一体化厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液的性能研究

郑冰玉,张树军,张 亮,杨岸明,彭永臻* (.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,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京 004；.北京城市排水集团有限责任公司,北京000)

一体化厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液的性能研究

郑冰玉1,张树军2,张 亮2,杨岸明2,彭永臻1*(1.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,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京 100124；2.北京城市排水集团有限责任公司,北京100022)

以垃圾渗滤液为研究对象,研究UASB-除碳-一体化ANAMMOX工艺的除碳脱氮特性.结果表明:该工艺可实现高效除碳脱氮;在进水COD浓度6210～16365mg/L､TN浓度为990～2100mg/L时工艺出水COD浓度最低为655mg/L,出水TN浓度最低为39.9mg/L.进水中的可降解COD主要在UASB和除碳池中去除(分别为59%和31%),进入到一体化ANAMMOX池中的多为惰性有机物质;TN的去除在除碳池和一体化ANAMMOX池中进行,其中除碳池中TN去除量占工艺TN去除量的53%,主要通过同步硝化反硝化去除;ANAMMOX池中TN去除46%,主要通过AOB和AnAOB的协同作用实现.当除碳池出水含可降解有机物时,对后续一体化ANAMMOX池的自养脱氮抑制严重;充分降解除碳池中的可降解有机物是影响系统脱氮效率的关键因素.

垃圾渗滤液；厌氧氨氧化；除碳；脱氮

城市垃圾的卫生填埋产生的垃圾渗滤液中含有大量有机污染物､含氮物质以及种类繁多的重金属物质,如果处理不当,会成为周围环境的巨大威胁.尤其是其中所含的氨氮,是渗滤液稳定化处理的关键因素;并且过高的氨氮浓度会抑制微生物的正常生长和生化处理的效果[1].由于垃圾渗滤液有机物浓度很高,且大部分为易生物降解的挥发性脂肪酸,为节省运行费用,通常先采用厌氧生物法进行处理,上向流厌氧污泥床(UASB)的COD负荷高达10kg/(m3·d),反应过程中能耗较小,是其中最常用的一种处理工艺[2-3].Kennedy等[4]采用间歇和连续进水的升流式厌氧污泥床反应器在高有机负荷下连续进水反应器在有机物去除率和稳定性方面要好于间歇进水反应器;Jeong等[5]采用UASB与好氧组合处理工艺,厌氧反应器中最大 COD去除速率为 15.2kg COD/(m3·d).尽管如此,由于 UASB 法的处理出水中有机物浓度较高,一般采用好氧生物处理系统,以确保出水有机物浓度进一步降低.相比于传统的好氧生物处理工艺,基于厌氧氨氧化技术(ANAMMOX)的一些新型工艺(如 Canon工艺､Oland工艺等),以其经济性､高效性等优势为垃圾渗滤液处理提供了新的模式[6].厌氧氨氧化菌(AnAOB)利用亚硝酸盐作为电子受体氧化氨氮,利用无机碳作为碳源,从而实现自养生物脱氮的目的.但因 AnAOB世代周期比较长[7-8],所以,ANAMMOX工艺特别适合于高氨氮废水处理[9-10].Sliekers等[11]用序批式反应器证明了一体化 ANAMMOX工艺的可行性,但所获得的效率较低,离实际应用要求较远;在气提式反应器中,该工艺亦可稳定运行,与相关工艺相比效能处于中间水平[12].一体化 ANAMMOX工艺仍处于实验室探索阶段.基于此,为了提高工艺的除碳脱氮效率,促进一体化ANAMMOX工艺的推广应用,本试验在连续流反应器中,对一体化ANAMMOX工艺处理垃圾渗滤液的性能进行了初步研究.

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验所采用的试验装置由三部分组成:上流式厌氧污泥床反应器(UASB)､缺氧/好氧除碳反应器(除碳池)和推流式一体化ANAMMOX反应器.UASB反应器的进水为渗滤液原水,经厌氧处理去除大部分有机物后,出水进入除碳池中进一步去除水中的 COD,除碳池的出水进入一体化ANAMMOX池中进行脱氮处理后排放(图1).

图1 工艺流程Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

UASB反应器总体积为15L,有效容积为8L,温度控制在(39±1)℃,采用下端进水、上端出水的方式,在反应器顶部连接一出气孔以回收产生的甲烷等气体.UASB中设有内循环系统,目的是使混合液能够充分混合并保持反应系统的通畅性.

除碳池的有效容积为 16L,分为四个格室,其中缺氧段为4L,好氧段为12L.缺氧段中安装搅拌器以提高传质效率,好氧段内置曝气头,并对装置中的 DO进行控制.除碳池后端设一竖流沉淀池(Settler 1),污泥回流比为300%.

