老龄垃圾填埋场渗滤液短程硝化试验研究

2019-02-25

天津化工 2019年1期

（天津渤海职业技术学院，天津300402）

垃圾渗滤液是一种高强度废水，含有高浓度的有机物和大量的氨氮、重金属和无机盐离子，如果处理不当，会对周围环境造成巨大威胁。老龄填埋场的垃圾渗滤液中氨氮浓度甚至高达每升上千毫克，高浓度氨氮会影响生物处理单元中微生物的活性，降低生物处理效果[1]；而且随着填埋时间增加，垃圾渗滤液中氨氮浓度增加的同时可生化性有机物含量降低，造成碳氮比失衡，传统硝化反硝化脱氮工艺就面临严重的碳源不足问题，需要通过高成本的外加碳源来进行补充。

短程硝化工艺是指控制适宜的氨氧化条件，将硝化过程限制在亚硝酸盐（NO-2）阶段，而不进一步氧化为硝酸盐（NO-3）的工艺过程。与常规硝化工艺相比，短程硝化具有能耗低、反应历程短、运行成本低等优点[2，3]。以短程硝化为基础的“短程硝化-反硝化”、“短程硝化-厌氧氨氧化”等新型生物脱氮工艺，在曝气能耗、碳源消耗等方面比传统硝化-反硝化生物脱氮工艺都具有很大的优势[4]，特别适合于低碳氮比的老龄垃圾渗滤液处理。如何实现稳定高效的短程硝化是这些新型生物脱氮工艺成功应用的关键。

本研究针对老龄化垃圾填埋场高含氮垃圾渗滤液，在SBR反应器中进行短程硝化快速启动与影响因素试验研究，旨在为垃圾渗滤液生物脱氮新技术研发提供技术支持。

1 试验材料及方法

1.1 试验装置

本研究采用的SBR反应器材质为有机玻璃，采用微孔曝气头进行曝气；在反应器内设置pH、ORP在线监测仪。该反应器进水方式为瞬时进水，设置运行程序为进水搅拌、曝气、沉淀及闲置四个步骤。在PLC控制器中内置实时控制程序进行自动控制运行，pH、ORP在线监测仪的信号输入到PLC中，经过程序处理后进行判断，并用于控制SBR反应器的运行（搅拌/曝气/沉淀）。

反应器内接种污泥取自天津市某城市污水处理厂，初始接种污泥浓度（MLSS）为4000 mg/L。

1.2 试验原水

试验原水采集自天津市某老龄垃圾填埋场的垃圾渗滤液，主要水质指标（均值）如表1。可见：试验所用垃圾渗滤液碳氮比（COD/TN）低，且原水中可生物利用有机基质含量低。试验过程中，采用生活污水稀释垃圾渗滤液并逐步提高后者比例的方法，使试验接种污泥逐步适应垃圾渗滤液的水质。

表1 试验所用垃圾渗滤液水质

1.3 分析方法

化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、亚硝氮（NO2-N）、硝氮（NO3-N）和总氮（TN）的质量浓度均采用标准方法测定[5]。pH值采用HACH GLI pH分析仪测定，溶解氧（DO）采用HACH LDO溶解氧仪测定。

2 结果与讨论

2.1 短程硝化的快速启动

在加入垃圾渗滤液启动之前SBR反应器进水为低含氮生活污水，反应器内无亚硝氮积累，呈完全硝化状态。垃圾渗滤液具有高有机污染和高含氮的特征，在反应器启动阶段，采用生活污水对垃圾渗滤液进行稀释，逐步提高配水中垃圾渗滤液的比例。将反应器启动过程分为三个阶段来考察（见图1）。各阶段反应器出水NO2-N、NO3-N及亚硝氮积累率（NAR）的变化情况如图1所示。

图1 启动阶段SBR反应器出水NOx-N浓度与亚硝氮积累率变化

2.1.1 第 I阶段（40d）

为驯化污泥，开始采用低配比，垃圾渗滤液所占比例为10%。初始时基本为完全硝化，NAR接近于0，出水中以NO3-N为主。运行约15 d后，通过控制溶解氧（＜1.0 mg/L），人为设定控制曝气时间使出水氨氮浓度维持一定的水平（即氨氮不完全氧化），同时不断增加进水垃圾渗滤液比例以提高进水氨氮容积负荷。约25 d后NAR逐渐提高至约80%左右。

