环境科学  2014, Vol. 35 Issue (1): 221-226   PDF    
引用本文
孙洪伟, 郭英, 彭永臻. 垃圾填埋场渗滤液短程生物脱氮的长期稳定性实验研究[J]. 环境科学, 2014, 35(1): 221-226.
SUN Hong-wei, GUO Ying, PENG Yong-zhen. Study on Long-Term Stability of Biological Nitrogen Removal via Nitrite from Real Landfill Leachate[J]. Environmental Science, 2014, 35(1): 221-226.
垃圾填埋场渗滤液短程生物脱氮的长期稳定性实验研究
孙洪伟1,2, 郭英1, 彭永臻2    
1. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 兰州 730070;
2. 北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室, 北京 100124
收稿日期: 2013-3-28; 修订日期: 2013-7-4.
基金项目： 国家自然科学基金项目（51168028）；甘肃省青年基金计划项目（1107RJYA279）；兰州交通大学大学生实验创新计划项目（201078）
作者简介：孙洪伟（1976~），男，博士，副教授，主要研究方向为污水生物处理及过程控制，E-mail：shw@emails.bjut.edu.cn
摘要：以实际高氨氮垃圾渗滤液为研究对象，考察了单级UASB-SBR生化系统除有机物和脱氮特性，重点研究了常、低温条件下，该生化系统生物脱氮的长期稳定性. 623 d的实验结果表明，基于UASB反应器内高效的反硝化和厌氧产甲烷联合去除机制，以及SBR反应器内几乎100%的硝化和反硝化，在进水COD浓度为1000~13800 mg·L-1条件下，最终出水COD浓度为150~1234 mg·L-1，在进水NH4+-N浓度为574~2360 mg·L-1条件下，最终出水NH4+-N小于10 mg·L-1，平均去除率分别在90%和98%以上，尤其是获得了99.2%的TN去除率，出水TN小于30 mg·L-1，实现垃圾渗滤液内有机物和氮的高效、深度去除. 整个实验期间，SBR反应器实现并维持了稳定的生物硝化和反硝化，成功跨越2个冬季，15℃ 以下共计171 d，最低温度为10.2℃.
关键词： 垃圾渗滤液     单级UASB-SBR     生物脱氮     低温    
Study on Long-Term Stability of Biological Nitrogen Removal via Nitrite from Real Landfill Leachate
SUN Hong-wei1,2, GUO Ying1, PENG Yong-zhen2    
1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;
2. Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
Abstract: The long-term stability of nitrogen removal from municipal landfill with high ammonia nitrogen (NH4+-N) content was investigated by using a biological system consisting of a first-stage up-flow anaerobic sludge bed (UASB) and sequencing batch reactor (SBR) under normal and low temperature conditions. The 623 days experimental results clearly showed: the efficient denitrification and methanogenesis were conducted in a same UASB reactor, and almost 100% of denitrification was obtained, when feed COD concentration ranged from 1000 mg·L-1 to 13800 mg·L-1, effluent COD concentration was between 150 mg·L-1 and 1234 mg·L-1, and when the influent ammonia nitrogen (NH4+-N) changed from 574 mg·L-1 to 2360 mg·L-1, the effluent NH4+-N was below 10 mg·L-1,the removal efficiency reached 90% and 98%, respectively. Especially, above 99.2% removal efficiency of TN was obtained, and effluent TN concentration was below 30 mg·L-1, advanced and efficient nitrogen and organic removal were achieved in the biological system. Furthermore, stable nitrification and denitrification were achieved during the entire experiment period, especially, were maintained successfully for 171days at the temperature below 15℃ and the lowest temperature of 10.2℃ during two winters.
Key words: landfill leachate     first-stage UASB-SBR     biological nitrogen removal     low temperature    

垃圾填埋场渗滤液是一种成分复杂、 污染程度很高的有机废水,其中高氨氮、 高有机物和营养元素比例失调等独特的水质特点使渗滤液难于处理[1]. 由于生物脱氮可实现真正意义的氮去除,而非“污染转嫁”,因此生物法是目前处理垃圾渗滤液应用最广泛的方法[2, 3, 4]. 研究表明,厌氧-好氧组合工艺可以同时去除渗滤液中有机物与氨氮,并且在厌氧反应器内可实现同步反硝化和产甲烷,以强化有机物和氮的去除. 因此,该工艺成为目前渗滤液生物处理的主导工艺[5, 6, 7].

