两级UASB+A/O工艺处理城市生活垃圾渗滤液装置和方法

摘要

一种城市生活垃圾渗滤液生化处理装置和方法，属于污水处理技术领域。现有工艺中存在有机物厌氧降解和生物脱氮的矛盾，且设备运行费用昂贵。本发明为一种两级UASB+A/O工艺处理城市生活垃圾渗滤液装置和方法。缺氧反硝化和厌氧产甲烷同时在一级UASB(II)中进行，在二级UASB(III)进一步进行厌氧产甲烷反应，在A/O反应器(IV)中先进行缺氧反应去除部分残余有机物，再进行好氧硝化反应，去除高氨氮。本发明能够很好的适应渗滤液水质变化，不经任何物化处理，通过生物处理实现可生化有机物和高氨氮的几乎全部去除，推广应用可以大幅度的降低渗滤液处理的建设和运行费用，大大提高城市生活垃圾渗滤液处理效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不需物化预处理生化彻底去除城市生活垃圾渗滤液可生化有机物和高氨氮的装置和方法，属于生化法污水生物处理技术领域，适用于城市生活垃圾渗滤液及其它诸如污泥厌氧消化液、养殖废水等高氨氮和高有机物的有机工业废水处理。

背景技术

我国目前垃圾年总量达2.4亿吨，近几年城市生活垃圾的年增长率均在8％～10％以上。目前我国有90％左右的垃圾是用填埋法处理的，而填埋会产生大量的垃圾渗滤液。垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，全国渗滤液的污染排放量约占年总排污量的1.6‰，以化学耗氧量核算却占到5.27％。渗滤液处理是卫生填埋场的最后一道环节，处理不当对周围环境带来不可估量的污染和危害，而且对人体健康带来威胁，同时也使卫生填埋丧失原有的意义。

由于对渗滤液水质及变化规律了解不足或没有给予足够的重视，盲目的将城市污水的处理工艺和设计参数照搬到渗滤液处理工艺上，不仅处理费用昂贵，而且出水根本无法达标。同时，有关渗滤液处理的一些结论也有失偏颇，人云亦云，缺少试验和实际工程的检验。例如，认为渗滤液中的重金属离子浓度高，必须进行预处理后，才可以进行生化处理，但许多实际工程生化处理的成功证明这个论断是片面的。有观点认为高氨氮的渗滤液会抑制微生物的活性，所以在生化之前，必须采用吹脱等物化工艺进行预处理。我们的试验证明这一观点是不符合渗滤液的水质特点及其变化规律的，应用于实践势必造成设计的失误和建设资金的浪费。放弃探索经济高效的渗滤液处理技术，简单盲目地使用费用极高的反渗透处理技术，使得渗滤液的处理由于费用昂贵而难以为继。

现有的渗滤液装置见附图1，主要由水箱I、UASB II、A/O反应器IV、二沉池V及其它附属设备和管路组成。水箱I通过进水泵9与UASB II底部的进水口17相连接；UASB II顶部设有出水管29与A/O反应器IV的厌氧反应区相连接，出水管29上部设有内循环出水阀18与内循环泵20相连接，内循环泵20通过管路与UASB II底部的进水口17相连接。A/O反应器IV分为厌氧反应区和好氧反应区共2个工作区。缺氧反应区与二沉池V的底部通过污泥回流泵63相连接，好氧反应区通过处理水回流泵92与管29相连接。二沉池V上部设有出水阀84。

它的工作过程是：利用进水泵9和内循环泵20将原渗滤液和UASB II的循环水泵入UASB II底部的进水口17，在UASB II中自下而上的进行产甲烷反应，上清液经过UASB II顶部设置的出水管29进入与A/O反应器IV的厌氧反应区进行厌氧反应，厌氧反应完后进入好氧反应区进行好氧反应，好氧反应结束后，上清液通过泵92循环回厌氧区，混合液进入二沉池V进行泥水分离，分离后的上清液由出水阀排出系统，底部的污泥通过污泥回流泵63进入A/O反应器IV的好氧反应区进行循环利用。