一体化ANAMMOX池的总有效容积为38L,共分为5个格室,外裹黑色橡胶保温材料,避免光对 AnAOB的负面影响[13],温度控制在(35±1)℃.每一格室中均安装搅拌器和曝气头,以加强其中的传质效果,并有效控制合适的溶解氧浓度.一体化 ANAMMOX池后端同样设一竖流沉淀池(Settler 2),污泥回流比为300%.

试验启动阶段采用不同稀释倍数的垃圾渗滤液原水作为UASB的进水运行,原水稀释比由最开始的 1:10(渗滤液原水:蒸馏水)逐渐转变到直接进渗滤液原水,之后试验的运行分为 2个阶段:阶段 I(0～21d)提供充足的曝气量使得一体化ANAMMOX池中实现稳定的短程硝化;阶段II(22～155d)通过适当降低曝气量在一体化ANAMMOX池中为 AnAOB提供合适的NH4+-N和NO2--N配比,从而实现高效的总氮去除.各反应器的运行控制参数见表 1.本文将主要对阶段II中系统的运行情况进行分析讨论.

表1 各反应器运行参数Table 1 Experimental plan and operational conditions

1.2 试验用水

试验所用渗滤液取自北京最大的垃圾处理厂—阿苏卫垃圾填埋场,取回后密闭保存于塑料桶中,平均每月换一批渗滤液.具体水质指标列于表2中.

表2 渗滤液水质指标(mg/L,pH值除外)Table 2 Characteristics of landfill leachate

1.3 种泥来源

污泥培养采用接种培养法,UASB反应器内接种污泥取自某淀粉废水厌氧处理反应器内颗粒污泥,污泥呈深黑色,颗粒呈规则的椭球体.除碳池污泥为北京市某污水处理厂的好氧活性污泥与少量 AnAOB絮体污泥的混合污泥.一体化ANAMMOX池中污泥取自处理高氨氮废水中试A/O反应器的 AnAOB絮体污泥,本试验开始前该中试反应器已连续运行,并实现了稳定的自养脱氮.

1.4 检测项目与方法

检测项目及分析方法见表3.

表3 检测项目与分析方法Table 3 Analysis items and methods

2 结果与讨论

2.1 UASB-除碳-一体化 ANAMMOX 工艺对COD去除特性

UASB-除碳-一体化ANAMMOX工艺中进出水 COD 变化如图 2所示.可以看出,系统的COD的去除主要由 UASB和除碳池完成,其中UASB对进水COD的去除量占系统总去除量的59%,而除碳池对进水COD的去除量占系统总去除量的31%,相比之下,一体化ANAMMOX池对COD的去除只占到了 10%左右,系统出水 COD最低为655mg/L.这是由于在UASB中进水为中早期渗滤液的原水,水中的 COD可生化性良好,有利于产氢产乙酸菌和产甲烷菌进行充分的厌氧消化,从而将大量的复杂有机物最终转化为甲烷;而在除碳池进水中,仍存在部分易生物降解或可生物降解的COD,首先在缺氧段作为回流污泥中的-N(-N)反硝化碳源被利用,这一部分占除碳池中 COD平均去除量的 38%,然后进入好氧区被异养菌分解和合成细胞物质,这一部分占除碳池中 COD平均去除量的 62%;而接下来一体化 ANAMMOX池的进水中含有的COD 基本上难于生物降解,所以去除率不高,出水 COD 保持在 655～1600mg/L 左右.同时由于COD 负荷降低,导致异养菌难以大量繁殖,使得氨氮得到迅速的硝化并为 ANAMMOX高效去除TN创造了很好条件[14].

图2 UASB-除碳-一体化ANAMMOX工艺对COD的去除效果Fig.2 COD removal in the experimental system

2.2 UASB-除碳-一体化 ANAMMOX 工艺对TN去除特性

整个工艺流程对TN的去除情况如图3所示.系统进水经UASB中厌氧消化后TN浓度有小幅上涨,使得除碳池进水TN浓度在1050～2200mg/L,由于在除碳池中异养菌的好氧代谢消耗了大量溶解氧,使得在该池中氨氧化菌(AOB)不能得到足够的溶解氧进行硝化反应,从而导致了 TN的去除率不高.除碳池的出水进入到一体化ANAMMOX池中,进水TN浓度为400～700mg/L,在阶段I中,较高的溶解氧促进了AOB的代谢而抑制了 AnAOB,使得系统形成了稳定的短程硝化,且系统中可能存在吸附作用使得总氮有一定的去除,但总氮去除率并不高(数据未给出);在阶段II中,由于降低了溶解氧,使得系统中氨氮和亚硝态氮的配比更加有利于 AnAOB的增殖与代谢,从而TN去除率得到了大幅度的提升.在阶段II,此工艺TN平均去除量为1050mg/L,去除率为80%,其中除碳池 TN平均去除量为 568mg/L,占去除总量的53%;相应地,一体化ANAMMOX池中 TN的平均去除量为 482mg/L,占总去除量的46%,最终的TN出水最低为39.9mg/L.

