大学毕业论文厌氧好氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液.docx
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大学毕业论文厌氧好氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液
本科毕业设计说明书（论文）
（届）
题目：
厌氧/好氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液
学生姓名×××××
学号×××××
指导教师×××××
专业班级×××××
学院×××××
提交日期年月
厌氧/好氧膜生物反应器处理垃圾渗滤液
摘要
垃圾渗滤液具有污染物浓度高、成分复杂、处理困难等特点，对周围环境及地下水构成了严重的威胁，是废水处理领域研究的重点和难点。
近年来，垃圾渗滤液的处理工艺发展迅速，其中膜生物反应器（MBR）和其他生物处理方法逐渐成为主流手段。
为了充分发挥厌氧与好氧微生物对污染物的的协同降解优势，同时减少曝气的运行成本，本文拟采用厌氧/好氧膜生物反应器组合工艺，以实际垃圾渗滤液为处理对象，考察对垃圾渗滤液的处理效果以及处理过程中的膜污染现象。
实验表明，在进水B/C<0.2时，这项组合工艺对渗滤液处理表现出了十分良好的效果，对COD、氨氮的平均去除率分别为80.88%、95.11%；对钠离子的去除率仅为0.26%，对钾离子的去除率为4.66%，对镁离子、镉离子和铬离子的去除效率分别为49.12%、25.21%和40.97%，对铜离子的去除效果较为理想，在85%左右，铁离子的去除效果则能达到98%以上；当运行20天对膜进行清洗后，膜通量可以恢复到95%。
关键词：
厌氧/好氧膜生物反应器，垃圾渗滤液，微生物，膜污染
TREATMENTOFLANDFILLLEACHATEBY
ANAEROBIC/AEROBIC
MEMBRANEBIOREACTOR
ABSTRACT
Landfillleachateischaracterizedbyhighconcentrationofpollutants,complexcomponentsanddifficultlytreatment.Itwouldpotentiallycontaminatethecityresidentialenvironmentandthegroundwaterifnotappropriatelytreatedbeforebeingdischargedintotheenvironment.Thus,ithasbecometheemphasisanddifficultyofsewagetreatmentfieldsinrecentyears.Overtheyears,newtechnologiesforleachatetreatmenthavegainedarapiddevelopment.Membranebioreactor（MBR）andotherbiologicaltreatmenthavegraduallybecomethemainstreamtechnology.Inordertofullyusetheco-treatingadvantagesofanaerobicandaerobicmicrobesandreducetheoperationalcostofaeration,thestudyadoptsanaerobicintegratedtechnologyforthetreatmentoflandfillleachate.Usingtheactuallandfillleachateastreatmentobject,thestudywasdeterminedthetreatmenteffectandmembranefoulingphenomenon.
Theexperimentsshowthat,whentheB/C<0.2,theresultswasgood,theaverageremovalrateofCOD,ammonianitrogenare80.88%and80.88%respectively.Theremovalrateofsodiumions,potassiumion,magnesiumion,cadmiumionandchromiumionare0.26%,4.66%,49.12%,25.21%and40.97%respectively.Theremovalrateof copperion ismoreideal,about85%,while ironionremovalefficiencycanreachmorethan98%.Afterrunning20days,whencleanedthemembrane,themembranefluxcanbemeasureupto95%.
