ASBR与脉冲进水SBR组合工艺处理垃圾渗滤液

王淑莹，朱如龙，王 凯，苗 蕾

（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）

由于经济实力、技术水平等因素，决定了中国90%以上的城市垃圾采用卫生填埋法处理。随之而产生的垃圾渗滤液是一种CODcr浓度高、重金属含量高，且成分复杂和水质水量变化大的难处理高氨氮废水。因此，垃圾渗滤液的处理一直是水处理领域的一个世界性的难题［1］。

目前处理垃圾渗滤液运用较多的有生物法和物理化学法。其中物理化学方法包括反渗透、高级氧化等工艺。然而，上述2种工艺的处理成本较高，且反渗透工艺还存在膜易堵塞和浓水处理的问题。生物法作为现如今处理垃圾渗滤液较为高效和经济的方法，尤其在脱氮方面具有优势，例如厌氧氨氧化（Anammox）工艺、上流式厌氧污泥床（UASB）工艺、间歇式活性污泥法（SBR）工艺和连续流活性污泥法（A／O）工艺等［2－4］，而根据渗滤液的水质采用一套合理的处理工艺是提高处理效率的关键。

ASBR反应器具有工艺简单、无需二沉池、操作灵活、反应推动力大、污泥沉降性好，耐冲击负荷大等优点［5－6］，所以被广泛运用于高浓度有机废水的厌氧消化。当ASBR运行时，废水中复杂有机物首先在产酸菌的作用下被分解为低分子有机酸和醇类，而在随后的产甲烷阶段，产甲烷菌将产酸阶段产生的中间产物继续分解为CH4、CO2等。但厌氧消化并不能去除废水中的氨氮，氨氮的去除需要通过好氧处理。脉冲式SBR是在传统SBR基础上对其运行方式改进后的一种新型污水脱氮处理工艺，该工艺将SBR的进水方式改为在时间上多段进水的形式，使原水中的有机物被充分利用作为反硝化碳源，节省了曝气量和外碳源的投加量［7］。因此，可以将ASBR反应器和脉冲SBR反应器串联起来，形成一种序批式操作的渗滤液脱氮工艺。目前，国内外对利用SBR工艺处理垃圾渗滤液的研究有一定的报道。李晨等［8］利用 ASBR＋SBR工艺，对渗滤液COD的去除率在88%～90%，总氮去除率在55%～84%。Hèctor等［9］将中试规模的SBR进水方式改为分段进水后处理渗滤液，在氮负荷在0.48kg N·m－3·d－1情况下，总氮的平均去除效率为80%。但是ASBR联合脉冲SBR处理渗滤液的研究鲜有报道。本研究的目的是以实际垃圾渗滤液为对象，在不添加任何外碳源的情况下考察ASBR＋脉冲SBR处理渗滤液的脱氮和有机物去除效果，力求建立一种经济高效的处理渗滤液新技术。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置及水质

实验采用ASBR＋脉冲SBR组合工艺工艺流程见图1。储存在原水箱中的渗滤液进入到ASBR反应器中，ASBR的作用主要是去除渗滤液中的有机物。ASBR的出水进入中间水箱，原渗滤液和脉冲SBR出水分别通过旁通管和回流管进入中间水箱，待中间水箱中的渗滤液调整为试验所要求的浓度后进入脉冲SBR，脉冲SBR主要进行－N的硝化和－N的反硝化，去除渗滤液中的TN。原水箱、ASBR、脉冲SBR和中间水箱的材质均为有机玻璃，其中原水箱和中间水箱的有效容积为6L，ASBR与脉冲SBR的有效容积为10L。ASBR反应器中安装有pH仪、机械搅拌器；脉冲SBR反应器中安装有DO仪、pH仪、ORP仪、机械搅拌器和曝气头。ASBR和脉冲SBR的运行温度由温控箱和加热带实时控制和调整。

图1 ASBR＋脉冲SBR生化系统示意图

研究所采用的垃圾渗滤液取自北京某填埋场。该渗滤液COD浓度较高，B／C比为0.5以上，C／N为7～9，属于早期垃圾渗滤液。为了防止渗滤液中的有机物自然降解，将其存储在4℃冰箱当中。原水水质见表1，其pH值在7.7～8.2之间。

