填埋场生物反应器(landfill bioreactor)是一种新型的原位垃圾渗滤液处理技术，这种技术将垃圾填埋场比拟成一座巨大的生物反应器，通过技术手段调控填埋场内生物降解作用，对渗滤液中的污染物，包括氮污染物都具有理想的去除效果^[1]. 垃圾渗滤液是固体垃圾在填埋过程中产生的一种成分复杂的废水，其中含有大量的有机化合物、 营养物质、 矿物质和重金属^[2]. 而晚期成熟垃圾渗滤液(mature landfill leachate)中的大部分有机物被降解，剩余的为难降解有机物及无机还原物质，较难处理^[3]，且由于填埋场产生的渗滤液水质水量变化较大^[4]，因此要求处理垃圾渗滤液的原位生物反应器具有一定的耐冲击负荷能力. 近年来，随着以厌氧氨氧化反应为代表的新型脱氮途径的发现，解决了传统硝化反硝化碳源不足的束缚，提高了脱氮效率的同时降低了处理成本，在以高氨氮、 低碳氮比为特征的成熟垃圾渗滤液处理中越来越受到重视^[5]. 本课题组已有的研究表明，在填埋场生物反应器处理垃圾渗滤液的过程中，存在厌氧氨氧化脱氮途径^{[6, 7]}； 但是对于运行条件和水质变化对成熟渗滤液脱氮及其机制的研究鲜有报道.

本研究在实验室条件下构建模拟填埋场生物反应器，通过分析不同总氮负荷和水质条件下总氮去除率的变化，探讨填埋场生物反应器耐负荷冲击能力，研究不同BOD₅/TN对填埋场生物反应器脱氮处理的影响并进行脱氮途径分析，以期为填埋场生物反应器的优化运行提供依据.

1 材料与方法 1.1 试验装置与方法

本试验构建的填埋场生物反应器装置(图 1)为有机玻璃圆柱形反应器，内径16 cm，高100 cm，有效容积20 L. 反应器底部设有出水阀，采用带有定时功能的蠕动泵进水. 为研究总氮负荷对填埋场生物反应器脱氮影响，在实验室条件下模拟厌氧氨氧化条件稳定运行2 a以上的反应器顶部设置液封厌氧，一个反应器按梯度运行3个不同的总氮工况. 为研究不同BOD₅/TN的影响，设置了A、 B、 C这3个平行运行的反应器，A、 B反应器设置液封厌氧运行，C反应器上端敞开兼氧运行，A、 B、 C反应器经数月的驯化，出水水质稳定后提取数据.

图 1

Fig. 1

图 1 试验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of experimental set-up

填埋场生物反应器底部填有5 cm左右的碎石子防治出水口堵塞，其余部分均填装老港垃圾填埋场填埋龄10 a以上的陈垃圾，陈垃圾性状见文献^[8]，反应器放置25℃ 环境下遮光运行. 1.2 渗滤液原水水质

第一部分试验(试验一)研究不同总氮负荷对氮污染物去除效果的影响. 所用进水由上海老港生活垃圾填埋场调节池出水调节而成. 第二部分试验(试验二)研究不同BOD₅/TN下反应器的脱氮效果. BOD₅/TN是通过加入上海市某垃圾中转站新鲜渗滤液实现调节. 两部分试验采用的渗滤液原水水质见表 1. 为研究反应器中厌氧氨氧化作用，在反应器进水中投加亚硝酸盐，使得进水亚硝氮与氨氮浓度比例保持在1 ∶1~1 ∶1.32之间.

