MBR+Fenton复合工艺在生活垃圾渗沥液处理系统集成化改造中的应用——以湖南省某市垃圾填埋场为例

Application of an Integrated MBR‒Fenton Process in the Retrofit of a Municipal Solid Waste Leachate Treatment System: A Case Study of a Landfill Site in Hunan

摘要

随着生活垃圾填埋场老龄化问题的加剧，老龄渗沥液的高效处理成为当前固废污染控制领域的重要技术挑战。该类渗沥液普遍具有高盐、高氮、低可生化性等特征，传统处理工艺普遍存在占地较大、浓缩液处置困难与运行成本较高等局限。本文以湖南某市生活垃圾填埋场渗沥液处理站扩容改造工程为例，针对原系统处理能力不足、用地紧张、碳源匮乏等问题，构建了“生化+膜生物反应器（MBR）+芬顿（Fenton）+曝气生物滤池（BAF）”复合处理工艺，并采用“三层立体集成化”构筑设计，将全流程处理单元集成于2 000 m²的综合处理车间内，占地面积较传统布局减少约80%，处理能力提升至800 m³/d。运行结果表明，该系统出水化学耗氧量（COD_Cr）、五日生化需氧量（BOD₅）、氨氮（NH₃‒N）去除率均超过99%，总氮（TN）、总磷（TP）浓度分别稳定低于21.0、0.5 mg/L，出水水质全面满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889—2024）中表2限值。通过协同处置餐厨废水与中转站渗沥液，系统外加碳源消耗降低70%以上，结合风机系统优化，电耗下降20%，单位处理成本控制在92元/t。研究表明，该集成工艺在高盐、高氮老龄渗沥液治理中具有处理效率高、占地少、运行稳定等优势，为中国用地紧张地区渗沥液处理系统的改造提供了可行的技术路径与工程借鉴。