Keywords:
anaerobic/aerobicmembranebioreactor,landfillleachate,microbial,membranefouling
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1前言1
1.2垃圾渗滤液危害、水质特点、特征2
1.2.1垃圾渗滤液污染的危害2
1.2.2垃圾渗滤液的水质特点2
1.2.3垃圾渗滤液的特征3
1.3垃圾渗滤液的处理方法概述5
1.3.1与城市污水合并处理5
1.3.2垃圾渗滤液的单独处理6
1.4膜生物反应器在垃圾渗滤液中的作用9
1.4.1膜生物反应器工作类型9
1.4.2膜材料与膜组件10
1.4.3膜污染10
1.4.4膜生物反应器在垃圾渗滤液处理中的作用10
第二章实验材料及方法12
2.1实验用水12
2.2实验装置及运行方式13
2.3分析项目与测试方法14
2.2.1试验分析仪器14
2.2.2分析方法14
第三章结果与讨论16
3.1污泥体积指数（SVI）的变化16
3.2膜通量随时间变化16
3.3对COD的去除效果18
3.4对氨氮的去除效果19
3.5对金属离子的影响21
3.6膜污染状况21
3.7小结与建议22
第四章展望未来24
参考文献25
致谢28
第一章绪论
1.1前言
自1979年以来，中国的城市垃圾年增长率达8.89%，少数城市如北京的增长率达到15%—20%，人均垃圾年产量在550—600公斤。
1986—1995这十年间，我国生活垃圾维持在一个较高的增长速度，增长率为8%—10%[1]。
人口的增加、城市规模的扩大和生活水平的提高使得垃圾产量的不断增加，我国城市生活垃圾总量已经进入世界垃圾高产的行列。
根据世界银行的报告，2004年中国固体废弃物年产1.9亿吨，已经取代美国，成为了全世界第一的垃圾生产大国[2]。
到2012年，据《中国城市建设统计年鉴》的统计，全国的城市垃圾总量已经增加到了2.39亿吨。
尽管垃圾生产量如此巨大，却并未因其太多人的注意——或许更多时候，人们甚至将其当作一个发展指标。
但不可轻视的是，垃圾已经构成了中国环境治理和城市管理的一个严峻挑战。
近年来，我国城市生活垃圾已对城市及其周围的生态环境造成日趋严重的威胁。
对全国298个城市的调查结果表明，对城市垃圾不适当的处理使得环境卫生遭受严重恶化，而且造成大量土地被占用。
因此，我国各级城市垃圾管理部门和环境保护专家相继对城市垃圾的处理和污染控制技术进行了研究与开发[3]。
城市垃圾的处理方法主要有焚烧处置法、堆肥处置法和卫生填埋法三种。
由于卫生填埋法具有处理费用较为低廉、适用范围广、技术成熟和管理方便等特点，因此成为我国城市垃圾的主要处理方式。
但是在城市垃圾的卫生填埋存在一个无法避免的难题，即在其转运和填埋过程中会产生大量危害极大的垃圾渗滤液，对周边环境和地下水造成严重污染。
垃圾渗滤液的来源主要分三种：
一是外来水分，包括直接降水（包括和降雪，主要来源）、地表径流和渗入地下水：
二是固体废物中的原有水分及覆盖材料中的水分：
三是垃圾有机物降解过程中的产水。
垃圾渗滤液是一种成分复杂，含较多的有机物、氨氮、重金属离子以及致病菌等有毒有害物质的高浓度有机废水，其水质水量受物理、化学、生物等诸多影响，变化幅度较大。
1.2垃圾渗滤液危害、水质特点、特征
1.2.1垃圾渗滤液污染的危害
垃圾渗滤液作为一种成分极其复杂的高浓度有机废水，其对周围环境的污染主要体现在低下和地表双重水体的污染，且其对地下水体的污染具有其他污染源所无法比拟的不宜察觉和持久的特点。