由于渗滤液内的高氨氮所形成的游离氨(FA)对硝化菌活性产生产生抑制作用,使硝化作用无法进行[8, 9]. 同时,硝化反硝化作用受温度的影响较大,当温度低于15℃时,硝化、 反硝化速率明显降低,当温度10℃以下时,反硝化作用将停止[10, 11]. 鉴于上述原因,本实验针对实际垃圾填埋场渗滤液,采用单级UASB-SBR生化系统进行处理,基于623 d的连续实验,考察系统在常、 低温条件下的去有机物和除氮特性,力求实现高氨氮和有机物的同步、 深度去除， 同时考察SBR系统内氮的转化规律.

1 材料及方法
1.1 实验用水来源与水质特性

本研究所采用的垃圾渗滤液取自北京六里屯垃圾填埋场,其水质特征见表 1.

表 1 渗滤液水质特征/mg ·L-1Table 1 Characteristics of landfill leachate/mg ·L-1
1.2 接种污泥

UASB接种厌氧颗粒污泥取自哈尔滨啤酒废水处理厂， SBR接种污泥取自本实验室处理生活污水氧化沟内具有良好脱氮活性的污泥，浓度为2 500 mg ·L-1

1.3 实验装置及运行方式

采用 UASB-SBR生化系统处理垃圾填埋场渗滤液,实验装置如图 1所示.

图 1 单级UASB-SBR生化系统示意Fig. 1 Schematic diagram of the first-stage

UASB-SBR biological system

原水箱由不锈钢制成,容积为50 L,水箱中间为容积10 L的水浴加热区. UASB反应器的材质为有机玻璃,有效容积为1.5 L. SBR反应器由有机玻璃构成,有效容积为12 L,采用鼓风曝气,SBR在室温下运行. 渗滤液从原水水箱通过蠕动泵与回流的 SBR硝化出水一起进入UASB反应器,进行缺氧、 厌氧反应. 经UASB处理的渗滤液进入SBR,完成生物脱氮的硝化-反硝化反应及残余有机物的去除. SBR运行模式：静态进水→曝气反应→静沉→硝化上清液回流→缺氧搅拌(投加碳源)→静沉、排水.

1.4 水样测定方法

NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N、 COD和碱度等水质指标均采用国家规定的标准方法[12]. TN通过TN分析仪(Multi N/C3000,德国耶拿)测定. 采用WTW测定仪及相应探针监测液相内DO、 ORP、 pH值.

1.5 实验运行条件

本实验共运行623 d,分4个阶段, Ⅰ为实验启动阶段, Ⅱ~Ⅳ为稳定运行阶段. 实验运行条件如表 2所示. SBR运行参数:进水 2 min,曝气和缺氧搅拌反应时间采用DO、 ORP、 pH仪实时控制,静沉、 硝化上清液回流 30 min,静沉、 排水30 min. 溶解氧(DO)浓度为1.0～2.5 mg ·L-1, SBR反硝化阶段不进行曝气,只进行缺氧搅拌,因此DO浓度始终小于0.06 mg ·L-1. 污泥浓度(MLSS) 2 500 mg ·L-1,污泥龄(SRT)30 d, 温度10.4～32.1℃. UASB运行参数为:HRT 1 d, MLSS 20 g ·L-1, SRT 40 d.