表 1(Table 1)

表 1 渗滤液原水水质 Table 1 Water quality of the leachate in this study 试验 COD/mg·L-1 BOD/mg·L-1 TN/mg·L-1 NH4+-N/mg·L-1 一 2000～2600 340～520 1100～1350 850～1100 二 856~896 140～180 580~620 289~297

表 1 渗滤液原水水质 Table 1 Water quality of the leachate in this study

1.3 试验方法 1.3.1 试验运行方式

试验一研究不同总氮负荷对反应器处理效果的影响. 设计工况如下. 工况1： 进水总氮浓度600 mg ·L^-1左右，水力负荷25L ·(m³ ·d)^-1，总氮负荷15.4 g ·(m³ ·d)^-1. 工况2： 进水总氮浓度800 mg ·L^-1左右，水力负荷25 L ·(m³ ·d)^-1，总氮负荷20.1 g ·(m³ ·d)^-1. 工况3： 进水总氮浓度600 mg ·L^-1左右，水力负荷35 mg ·L^-1，总氮负荷22.0 g ·(m³ ·d)^-1.

试验二研究不同BOD₅/TN对反应器处理效果的影响. 设计工况如下： 反应器A、 B顶部液封，为厌氧状态运行； 反应器C上端敞开，为准好氧运行. 其中，A反应器的BOD₅/TN为0.3，B和C进水BOD₅/TN提高至0.4. A、 B、 C反应器进水水力负荷相同，均为15 L ·(m³ ·d)^-1，总氮负荷9 g ·(m³ ·d)^-1. 试验一、 二进水时间均为0.5 h. 1.3.2 分析方法

两部分试验运行期间，进出水水质指标一周检测两次. 具体指标有总氮(过硫酸钾氧化-紫外分光光度法)、 氨氮(纳氏试剂比色法)、 硝氮(酚二磺酸分光光度法)、 亚硝氮[N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法]、 COD(重铬酸钾法)、 BOD₅(稀释与接种法)等，具体分析方法参照文献^[9].

2 结果与分析 2.1 总氮负荷对氮污染物去除的影响

如图 2所示，工况1总氮负荷为15.4 g ·(m³ ·d)^-1，其运行期间出水总氮浓度平均为206.9 mg ·L^-1，去除率为67.7%； 工况2总氮负荷提升至20.1 g ·(m³ ·d)^-1，出水总氮浓度前期与工况1相差不大，12 d后升高至350.6 mg ·L^-1，去除率下降至60.2%； 工况3总氮负荷上升至22 g ·(m³ ·d)^-1，其出水总氮平均浓度为349.7 mg ·L^-1，总氮去除率为45.3%. 3个工况中工况1去除率最高，其次为工况2、 工况3，说明提高进水总氮负荷会降低其去除率.

图 2

Fig. 2

图 2 不同进水总氮负荷下出水总氮变化情况 Fig. 2 Variation of effluent TN under various total nitrogen loading

另外，工况1、 2、 3的总氮去除负荷分别为10.8、 12.2、 10.1 g ·(m³ ·d)^-1，可以得出，总氮负荷提高的工况2、 3去除总氮的负荷(绝对量)平均值并没有下降，甚至工况2还有所上升.

工况1进水亚硝氮平均浓度282 mg ·L^-1，出水亚硝氮平均浓度71 mg ·L^-1，出水氨氮平均浓度为110 mg ·L^-1； 工况2进水亚硝氮平均浓度401 mg ·L^-1，出水亚硝氮平均浓度66 mg ·L^-1，出水氨氮平均浓度为220 mg ·L^-1； 工况3进水亚硝氮平均浓度307 mg ·L^-1，出水亚硝氮平均浓度150 mg ·L^-1，出水氨氮浓度为175 mg ·L^-1. 图 3为不同总氮负荷下亚硝氮氨氮去除比，工况1中亚硝氮氨氮去除比为1左右； 工况2中去除比波动较大且比值大多高于2.5，最高可到3.8； 工况3去除比比值在1.3左右，低于工况2却高于工况1.

图 3

Fig. 3

图 3 不同总氮负荷下亚硝氮氨氮去除比 Fig. 3 Removal ratio of nitrite nitrogen and ammonia under various total nitrogen loading

图 4为不同进水BOD₅/TN时3个反应器总氮去除情况. 其中A、 B反应器厌氧运行，B提高了进水BOD₅/TN，C反应器与B的进水相同，但是准好氧运行. 3个反应器的进水总氮浓度范围为612～620 mg ·L^-1，反应器A的出水总氮浓度范围为108～131 mg ·L^-1，去除率为79.9%； B、 C分别为42～90 mg ·L^-1和64～109 mg ·L^-1，平均去除率为89.9%、 86.1%. 3个反应器中，B的去除率最高，其次为反应器C，反应器A最低，A、 B、 C的去除量在 P<0.05的水平上有显著差异.