自从20实际60年代以来，垃圾渗滤液对自然水体的污染受到世界各国逐渐重视，并对其展开相应的研究。
渗滤液的氨氮含量和CODcr浓度高，能使地面水体缺氧，水质恶化；氮磷等营养物质是导致水体富营养化的诱因，还可能严重影响饮用水水源；一般而言，CODcr、BOD5、BOD5/CODcr会随填埋场的“年龄”增长而降低，碱度含量则升高。
此外，随着堆放年限的增加，新鲜垃圾逐渐变成陈腐垃圾，渗滤液中的有机含量有所下降[4]，但氨氮含量增加，且可生化率降低，因此处理难度非常大。
垃圾渗滤液中的有机污染物非常多，高达77种，其中促癌物、辅致癌物5种，被列入我国环境优先控制污染物“黑名单”。
垃圾渗滤液中含有10多种金属离子，这些金属离子会对生物处理过程产生严重的抑制作用[6]。
1.2.2垃圾渗滤液的水质特点
垃圾渗滤液的水质变化受垃圾组成、垃圾含水率、垃圾体内温度、垃圾填埋时间、填埋规律、填埋工艺、降雨渗透量等因素的影响，尤其是降雨量和填埋时间的影响。
渗滤液的水质有以下几个特点：
（1）有机物质量浓度高，其中腐殖酸为小分子有机物和氨基酸合成的大分子产物，是渗滤液长期性的最主要污染物，通常有200—1500mg/L的腐殖酸不能生物降解[7]。
（2）氨氮质量浓度高，一般小于3000mg/L，在500—2400mg/L之间居多，其在厌氧垃圾填埋场内不会被去除，是渗滤液中的长期性的最主要无机污染物[8]。
（3）渗滤液水质波动大，COD、BOD、可生化性随填埋场时间的增长而下降并逐渐维持在较低水平。
下表1.1是一般垃圾渗滤液的主要成分：
表1.1一般垃圾渗滤液的主要成分（mg/L）
项目
变化范围
项目
变化范围
颜色
黄褐色
有机酸
46~24600
嗅觉
恶臭
氯化物
189~3262
pH值
3.7~8.5
Fe
50~600
总残渣
2356~35703
Cu
0.1~1.43
总硬度
3000~10000
Ca
200~300
CODcr
1200~45000
Mg
50~1500
BOD5
200~30000
Pb
0.1~2.0
NH3-N
20~7400
Cr
0.01~2.61
总磷
1~70
Hg
0~0.032
1.2.3垃圾渗滤液的特征
垃圾渗滤液是一种较为特殊的有机废水，国内外的研究表明，由于垃圾填埋场所处的地理环境、垃圾的成分、填埋的时间、垃圾的降解速度、卫生填埋时的操作条件、垃圾的稳定化程度以及当地自然条件和社会条件等复杂因素的影响，在不同的城市，其垃圾卫生填埋场中产生的垃圾渗滤液之间性质差别很大，特别由于国内外垃圾的分类、收集途径的不同，造成国内外渗滤液水质没有一定的可比性。
相比较来说，国内的垃圾渗滤液的成分更为复杂[9]。
在广泛的调研和资料收集中，发现垃圾渗滤液有如下四个特征：
（一）污染物浓度高
垃圾经过卫生填埋后，在其内微生物的作用下，垃圾中的有机物经过厌氧/好氧双重化学反应下产生降解，在垃圾的生物降解过程中，垃圾中本身自含的污染物及降解后产生的大量有毒有害物质进入渗滤液中，致使垃圾渗滤液中具有极高浓度的污染物。
而且，由于垃圾在其降解过程中会产生较为可观的CO2，CO2溶于垃圾渗滤液中使其pH呈偏酸性，垃圾中含有的金属以及金属氧化物会加速溶解于渗滤液中，这样会造成垃圾渗滤液中会含较比较多的金属离子[10]。
（二）持续时间长
填埋场中垃圾内含有机物的持续降解使得垃圾渗滤液在不间断的产生，对垃圾中的有机物降解，可用一级的反应动力学方程式对其进行表示：
Ct=C0e-kt。
在此方程式中，t为降解反应时间，k为垃圾中有机物的降解速率常数，C0表示t=0时垃圾中初始有机物浓度，Ct是t时刻有机物的浓度。