表1 垃圾渗滤液水质

1.2 试验运行模式

试验共分为系统启动和串联运行2个时期。启动时期ASBR与脉冲SBR分开运行，污泥性能稳定后将ASBR与脉冲SBR按图1所示串联起来。两个时期的ASBR运行模式相同，排水体积为5L（排水比为0.5），运行周期为1d，即HRT（水力停留时间）为2d，SRT（污泥龄）为25～30d，MLSS为15～20g·L－1，运行温度为35℃。ASBR的运行分为进水（10min）、搅拌（22.5h）、沉淀（30min）、排水（20min）、闲置（30min）。串联运行时期 ASBR 出水、原渗滤液和脉冲SBR出水进入中间水箱，按一定比例混合以后，达到试验所需要的水质，其中ASBR多余的出水用于本实验室其他研究。

在串联运行时期脉冲SBR采用3次等量运行模式，即在操作过程中分3次投加渗滤液，每次投加渗滤液量相等。反应器有效体积10L，排水比为0.3，分3次投加渗滤液，每次投加1L。脉冲SBR运行策略如图2所示，脉冲SBR的一个运行周期可分为：缺氧1（30min）→好氧1（实时控制）→缺氧2（实时控制）→好氧2（实时控制）→缺氧3（实时控制）→好氧3（实时控制）→缺氧4（实时控制）→沉淀（1h）→排水（10min）。其中3次进水都为瞬时进水，闲置时间不固定，好氧3结束后不投加外碳源，利用微生物内碳源进行反硝化（内源反硝化）。整个串联运行时期MLSS和MLVSS分别维持在4500～5500 mg·L－1和4200～4800mg·L－1，SRT为20d，温度控制在25.5～26.5℃，好氧过程曝气量为95～105L·h－1，溶解氧控制在2mg·L－1以下。

系统启动时期脉冲SBR运行方式与串联运行时期相同，但在缺氧4开始时投加外碳源（无水乙酸钠：2.5g）。脉冲SBR 2个不同运行时期的所有曝气进程都由在线DO与pH判断终点，缺氧2、缺氧3和缺氧4都由在线ORP判断终点，其中缺氧2和缺氧3在出现终点后延长20min。

图2 串联运行时期脉冲SBR运行策略

1.3 分析项目与测定方法

水质指标分析方法有：SCOD（溶解性COD，文中以COD表示，采用重铬酸钾法测定）、BOD5（OC100，WTW）、MLSS和 MLVSS（滤纸重量法）、DO值（DO340i，WTW）、pH 值（pH340i，WTW ）和ORP（ORP340i，WTW）、－N［N－（1－萘基）－乙二胺分光光度法］、NO－3－N（麝香草酚分光光度法）、－N（纳氏试剂分光光度法）、TN（TOC分析仪，德国耶拿）。

1.4 接种污泥

ASBR接种污泥取自北京六里屯卫生填埋场的厌氧消化性能良好的厌氧生物反应器，接种初始MLSS＝19780mg·L－1，MLVSS＝8775mg·L－1，VSS／SS＝44%，说明接种污泥中无机物质较多，活性偏低。

脉冲SBR的接种污泥取自本实验室处理晚期垃圾渗滤液的SBR反应器内有良好短程硝化性能的活性污泥，接种初始 MLSS＝5365mg·L－1，MLVSS＝4237mg·L－1，SV＝27%，沉降性能良好。

2 结果与讨论

2.1 启动时期ASBR生化性能

ASBR接种污泥取自卫生填埋场处理实际渗滤液的厌氧反应器。ASBR的启动分为2个阶段，第1阶段将原渗滤液与自来水按比例1∶1混合，进水COD在3500～5500mg·L－1，即COD容积负荷（OLR）为1.75～2.75kgCOD·m－3·d－1，运行10d以后出水COD稳定在600～800mg·L－1。第二阶段进水为原渗滤液，进水COD为7000～11000mg·L－1，即 OLR为3.5～5.5kgCOD·m－3·d－1，运行10d后，ASBR出水COD稳定在1000～1200mg·L－1，COD 去除率为85%～89%，ASBR生化性能趋于稳定（连续5个周期COD去除率变化在10%之内），启动结束。

