一體化厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液的性能研究

鄭冰玉,張樹軍,張 亮,楊岸明,彭永臻* (.北京工業(yè)大學,北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心,北京 004；.北京城市排水集團有限責任公司,北京000)

一體化厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液的性能研究

鄭冰玉1,張樹軍2,張 亮2,楊岸明2,彭永臻1*(1.北京工業(yè)大學,北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心,北京 100124；2.北京城市排水集團有限責任公司,北京100022)

以垃圾滲濾液為研究對象,研究UASB-除碳-一體化ANAMMOX工藝的除碳脫氮特性.結(jié)果表明:該工藝可實現(xiàn)高效除碳脫氮;在進水COD濃度6210～16365mg/L?TN濃度為990～2100mg/L時工藝出水COD濃度最低為655mg/L,出水TN濃度最低為39.9mg/L.進水中的可降解COD主要在UASB和除碳池中去除(分別為59%和31%),進入到一體化ANAMMOX池中的多為惰性有機物質(zhì);TN的去除在除碳池和一體化ANAMMOX池中進行,其中除碳池中TN去除量占工藝TN去除量的53%,主要通過同步硝化反硝化去除;ANAMMOX池中TN去除46%,主要通過AOB和AnAOB的協(xié)同作用實現(xiàn).當除碳池出水含可降解有機物時,對后續(xù)一體化ANAMMOX池的自養(yǎng)脫氮抑制嚴重;充分降解除碳池中的可降解有機物是影響系統(tǒng)脫氮效率的關(guān)鍵因素.

垃圾滲濾液；厭氧氨氧化；除碳；脫氮

城市垃圾的衛(wèi)生填埋產(chǎn)生的垃圾滲濾液中含有大量有機污染物?含氮物質(zhì)以及種類繁多的重金屬物質(zhì),如果處理不當,會成為周圍環(huán)境的巨大威脅.尤其是其中所含的氨氮,是滲濾液穩(wěn)定化處理的關(guān)鍵因素;并且過高的氨氮濃度會抑制微生物的正常生長和生化處理的效果[1].由于垃圾滲濾液有機物濃度很高,且大部分為易生物降解的揮發(fā)性脂肪酸,為節(jié)省運行費用,通常先采用厭氧生物法進行處理,上向流厭氧污泥床(UASB)的COD負荷高達10kg/(m3·d),反應過程中能耗較小,是其中最常用的一種處理工藝[2-3].Kennedy等[4]采用間歇和連續(xù)進水的升流式厭氧污泥床反應器在高有機負荷下連續(xù)進水反應器在有機物去除率和穩(wěn)定性方面要好于間歇進水反應器;Jeong等[5]采用UASB與好氧組合處理工藝,厭氧反應器中最大 COD去除速率為 15.2kg COD/(m3·d).盡管如此,由于 UASB 法的處理出水中有機物濃度較高,一般采用好氧生物處理系統(tǒng),以確保出水有機物濃度進一步降低.相比于傳統(tǒng)的好氧生物處理工藝,基于厭氧氨氧化技術(shù)(ANAMMOX)的一些新型工藝(如 Canon工藝?Oland工藝等),以其經(jīng)濟性?高效性等優(yōu)勢為垃圾滲濾液處理提供了新的模式[6].厭氧氨氧化菌(AnAOB)利用亞硝酸鹽作為電子受體氧化氨氮,利用無機碳作為碳源,從而實現(xiàn)自養(yǎng)生物脫氮的目的.但因 AnAOB世代周期比較長[7-8],所以,ANAMMOX工藝特別適合于高氨氮廢水處理[9-10].Sliekers等[11]用序批式反應器證明了一體化 ANAMMOX工藝的可行性,但所獲得的效率較低,離實際應用要求較遠;在氣提式反應器中,該工藝亦可穩(wěn)定運行,與相關(guān)工藝相比效能處于中間水平[12].一體化 ANAMMOX工藝仍處于實驗室探索階段.基于此,為了提高工藝的除碳脫氮效率,促進一體化ANAMMOX工藝的推廣應用,本試驗在連續(xù)流反應器中,對一體化ANAMMOX工藝處理垃圾滲濾液的性能進行了初步研究.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗所采用的試驗裝置由三部分組成:上流式厭氧污泥床反應器(UASB)?缺氧/好氧除碳反應器(除碳池)和推流式一體化ANAMMOX反應器.UASB反應器的進水為滲濾液原水,經(jīng)厭氧處理去除大部分有機物后,出水進入除碳池中進一步去除水中的 COD,除碳池的出水進入一體化ANAMMOX池中進行脫氮處理后排放(圖1).