降解速度常数是垃圾中内含各种有机物的降解反应速率的集体反映，它与降解反应过程中的温度、垃圾的成分等因素息息相关。
下表（表1.2）是研究者们所获得垃圾中有机物降解过程中的k值和与其对应的半衰期t1/2。
表1.2垃圾中有机物的降解速率常数K以及半衰期t1/2
时间
研究者
代表性物质
k（a-1）
t1/2
1973年
Farguha和Rovers
／
0.365
1.89
1974年
Chen
／
0.012~0.788
0.88~55.75
1983年
Hoeks
食物类垃圾
0.693
1.00
1992年
Suflita
纤维类垃圾
0.055~0.087
7.96~12.60
1995年
DeanK.Wall和ChrisZeiss
／
0.312~0.048
2.5~14.50
注：
半衰期按t1/2=0.693/K来计算
由表1.2可知：
垃圾中有机物降解极其缓慢，产生的垃圾渗滤液时间持久，一般在20—30a。
（三）流量不均匀
垃圾渗滤液的流量与其内含和覆土的含水量有关、垃圾所承受压力密度、地表水和地下水以及直接降雨的渗透量有相当大的关系。
若卫生填埋场采取了阻水措施，则渗滤液的量主要受降雨大小的影响，相对而言，也就是渗滤液流量随之大小变化而变化。
其流量大小可根据以下公式计算：
Q=C×I×A×10-3
公式中：
Q即渗滤液的平均流量，C是渗出系数，通常为0.3—0.8，I为平均降雨强度，A是填埋场的集雨面积大小。
渗滤液在垃圾中缓慢流动或者渗透，通常情况下在降雨后大概七天左右才会出现垃圾渗滤液的高峰期。
垃圾渗滤液的流量大小受降雨量影响，随其大小而变化，因此渗滤液的流量是不均匀的。
（四）水质变化
垃圾渗滤液的水质在各个地方是不一样的，受垃圾的成分、降解速度、稳定化程度影响，且与当地降水渗透量以及当地的社会经济发展和人们的日常生活状况等因素息息相关。
垃圾的降解速度主要受当地环境温度影响，气温随一年四季的变化影响着卫生填埋场中垃圾的降解速度，因此，垃圾渗滤液的水质也随之变化[11]。
此外，由于垃圾的稳定程度不同，形成的渗滤液的水质也大不相同，存在很大的差别。
在其他方面，如果降水的大量渗入，会对垃圾渗滤液进行稀释，短期内能造成垃圾渗滤液的水质出现大幅度的波动。
1.3垃圾渗滤液的处理方法概述
1.3.1与城市污水合并处理
国内将垃圾渗滤液与城市污水的合并处理作为常用的处理手段之一，但是因为渗滤液的复杂成分以及其水质水量的波动幅度大使得不得不谨慎考虑城市污水与渗滤液之间的比例，主要防止负荷过大致使设备受严重损害。
余建恒等人采用AAO—生物膜工艺对垃圾渗滤液与城市污水按一定的投配比例进行合并处理，取得了不错的研究效果。
陈瑜等人通过对成都地区的垃圾渗滤液与城市污水进行不同比例的混合处理也对未来垃圾渗滤液的合并处理给出了良好的建议。
1.3.2垃圾渗滤液的单独处理
垃圾渗滤液的单独处理有许多种方法，主要根据垃圾渗滤液的水质、水量、处理成本等因素进行选择，现如今，垃圾渗滤液的单独处理仍是国内外的主流处理方式，其主要分物化、生物和物化—生化相结合的方法。
1.3.2.1物化处理法
物化法处理垃圾渗滤液又分吸附、化学沉淀、催化氧化和膜法等。
物化法一般用在综合处理的预处理或者生化处理后的最终处理。
（一）吸附法
吸附法是一种较为高效的物化处理手段，通过使用各色各样的吸附剂达到对污水中污染物的去除，现物化处理中常用的吸附剂有活性炭、高岭土、硅藻土、粉煤灰以及城市垃圾焚烧炉底灰等。
吸附法广泛用于化工废水、印染废水等污水的处理。
在吸附法用于处理垃圾渗滤液时，吸附剂能除去渗滤液中的难降解有机物（酚、苯类化合物等），金属离子（铅、汞等）和色度。