表 2 实验运行条件Table 2 Operational condition in this experiment
2 结果与讨论
2.1 垃圾渗滤液内有机物去除的长期稳定性

图 2为单级UASB-SBR生化系统对渗滤液内有机物去除的长期稳定性. 阶段Ⅰ,采用逐步提高UASB进水有机负荷的方式运行,通过将垃圾渗滤液用自来水分别按5 ∶1(0～26 d)、 4 ∶1(27～58 d)、 3 ∶1(59～74 d)、 1.5 ∶ 1(75～96 d)和不稀释(97～115 d)来运行,相应的进水有机负荷(以COD计，下同)分别为4.45、 5.81、 8.67、 9.24和11.95 kg ·(m3 ·d)-1. 经过115 d的运行,系统对有机物的去除率在90%以上,最终出水COD小于390 mg ·L-1,系统启动成功. 此后运行过程中,由于原渗滤液的特性不同,导致进水COD出现了较大的波动. 实验期间,进水COD介于1 000～13 800 mg ·L-1之间,出水COD浓度为150.1～1 234 mg ·L-1,平均去除率在90%以上. UASB反应器的进水负荷在1.0～13.8 kg ·(m3 ·d)-1范围内波动,平均值为5.92 kg ·(m3 ·d)-1. 4个阶段的最终出水COD平均值分别为201、 315、 364和387 mg ·L-1,实现了有机物深度去除. 需要指出的是,原渗滤液中有机物的去除主要在UASB反应器内(反硝化作用和厌氧生物降解)完成的, SBR实现了UASB出水中有机物的深度去除. 由于UASB 反应器的效能和进水有机负荷关系较大,当原渗滤液有机物浓度较高时,UASB反应器的效能越高,反之当进水COD较低时,UASB反应器的效能越低.

图 2 UASB-SBR生化系统对渗滤液内有机物去除的长期稳定性Fig. 2 Long-term stability of COD removal in the UASB-SBR biological system
2.2 垃圾渗滤液内氨氮去除的长期稳定性

图 3为氨氮在单级UASB-SBR生化系统内的去除情况. 在阶段Ⅰ,系统处于启动过程,随着原水稀释比例的逐渐减小,进水NH+4-N浓度逐渐增加. 启动过程,在4种条件下,UASB的进水有机负荷(以N计)分别为0.33、 0.44、 0.63和0.91 kg ·(m3 ·d)-1. 从第97 d开始,原渗滤液直接进入反应器,运行至115 d,系统获得了稳定的氮去除效果,至此完成了实验启动. 在以后的运行过程中,阶段Ⅱ和Ⅳ阶段的原渗滤液NH+4-N浓度较高,平均值分别为1 927 mg ·L-1和1 789.5 mg ·L-1,属于较为典型的晚期垃圾渗滤液. 阶段Ⅲ,原渗滤液NH+4-N浓度较低,平均值为906 mg ·L-1,属于早期渗滤液.

图 3 单级UASB-SBR生化系统对渗滤液内氨氮去除的长期稳定性Fig. 3 Long-term stability of NH+4-N removal in the UASB-SBR biological system

从图 3(a)还可看出,相对于原渗滤液,UASB出水NH+4-N浓度有了较大程度的降低,这是由于SBR硝化液回流稀释作用,而非生物降解作用. 整个实验期间,SBR出水NH+4-N平均浓度稳定在10 mg ·L-1以下,这也是系统的最终出水,因此,单级UASB-SBR系统获得了稳定的氮去除.

图 3(b)为SBR系统内NH+4-N去除率和温度的变化关系图. 整个实验期间,由于SBR反应器在室温条件下运行,季节的更替导致了SBR内水温的不断变化. 对于硝化反应,文献报道适宜温度范围为20～30℃,一般温度低于15℃时,硝化速率明显降低,硝化反应受到明显抑制. 本实验过程中,温度波动较大,最高为32.1℃,最低为10.2℃左右,系统在较长期的低温条件下运行,其中15℃的运行天数共计为171 d,但SBR系统仍然维持了几乎为100%的NH+4-N去除率,并且硝化速率并未受到明显影响.

