垃圾渗滤液新型生物脱氮研究现状及展望

2022-09-10

据统计, 目前我国城市垃圾正以每年9%～10%的速度增长, 目前有90%左右的城市固体废物是用填埋法处理的, 而垃圾在填埋腐化过程中将产生含有机污染物浓度较高的垃圾渗滤液, 对水体产生严重污染[1], 使水中的水生生物和农作物受到污染, 并最终通过食物链对生态环境和人体健康产生危害。垃圾渗滤液随着填埋时间的延长, 渗滤液中氨氮的浓度会越来越高, 而COD会越来越低, 导致垃圾渗滤液很难降解。如何运用较低的能耗高效的去除垃圾渗滤液中的高浓度氨氮成为垃圾渗滤液处理需要解决的关键问题之一。

1 垃圾渗滤液的特性

垃圾渗滤液是一种含有多种成分的高浓度废水, 是由城市垃圾废弃物厌氧发酵、有机物分解后产生的液体在外来水分的冲淋浸泡下产生的。垃圾渗滤液的性质受填埋物种类、填埋方法、填埋场规模、填埋周期及天气等各种因素的影响, 具有以下特点。

(1) 水质复杂, 危害性大。

(2) 有机物、金属离子及氨氮浓度高。

(3) 色度深、有恶臭, 微生物营养元素比例失调。

(4) 水质随时间和季节变化大。

2 垃圾渗滤液生物脱氮研究现状

目前生物脱氮工艺主要有传统生物脱氮、同时硝化反硝化、短程硝化反硝化等工艺。但传统生物脱氮工艺存在着流程长、降解速率低、构筑物多、投资大、运行费用高等不足之处, 随着对生物脱氮过程认识的深入, 短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、自养反硝化等新型脱氮工艺开始应用于垃圾填埋场渗滤液脱氮处理中, 为生物脱氮提供了新途径。

2.1 短程硝化反硝化处理垃圾渗滤液研究现状

2.1.1 短程硝化反硝化的基本原理

早在1975年Voet[2]就发现在生物脱氮硝化过程中亚硝酸盐的累积现象, 首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮工艺。短程硝化反硝化脱氮工艺就是将硝化过程控制在亚硝化阶段, 随后在缺氧条件下进行反硝化, 也就是不完全硝化反硝化生物脱氮, 即反硝化反应以NO2-为电子受体, 最终生成N2, 完成短程硝化反硝化脱氮过程。

2.1.2 短程硝化反硝化研究现状

杜月等[3]采用好氧移动床生物膜反应器 (MBBR) 对经过厌氧处理的垃圾渗滤液进行了短程硝化研究, 结果表明:在进水氨氮浓度为400mg/L, HRT为24h, DO为2mg/L, pH值为8.0左右, 温度为25℃时, 氨氮去除率能达到70%以上, 亚硝酸盐氮的积累率达90%以上。证明了该生物膜反应器中亚硝化菌的数量和活性要远高于硝化菌, 实现了较高的氨氮去除率和稳定的亚硝酸盐氮积累率。

吕斌[4]等利用SBR反应器研究了老龄垃圾渗滤液实现短程硝化的影响因素。研究表明:亚硝化菌可以适应较低温度或pH值的环境, DO是实现晚期渗滤液短程硝化的关键控制因素。当DO为0.75mg/L, pH为6.5～8.0, 温度为25℃～27℃时, 可以达到90%以上的氨氮去除率及98%以上的亚硝酸盐氮积累率。

短程硝化反硝化脱氮工艺具有以下特点[5]: (1) 短程硝化与反硝化两个阶段在同一反应器中完成, 简化工艺流程; (2) 系统直接以NO2-为电子受体, 加快了脱氮效率; (3) 可以缩短水力停留时间, 减小反应器体积和占地面积; (4) 可节省反硝化过程所需外加碳源的40%, 在C/N一定的情况下提高TN的去除率; (5) 减少污泥生成量可达50%。

2.2 自养脱氮处理垃圾渗滤液研究现状

2.2.1 自养脱氮基本原理

自养脱氮是指氨氮去除过程全部由自养菌完成, 整个过程不需添加任何可生物降解的有机碳源。对于反硝化菌, 无论是NO3-还是NO2-均可以作为最终受氢体, 可以经NO2-→N2或NO3-→N2途径完成自养脱氮。厌氧氨氧化 (ANAMMOX) 、SHARON—ANAMMOX组合工艺、全程自养脱氮现象是自养脱氮的主要表现。

2.2.2 自养脱氮研究现状

(1) 厌氧氨氧化工艺。

厌氧氨氧化是在厌氧条件下, 以NH4+为电子供体, 以NO3-或NO2-为电子受体, 将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程。随着研究的深入, 人们发现自然界中的许多缺氧环境中, 尤其是缺氧/有氧的界面上, 如土壤、湖底沉积物等都有厌氧氨氧化过程的发生[6]。

周少奇[7]从生化反应电子流守衡原理出发, 推导了厌氧氨氧化反应的生化反应计量程式, 从理论上指出:厌氧氨氧化反应过程会出现pH降低的现象, 而且微生物存在以氨氮或硝态氮作为细胞合成氮源的两种可能。