Aziz[12]等对垃圾渗滤液采用活性炭吸附处理，其中渗滤液中氨氮的去除率在42%左右，金属离子的去除率则能达到96%。
然而，活性炭的吸附虽然能大幅度除去垃圾渗滤液中的COD、氨氮以及金属离子，但是其成本较高，由于活性炭的不菲价格和较高的运行费用。
（二）化学沉淀法
化学沉淀法主要通过加入某种化学试剂，使得水中的溶解性离子因化学反应转化成不溶性的固体沉淀，达到与水体分离的目的。
混凝法是化学沉淀法中一种重要的方法，其中硫酸铝、氯化铁等是比较常用的混凝剂。
众多学者对城市垃圾渗滤液处理中的混凝沉降工艺进行过深入研究。
沈耀良等以焦炭吸附、聚合氯化铝混凝对渗滤液进行处理，发现垃圾渗滤液中的COD和重金属离子都能得到较好的去除效果。
Amokrane等对渗滤液分别加入铁盐和铝盐，发现三氯化铁对渗滤液中的有机物为55%，而硫酸铝却为42%。
赵庆良等采用氯化镁和磷酸钠盐将氨氮转化成磷酸铵镁的方法达到对渗滤液中的氨氮去除，发现该法能有效的去除其内的高浓度氨氮，且不会出现如传统吹脱法中碳酸盐结垢的问题。
（三）化学氧化和催化氧化
化学氧化：
可分解渗滤液中难以降解的有机物，使得废水更加容易生化降解。
其中的高级氧化技术通过利用羟基自由基的强氧化能力使渗滤液中的有机污染物由大分子氧化成小分子的有机污染物，甚至达到完全去除的程度。
催化氧化：
作为高级氧化技术中的一种，光催化氧化技术也逐步用于水处理中，因其工艺简单、低能耗、操作容易、无二次污染等特点得到许多专家学者重视，而且在对一些特殊污染物的处理中，光催化氧化法比其他氧化技术处理效果更为显著。
因此，光催化氧化法在深度处理垃圾渗滤液方面有着良好的应用前景。
其机理是利用光照射在半导体材料或者催化氧化剂中，产生自由基（·OH），此自由基拥有强氧化性[13]。
氯化锌和二氧化钛等都是光催化氧化中常用的半导体材料，其中，最广泛使用的是二氧化钛，因其价格低廉、性质稳定且无毒。
谭小萍等对光催化处理垃圾渗滤液进行了研究。
试验结果得出，最佳二氧化钛投放量与光强成反比关系；最佳反应时间为1.5—2.5h；波长为253.7nm的紫外线杀菌灯对COD的去除率能达到40%—50%，脱色率为70%—80%[14]。
目前，关于光催化氧化降解有机物的理论研究还处在探索阶段。
除此之外，物化法还有离子交换，电渗析等。
这些物化处理方法对垃圾渗滤液的水质和水量都能起到一定程度的改善作用，但是却无法在根本上解决垃圾渗滤液的污染问题。
1.3.2.2生物法处理
生物法是目前垃圾渗滤液处理的最主要方法，其分好氧生物处理和厌氧生物处理。
现大多采用厌氧+好氧组合工艺处理渗滤液。
（一）厌氧生物处理法
厌氧生物法近20年来随微生物学，生物化学等学科的发展和工程实践得到了很大的发展。
厌氧生物法：
厌氧生物滤池、上流式污泥床反应器（UASB）、厌氧折流板反应器（ABR）等。
厌氧生物处理法能使高浓度的垃圾渗滤液中的大部分有机物得到降解，且有毒有害的物质也可以得到一定程度上的降解效用。
厌氧生物滤池（anaerobicbiologicalfiltrationprocess，AF），即内装微生物载体的厌氧反应器，其内微生物生长在填料上，不随水的流动而损失，因此具有较高的污泥浓度和较长的泥龄（长达100d以上）。
AF运行稳定，能适应废水浓度和水力负荷的变化而不致引起长时间的性能破坏，其能在低pH值和含毒条件下稳定运行，并且再启动迅速。
UASB是一种新型的厌氧生物水处理技术，该项技术首次将颗粒污泥的概念引入，其反应器属于悬浮生长型，具有非常高的处理能力和处理效率，在各种高浓度的有机废水处理中尤其有效[15]。
其优点主要体现在工艺结构紧凑、处理效果好且成本不高。