现有的这种工艺为厌氧反应和好氧反应的组合，反硝化在厌氧反应后进行，这使得该工艺的有机物厌氧降解和生物脱氮构成不可协调的矛盾：如果厌氧充分，那么后续的缺氧反硝化就会因为缺少有机碳源而效率低下，必须加入膜工艺等物化工艺进一步脱氮；而如果厌氧处理效果差，好氧反应器的有机负荷过高，导致大量异氧菌生长繁殖，而自养硝化菌的生长繁殖就会受到抑制，无法完成充分的反硝化，导致系统脱氮失败。而高氨氮对微生物，特别是好氧微生物的抑制作用，使现有工艺必须加入物化预处理，将氨氮降解到较低的水平后，再进行生物处理。

发明内容

本发明的目的是不经任何物化预处理，通过生物处理几乎完全去除垃圾渗滤液可生化有机物和高氨氮。针对现有垃圾渗滤液处理的技术缺陷和认识上的偏颇，开发出渗滤液生化处理的装置和方法，即两级UASB+A/O工艺处理城市生活垃圾渗滤液装置和方法。该装置和方法突破了以往渗滤液处理技术的局限，在不投加任何药剂和碳源的前提下，不仅将可生化有机物和氨氮几乎全部去除，而且通过厌氧前反硝化和分步反硝化实现了90％以上的总氮去除率。厌氧前反硝化将进水中的有机物首先作为反硝化的碳源被消耗，厌氧产甲烷反应可以彻底进行，从而为后续的硝化反应创造适宜的环境条件。由于出水回流稀释了进水氨氮浓度，无需任何物化预处理工艺。该发明不仅解决现有工艺的矛盾，而且具有工艺流程简单、适应渗滤液水质和水量的波动、运行灵活、操作简单的特点。应用于实际可大幅度的降低建设和运行费用、无二次污染。

技术原理：

垃圾渗滤液的有机物含量可达30000mg/L，首先采用两级UASB(升流式厌氧污泥床)通过反硝化和厌氧产甲烷反应大幅度降解有机物。避免了直接采用好氧生物处理造成的曝气动力消耗大，剩余污泥产量高的弊端，而且可以回收甲烷。而厌氧出水残余有机物在后续的A/O工艺中得到进一步的降解，使可生化有机物达到彻底的去除。

渗滤液高氨氮(可达3000mg/L)首先在好氧反应器进行彻底的硝化反应，氨氮NH₄⁺-N全部被硝化菌氧化为硝态氮NO₃^--N，而后分别通过处理水回流和二沉池污泥回流完成反硝化，即反硝化菌利用有机碳源作为电子供体，NO₃^--N作为电子受体被还原为氮气从渗滤液中逸出完成生物脱氮。渗滤液进入到好氧反应器后大部分有机物已经达到降解，这为自养型硝化菌对氨氮的氧化创造了适宜的条件，而好氧反应器中氨氮的彻底硝化，使得出水回流时大大稀释了进水的氨氮浓度，对系统中微生物的抑制作用大为减弱，使氨氮的彻底氧化和高效率的脱氮成为可能。而在一级UASB中进行反硝化可充分利用原水碳源完成反硝化，同时回收碱度完成后续好氧池的硝化反应。

本发明提供的两级UASB+A/O工艺处理垃圾渗滤液装置，其特征在于：主要由一体化水箱I、一级UASB II、二级UASB III、A/O反应器IV、二沉池V组成；

一体化水箱I分为原渗滤液水箱1和处理水水箱6两部分，原渗滤液水箱1通过进水泵9与一级UASB II底部的进水口17相连接；处理水水箱6的上部设有排水阀门11，处理水水箱6中部通过管90与二沉池V相连接，处理水水箱6底部通过处理水循环泵1与进水泵9的压力管10相连接；

一级UASB II内置三相分离器22和导气管23，导气管23与碱液瓶26相连接，碱液瓶26与气体流量计28相连接，一级UASB II顶部设有出水管29与二级UASBIII底部的进水口38相连接，出水管29上部设有内循环出水阀18与内循环泵20相连接，内循环泵20通过管路与一级UASB II底部的进水口17相连接；

二级UASBIII内置三相分离器35、导气管36，导气管36与碱液瓶39相连接，碱液瓶39与气体流量计41相连接，二级UASB顶部设有出水管50与A/O反应器IV相连接，出水管50上部安装内循环出水阀39与内循环泵41相连接，内循环泵41通过管路与与二级UASB底部的进水口38相连接；