Abstract

Objective The sustainable management of mature landfill leachate represents a persistent environmental challenge due to its characteristically high salinity, elevated nitrogen concentration, and presence of recalcitrant organic compounds, which lead to extremely poor biodegradability. This problem is particularly acute for existing treatment facilities that require capacity expansion and process upgrades to meet increasingly stringent discharge standards while being constrained by severely limited available land. Conventional treatment schemes, which often rely on membrane concentration or standalone biological processes, frequently demonstrate inadequate denitrification efficiency under low carbon-to-nitrogen (C/N) ratios and generate secondary waste streams, such as reverse osmosis concentrates, which pose additional disposal challenges. This research is therefore motivated by the critical need to engineer, demonstrate, and validate a comprehensively integrated, highly efficient, and spatially optimized treatment train capable of overcoming these multifaceted technical and logistical barriers, ensuring reliable, long-term compliant operation for complex, aged leachate. Methods A novel and sophisticated treatment system centered on an integrated "Anoxic/Oxic Biological Treatment + Membrane Bioreactor (MBR) + Two-Stage Fenton Advanced Oxidation + Biological Aerated Filter (BAF)" process chain was designed and deployed for the full-scale retrofit and capacity expansion of a mature leachate treatment plant. The cornerstone of the spatial strategy was the innovative "three-layer superimposed configuration." This architectural approach vertically stacked all major process units, including equalization, two-stage anoxic/oxic (A/O) bioreactors, the MBR filtration skid, two-stage Fenton reaction and sedimentation trains, and the final BAF polisher, within a single, multistory comprehensive treatment facility. This design consolidated the entire process within a footprint of only 2 000 m², achieved an approximately 80% reduction in land use compared to traditional spread-out horizontal layouts, and increased treatment capacity from the original 300 to 800 m³/d. A synergistic co-treatment strategy was implemented to address the carbon source deficiency that affected mature leachate treatment. This strategy involved the deliberate and controlled blending of biologically refractory mature landfill leachate with more readily biodegradable wastewater streams, specifically fresh leachate from municipal waste transfer stations and process effluent from a food waste treatment plant. These co-streams functioned as effective internal carbon sources, increased the overall C/N ratio of the system, and provided essential organic substrates that supported efficient biological denitrification in the anoxic zones. The performance of the core Fenton advanced oxidation process was systematically optimized through an extensive pilot-scale testing program. Based on foundational research and a controlled-variable methodology, the optimal operational window was empirically validated, with key parameters established as a narrow pH range of 3.5 to 4.0, an FeSO₄·7H₂O dosage of 16 to 18 mmol/L, and a critical H₂O₂/Fe^2⁺ molar ratio of 1.3 to 1.5. A centralized automated control system was installed to ensure robust, stable, and synergistic operation of this complex multiunit process. This system provided continuous monitoring and precise regulation of key parameters, including dissolved oxygen levels, which were maintained at 0 to 0.5 mg/L in anoxic tanks and 2.0 to 4.0 mg/L in aerobic tanks, pH across various stages, and chemical dosing rates, facilitating optimal conditions for both biological and chemical treatment steps. Results and Discussions After commissioning, the retrofitted integrated system exhibited outstanding and highly stable treatment performance over an extended operational period. Comprehensive performance monitoring data confirmed remarkable removal efficiencies for the primary pollutants. COD_Cr removal consistently exceeded 99.2%, BOD₅ removal was greater than 99.6%, and NH₃‒N removal also surpassed 99.2%. The final treated effluent quality was reliably maintained well within the most stringent discharge limits, with TN concentrations stably controlled below 21 mg/L and TP below 0.5 mg/L, demonstrating full and consistent compliance with the Table 2 standards of GB 16889—2024. The incorporation of the two-stage Fenton process proved to be a critical differentiator because it effectively cleaved complex recalcitrant organic molecules into more biodegradable fragments, significantly enhanced the overall biodegradability of the leachate, and enabled high removal rates in the subsequent biological polishing stages. The strategic co-treatment of multiple wastewater sources produced substantial economic and operational benefits and reduced the external demand for purchased carbon sources, such as glucose and sodium acetate, by more than 70%, which directly resulted in significant and sustained operational cost savings. Energy optimization was another achievement. Through systemwide enhancements, including the adoption of high-efficiency magnetic bearing blowers for aeration, the plant-specific power consumption was reduced by approximately 20% compared to systems that used conventional Roots blowers. A detailed and holistic operational cost analysis showed that the direct treatment cost was successfully controlled at 92 CNY per ton of treated leachate. One of the most significant environmental advantages of this integrated configuration was the achievement of an exceptionally high water recovery rate greater than 95% without producing a concentrated brine stream, completely avoiding the persistent environmental and operational challenges and costs associated with the management, treatment, and disposal of membrane concentrates, such as recirculation to the landfill body. Conclusions This full-scale engineering application conclusively demonstrates that the integrated "biological + MBR + Fenton + BAF" process constitutes a technically robust, economically sustainable, and operationally reliable solution for the advanced treatment of mature landfill leachate, even under demanding conditions involving severe spatial constraints and highly unfavorable influent characteristics. The pioneering compact, three-dimensional design paradigm successfully decouples treatment capacity from physical footprint, providing a transformative strategy for the in situ upgrading and expansion of wastewater treatment infrastructure in space-limited settings. The synergistic coupling of advanced chemical oxidation with multiple biological treatment stages, strategically augmented by the internal sourcing of carbon from co-treated waste streams, provides a holistic and effective countermeasure to the core challenges of low C/N ratio and recalcitrant organic pollution. This integrated approach ensures high removal efficiencies, operational resilience, and economic advantages. Therefore, this study provides a comprehensive, validated, and highly replicable blueprint for the modernization and capacity expansion of leachate treatment facilities worldwide. It holds particular value for projects in densely populated and land-scarce urban environments and represents a substantial advancement with considerable practical significance and broad potential for dissemination.

Graphical abstract

本刊网刊

渗沥液的达标处理一直是存量生活垃圾填埋场运营过程中的主要成本负担，因为生活垃圾填埋场渗沥液普遍具有高氨氮、高盐分、难降解有机物含量高和可生化性差等典型特征^[1‒3]。尤其是填埋时间超过10年的填埋场所产生的老龄渗沥液，其有机物浓度、碳氮比（C/N）显著低于填埋初期所产生的新鲜渗沥液^[4‒6]，处理难度进一步加大。