2.2 启动时期脉冲SBR生化性能

脉冲SBR进水为一定比例的原渗滤液、ASBR出水和自来水的混合液，每天运行1个周期，进水－N为248.1～252.3mg·L－1；COD为893～1032 mg·L－1。20d驯化后，出水－N＜10mg·L－1；TN＜20mg·L－1；COD＜300mg·L－1。硝化和反硝化效果良好，并趋于稳定（出水各指标去除率连续5个周期变化在10%之内），出水水质良好。其中出水COD为渗滤液中有机物的不可生物降解部分。

2.3 串联运行时期ASBR生化性能

启动结束后将ASBR与脉冲SBR串联运行，整个串联运行时期经历157d，ASBR的进水为原渗滤液，如图3所示，其COD为7338～10445mg·L－1，OLR为2.669～5.223kg COD·m－3·d－1。经过厌氧消化后，ASBR出水COD为911～1355mg·L－1，COD去除率一直维持在83%以上。但是，ASBR的出水－N浓度普遍高于进水－N浓度（图中未显示），－N浓度的略有上升（增幅为0.77%～6.11%）是因为在厌氧消化过程中厌氧微生物细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的有机氮都被还原为消化液中的－N［10］。

图3 串联运行时期ASBR的COD变化规律

2.4 串联运行时期脉冲SBR生化性能

串联运行时期通过调节进入中间水箱中的原渗滤液、ASBR出水和脉冲SBR出水的混合比例来控制脉冲SBR进水－N浓度和COD／－N。脉冲SBR进水－N浓度由低到高，总体上可以分为4个阶段，但每个阶段的进水COD／－N都保持在3～5之间，脉冲SBR各阶段参数及性能如表2所示。

表2 脉冲SBR各阶段参数及性能

2.5 脉冲SBR脱氮性能特点

2.5.1 单个周期内好氧进程氮变化规律 通过数据检测发现串联运行时期脉冲SBR单个周期内的氮变化具有相同的规律性，现以阶段Ⅳ脉冲SBR运行的全周期为例，如图4所示，进水－N浓度为952.9mg·L－1，第一次进水完成后反应器内－N浓度为124.48mg·L－1，上周期未排出的渗滤液稀释了进水－N浓度。每个好氧进程结束时，－N浓度＜15mg·L－1，分析原因为：试验中的脉冲SBR使用3次等量进水模式，好氧1、好氧2和好氧3分别把第1、2和3次进水中的－N氧化为－N，－N浓度在第一次进水结束后达到最大，但是理论上只为1次进水模式最大－N浓度的5／12，降低了FA对硝化进程的抑制影响。

如图4所示，好氧1进程的反应时间明显较好氧2和好氧3长，分析原因为：第2次和第3次进水中的COD大部分作为缺氧2和缺氧3的反硝化碳源被利用，减少了有机物对硝化反应的影响。好氧2和好氧3初始阶段就开始硝化反应，而好氧1，由于自养菌和异养菌的竞争处于劣势，硝化反应在降解COD之后才能得以进行。同时由于反应器内渗滤液的稀释作用，好氧2和好氧3开始时的FA浓度低于好氧1开始时的浓度，对硝化进程的抑制影响减小。

好氧1、好氧2和好氧3进程末都出现了亚硝氮累积，累积率在90%以上，实现了短程硝化。

图4 阶段Ⅳ脉冲SBR单个周期内COD与氮的变化

2.5.2 单个周期内缺氧进程氮变化规律 如图4所示，缺氧1进程的COD浓度变化不大，这是因为上周期反应结束时－N已被彻底反硝化，缺氧1进程基本不进行反硝化。缺氧2和缺氧3的反硝化进程结束时－N＜1mg·L－1，并且缺氧2仅用了85min将系统中的－N从106.53mg·L－1降低至0.46mg·L－1，缺氧3仅用了70min将系统中的－N从95.63mg·L－1降低至1.45mg·L－1。分析原因为：脉冲SBR的进水COD／－N为3～5，第2次进水和第3次进水中的有机物为缺氧2和缺氧3进程提供了充足的反硝化碳源，利用原水中的碳源进行反硝化的速率较快。在本试验中脉冲SBR采用3次等量进水的模式，进水中至少2／3的TN是在外碳源充足的条件下通过反硝化去除的，不仅提高了反硝化速率，还充分利用了原渗滤液中的碳源。

厌氧状态下，有机氮在氨氧化菌的作用下会继续氨化［13］，缺氧2和缺氧3进程反硝化结束后，系统进入厌氧状态，使得－N浓度略有上升。缺氧4进程中－N浓度同样会上升，因为缺氧4进程在缺少外碳源的情况下部分细胞裂解来作为反硝化的碳源，同时释放出一定的－N。