A/O反应器IV分成厌氧反应区和好氧反应区共2个工作区，厌氧反应区内安装搅拌器62，好氧反应区与气泵59相连接，好氧反应区通过污泥回流泵63与二沉池V的底部相连接；

二沉池V上部设有出水阀门84，出水阀门84通过回流管90与处理水水箱6相连接。

本发明还提供了一种利用上述装置的垃圾渗滤液处理工艺，其步骤包括：

1)将反硝化污泥和厌氧颗粒污泥填加到一级UASB II，将厌氧颗粒污泥填加到二级UASBIII，同时将好氧活性污泥投加到A/O反应器IV，进行菌种的驯化和培养；

2)将原渗滤液和系统回流处理水分别装入原渗滤液水箱1和处理水水箱6，启动进水泵9和处理水回流泵15，使原渗滤液的流量和系统处理水的流量按1∶2-1∶4的比例混合进入一级UASB II的进水口17，当液体充满一级UASB II时，启动内循环泵20，使液体经过内循环泵20进入到一级UASB II的进水口17，进行一级UASB II的内循环，循环流量大于进水混合液的流量，循环过程维持至一级UASB II出水中NOx--N＜10mg/L；

一级UASB II的内循环过程中，反硝化污泥中的反硝化细菌利用原渗滤液中的可生化有机物将系统回流处理水中的NOx--N彻底反硝化，产生氮气，并回收碱度，持系统的pH＞8.0，反硝化结束后，发生产甲烷反应，产生的氮气、甲烷和CO2自下而上的流动，经过三相分离器22的分离，通过导气管23进入到碱液瓶26，在碱液瓶26中CO2被碱液吸收，氮气和甲烷经过气体流量计28计量后排放；

3)当一级UASB II出水中NOx--N＜10mg/L时，使一级UASB II中的液体经出水管20进入二级UASBIII的进水口38，当液体充满二级UASBIII时，启动内循环泵41，使液体经过内循环泵41进入到二级UASBIII的进水口38，进行二级UASBIII的内循环，循环流量大于进水混合液的流量，循环过程维持至二级UASBIII出水中COD浓度值为2500-3000mg/L；

二级UASBIII的内循环过程中，进行产甲烷反应，产生的甲烷和CO2自下而上的流动，经过三相分离器43的分离，通过导气管44进入到碱液瓶47，在碱液瓶47中，CO2被碱液吸收，甲烷经过气体流量计49计量后排放；

4)当二级UASBIII出水中COD浓度值为2500-3000mg/L时，使二级UASBIII中的液体进入A/O反应器IV的厌氧反应区，启动搅拌器62，进行反硝化反应，启动搅拌器(62)，进行反硝化反应，反硝化混合液进入到好氧反应区后，启动气泵(59)进行曝气，进行硝化反应去除高氨氮，当PH值降低到最低点，即“氨谷”出现，且液体中的NOx--N＜15mg/L时，硝化反应结束；

5)硝化反应结束后，使A/O反应器(IV)好氧反应区液体进入二沉池(V)进行泥水分离，泥水分离结束后，开启污泥回流泵(63)，将活性污泥从二沉池(V)的底部回流到A/O反应器(IV)，同时，开启出水阀门(84)，使二沉池(V)上部的液体回流进入到处理水水箱(6)；

6)当处理水水箱6中的回流水液面低于排水阀门11时，液体通过处理水循环泵1进入压力管10，进行循环；

当处理水水箱6中的回流水液面高于排水阀门11时，开启排水阀门11将回流水溢流排出系统。

本发明涉及的两级UASB+A/O工艺处理垃圾渗滤液装置和方法与现有技术相比，具有下列优点：

1)回流处理水不仅可以完成反硝化，而且可以提高厌氧反应器的上升流速，避免了污泥板结和沟流现象的发生，可见处理水回流的作用是多方面的；

2)原渗滤液和回流出水在一级UASB中发生反硝化反应，而反硝化细菌与产甲烷菌比较，反硝化细菌生长速率高、对环境条件的适应性强，同时，它对二级UASB的产甲烷反应起到保护作用；

3)二级UASB将一级UASB出水大部分有机物通过产甲烷反应去除，同时由于pH较高，部分有机碳转化为无机碳，厌氧反应后碱度较大幅度提高。有机物的大幅度降解和碱度的生成为后续好氧反应器高氨氮的硝化创造了适宜的基质和环境条件；