针对常规渗沥液的处理，国内外已形成较为成熟的物理/生化处理工艺，如纳滤（NF）、反渗透（RO）、芬顿（Fenton）、厌氧/好氧（A/O）、序批式活性污泥法（SBR）及膜生物反应器（MBR）等^[7‒10]，并在工程实践中得到广泛应用^[11]。然而，物理处理虽有较高的分离率，但多作为辅助措施，难以单独应对较高浓度的氨氮废水。同时，膜处理设备在分离过程中会产生难以进一步处置的高浓缩废液^[12]，处理成本较高^[13]，实际工程中往往采用回灌至填埋场库区^[14‒15]的做法，但这一做法可能导致填埋场污染负荷持续增加^[16‒18]。此外，高级氧化工艺（如Fenton、臭氧氧化等）虽然在难降解有机物方面表现良好，但老龄渗沥液的低C/N条件将显著影响Fenton工艺中反硝化阶段N₂O的生成与转化路径^[19]，进而导致脱氮效率受限，且臭氧氧化工艺成本高昂，单一氧化工艺效果同样难以满足老龄渗沥液中各项污染指标的全量化达标需求。相比之下，A/O、SBR、MBR等生物处理工艺在常规渗沥液处理中效果稳定^[4‒5]，但在老龄渗沥液处理问题上，通常面临碳源不足和微生物活性受到抑制等问题，脱氮效率明显受限，进而直接影响出水水质的稳定达标。

当前，中国大部分生活垃圾填埋场渗沥液处理的研究仍以单一技术优化为主要研究方向，缺乏针对全过程协同处理与系统集成方面的研究框架。在碳源严重不足的前提下，如何实现总氮（TN）的高效去除，同时兼具系统经济性与工程适应性，已成为老龄渗沥液处理领域亟需突破的关键技术瓶颈。尤其在中国，老龄渗沥液的产生主体通常伴随着填埋场渗沥液原有处理系统设备的老化，实际工程中常面临用地受限、原位改造难度大等问题，采用常规处理工艺布局存在占地面积大、系统灵活性差，改造效果不理想等局限^[20‒21]。

因此，探讨如何在低C/N的条件下实现TN的稳定去除，并在有限空间内完成渗沥液处理系统的高度集成与优化布局，已成为当前工程技术研究重点及难点。本文以湖南省某地级市生活垃圾填埋场渗沥液处理站扩容改造项目为工程背景，提出基于“生化+MBR+Fenton+曝气生物滤池（BAF）”多单元集成的老龄化渗沥液处理工艺，旨在探索一种适用于占地集约型老龄渗沥液处理系统扩容改造的高效解决路径。

1 项目概况及改造难点分析

1.1 项目概况

湖南省某地级市生活垃圾填埋场于2003年投入使用，其中渗沥液处理站占地面积约7 000 m²，设计处理规模为300 m³/d。2015年，该填埋场停止生活垃圾填埋，原有渗沥液处理设施由于年代久远及设施老化等原因，处理能力与处理效果均未达到设计要求。根据项目建设方要求，该项目采用原址扩容改造的方案，同步处理垃圾填埋场渗沥液、新建固体废物填埋场渗沥液、垃圾中转站渗沥液、餐厨垃圾处理厂污水等多源废水。扩容改造后的渗沥液处理系统采用“生化+MBR+Fenton+BAF”处理工艺，设计出水规模800 m³/d，出水水质执行《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889—2024）^[22]中表2标准。

1.1.1 渗沥液处理设施情况

原填埋场渗沥液处理系统设计处理能力为300 m³/d，先采用“生化池+混凝沉淀+厌氧反应器（UBF）”处理工艺，后改为“混凝沉淀+UBF+两级A/O+MBR+NF+RO”处理工艺，但处理效果不佳，库区内部存在渗沥液积存的问题。2020年，填埋场在原渗沥液处理系统上增加了一套应急处理系统，采用“短程强氧化预处理+两级反渗透膜深度”处理工艺。

1.1.2 渗沥液处理运行情况

改造前，原渗沥液处理系统已停止使用，填埋场渗沥液采用应急处理系统处理，设计规模合计900 m³/d，实测进水量约为600 m³/d，但因渗沥液老龄化严重，实际出水率仅为50%左右，出水量约300 m³/d，设备浓缩液采取回灌至库区的方式进行临时处理。

1.2 改造难点分析

1.2.1 原址用地受限

本项目需在原渗沥液处理站范围内进行改造，但原始用地面积仅为7 000 m²，若改造为“生化+MBR+Fenton+BAF”处理系统理论需近1万m²，用地极为紧张。

1.2.2 原水水量及进水水质波动大

该填埋场库区内积存大量渗沥液，推测存在地下水渗入现象，且多源废水水质波动较大，导致原有渗沥液处理系统运行异常，实际处理量远低于设计值，渗沥液产量大于处理量，造成大量渗沥液在库区积存。

