教授，从事水污染控制理论与技术研究；电话：13368443166；E-mail：wendyzeng@cqu.edu.cn