4)厌氧出水剩余有机物首先作为回流污泥中NO_x^--N反硝化的碳源而缺氧降解。因而，本工艺中的大部分可生化的有机物是在厌氧和缺氧的条件下得到去除的，不仅节省了曝气费用，而且部分作为反硝化碳源被利用，另一部分则转化为甲烷或碱度；

5)进入好氧区后即进行残余有机物的彻底降解和高氨氮的硝化。通过硝化利用厌氧出水中的碱度，高氨氮得到彻底的去除；

6)在硝化过程中，以pH作为控制参数，以pH值的最低点作为控制点，可以准确有效的指示氨氧化结束点。因而，当pH值的最低点出现后即停止曝气，不仅可以节省曝气量，防止过曝气，节省曝气费用。

附图说明

图1现有的渗滤液处理系统示意图；

图2本发明采用的“两级UASB+A/O”处理系统示意图；

附图标记：

I-一体化水箱、II-一级UASB、III-二级UASB、IV-A/O反应器、V-二沉池；

I-一体化水箱：1-原渗滤液水箱、6-处理水水箱、7-吸水管、8-进水阀门、9-进水泵、10-泵9的压力管、11-出水阀门、12-处理水回流阀、13-处理水进水阀、14-处理水进水管、15-处理水进水泵、16-泵15的压力管；

II-一级UASB：17-一级UASB进水口、18-一级UASB内循环阀门、19-一级UASB内循环进水管、20-一级UASB内循环泵、21-一级UASB内循环出水管、22-三相分离器、23-导气管、24-气路清通阀、25-生物气排放管、26-碱液瓶、27-碱液瓶与流量计连接管、28-气体流量计、29-一级UASB出水管、30～37-一级UASB取样阀；

III-二级UASB：38-二级UASB进水口、39-二级UASB内循环阀门、40-内循环进水管、41-二级UASB内循环泵、42-内循环出水管、43-三相分离器、44-导气管、45-气路清通阀、46-生物气排放管；47-碱液瓶、48-碱液瓶与流量计连接管、49-气体流量计、50-二级UASB出水管、51～58-二级UASB取样阀；

IV-A/O反应器：59-气泵、60-曝气管、61-气体流量计、62-搅拌器、63-污泥回流泵、64-污泥回流管、65～73-空气调节阀门、74～82-曝气头、83-曝气池出水管、91-水回流管、92-水回流泵、93-水回流管；

V-二沉池：84-二沉池出水阀、85～87-取样阀、88-中心管、89-污泥回流泵进泥管、90-出水回流管。

具体实施方式

结合图2，本发明工艺的运行操作工序：

实验用水取自北京市某垃圾填埋场的调节池渗滤液，渗滤液呈深黑色，粘稠，有恶臭，该渗滤液水质：COD 7000～25000mg/l；BOD5 3500～14000mg/l；NH4+-N 1250～2450mg/l；SS 2000～4000mg/l；碱度8000～11000mg/l；TP9～15mg/l；pH 7.2～7.9。每两天取样分析一次，试验中采用的分析方法均是国家环保局发布的标准方法。该渗滤液为典型的城市生活垃圾渗滤液，有机物和氨氮浓度高，但重金属含量相对较低。试验系统如图1所示，由两级UASB II、III与A/O反应器IV组成。一级UASB II的内径为5cm，高度为210cm，有效容积为4.25L。二级UASBIII的内径为8cm，高度为200cm，有效容积为8.25L。A/O反应器IV的有效容积为15L，平均分成十个格室，第一格室为缺氧区。两级UASB采用预热加保温的方式控制反应温度，一级UASB II与二级UASBIII的温度被分别控制在30℃、35℃，好氧反应器在15-32℃的室温下运行。厌氧接种的颗粒污泥取自啤酒厂的UASB反应器，A/O反应器IV接种的活性污泥取自处理生活污水的活性污泥反应器。

具体过程如下：

首先将原水箱1注满原渗滤液，处理水水箱6注满系统处理水。打开阀门8和13，启动进水泵9和处理水回流泵15，进水泵的流量为5.5L/d，处理水回流泵的流量为原水流量的3倍，即16.5L/d，则一级UASB II进水混合液的流量为22L/d.同时，打开阀门18，启动内循环泵20进行一级UASB II的内循环，循环流量为24L/d。