1.2.3 原始系统处理能力下降

主要原因包括：1）渗沥液进水水质可生化性差，实测渗沥液进水水质C/N不足0.67（C/N=1.0/1.5），而在运行过程中存在碳源投入不足等问题，造成生化系统实际出水水质不达标，从而影响后端膜处理系统的运行效果；2）前端生化池池容过小（约1 900 m³），曝气效率低，复核最大处理能力约200 m³/d，不能满足300 m³/d的设计处理需求；3）膜处理设备老化，浓缩液长期回灌导致盐分累积和前端生化出水不达标，导致膜处理设备老化速度加快，NF膜和RO膜通水能力较差，膜通量衰减严重，处理能力低于设计值；4）现场运营和管理不规范、不到位，导致部分处理设施无法发挥正常的处理功能，影响渗沥液的正常运行。

1.2.4 浓液回灌与协同处置需求

由于原渗沥液处理系统和应急处理系统采取的是膜处理工艺，且均未设置浓液处理系统，产生的浓缩液采取回灌库区的处理方式，库区内部渗沥液电导率高、盐分高，采取传统的“生化+RO”处理方式已无法有效处理。

此外，该市的固体废物填埋场渗沥液、垃圾中转站渗沥液、餐厨垃圾处理厂污水均无妥善的处理设施和处置方法，亟需构建经济可行的协同处置途径。

2 工艺改造与优化策略

2.1 协同处置与水质优化

2.1.1 协同处置

改造前原有渗沥液进水水质存在可生化性差，进水水质C/N不足0.67，且浓缩液长期回灌导致盐分累积等情况。为解决进水水质可生化性差、碳源不足及含盐量高等问题，进一步提高系统运行的可持续性，改造后的渗沥液处理系统将协同处理生活垃圾填埋场、新建固体废物填埋场、生活垃圾中转站和餐厨及厨余垃圾处理厂所产生的污水，以其富含可生化有机物的污水作为内源碳源的主要补充，减少系统外加碳源。

2.1.2 进、出水水质优化

1）实测进水水质

鉴于原有各类污水处理设施在设计时已经预留一定的进水水量安全系数，本项目进水规模可依据各设施设计能力之和确定，改造系统设计总处理规模为800 m³/d。为进一步提升系统运行稳定性，在渗沥液处理系统改造方案中，于处理系统前端增设均质池一座，以削减多源废水水质波动对后续工艺的冲击，从而保障系统处理效率与出水水质的稳定达标。

为确定进水水质，对多源协调处置的废水进行实测与分析，涵盖生活垃圾填埋场渗沥液、固体废物填埋场渗沥液（设计水质）、应急填埋区渗沥液（设计水质）、典型生活垃圾中转站渗沥液以及典型餐厨及厨余垃圾处理厂污水。基于各类废水在总进水中的水量占比，采用加权平均法预测本项目的设计进水水质。

加权平均值计算公式如下：

\overline{x}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{w}_i{x}_i}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{w}_i}（1）

式中，x_i为第i个数据值，w_i为对应的权重，n为数据个数，\overline{x}为加权平均值。

表1为各类废水进水水质指标实测结果。表1中，COD_Cr为化学耗氧量，BOD₅为五日生化需氧量，TN、NH₃‒N、TDS、SS分别为总氮、氨氮、总溶解性固体、固体悬浮物浓度。

2）设计出水水质

设计出水执行《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889—2024）^[22]中表2标准，尾水通过专管输送至当地污水处理厂。

本次改造方案的设计进、出水水质具体指标见表2。进、出水pH范围分别为5～9和6～9。

2.2 工艺路线选择

在设计初期，针对老龄化渗沥液处理的技术需求，拟选工艺方案主要包括以下3种路径：1）“MBR+NF深度处理+浓缩液回灌”组合工艺；2）“电解氧化”单元工艺；3）“MBR+Fenton+BAF”集成工艺。为确保在处理效果、占地面积、运行成本及稳定性等方面达到最优平衡，本文对上述3种方案的技术特性及工程实施可行性进行系统对比分析。