圖1 工藝流程Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

UASB反應器總體積為15L,有效容積為8L,溫度控制在(39±1)℃,采用下端進水、上端出水的方式,在反應器頂部連接一出氣孔以回收產(chǎn)生的甲烷等氣體.UASB中設有內(nèi)循環(huán)系統(tǒng),目的是使混合液能夠充分混合并保持反應系統(tǒng)的通暢性.

除碳池的有效容積為 16L,分為四個格室,其中缺氧段為4L,好氧段為12L.缺氧段中安裝攪拌器以提高傳質(zhì)效率,好氧段內(nèi)置曝氣頭,并對裝置中的 DO進行控制.除碳池后端設一豎流沉淀池(Settler 1),污泥回流比為300%.

一體化ANAMMOX池的總有效容積為38L,共分為5個格室,外裹黑色橡膠保溫材料,避免光對 AnAOB的負面影響[13],溫度控制在(35±1)℃.每一格室中均安裝攪拌器和曝氣頭,以加強其中的傳質(zhì)效果,并有效控制合適的溶解氧濃度.一體化 ANAMMOX池后端同樣設一豎流沉淀池(Settler 2),污泥回流比為300%.

試驗啟動階段采用不同稀釋倍數(shù)的垃圾滲濾液原水作為UASB的進水運行,原水稀釋比由最開始的 1:10(滲濾液原水:蒸餾水)逐漸轉(zhuǎn)變到直接進滲濾液原水,之后試驗的運行分為 2個階段:階段 I(0～21d)提供充足的曝氣量使得一體化ANAMMOX池中實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化;階段II(22～155d)通過適當降低曝氣量在一體化ANAMMOX池中為 AnAOB提供合適的NH4+-N和NO2--N配比,從而實現(xiàn)高效的總氮去除.各反應器的運行控制參數(shù)見表 1.本文將主要對階段II中系統(tǒng)的運行情況進行分析討論.

表1 各反應器運行參數(shù)Table 1 Experimental plan and operational conditions

1.2 試驗用水

試驗所用滲濾液取自北京最大的垃圾處理廠—阿蘇衛(wèi)垃圾填埋場,取回后密閉保存于塑料桶中,平均每月?lián)Q一批滲濾液.具體水質(zhì)指標列于表2中.

表2 滲濾液水質(zhì)指標(mg/L,pH值除外)Table 2 Characteristics of landfill leachate

1.3 種泥來源

污泥培養(yǎng)采用接種培養(yǎng)法,UASB反應器內(nèi)接種污泥取自某淀粉廢水厭氧處理反應器內(nèi)顆粒污泥,污泥呈深黑色,顆粒呈規(guī)則的橢球體.除碳池污泥為北京市某污水處理廠的好氧活性污泥與少量 AnAOB絮體污泥的混合污泥.一體化ANAMMOX池中污泥取自處理高氨氮廢水中試A/O反應器的 AnAOB絮體污泥,本試驗開始前該中試反應器已連續(xù)運行,并實現(xiàn)了穩(wěn)定的自養(yǎng)脫氮.

1.4 檢測項目與方法

檢測項目及分析方法見表3.

表3 檢測項目與分析方法Table 3 Analysis items and methods

2 結(jié)果與討論

2.1 UASB-除碳-一體化 ANAMMOX 工藝對COD去除特性

UASB-除碳-一體化ANAMMOX工藝中進出水 COD 變化如圖 2所示.可以看出,系統(tǒng)的COD的去除主要由 UASB和除碳池完成,其中UASB對進水COD的去除量占系統(tǒng)總?cè)コ康?9%,而除碳池對進水COD的去除量占系統(tǒng)總?cè)コ康?1%,相比之下,一體化ANAMMOX池對COD的去除只占到了 10%左右,系統(tǒng)出水 COD最低為655mg/L.這是由于在UASB中進水為中早期滲濾液的原水,水中的 COD可生化性良好,有利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌進行充分的厭氧消化,從而將大量的復雜有機物最終轉(zhuǎn)化為甲烷;而在除碳池進水中,仍存在部分易生物降解或可生物降解的COD,首先在缺氧段作為回流污泥中的-N(-N)反硝化碳源被利用,這一部分占除碳池中 COD平均去除量的 38%,然后進入好氧區(qū)被異養(yǎng)菌分解和合成細胞物質(zhì),這一部分占除碳池中 COD平均去除量的 62%;而接下來一體化 ANAMMOX池的進水中含有的COD 基本上難于生物降解,所以去除率不高,出水 COD 保持在 655～1600mg/L 左右.同時由于COD 負荷降低,導致異養(yǎng)菌難以大量繁殖,使得氨氮得到迅速的硝化并為 ANAMMOX高效去除TN創(chuàng)造了很好條件[14].