图3 UASB-除碳-一体化ANAMMOX工艺对TN的去除效果Fig.3 TN removal in the experimental system

2.3 UASB-除碳-一体化 ANAMMOX 工艺对氮的转化与去除

本工艺阶段 II的一个典型的沿程取样数据如图 4所示.除碳池的进水与回流污泥进入缺氧段,其中,回流污泥中的N在此通过反硝化作用得到去除,在好氧3个格室发生硝化作用,将-N氧化为-N和-N,但整个除碳池沿程中未检测到-N和-N的存在,说明在好氧格中可能存在着同步硝化反硝化(SND)以及吸附作用去除了一部分氮素,同时由于接种污泥中含有少量 ANAMMOX污泥,所以,ANAMMOX反应也可能是氮素去除的一部分来源.除碳池出水进入一体化 ANAMMOX池中发生短程硝化-厌氧氨氧化反应,从而达到自养脱氮的目的.由图 4可以看出,ANAMMOX池中沿程的-N浓度不断降低,而-N浓度持续上升,但 TN浓度由 653.4mg/L降低至90.6mg/L的,说明在该反应器中ANAMMOX反应效果良好,根据生化反应计量学计算,ANAMMOX去除的TN约占一体化反应器中TN去除的50%～60%.Molinuevo等[15]认为,有机物质的出现不利于 AnAOB的富集生长,但值得注意的是,在本试验的ANAMMOX池中沿程的COD变化幅度很小,说明进入到该池中的基本为惰性物质,这也从另一个角度反映出惰性有机物的存在对于AnAOB的生长影响不大.

图4 反应器典型沿程的COD和氮素的浓度变化Fig.4 Variation of COD and nitrogen concentration along the experimental system

2.4 除碳池与一体化ANAMMOX池的关系

为进一步探究在除碳池与一体化 ANA MMOX池中有机物与氮素的去除途径,明晰两池之间微生物性状的区别与联系,在103d时分别取两池中絮体污泥,对AOB与AnAOB的丰度和污泥中异养菌与 AOB的比耗氧速率(SOUR)进行了测定,测定结果如表4所示.

表4 除碳池与一体化ANAMMOX池中细菌丰度与污泥比耗氧速率Table 4 The abundance of AOB and AnAOB and the SOUR of AOB and heterotroph in the experimental system

由表4可见,在除碳池中AOB与AnAOB的丰度均比一体化 ANAMMOX池中的要低,而在除碳池中 TN得到了更多的去除,并且沿程检测到的亚硝态氮和硝态氮的浓度很低,在缺氧区反硝化对于 TN的去除贡献较小,这说明可能是吸附､异养菌的同化作用以及在好氧区的同步硝化反硝化导致了沿程TN的降低,AnAOB的存在也表明在该系统中一部分 TN得到了自养去除.在一体化ANAMMOX中,较高的AOB与AnAOB丰度与相对更高的 AnAOB丰度表明厌氧氨氧化效果要更强,ANAMMOX是该系统中TN去除的重要途径.在一体化反应器中,-N的去除主要由AOB与AnAOB协作完成,而有机物的去除主要由异养菌完成.在除碳池中,异养菌与AOB的比耗氧速率接近,说明在该系统中大量可降解有机物的存在促进了异养菌的生长,同时AOB将-N氧化成-N提供给异养反硝化菌利用而不能提供给竞争能力更弱的AnAOB,正是这些易降解有机物抑制了 AnAOB的生长繁殖,这与 Isaka等[16]的观点一致,但与操沈彬等[17]的研究结果不同;相比之下,在一体化ANAMMOX池中,异养菌的比耗氧速率要远远低于 AOB,说明其活性受到了明显的抑制,这是由于渗滤液原水中的易降解有机物经 UASB和除碳池后已基本消耗殆尽,一体化 ANAMMOX池中的进水中只含有惰性物质,不利于异养菌的生存,这使得尽管厌氧氨氧化反应的标准自由能变化ΔGΘ(-335kJ/mol)要高于反硝化反应(-427kJ/mol)[18-19],但由于反硝化菌得不到足够的基质,对N竞争能力更弱的AnAOB却能够大量的增殖,这也印证了惰性物质对AnAOB生长繁殖影响不大的观点.因此,为除碳池提供合理的曝气量,使易降解有机物得到充分降解是影响后续一体化ANAMMOX自养脱氮的关键因素.