各工艺的主要优缺点对比详见表3。

考虑到该项目投运至今已有近20年，渗沥液实测C/N=1.0/1.5，难以有效地生化脱氮，且项目污水性质复杂，处理难度较高，“MBR+Fenton+BAF”集成工艺在前端采用膜分离技术确保出水清洁；深度处理段采用Fenton处理技术，通过Fenton氧化工艺断链难降解的COD，提高了水质可生化性^[23‒24]，缓解了C/N失衡的问题，对老龄化渗沥液具有较好的处理效果^[25]；后端采用BAF系统进一步稳定出水质量^[26]。同时，该工艺通过高级氧化和生物处理技术去除有机污染物，不涉及物理截留，从原理上避免了浓缩液的产生。

综上，在高电导率、高盐分、占地受限等综合条件下，“MBR+Fenton+BAF”集成工艺展现出更优的综合性能，更适合本项目可生化性差的进水水质，兼具出水水质稳定性高、抗盐性强、占地集成性好、运行成本可控等优势，尤其适用于渗沥液处理站的扩容改造和用地紧张地区的工程实施。

3 MBR+Fenton耦合工艺设计与参数分析

3.1 工艺集成思路

由于本项目占地面积仅有7 000 m²，且需在原渗沥液处理系统的基础上进行改造，如按照所选工艺方案实施，理论需1万m²的占地面积，因此改造难度较大。

为满足扩容改造需求，在保留部分原有构筑物的基础上，对处理系统进行了整体优化，并新建综合处理车间、双氧水、碳源加药间、冷却塔系统、尾水外排池等构筑物。其中，将所有渗沥液处理单元集成于综合处理车间，以节约用地面积。

3.1.1 综合处理车间

综合处理车间主要为渗沥液处理系统，设计处理规模800 m³/d，平面尺寸28.8 m×70.8 m，共3层（地下1层、地上2层）。

3.1.2 双氧水、碳源加药间

双氧水、碳源加药间采用合建形式，平面尺寸为10 m×16 m。双氧水作为Fenton反应药剂，设计最大投加量为300 L/h，质量浓度为27.5%。碳源加药间中碳源主要为葡萄糖和乙酸钠，其中葡萄糖投加点位于生物池进水端，设计平均投加量5 000 mg/L，乙酸钠投加点位于Fenton生物池进水端，设计平均投加量260 mg/L。

3.1.3 冷却塔系统

冷却塔系统包括2套冷却塔及冷却循环泵等辅助系统，布置于综合处理车间旁，占地面积约289 m²。

3.1.4 尾水外排池

尾水外排池用于贮存达标的系统尾水，尾水采用提升泵提升，出水沿专用管线泵至城市污水处理厂。尾水外排池尺寸为长×宽×高=4.0 m×4.0 m×3.5 m，钢混结构。有效水深为3 m，有效容积为48 m³。采用超声波液位计，通过尾水外排池液位控制潜污泵运行。

3.2 工艺原理与工艺流程

3.2.1 工艺原理

1）Fenton工艺原理

Fenton处理工艺属于高级氧化技术（AOPs）的一种，其实质为酸性环境下H₂O₂试剂在Fe²⁺的催化作用下产生具有强氧化性的羟基自由基（·\mathrm{O}\mathrm{H}）^[25]，进而氧化分解渗沥液中的难降解有机污染物。

Fenton处理工艺因具有操作简单、反应物易得、费用廉价、无须复杂设备且对环境友好等优点，被广泛用于难降解有机物废水的处理^[27]。在高浓度生活垃圾渗沥液处理中，Fenton工艺能够有效地打断渗沥液中腐殖酸、富里酸等物质的共轭结构，降低化学需氧量及色度，提高渗沥液中难降解有机物的生化性，为后续生化处理创造有利条件^[26]。

Fenton处理工艺的主要反应机理如下：

a. 羟基自由基生成反应（核心反应）

\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}+·\mathrm{O}\mathrm{H}（2）

·\mathrm{O}\mathrm{H}的氧化电位高达2.80 V，仅次于氟气/氟离子（F₂/F{}^{-}）的氧化还原电位，是已知氧化性最强的自由基之一。且不同有机物与·\mathrm{O}\mathrm{H}的反应速率常数基本相似，为非特异性氧化，可非选择性氧化多数有机污染物。

b. 有机物（R—H）氧化反应

·\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{R}—\mathrm{H}\to \mathrm{氧化}\mathrm{中间}\mathrm{产物}\mathrm{或最}\mathrm{终产}\mathrm{物}（3）

最终产物可能是CO₂和H₂O，也可能生成易于生物降解的小分子物质。

c. Fe³⁺还原再生反应（提高反应持续性）

\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}+·\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}^{+}（4）