图 4

Fig. 4

图 4 不同BOD5/TN和运行条件下出水总氮变化情况 Fig. 4 Variation of effluent TN under various BOD5/TN and operating conditions

A、 B、 C反应器进水亚硝氮均为300 mg ·L^-1. A反应器的出水亚硝氮范围为14~25 mg ·L^-1，出水氨氮为80~100 mg ·L^-1； B、 C反应器出水亚硝氮范围均为2~6 mg ·L^-1，B反应器出水氨氮为20~40 mg ·L^-1，C反应器出水氨氮为40~60 mg ·L^-1. 图 5为上述反应器A、 B、 C的亚硝氮氨氮去除比，从中可以看出，A反应器的去除比为1.38~1.65，平均值比厌氧氨氧化理论值的1.32略高； B反应器的去除比为1.12~1.4，平均值比1.32略低； 而C反应器的去除比为1.18~1.45，平均值与1.32最接近. 3个反应器中，B的亚硝氮氨氮去除比低于反应器C，B、 C的去除比在 P<0.05的水平上存在显著差异； 同时，B的亚硝氮氨氮去除比也低于反应器A，B、 A的去除比在 P<0.05的水平上存在显著差异.

图 5

Fig. 5

图 5 不同BOD5/TN和运行条件下亚硝氮与氨氮去除比值 Fig. 5 Removal ratio of nitrite nitrogen and ammonia under various BOD5/TN and operating conditions

从图 2可以看出，反应器的总氮负荷增加后，出水总氮浓度明显上升，出水水质恶化，去除率下降. 与工况1对比，工况2平均去除率下降7.5%，工况3平均去除率下降22.5%，其中工况2去除率下降较少，是因为工况2是通过增加进水总氮浓度的方式改变总氮负荷，没有增加进水负荷对反应器内微生物数量造成冲击^[10]. 因此，从出水总氮浓度和去除率方面看，无论增加进水浓度还是提高进水量增加总氮负荷，都会导致填埋场生物反应器出水水质的恶化^[11].

但是，总氮负荷提高后，工况2、 3总氮去除的绝对量并没有下降，甚至工况2还有所上升. 即，总氮负荷为15.4～22.0g ·(m³ ·d)^-1范围内，增加进水总氮负荷，尽管去除率会下降，总氮去除负荷量却可以保持稳定，表明反应器系统具有一定的抵御总氮负荷冲击的能力，原因可能是填埋场生物反应器内存在多种脱氮途径，微生物群落结构丰富，能够抵御一定的环境冲击^[12].

由图 3可以看出，增加BOD₅/TN，总氮的去除率有一定的提高； 同样BOD₅/TN条件下，厌氧反应器的脱氮效果比准好氧要高，说明BOD₅/TN的提高能够促进填埋场生物反应器对总氮污染物的去除，并且厌氧条件下效果更好，这符合废水生物处理反硝化反应的特性^[13]. 虽然有厌氧氨氧化等其他的脱氮途径，但是在有机物充足的情况下，反硝化过程是优先的^{[14, 15]}. 因此，在一定的范围内，提高渗滤液进水的BOD₅/TN可以增强反硝化反应，提高填埋场反应器的总氮去除率^[16]. 3.2 氮污染物去除途径分析