2.1.2 第 II阶段（30d）

在第II阶段降低了进水中垃圾渗滤液的比例，导致进水负荷降低，NAR下降，出水NO3-N增加。随后通过提高进水负荷，出水NO3-N逐步下降，NAR迅速恢复并达到90%以上。

2.1.3 第 III阶段（70d 之后）

在第III阶段继续增加进水中垃圾渗滤液比例至60%，系统内NAR长期稳定在95%以上，出水NO3-N低于15 mg/L。

2.2 进水氮负荷的影响

考察了启动过程中进水氨氮负荷与NAR的关系，如图2所示。同时，高浓度氨氮在进水pH值条件将产生一定的游离氨（FA），而FA对硝化菌具有一定的抑制作用，所以图2同时显示进水氨氮浓度的变化情况。

由图2可见：在前15 d的运行过程中，进水氨氮容积负荷均值为178 g NH3-N/m3/d，同时进水氨氮浓度约120～140 mg/L，NAR处于较低水平，接近于0。从第17 d开始提高进水氨氮容积负荷，同时进水氨氮浓度略有增加，达到180～200mg/L，可以看到NAR随之升高；当进水氨氮容积负荷均值达到310gNH3-N/m3/d时，NAR达到80%左右。

图2 进水氨氮浓度及氨氮负荷对NAR的影响

进入第二阶段后，由于进水氨氮浓度降低（降低垃圾渗滤液比例），NAR值随之响应而降低。这意味着NOB重新在系统内获得生长增殖的机会。为提高NAR值，增加了垃圾渗滤液的配水比例，进水氨氮容积负荷显著提高（达到约850 g NH3-N/m3/d）。NAR值随之快速恢复，在11 d后提高到90%以上。当NAR稳定后，到第60～80d期间进水氨氮负荷最低降至约350gNH3-N/m3/d，但NAR未再出现波动，始终保持NAR＞95%，这意味着NOB已基本从系统内被淘汰或活性受到严重抑制。

2.3 温度对短程硝化的影响

在近一年的试验过程中，水温变化范围为12～29℃，基本经历了夏季高温至冬季低温的不同水温条件。考察在此过程中实时控制短程硝化系统的运行效果，其出水亚硝氮（NO2-N）、硝氮（NO3-N）及亚硝酸盐积累率（NAR）的变化情况见图3所示。

图3 不同温度条件下短程硝化效果

由图3可见：SBR反应器的短程硝化效果未受到水温变化的影响，整个实验期间NAR＞95%，出水NO3-N平均值为8.52 mg/L。即使在冬季低水温条件下（＜15℃）持续2个月的试验中，短程硝化状态仍能够非常稳定地维持。

2.4 溶解氧的影响

在SBR系统的好氧反应初期，污水中的有机物和氨氮浓度较高，而反应后期，随着可生物降解有机物被利用、氨氮逐步被氧化为NOx，水中剩余的耗氧污染物浓度低，因此在曝气量基本恒定的情况下，在曝气阶段后期溶解氧（DO）就会不断增加。

对SBR反应器进行一个曝气周期的溶解氧监测（见图4），好氧曝气段的中前期（约好氧历时的70%）DO值较稳定且处于较低水平（0.1～0.2 mg/L），而在好氧段后期，DO值则快速增加。在到达曝气终点时，SBR反应器中DO达到了7.95mg/L，且曝气阶段后期长达200min内DO基本高于2.0mg/L。一般认为，如此高的溶解氧对短程硝化过程是不利的，可能导致亚硝酸盐氧化菌（NOB）的生长，降低亚硝氮积累率。

由图4可见：在好氧段前700 min内，DO均低于0.2 mg/L，NH3-N去除速率保持恒定，同时水中NO2-N浓度同步增加，而NO3-N始终低于8.0 mg/L。在曝气反应的最后200 min内，尽管DO高达2.0 mg/L以上，但NO3-N浓度仍未有增加，可见NOB在这样的情况下没有恢复活性，或者说系统内剩余的NOB已非常有限。