圖2 UASB-除碳-一體化ANAMMOX工藝對COD的去除效果Fig.2 COD removal in the experimental system

2.2 UASB-除碳-一體化 ANAMMOX 工藝對TN去除特性

整個工藝流程對TN的去除情況如圖3所示.系統(tǒng)進水經(jīng)UASB中厭氧消化后TN濃度有小幅上漲,使得除碳池進水TN濃度在1050～2200mg/L,由于在除碳池中異養(yǎng)菌的好氧代謝消耗了大量溶解氧,使得在該池中氨氧化菌(AOB)不能得到足夠的溶解氧進行硝化反應,從而導致了 TN的去除率不高.除碳池的出水進入到一體化ANAMMOX池中,進水TN濃度為400～700mg/L,在階段I中,較高的溶解氧促進了AOB的代謝而抑制了 AnAOB,使得系統(tǒng)形成了穩(wěn)定的短程硝化,且系統(tǒng)中可能存在吸附作用使得總氮有一定的去除,但總氮去除率并不高(數(shù)據(jù)未給出);在階段II中,由于降低了溶解氧,使得系統(tǒng)中氨氮和亞硝態(tài)氮的配比更加有利于 AnAOB的增殖與代謝,從而TN去除率得到了大幅度的提升.在階段II,此工藝TN平均去除量為1050mg/L,去除率為80%,其中除碳池 TN平均去除量為 568mg/L,占去除總量的53%;相應地,一體化ANAMMOX池中 TN的平均去除量為 482mg/L,占總?cè)コ康?6%,最終的TN出水最低為39.9mg/L.

圖3 UASB-除碳-一體化ANAMMOX工藝對TN的去除效果Fig.3 TN removal in the experimental system

2.3 UASB-除碳-一體化 ANAMMOX 工藝對氮的轉(zhuǎn)化與去除

本工藝階段 II的一個典型的沿程取樣數(shù)據(jù)如圖 4所示.除碳池的進水與回流污泥進入缺氧段,其中,回流污泥中的N在此通過反硝化作用得到去除,在好氧3個格室發(fā)生硝化作用,將-N氧化為-N和-N,但整個除碳池沿程中未檢測到-N和-N的存在,說明在好氧格中可能存在著同步硝化反硝化(SND)以及吸附作用去除了一部分氮素,同時由于接種污泥中含有少量 ANAMMOX污泥,所以,ANAMMOX反應也可能是氮素去除的一部分來源.除碳池出水進入一體化 ANAMMOX池中發(fā)生短程硝化-厭氧氨氧化反應,從而達到自養(yǎng)脫氮的目的.由圖 4可以看出,ANAMMOX池中沿程的-N濃度不斷降低,而-N濃度持續(xù)上升,但 TN濃度由 653.4mg/L降低至90.6mg/L的,說明在該反應器中ANAMMOX反應效果良好,根據(jù)生化反應計量學計算,ANAMMOX去除的TN約占一體化反應器中TN去除的50%～60%.Molinuevo等[15]認為,有機物質(zhì)的出現(xiàn)不利于 AnAOB的富集生長,但值得注意的是,在本試驗的ANAMMOX池中沿程的COD變化幅度很小,說明進入到該池中的基本為惰性物質(zhì),這也從另一個角度反映出惰性有機物的存在對于AnAOB的生長影響不大.

圖4 反應器典型沿程的COD和氮素的濃度變化Fig.4 Variation of COD and nitrogen concentration along the experimental system

2.4 除碳池與一體化ANAMMOX池的關(guān)系

為進一步探究在除碳池與一體化 ANA MMOX池中有機物與氮素的去除途徑,明晰兩池之間微生物性狀的區(qū)別與聯(lián)系,在103d時分別取兩池中絮體污泥,對AOB與AnAOB的豐度和污泥中異養(yǎng)菌與 AOB的比耗氧速率(SOUR)進行了測定,測定結(jié)果如表4所示.

表4 除碳池與一體化ANAMMOX池中細菌豐度與污泥比耗氧速率Table 4 The abundance of AOB and AnAOB and the SOUR of AOB and heterotroph in the experimental system

