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膜生物反应器处理垃圾渗滤液的研究进展

摘要 垃圾填埋场渗滤液，尤其是老龄渗滤液，很难采用常规的生物法处理，而膜生物反应器则是一种很有前景的处理方式。MBR的膜分离能力使反应器中的微生物细胞保持较高的生物量浓度，从而产生高效的生物降解系统，其BOD和氨氮去除率可以达到90%甚至更高，且与传统生物处理法相比，MBR的水力停留时间更短，有机负荷率更高。MBR的COD去除效果也很好（75%或者更高），即使是老龄渗滤液，在优化条件下也能达到这个效果。研究表明，MBR对微污染物也有去除效果。此外，近期发展起来的厌氧MBR系统和PAC-MBR系统在垃圾渗滤液处理方面也有巨大的潜力。MBR系统性能稳定，可以适应进水组成或者其他操作条件的较大变化。然而，较短的水力停留时间和高的氨氮浓度对MBR系统有不良影响，极长的固体停留时间也会降低其处理效果。

关键词 垃圾渗滤液 膜生物反应器 BOD COD 氨氮 后处理

1 介绍

当今社会工商业的发展、科技的进步、更高的生活水平、无处不在的浪费倾向都导致了固体废物的增加。世界各地的城市必须每天管理来自住宅区和商业区的大量固体废物。在完全工业化和发展中国家，卫生填埋场是最普遍的工业和城市固体废物（MSW）的最终处置场所。作为资本和开发成本最经济的选择，卫生填埋优于如焚烧或堆肥等其他的废物处理方式[1]。

然而，由于渗滤液的产生，堆填区在它们的设计、操作和长期关闭后的一定期限内都需要密切的环境监测，因为未经处理的渗滤液可能会污染附近的地表水和地下水。在大多数发达国家，为了使渗滤液对周围环境的影响最小化，卫生填埋场都设计有衬层和渗滤液收集系统[2]。

雨水渗透、生物、化学和物理反应以及废弃物的内在水分都有助于渗滤液的形成[3]。垃圾渗滤液是组成复杂的高浓度废水，富含有机物、氨、重金属和外源性有机化合物（XOCs）等有毒物质的，这些成分取决于固体废物的类型和浓度、填埋场水文、气候，特别是垃圾填埋场的年龄[3,4]。

表1垃圾渗滤液随龄期的分类与组成[6]

随着时间的推移，垃圾渗滤液经过连续的好氧阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段和有机废物降解稳定阶段，其化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、BOD/COD比值、氨态氮（NH₃-N）和pH值等特性差异很大[5]。如表1所示，这些参数在垃圾渗滤液的各年龄段都有典型的范围，通常分为三个阶段：新鲜（小于5年）、中龄（5-10年），及老龄（超过10年）[6]。在这些不同性质中，BOD/COD比值是被普遍认同的垃圾渗滤液最具代表性的参数，因为它与垃圾渗滤液的可生物降解性直接相关。新鲜的垃圾渗滤液含有高浓度可生物降解有机物，如挥发性脂肪酸（VFA），因此其BOD/COD比值大。大多数的BOD，即可生物降解的部分的COD，将在稳定化阶段被降解，因此，BOD / COD比随时间的推移而降低，因为非生物降解部分的COD在此过程中很大程度上保持不变。如表1所示，新鲜、中龄、老龄垃圾渗滤液的BOD/COD比值范围分别为0.5-1、0.1-0.5、小于0.1。但值得一提的是，没有一个明确的分隔中、老龄垃圾渗滤液的值，BOD/COD比值小于0.2也被一些研究者视为老龄垃圾渗滤液。稳定的渗滤液具有高浓度的氨氮和难降解物质，对于评价不同生物处理技术的处理效果有深刻意义。