实现Fe²⁺的再生，增强反应的可持续性。

2）Fenton运行效果优化

在本改造系统中，采用两级Fenton单元作为渗沥液深度处理系统的核心。

Fenton单元的运行效果受多重因素协同影响，主要包括pH值、温度、H₂O₂浓度和Fe²⁺的浓度^[25‒28]等。通常，Fenton试剂在pH值为3～5时氧化性最强，pH值的变化将影响溶液中Fe的价态，进而影响催化能力^[25]。

此外，在反应过程中，Fenton试剂存在一个最佳的H₂O₂与Fe²⁺投加量比，过量的H₂O₂会与·\mathrm{O}\mathrm{H}发生反应（5），过量的Fe²⁺会与·\mathrm{O}\mathrm{H}发生反应（6），生成的Fe³⁺又可能引发反应（7）和（8）^[28]。

·\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to ·\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}（5）

\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}+·\mathrm{O}\mathrm{H}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}（6）

\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}+{\mathrm{H}}^{+}+·\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}（7）

\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}+·\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}+{\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}（8）

因此，Fenton反应系统参数取值较宽泛，需通过正交实验和响应面分析确定特定水质所对应的参数。且正交模型显示COD的去除率与3个因素之间不是简单的单调函数关系，彼此之间存在一个最佳数值而使COD去除率达到最高。吴彦瑜等^[29]通过响应面法对Fenton处理系统的运行参数做出了优化方案，其用正交实验与响应面分析得出Fenton系统在处理高浓度渗沥液时的最佳参数如下：pH为3.75、FeSO₄·7H₂O的投加量为17.91 mmol/L、H₂O₂与Fe²⁺的物质的量之比（摩尔比）为1.36。

本文借鉴吴彦瑜等^[29]的实验结果，通过实验室中试，同时结合现场实际进水水质波动范围及各单体实际运行情况验证Fenton系统各参数取值的合理性。Fenton系统中试实验参数见表4。

中试采用控制变量法，通过实验对比，每次只让一个参数超出优化区间，以观察其对结果的独立影响，从而通过优化参数区间验证吴彦瑜等^[29]的结论，最终在最佳条件下获得了72.3%的COD去除率，证实了响应面法优化参数的工程可行性。最终Fenton系统的各项参数取值区间如下：pH值为3.50～4.00，FeSO₄·7H₂O的投加量为16.0～18.0 mmol/L、H₂O₂与Fe²⁺的摩尔比为1.30～1.50。其中，FeSO₄·7H₂O及H₂O₂与Fe²⁺的摩尔比具体值需要根据现场进水水质情况而定。

3.2.2 工艺流程

“生化+MBR+Fenton+BAF”处理工艺主要工艺流程如图1所示。图1中，DN/DC‒BAF为脱氮除碳曝气生物滤池。

3.3 综合处理车间设计与物料平衡

3.3.1 设计依据

本文所采用的渗沥液处理系统设计参数与设备选型严格参照国家与行业规范，以确保工艺的科学性与可比性。渗沥液处理系统总体设计参考《给排水设计手册·第五册》^[30]进行。其中：MBR系统外置膜设备的选型依据《生活垃圾渗沥液处理技术规范》（CJJ 150—2023）^[31]；Fenton深度处理单元的设计参考《芬顿氧化法废水处理工程技术规范》（HJ 1095—2020）^[32]；回流系统设计参数参照《生活垃圾渗沥液膜生物反应处理系统技术规程》（CJJ/T 264—2017）^[33]；除臭系统则遵循《城镇污水处理厂臭气处理技术规程》（CJJ/T243—2016）^[34]。各单元工艺的主要设计参数见附录A表A1~A5。

3.3.2 综合处理车间设计

本文将所有渗沥液处理单元集成于一座综合处理车间，该车间共3层，其中地下1层、地上2层。各层分布如下：地下一层用于布置均质与调节系统、生化处理系统及辅助处理系统；地上一层用于布置加药系统、深度处理系统；地上二层用于布置MBR膜分离系统及污泥脱水及风机系统。另有顶楼用于布置除臭系统。

综合处理车间剖面图详见附录A图A1。

3.3.3 各单元设计参数

1）均质与调节系统

均质与调节系统包括1座均质池，调配调节池进水水质，设计进水规模为800 m³/d，其主要设计参数见附录A表A1。

2）生化处理系统

采用二级A/O生化处理工艺，分为2组，每组处理能力为400 m³/d，配备曝气与搅拌设施，并通过混合液回流、碳源及碱度补充以增强脱氮除碳的效果。生化处理系统的主要设计参数见附录A表A2。