由表4可見,在除碳池中AOB與AnAOB的豐度均比一體化 ANAMMOX池中的要低,而在除碳池中 TN得到了更多的去除,并且沿程檢測到的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度很低,在缺氧區(qū)反硝化對于 TN的去除貢獻較小,這說明可能是吸附?異養(yǎng)菌的同化作用以及在好氧區(qū)的同步硝化反硝化導致了沿程TN的降低,AnAOB的存在也表明在該系統(tǒng)中一部分 TN得到了自養(yǎng)去除.在一體化ANAMMOX中,較高的AOB與AnAOB豐度與相對更高的 AnAOB豐度表明厭氧氨氧化效果要更強,ANAMMOX是該系統(tǒng)中TN去除的重要途徑.在一體化反應器中,-N的去除主要由AOB與AnAOB協(xié)作完成,而有機物的去除主要由異養(yǎng)菌完成.在除碳池中,異養(yǎng)菌與AOB的比耗氧速率接近,說明在該系統(tǒng)中大量可降解有機物的存在促進了異養(yǎng)菌的生長,同時AOB將-N氧化成-N提供給異養(yǎng)反硝化菌利用而不能提供給競爭能力更弱的AnAOB,正是這些易降解有機物抑制了 AnAOB的生長繁殖,這與 Isaka等[16]的觀點一致,但與操沈彬等[17]的研究結(jié)果不同;相比之下,在一體化ANAMMOX池中,異養(yǎng)菌的比耗氧速率要遠遠低于 AOB,說明其活性受到了明顯的抑制,這是由于滲濾液原水中的易降解有機物經(jīng) UASB和除碳池后已基本消耗殆盡,一體化 ANAMMOX池中的進水中只含有惰性物質(zhì),不利于異養(yǎng)菌的生存,這使得盡管厭氧氨氧化反應的標準自由能變化ΔGΘ(-335kJ/mol)要高于反硝化反應(-427kJ/mol)[18-19],但由于反硝化菌得不到足夠的基質(zhì),對N競爭能力更弱的AnAOB卻能夠大量的增殖,這也印證了惰性物質(zhì)對AnAOB生長繁殖影響不大的觀點.因此,為除碳池提供合理的曝氣量,使易降解有機物得到充分降解是影響后續(xù)一體化ANAMMOX自養(yǎng)脫氮的關(guān)鍵因素.

3 結(jié)論

3.1 UASB-除碳-一體化 ANAMMOX 工藝處理滲濾液工藝在進水 COD 濃度 6210～16365mg/L、TN 濃度為 990～2100mg/L時,工藝出水COD質(zhì)量濃度最低為655mg/L,出水TN質(zhì)量濃度最低為39.9mg/L.

3.2 原水中的COD主要由UASB和除碳池去除,進入到一體化 ANAMMOX池中的僅有少量可降解有機物,其余均為惰性物質(zhì);氮素的去除主要在除碳池和一體化 ANAMMOX池中進行,其中除碳池中 TN主要通過硝化反硝化以及吸附作用去除,而AOB和AnAOB的協(xié)同自養(yǎng)脫氮是ANAMMOX池中TN的主要去除途徑.

3.3 當除碳池出水含有大量可降解有機物時,對后續(xù)的一體化 ANAMMOX池的自養(yǎng)脫氮有所抑制;而除碳池出水中含有的惰性有機物質(zhì)的對后續(xù)處理的影響不大.充分降解除碳池中的可降解有機物是影響系統(tǒng)脫氮效率的關(guān)鍵因素.

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致謝：本實驗的部分樣品測定工作由北京市城市排水集團責任有限公司科技研發(fā)中心協(xié)助完成,在此表示感謝

Study on the performance of integrated ANAMMOX process treating landfill leachate.

ZHENG Bing-yu1, ZHANG Shu-jun2, ZHANG Liang2, YANG An-ming2, PENG Yong-zhen1*(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology,Beijing 100124, China；2. Beijing Drainage Group Co. Ltd., Beijing 100022, China). China Environmental Science,2014,34(7)：1728～1733

Landfill leachate as the research object, the organics and nitrogen removal characteristics of UASB-decarbonize-integrated ANAMMOX process were studied. The results showed that: the process can achieve efficient carbon removal. With the influent COD concentration of 6210-16365mg/L, TN concentration of 990-2100mg/L, the effluent COD concentration was 655mg/L, the minimum effluent TN concentration was 39.9mg/L. Influent biodegradable COD were mainly removed in UASB and decarbonize tank. The removal efficiency was respectively 59% and 31%. while the left inert organic substances flowed into the integration ANAMMOX tank. TN removal took place in decarbonizes and integrated ANAMMOX tank. TN removal in decarbonize tank accounted for 53%, which was mainly through denitrification and simultaneous nitrification and denitrification removal. TN removal in ANAMMOX tank accounted for 46%, which was mainly through the synergy of AOB and AnAOB. When the effluent of decarbonize tank contained biodegradable organic matters, the autotrophic nitrogen removal process in the subsequent integration ANAMMOX tank was inhibited seriously. Full degradation of organics in decarbonize tank is the key factor for effective nitrogen removal in the whole system.

landfill leachate；anaerobic ammonia oxidation；decarbonize；nitrogen removal

X703

A

1000-6923(2014)07-1728-06

2013-10-18

國家自然科學基金(21177005);北京市教委科技創(chuàng)新平臺項目

* 責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn

鄭冰玉(1987-),男,河北遷安人,博士,主要從事污水生物處理理論與技術(shù)方面的研究.發(fā)表論文4篇.