由于高度污染的垃圾渗滤液对水生生态系统，特别是地下水，会产生潜在危险，环境监管机构对直接排放渗滤液（或任何废水）到接收水体的排放标准越来越严格，为了满足这些严格的质量标准，现场处理渗滤液成为当务之急，选择适当的处理技术更为重要。然而，垃圾渗滤液水质水量的波动性让垃圾渗滤液处理系统的设计复杂化。由于其成本效益高、操作简单，生物处理法，如传统的活性污泥（CAS），曝气法，序批式反应器（SBR），上流式厌氧污泥床反应器（UASB）等广泛地用于含高BOD浓度的新鲜垃圾渗滤液处理[8]。然而，从老龄垃圾渗滤液中去除COD对这些生物处理法来说是一个挑战，由于其中含有的难生物降解物质和有毒污染物需要多级操作和大面积的处理系统才能达到出水标准。若要用上述生物处理法成功处理渗滤液，还需要额外的物理化学法联合处理，如曝气、混凝絮凝，化学（或电化学）氧化法、化学沉淀法、膜分离等。最近，膜生物反应器技术（MBR）这个先进的生物处理工艺也成为一个重要的可选工艺，它用膜分离装置代替了二沉池。研究表明，MBR系统对处理老龄垃圾渗滤液非常有效。与传统的生物处理工艺相比，膜生物反应器的优势包括更好的出水水质、工艺稳定、占地面积小、生物量和混合液悬浮固体（MLSS）保留量增多，并且污泥产量低[9]。

早期的一些研究调查了MBR系统对垃圾渗滤液处理的潜力。近年来，更多的研究是关于MBR系统处理垃圾渗滤液的可行性和处理性能。然而几乎没有任何论文致力于这个主题。Alvarez Vazquez等人以前的评论[ 13 ]提供了关于MBR系统在垃圾渗滤液处理中的应用的一个简短叙述，但这完全基于其与MBR系统制造商的私人交流得到的数据。其他的关于垃圾渗滤液处理的论文都是关于调查各种常规的生物和物理化学处理技术[ 8，14 ]，却忽略了正在进行的研究工作，即致力于使用MBR系统处理垃圾渗滤液。还有一些文章涵盖了MBR技术的最新发展，但是主要集中在市政污水的处理方面。为了弥补这一知识，本文旨在提出膜生物反应器处理垃圾渗滤液的发展概述。本文将简要讨论膜生物反应器的现状，膜生物反应器中的处理效果，即BOD／COD、氨氮和微污染物去除，关键参数对其性能的影响，MBR处理后出水的后续处理要求，同时也对这项技术的未来前景进行了讨论。

2 MBR及其在工业废水处理中的应用

膜生物反应器主要由两个主要部分，生物单元或负责废物降解的生物反应器，和从生物固体或微生物中分离处理过的水的膜组件。MBR膜系统的许多优点都是由于用膜过滤装置代替了传统活性污泥法中的二沉池。CAS系统依赖于微生物絮体的重力沉降来达到固液分离效果，而在高生物量浓度的条件下沉降能力相对较差，传统活性污泥法中MLSS的浓度通常限制在5g/L[8]。另一方面，膜能让生物完整地保留下来，使MBR膜系统在混合液悬浮固体浓度高的情况下也有很好的出水水质。混合液悬浮固体浓度高还有以下优点：（1）在较高的负荷下运行（2）反应器体积小，这是因为水力停留时间和固体停留时间都缩短（3）专性的缓慢生长的微生物的发展（4）由于较长的固体停留时间，剩余污泥产量减少[20,21]。

MBR系统中空纤维、板架、平板或管状配置中普遍采用超滤（UF）、微滤（MF）膜。常见的反应器的设计包括连续搅拌釜式反应器（CSTR），活塞流反应器（PFR），SBR，和UASB反应器。根据膜单元的位置，膜生物反应器分为两类：浸没式膜生物反应器和分体式膜生物反应器（图1）。在浸没式膜生物反应器中，膜组件安装在反应器内，而在分体式中安装在膜反应器外，污泥回流到曝气池。分体式MBR膜生物反应器需要保持足够高的横流的速度来克服由于膜污染造成的流量下降。由于浸没式膜生物反应器没有高流量再循环泵，系统更紧凑、更低成本、更节能。

图1 MBR配置：外部（左）和浸没（右）[21]

据克劳梅和多尔调查研究[ 22 ]，全球MBR技术市场预计将从2008年的2亿9600万美元增加到2013年的到4亿8800万美元，相当于10.5%的年增长率。在北美洲，MBR膜系统处理工业废水的全面商业化应用要追溯到20世纪90年代。MBR系统的各种优势，如处理难处理废水以及高有机负荷废水的能力等，使其在工业废水的处理方面有着独特的地位[ 24]。表2概述了最近的MBR在各方向工业废水处理的应用。

表2 MBR在近10年工业废水处理中的应用

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