3） 辅助处理系统

包括冷却系统、脱水清液池、中间水池、反冲洗废水池。其中：脱水清液池回流至一级Fenton单元；中间水池1暂存深度处理AO出水，中间水池2暂存二级Fenton出水；反冲洗废水回流至二级Fenton单元，以实现资源化利用并降低污染负荷。冷却系统参数具体见附录A表A3。

4）加药系统

包括加药间等，用于碱液、硫酸亚铁、聚丙烯酰胺（PAM）及消泡剂等药剂的储存与投加，确保反应条件可控。

5）深度处理系统

包括一级Fenton单元、A/O单元（一级Fenton后）、二级Fenton单元及曝气BAF单元。深度处理系统详细设计参数见表5。

6）膜分离系统

MBR膜分离系统包括4套外置超滤系统，每套系统处理规模为200 m³/d，总处理规模为800 m³/d。产生的超滤清液进入下游Fenton单元，浓液则回流至前端生化单元，以维持系统污泥浓度平衡。

7）污泥脱水及风机系统

污泥脱水系统包括污泥调理间、贮泥池及污泥脱水间。Fenton单元产生的化学污泥和MBR段产生的剩余污泥进入贮泥池浓缩后，输送至污泥调理间进行污泥调理（污泥调理药剂主要为生石灰和PAM），调理后的污泥通过柱塞泵提升进入污泥脱水间进行压滤，压滤水回流至厂区排水系统，压滤机将污泥压滤至含水率50.0%以下。

风机系统位于综合处理车间二楼，内设7台风机，包括3台磁悬浮风机及4台罗茨鼓风机。

8）除臭系统

除臭系统主要收集调节池、综合处理车间的均质池、贮泥池、污泥调理池、脱水机、出泥间产生的臭气并进行处理。

3.3.4 物料平衡

本系统设计处理规模为800 m³/d原水，先经均质池调配并补充碳源，后进入两级A/O生化处理单元。A/O出水与回流污泥进入外置MBR膜单元，产生的超滤出水量约为721 m³/d，生成的浓缩液及部分污泥回流至前端生化池以维持污泥浓度和系统稳定。

经过MBR膜单元的超滤清液依次进入一级Fenton氧化单元、一级A/O+二沉池、二级Fenton单元及DN/DC‒BAF深度处理系统，用以实现难降解有机物和N、P的深度去除。整套系统最终产生约8.9 t/d（含水率为50.0%）的脱水污泥，用于填埋处置。处理后的清水经专用管道被统一输送至城市污水处理厂。

图2为渗滤液处理站物料平衡图。图2中，投加物括号中的数据为投加物的质量浓度百分比。为保证本设计的处理系统运行稳定，尤其是两级A/O和两级Fenton单元的联动运行，采用了自控系统，自控系统配置有水位、流量、水质分析、过程控制等检测/控制仪表。

3.3.5 自控制系统参数

为保证各单元的稳定联动运行，本系统采用自控系统进行在线监测和反馈控制，关键参数见表6。

4 工程应用效果与能耗分析

4.1 出水水质与达标效果分析

扩容改造后的渗沥液处理站于2021年8月正式投入使用，自运行以来，渗沥液处理系统运行情况良好，出水水质稳定达标，处理能力达到设计规模，最终出水COD_Cr去除率达99.2%，出水BOD₅去除率达99.6%，出水NH₃‒N去除率达99.2%，出水TN稳定低于21 mg/L，出水TP稳定低于0.5 mg/L，出水水质满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889—2024）^[22]中表2标准。

工艺各单元处理效果见表7。

4.2 系统优势分析

本项目在处理效果上的优势主要体现在：1）相较于常规“MBR+NF/RO”工艺，本系统产水率达到95%以上，无浓缩液的产生，不存在浓缩液回灌，无高昂的后续处理成本；2）采用餐厨废水与渗沥液联合处理模式，提高了废水的可生化性；3）Fenton污泥与生化污泥联合处理，减少50%以上污泥处理调理药剂的投加；4）老龄渗沥液中TN在实际工程中较难处理，且经常发生各项出水指标不稳定的情况，难以实现本系统中良好的稳定去除率。