如图4所示，缺氧4进程中COD并没有明显的下降过程，波动幅度较小，说明在不投加外碳源的情况下渗滤液中已没有充足的外碳源，－N（90%以上为－N）通过内源反硝化去除，缺氧4结束时－N＜1mg·L－1。通过对缺氧4进程中－N浓度的反复检测，发现在一个缺氧4进程中其反硝化速率（DNR）会由快（DNR1）变慢（DNR2）。图4中缺氧4的DNR明显分为2个阶段，其中DNR1高达2.04mgN·h－1·gMLVSS－1，DNR2＝0.80mgN·h－1·gMLVSS－1，DNR1明显大于DNR2，分析原因为：缺氧4的反硝化进程耗尽了污泥中储存的某种内碳源，导致内源反硝化所利用的内碳源种类发生变化，而碳源种类的变化会引起内源反硝化速率出现阶段性变化［14］。Lei等［15］发现当污泥的PHB低于某一个值时，微生物停止利用PHB作为反硝化的内碳源，转而将其用于维持基本生命活动。内源反硝化利用的内碳源和机理有待进一步研究。

图5表示了串联运行时期内源反硝化（缺氧4）的理论反硝化速率（TDNR）变化规律，其计算公式为：

图5 脉冲SBR串联运行时期缺氧4TDNR变化

从图5可知串联运行时期脉冲SBR的缺氧4的TDNR保持在相对稳定的水平，其平均值（TDNRm）达到了1.531mgN·h－1·gMLVSS－1，标准偏差为0.177。本试验中脉冲SBR缺氧4进程的内源反硝化速率普遍高于先前研究的一般值［16－17］，其原因为：脉冲SBR中污泥浓度较高（MLVSS＝4500mg·L－1），而高的污泥浓度有利于内源反硝化［18］；在本试验中脉冲SBR的运行方式下，缺氧1、缺氧2和缺氧3在－N被彻底反硝化以后进入厌氧状态，厌氧状态下，多余的有机物会被微生物合成为细胞内碳源［19］，提高了缺氧4的内源反硝化速率。整个串联运行时期进水－N浓度逐步提高，但是缺氧4的TDNR并没有随着降低，而是保持在一个稳定的水平。这与Bernat等［20］研究结果相符，其发现进水C／N会影响内源反硝化速率，因此在进水C／N保持相对恒定时，缺氧4内源反硝化速率变化幅度较小。

2.6 串联运行时期系统运行效果

如图6所示，整个串联运行时期（2011－04－2011－09），共运行157d。系统的进水COD为7338～10445mg·L－1，出水COD在900mg·L－1以下，COD去除率为87.77%～96.44%。进水－N浓度为837～1442mg·L－1（图中未显示），出水－N浓度在25mg·L－1以下，－N去除率为97.85%～99.77%。TN 浓度为1139～1703mg·L－1，出水TN浓度在40mg·L－1以下，TN去除率为97.32%～98.87%，在不外加碳源的情况下实现了深度脱氮的目的。

图6 串联运行时期系统运行效果

3 结论

1）采用ASBR＋脉冲SBR系统处理垃圾渗滤液，不经物化处理，不外加碳源的情况下实现了COD、－N和TN的高效去除，其中－N和TN的去除率都保持在97%以上，出水TN＜40mg·L－1，符合国家有关垃圾渗滤液排放标准中的总氮要求。

2）ASBR的主要作用是去除渗滤液中的COD；中间水箱中的渗滤液由ASBR出水、原渗滤液和脉冲SBR出水按一定比例组成，起到了给脉冲SBR进水调节C／N和进水－N浓度的作用；脉冲SBR主要去除渗滤液中的TN。

3）脉冲SBR的采用3次等量进水模式，其进水中的绝大部分有机物用于反硝化，提高反硝化效率和TN去除率，并且缩短了好氧降解有机物的反应时间，提高系统反应效率。

4）脉冲SBR的缺氧4（内源反硝化）进程中的反硝化效率分为快和慢2个阶段。

5）在不投加外碳源的情况下，脉冲SBR缺氧4进程的 TDNRm达到了 1.531mgN·h－1·g MLVSS－1，说明脉冲SBR的运行方式有利于微生物内碳源的储存和利用。

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