赵宗升[8]利用“厌氧-缺氧-好氧-沉淀池”工艺处理垃圾渗滤液时, 把沉淀池出水进行厌氧池回流和不进行回流的对比试验, 结果表明:回流工艺在厌氧反应器中实现了厌氧氨氧化, 总氮去除率可以提高15%。

与短程硝化反硝化相比, 厌氧氨氧化过程不需要任何外源有机质, 即不受C/N比的限制。整个反应过程在厌氧状态下发生, 大大节省能耗和运行费用, 而且Anammox过程中氨氧化一步完成, 产酸量大为下降, 产碱量则降至零, 节省了可观的额外投加酸碱中和试剂的费用。

(2) SHARON—ANAMMOX工艺。

SHARON—ANAMMOX工艺是短程硝化与厌氧氨氧化联合工艺, 通过SHARON工艺与ANAMMOX工艺结合实现全程自养脱氮。SHARON工艺可以通过控制温度、HRT及pH等条件, 在亚硝化菌作用下, 氨氮部分转化为NO2-, 使得出水NH4+与NO2-比例为1∶1, ANAMMOX工艺则是在厌氧氨氧化菌的作用下, 以NO2-作为电子受体, 将NH4+氧化为氮气。因此, 以SHARON工艺作为短程硝化反应器, 而ANAMMOX工艺作为反硝化反应器实现自养生物脱氮工艺。

冯国光[9]研究了SHARON-ANAMMOX工艺处理上海老巷填埋场的老龄垃圾渗滤液的可行性。其中SBR作为实现短程硝化反应器, UASB作为后续厌氧氨氧化反应器。在温度为30℃, DO为0.8mg/L～1.1mg/L条件下, SBR反应器在40天内实现了短程硝化;在温度为35℃, HRT为2d的条件下, 经过60多天的运行, UASB反应器实现了厌氧氨氧化。当两工艺串联后, 出水NH4+-N的平均去除率为7 5%, N O2--N的平均去除率为81%。

与传统硝化反硝化相比较, SHARON—ANAMMOX工艺具有以下优点: (1) 硝化控制在亚硝化阶段, 可节省供气量25%左右, 节省动力消耗; (2) 可以缩短水力停留时间, 减少占地面积; (3) 传统脱氮工艺的反硝化过程需要外加碳源, 联合工艺几乎不需要外加碳源; (4) 具有良好的沉降性能和较高的生物相浓度。

但是显然, 与厌氧氨氧化工艺相比, SHARON-ANAMMOX工艺较厌氧氨氧化工艺流程长, 耗氧量大, 而且整个系统要求SHARON反应器出水的NH4+与NO2-成比例, 使SHARON-ANAMMOX工艺较厌氧氨氧化工艺更难控制。

(3) CANON工艺。

CANON工艺 (completely autotrophic nitrogen removal over nitrite) 称为全程自养脱氮工艺, CANON工艺是现今自养脱氮较为典型的工艺。

CANON工艺主要是在同一个反应器中, 通过限制DO浓度, 实现整个自养脱氮过程。廖德祥等[10]研究了具有全程自养脱氮作用的生物膜中NaHCO3浓度、pH值、DO对全程自养脱氮的影响。结果表明:当NaHCO3浓度从1.75g/L上升到2.50g/L时, 反应体系中的pH值从7.6～8.0上升到8.8左右, 氨氮转化率和总无机氮去除率分别急剧下降到53%和48.8%。在进水氨氮负荷为60g/ (m3·d) , DO控制在0.5mg/L～0.7mg/L时, 氨氮转化率达到90%以上。

CANON工艺可以简化工艺流程, 硝化控制在亚硝化阶段, 可节省动力消耗;CANON工艺借鉴了厌氧氨氧化工艺但对亚硝酸氮的供应没有要求, 含有高氨氮的废水可直接进入反应器, 虽然该工艺要求限氧但不严格要求厌氧, 因此在实际操作中氧气的控制比较容易;而且在全程自养脱氮过程中几乎不需要外加碳源, 可节约大量运行和基建费用, 并对低C/N、高浓度含氮废水 (如垃圾渗滤液、消化污泥脱水液等) 有较好的脱氮效果。

3 结语

垃圾渗滤液中高浓度的氨氮不仅会引起水体的富营养化, 而且也给整个渗滤液处理工艺的选择带来很到的困难。而CANON工艺是比其他生物脱氮工艺有着极大地优越性, 运行成本低, 处理效果好不需要外加碳源, 动力消耗少, 基建费用低, 容易控制等优点。因此, 低能耗高效率的CANON工艺有着良好的应用前景, 应该得到研究者的重视。

摘要：垃圾渗滤液中的氨氮随着填埋场填埋时间的延长, 浓度不断升高, 处理难度不断加大, 目前已成为垃圾渗滤液处理的难点。本文介绍了垃圾渗滤液最新的生物脱氮工艺, 包括短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、SHARON—ANAMMOX工艺和CANON工艺, 并进行了前景展望。

关键词：垃圾渗滤液,生物脱氮,短程硝化反硝化,厌氧氨氧化,CANON