4.3 能耗与运行成本分析

本项目运行能耗低体现在直接能耗和间接能耗两方面，直接能耗主要为系统运行过程中所消耗的燃料动力（电）及原材料（碳源等药剂）；间接能耗主要体现在膜滤芯等耗材方面。

4.3.1 燃料动力

本项目燃料动力消耗主要为电能，主要电能消耗阶段为“生化+MBR”处理阶段，相较于其他渗沥液处理工艺（如“膜分离+浓缩液”处理），减少了纳滤、反渗透、浓缩液处理“物料膜”、蒸发设备等多种高能耗设施。

此外，项目采用了先进的风机供氧系统（3台磁悬浮风机+4台罗茨风机），电耗相较于传统罗茨风机供氧方式，可降低20%以上。若全部采用罗茨风机供氧，最少需10台功率为200 kW的罗茨风机，而本项目中的磁悬浮风机型号为YG150，单台功率为150 kW，对应日能耗为3 600 kW·h，年耗电量仅有131.4万kW·h。对比传统罗茨风机型号为GRB‒300 A，单台功率一般为200 kW，对应日能耗为4 800 kW·h，年耗电量可达175.2万kW·h。本项目通过优化供氧设备与运行参数，有效减少了电能消耗，使整体运行能耗显著低于同类常规渗沥液处理系统。

根据项目设计的生产能力，本项目年电耗能为1 036.31×10⁴ kW·h，折合标准煤1 273.62 t；年耗新水1.25×10⁴ m³，折合标准煤1.25 t；总耗能约为1 274.69 t标准煤。

4.3.2 原材料

本项目需协同处置城市垃圾填埋场、固体废物填埋场、垃圾中转站以及餐厨垃圾处理厂的污水，通过将各类进水按一定的配比混入工艺的各个阶段，有效降低外加碳源处理费用，整个处理系统原材料消耗主要为调节C/N所需的药剂。

常规渗沥液处理系统达到生化脱氮处理要求所需C/N=5/1，因此本项目生化系统以BOD₅/TN=5/1进行营养比调节。按填埋场老龄渗沥液C/N=1.0/1.5、TN浓度为2 000 mg/L计算，污水处理所需外加BOD（碳源）约6 kg/t，换算成葡萄糖约为7 kg，年投加量为2 044 kg，实际葡萄糖年消耗量约为1 200 kg，节约率为70%以上。

主要资源年消耗量情况见表8。

4.3.3 膜更换成本

本项目间接能耗主要为MBR外置膜滤芯更换，采用的MBR膜为德国BERGHOF管式超滤膜，全套共20支管式膜，单支膜成本为8.8万元，膜的更换频率为2～3年/次，折合膜更换成本为2～4元/t，末端综合运行成本为10～15元/t。而实际工程应用中，同类NF/RO处理工艺的膜通量通常为20 L/(m²·h)，本系统共需45支，每支NF/RO膜的价格约为5～10万元，更换频率为1.5～2.0年/次，折合膜更换成本为5～8元/t，末端综合运行成本约为15～25元/t，且不考虑浓缩液的处理成本。

4.3.4 运营费用核算

本系统全流程污水处理成本主要由人工费、膜综合运行费用、设备管理费用、药剂费用、水电费用构成，具体费用构成及成本占比见表9。

综上，结合项目的实际运行情况，本项目全流程污水处理成本最终为92元/t，在工程实际应用中，采用其他工艺（“MBR+NF+深度处理+浓缩液”或“电解氧化”）处理固体废物填埋场渗沥液处理成本约200元/t，餐厨垃圾处理厂污水处理成本为100～200元/t，因此，本系统的污水处理成本显著低于常规情况下的处理成本。

5 结 论

1）老龄化渗沥液处理过程中，低碳氮比(C/N)是制约TN深度去除的关键因素。两级Fenton与生物处理单元耦合可有效提升废水可生化性，为反硝化过程提供可利用碳源，从而强化系统脱氮能力。

2）多源废水协同处置能够显著改善进水碳氮结构，降低外加碳源依赖度，是老龄渗沥液低成本脱氮的有效工程措施。

3）“生化+MBR+Fenton+BAF”组合工艺可实现高盐、高氨氮老龄渗沥液的稳定处理，工程运行结果表明，该组合工艺出水水质全面优于《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2024）表2限值。

4）立体集成化布置模式有效突破了原址扩容改造中的用地限制，为存量渗沥液处理设施提标扩容提供了新的工程实施路径。

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