一级UASB II的进水混合液自下而上的经过该反应器，与柱体中的微生物发生生化反应。进水混合液在反应器中首先发生反硝化，反硝化菌利用原渗滤液丰富的有机碳源将回流处理水NO_x^--N转化为氮气。反硝化结束后，一级UASB II中的产甲烷菌将部分剩余有机生物转化为甲烷。产生的氮气和甲烷自下而上的流动，经过三相分离器22的分离，通过导气管23进入到碱液瓶26，在碱液瓶26中生物气中的CO₂被碱液吸收，而氮气和甲烷经过气体流量计28计量后排放。通过取样阀30～37从反应器的高度取样分析，污染物在其中的变化规律，同时研究微生物的变化规律。而后经过三相分离器的分离，上清液经过一级UASB II的出水管29进入到二级UASBIII。

经过一级UASB II处理后，其出水NO_x^--N几乎全部转化为氮气。原渗滤液中的有机物通过反硝化和产甲烷反应得到部分降解。

打开阀门39，启动内循环泵41，一级UASB II出水与内循环上清液的混合液一同进入二级UASBIII的底部进水口。内循环泵41的流量为100L/d.进水混合液自下而上的流动，同时，与反应器中的厌氧菌接触，通过产甲烷反应将进水中的有机物大部分降解转化为甲烷。产生的甲烷自下而上的流动，经过三相分离器43的分离，通过导气管44进入到碱液瓶47，在碱液瓶47中生物气中的CO₂被碱液吸收，而甲烷经过气体流量计49计量后排放。反应器中的变化规律可以通过取样阀51～58取样分析获得。二级UASBIII出水通过出水管50重力流入到A/O反应器IV。

启动搅拌器62对混合液进行搅拌完成回流污泥的反硝化。启动污泥回流泵63将二沉池V的污泥回流到A/O反应器IV的进水端。通过搅拌缺氧区(1格室)的反硝化，回流污泥的NO_x^--N转化为氮气。打开空气调节阀65～73，将气体流量计的流量调整为400L/h，启动气泵59，通过空气管60，经过曝气头74～82对曝气池中的混合液进行曝气。在曝气区(2-10格室)完成剩余有机物的氧化合高氨氮的彻底硝化。A/O反应器IV混合液通过出水管83进入二沉池V的中心管88，在二沉池V中均匀配水，而后进行泥水分离。泥水分离后开启出水阀门84，上清液通过出水回流管90进入到处理水水箱6。开启阀门11，最终出水溢流出系统。

连续试验结果表明：在一级UASB II与二级UASBIII中最大的COD去除速率分别为12.5、8.5Kg COD/m³·d，在一级UASB II中NO_x^--N的最大去除速率为3.0Kg NO_x^--N/m³·d。两级UASB的出水COD为2000-3000mg/l，其中50％左右的COD是难于生化的，这为高氨氮在A/O反应器IV的硝化创造了有利条件。系统的COD去除率为80-92％，出水COD为800-1500mg/l。一级UASBII在30℃的气体产率为0.28m³/Kg COD，气体的组成相对稳定，CH₄，N₂，CO₂所占的比例分别为63-73，25-35，2％。二级UASBIII在35℃的气体产率为0.40m³/Kg COD，CH₄，CO₂所占的比例分别为98，2％。原渗滤液的NH₄⁺-N浓度为1100-2000mg/l，A/O反应器IV的最大NH₄⁺-N去除速率为0.68KgNH₄⁺-N/m³·d，在17-30℃，NH₄⁺-N的去除率在99％左右，出水NH₄⁺-N浓度低于15mg/l。回流出水和二沉池V回流污泥中的NO_x^--N，分别在一级UASB II和A/O反应器IV的缺氧段实现几乎完全的反硝化，使得系统无机氮TIN去除率在80-92％。

彻底的反硝化为硝化提供了充足的碱度，使得A/O反应器IVpH＞8.5，为实现稳定的硝化创造必要条件。系统中每个反应器的污泥都是独立的，形成了各自的优势菌群，分别完成反硝化、产甲烷和硝化反应。与氨吹脱、反渗透等物化工艺去除NH₄⁺-N相比，本系统经济高效，没有二次污染，同时为渗滤液中高氨氮的短程硝化去除提供了切实可行的技术参数，在较大程度上降低渗滤液处理的建设和运行费用。