3 结论

3.1 UASB-除碳-一体化 ANAMMOX 工艺处理渗滤液工艺在进水 COD 浓度 6210～16365mg/L、TN 浓度为 990～2100mg/L时,工艺出水COD质量浓度最低为655mg/L,出水TN质量浓度最低为39.9mg/L.

3.2 原水中的COD主要由UASB和除碳池去除,进入到一体化 ANAMMOX池中的仅有少量可降解有机物,其余均为惰性物质;氮素的去除主要在除碳池和一体化 ANAMMOX池中进行,其中除碳池中 TN主要通过硝化反硝化以及吸附作用去除,而AOB和AnAOB的协同自养脱氮是ANAMMOX池中TN的主要去除途径.

3.3 当除碳池出水含有大量可降解有机物时,对后续的一体化 ANAMMOX池的自养脱氮有所抑制;而除碳池出水中含有的惰性有机物质的对后续处理的影响不大.充分降解除碳池中的可降解有机物是影响系统脱氮效率的关键因素.

[1]张树军.两级UASB+A/O系统处理城市垃圾渗滤液及短程脱氮[D]. 北京:北京工业大学, 2006.

[2]林 琦.垃圾渗滤液处理工艺的应用及分析 [J]. 环境保护与循环经济, 2012,(3):63-65.

[3]吴莉娜.厌氧-好氧处理垃圾渗滤液与短程深度脱氮 [D]. 北京:北京工业大学, 2011.

[4]Kennedy E J, Lentz E M. Treatment of landfill leachate using sequencing batch and continuous flow upflow anaerobic sludge blanket (UASB)reactors [J]. Water Research, 2000,34(14):3640-3656.

[5]Im J H, Woo H J, Choi M W, et al. Simultaneous organic and nitrogen removal from municipal landfill leachate using an anaerobic-aerobic system [J]. Water Research, 2001,35(10):2403-2410.

[6]Shalini S S, Joseph K. Nitrogen management in landfill leachate:Application of SHARON, ANAMMOX and combined SHARON–ANAMMOX process [J]. Waste Management, 2012,32(12):2385-2400.

[7]Strous M, Heijnen J J, Kuenen J G, et al. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 1998,50(5):589-596.

[8]Fux C, Siegrist H. Nitrogen removal from sludge digester liquids by nitrification/denitrification or partial nitritation/Anammox:Environmental and economical considerations [J]. Water Science and Technology, 2004,50(10):19-26.

[9]van der Star, Abma W R, Blommers D, et al. Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation: Experiences from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam [J]. Water Research,2008,42(6/7):1825-1826.

[10]Abma W, Schultz C, Mulder J W. The advance of Anammox [J].Water, 2007,21(2):36-37.

[11]Sliekers A O, Derwort N, Gomez J L, et al. Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite in one single reactor [J].Water Research, 2002,36(10):2475-2482.

[12]Sliekers A O, Third K A, Abma W R, et al. CANON and Anammox in a gas-lift reactor [J]. Fems Microbiology Letters,2003,218(2):339-344.

[13]van der Star, Abma W R, Miclea A I, et al. The membrane bioreactor: A novel tool to grow anammox bacteria as free cells[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2008,101(2):286-294.

[14]Tang C J, Zheng P, Wang C H, et al. Suppression of anaerobic ammonium oxidizers under high organic content in high-rate Anammox UASB reactor [J]. Bioresource Technology, 2010,101(6):1762-1768.

[15]Molinuevo B, Garcia M C, Karakashev D, et al. Anammox for ammonia removal from pig manure effluents: Effect of organic matter content on process performance [J]. Bioresource Technology, 2009,100(7):2171-2175.

[16]Isaka K, Sumino T, Tsuneda S. High nitrogen removal performance at moderately low temperature utilizing anaerobic ammonium oxidation reactions [J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2007,103(5):486-490.

[17]操沈彬,王淑莹,吴程程,等.有机物对厌氧氨氧化系统的冲击影响 [J]. 中国环境科学, 2013,33(12):2164-2169.

[18]Jetten M S, Strous M, Katinka T, et al. The anaerobic oxidation of ammonium [J]. FEMS Microbiol. Rev., 1999,22:422-437.

[19]Rittmann B E, McCarty P L. Environmental biotechnology:principles and applications [M]. New York, USA: McGraw-Hill Companies, 2001.

致谢：本实验的部分样品测定工作由北京市城市排水集团责任有限公司科技研发中心协助完成,在此表示感谢

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

国家自然科学基金(21177005);北京市教委科技创新平台项目

* 责任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn

郑冰玉(1987-),男,河北迁安人,博士,主要从事污水生物处理理论与技术方面的研究.发表论文4篇.