缺点是不适合处理高悬浮物固体浓度的废水。
ABR是20世纪80年代中期开发研究的新型高效的厌氧生物处理污水工艺。
在ABR工艺中，反应器中最主要的结构是其内的一系列垂直安装的择流板，需要处理的废水绕着这些择流板进行流动，因此，废水的流经长度大大增加，加上择流板的阻挡以及污泥的沉降作用，使得生物固体被截留在反应器内。
ABR具有水利条件好、生物固体截留能力强、微生物种群分布好、结构简单、启动较快及运行稳定等优良性能[16]。
（二）好氧生物处理法
好氧生物处理污水能使其中的BOD、COD和氨氮得到有效降低，其工艺主要有活性污泥法、SBR、CAST、CASS、氧化沟等。
传统活性污泥法因其费用低、效率高等优点而得到较为广泛的应用。
通过提高污泥浓度降低污泥有机负荷的方法能得到很好的垃圾渗滤液处理效果。
但是由于传统活性污泥法有机负荷较低易致使发生污泥膨胀等问题，所以在国内，此法用于垃圾渗滤液的处理较为少见。
氧化沟又名连续循环曝气池，是活性污泥法的一种变型，由荷兰公共卫生研究所在1950年研究成功。
随后经过30余年的使用与发展改进，氧化沟系统在池形、结构、运行方式、曝气装置、处理规模、适用范围等方面得到了长足的进步。
我国从80年代起也开始使用此技术处理城市污水[17]。
氧化沟具有便于操作、生物量高、出水水质稳定、水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）长等优点。
这些优点使得氧化沟技术在垃圾渗滤液处理技术中拥有先天优势，因此氧化沟技术受到许多专家的重视与研究。
周期循环的间歇式活性污泥法（SBR）将均匀水质、曝气氧化、沉淀排水等功能集于一身。
与其他连续活性污泥法比较，它不但工艺简单，而且能根据进水负荷调整运行参数，十分适合处理垃圾渗滤液。
1.4膜生物反应器在垃圾渗滤液中的作用
1.4.1膜生物反应器工作类型
膜生物反应器（MembraneBioreactor，简称MBR）是现如今公认的先进污水处理和资源化技术，这种新型水处理系统将膜分离技术中的超滤、微滤或者纳滤膜组件与污水生物处理相结合。
其原理是污水从薄膜中的微孔渗透而过，将污水里的有机物截留在膜生物反应器中，随后被微生物分解，获得低浓度的稳定膜出水。
MBR优点：
①此工艺脱氮、除磷效率高于其他水处理技术；②MBR出水水质极高，占地面积小，能够实现对HRT和SRT的分别控制；③MBR工艺价格相对传统的污水处理技术已经具有相当的竞争实力，发展前景十分广大。
根据MBR反应器和膜组件的结合方式及运行方式可将膜生物反应器分为膜分离生物反应器（MBR）、曝气膜生物反应器（MABR）和萃取膜生物反应器（EMBR）。
MBR主要用于固体的分离与截留，MABR主要用于在反应器中进行无泡曝气，EMBR主要用于从工业废水中萃取优先污染物[18]。
而根据膜组件防止方式的不同可分为分置式与一体式（浸没式）。
一体式具有生化效率高、抗负荷冲击能力强和易实现自动化控制等优点。
但是由于膜组件直接置于MBR中，因此容易发生膜污染，且膜通量较低，这成为一体式膜生物反应器发展不快的主因[19]。
分置式MBR将膜组件置于生物反应器之外，具有膜通量高、系统便于放大、组件易于清洗与更换等优点，但是其能耗较高、错流产生的剪切力对微生物活性有一定影响。
MBR工艺受其高投资、高能耗、膜污染与清洗、运行成本高等因素制约了其发展。
因此，在本试验中，我们试图通过搭建组合膜生物反应器使其在高效处理垃圾渗滤液的同时，降低MBR组合工艺的成本。
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