2.3 系统内有机物和氮的物料衡算

表 3为整个实验期间,生化系统内UASB和SBR单元内有机物和氮的物料衡算关系. 由此可知,不同的运行阶段,由于进水COD和NH+4-N浓度差异较大,因此去除机制也不尽相同. 在阶段Ⅰ和Ⅲ,进水COD浓度较高,而NH+4-N浓度较低时,渗滤液内的有机物主要通过UASB内的厌氧产甲烷作用去除, UASB内的反硝化和SBR的硝化作用去除贡献为20%左右. 在阶段Ⅱ和Ⅳ,进水COD浓度较低,而NH+4-N浓度较高时,渗滤液内的有机物主要通过UASB内的反硝化作用去除, UASB内的厌氧产甲烷作用和SBR的硝化作用去除贡献约为20%左右.

表 3 生化系统UASB和SBR单元的有机物和氮的物料衡算关系1)Table 3 Material balances of COD and nitrogen for UASB and SBR reactor in the system

此外,对于渗滤液内的NH+4-N,主要通过SBR的好氧硝化作用去除,贡献率为95%以上. UASB反应器内去除少量NH+4-N,应为微生物的同化作用利用. 对于渗滤液内的TN去除,主要在UASB和SBR反应器内完成,两者贡献大小主要取决于SBR硝化液的回流比. 当回流比较大时, UASB作为TN去除的主要角色. 当回流比较小时,TN去除主要在SBR内完成. 需要指出的是, SBR好氧过程,TN损失是由于系统内存在同步硝化-反硝化作用,而缺氧过程TN去除是因为氧化态氮被还原成氮气,从系统中逸出.

2.4 低温条件下SBR系统深度脱氮

图 4为低温条件下SBR内氮的转化规律. 在温度分别为 14.9、 11.05、 17.1和13.4℃条件下,获得了充分的全程生物脱氮[图 4(a)、 4(b)]和短程生物脱氮[图 4(c)、 4(d)]. 对于全程生物脱氮,2种温度下出水NH+4-N分别为0.12 mg ·L-1和 0.6 mg ·L-1,出水TN分别为4.13 mg ·L-1和16.5 mg ·L-1,实现了深度脱氮. 即使在11.05℃时,NH+4-N和TN的去除率仍高达99.8%和86.7%. 需要指出,反硝化过程中出现NO-2-N积累，积累浓度分别为21.5 mg ·L-1和34.9 mg ·L-1,这种现象已被观察到[13, 14],认为NO-2-N的还原速率低于NO-3-N还原速率是主要原因.

图 4 低温条件下,SBR典型周期内TN、 NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N的变化规律Fig. 4 Typical variations of nitrogen concentration in the SBR at low temperature

对于短程生物脱氮,2种温度条件下,SBR实现了充分短程硝化. 在硝化过程中NH+4-N降低,相应地NO-2-N上升. 硝化过程TN损失了约17.6%～5.2%,可认为是同步硝化反硝化作用. 硝化结束时,SBR内亚硝积累率分别为96.7%和96.8%,维持了稳定的短程硝化. 反硝化过程中,随着NO-2-N的迅速还原,TN和NO-2-N不断降低. 2种温度下,SBR出水TN分别为15.9 mg ·L-1和26.4 mg ·L-1,实现了氮的深度去除.

3 结论

(1)单级UASB-SBR系统可实现渗滤液内高浓度有机物的长期稳定去除,在进水COD为1 000～13 800 mg ·L-1条件下,出水COD为150～1 234 mg ·L-1,去除率维持在90%左右. 基于UASB内高效的反硝化和厌氧生物降解作用,去除了原水中大部分有机物,SBR实现了UASB出水中有机物的深度去除.

(2) 单级UASB-SBR生化系统实现了长期稳定的氮去除. 在进水NH+4-N浓度为574～2 360 mg ·L-1条件下,出水NH+4-N小于10 mg ·L-1,去除率维持在95%以上,实现了氨氮的深度去除. 此外,UASB 和SBR系统内充分的反硝化为SBR硝化过程提供了充足的碱度,使得硝化反应过程得以顺利进行.

(3)低温条件下,SBR系统获得稳定的生物脱氮特性,成功跨越2个冬季,15℃以下共计171 d,最低温度为10.2℃.

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