废水中氨氮的去除途径有氨挥发、 硝化反应和厌氧氨氧化反应等. 晚期垃圾渗滤液的pH值为7.8，通过挥发损失的氨氮可以忽略不计^{[17, 18]}； 鉴于反硝化过程和厌氧氨氧化过程不同的底物代谢情况，通过分析反应器中亚硝氮和氨氮去除比来推测反应器的脱氮途径^[19]. 在本试验中，由于进水总氮是由氨氮和亚硝氮构成，在第二部分中，亚硝氮的去除量大于350 mg ·L^-1. 根据1 g亚硝氮进行反硝化需要消耗1.72 g BOD₅计算^[20]，考虑到进水BOD₅只有250 mg ·L^-1，即使全部的BOD₅用来进行反硝化过程，最多也只能去除50%亚硝氮，何况反应器内微生物的合成代谢也需要消耗部分BOD₅. 所以，反应器对渗滤液中氮的去除不可能只有反硝化这一条途径. 以往的研究表明，填埋场反应器中存在着厌氧氨氧化过程，并且对总氮的去除有一定的贡献^[21].

研究认为，厌氧氨氧化过程亚硝氮氨氮的理论去除比值为1.32，反应器在工况1下的亚硝氮氨氮污染物去除比值在1 ∶10~1.52，接近厌氧氨氧化理论值，可以认为在这两个工况中存在厌氧氨氧脱氮途径，在本课题组以往的研究中均有证明^[23]. 工况2中，亚硝氮氨氮的去除比值较大，最高时达到3.8，最低时为1.86，比文献报道的1.32大为增加. 说明反应器中亚硝氮的转化较氨氮的转化量大. 可能是因为提高进水的总氮负荷，进水中较高的亚硝氮抑制了亚硝化作用，使得氨氮的转化率降低(进水中含有溶解氧)，同时，过高浓度的亚硝氮浓度也会抑制厌氧氨氧化菌^{[24, 25]}，导致亚硝氮氨氮去除比提高. 进入工况3，其负荷和工况2 接近，但是进水水力负荷增加，水力冲刷作用使得总氮的去除率下降，尽管其亚硝氮比氨氮数值与理论值更接近.

试验二中3个反应器中的亚硝氮与氨氮的比值均在1.2~1.5之间波动，反应器B相比A的亚硝氮与氨氮去除比较低，说明在亚硝氮去除的同时，氨氮也有较大的消减. 其可能的原因是随着有机物浓度的升高，反硝化作用增强，同时也增加了其它氨氮利用菌的如自养硝化和厌氧氨氧化菌的作用，尽管亚硝酸盐消耗殆尽，氨氮也可以通过其他代谢途径降解，所以B反应器的氨氮的去除绝对量也能增加，从而使得反应器B比A的亚硝氮与氨氮比值更低. 另外，准好氧反应器C的去除比大于厌氧反应器B的原因可能是，反应器C为准好氧运行状态，反应器顶部开放，反应器表层的氨氧化细菌会利用空气中的氧硝化部分氨氮成为亚硝氮，而整个试验阶段出水硝氮含量均低于5 mg ·L^-1，故亚硝氮与氨氮比值比B要高，表明准好氧没有厌氧条件有利于反应器的反硝化和对总氮的去除. 以上亚硝氮与氨氮分析说明了，反应器在反硝化脱氮过程中存在厌氧氨氧化的脱氮途径.

综上所述，在填埋场生物反应器处理晚期渗滤液的过程中，进水中如果存在一定浓度的亚硝酸盐，反应器中的脱氮作用主要是反硝化，厌氧氨氧化作用可以协同脱氮. 4 结论

(1)稳定运行的填埋场厌氧生物反应器，进水总氮负荷从15.4 g ·(m³ ·d)^-1调整到22.0 g ·(m³ ·d)^-1后，总氮去除率随着负荷的增加略有降低，但是未影响反应器的总氮去除负荷.

(2)当进水BOD₅/TN从0.3提高到0.4后，厌氧反应器总氮去除率从79.9%提高至89.9%，同样进水负荷，准好氧反应器的总氮去除率提高至86.2%. 说明有机负荷的提高能够促进填埋场生物反应器反硝化脱氮.

(3)反应器亚硝氮氨氮去除比在1.12~1.6之间，推测主要脱氮途径为反硝化，厌氧氨氧化可与其共存脱氮.