生物菌酶应用在垃圾渗滤液处置工程中的定性研究

于 凯

（青岛华益环保科技有限公司，山东 青岛 266073）

1 引言

（1）垃圾渗滤液主要来源于降水、地表水和地下水渗入以及垃圾本身的内含水[1]。在垃圾渗滤液中，其污染物成分复杂，水质波动较大，氨氮浓度较高，从而导致处置垃圾渗滤液的成本较高，且难以达到排放标准要求。当前，高标准的渗滤液处置公司投资较大，经营费用较高，但设施建成后却难以有序运行，究其根本原因之一是垃圾渗滤液的可生化性较差，很难达到后续的深度处置要求。因此，在保护环境的前提下，必须要做好处理垃圾渗滤液的环保工程。但在实际的处置过程中，传统的生物法和物理化学法都存在一定弊端，所以，急需研究一种高效、经济的处置方法。

（2）酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物，其大部分为蛋白质，也有极少部分为RNA，是不可以繁殖的，只可以进行催化，能加快某个化学反应过程。因此，其具备一定的催化功能，主要特征包括：效率高、专一、反应条件低、能够减弱生化反应的活化能。其中，生物酶是一种能力巨大的催化剂，会在促使微生物的数量呈指数级增长的同时，还可以相应提高生物降解有机物的反应速度，能对污染物中复杂的化学链产生破坏效果，使其分解为小分子的有机物或二氧化碳、水等无机物，并催化促进大分子（底物）转化成容易吸收的小分子（营养源）。因此，在处理有机污染物时，主要是依靠酶发生的化学反应，生成游离基，而发生化学聚合反应的游离基会形成高分子的污染物，这样就可以通过过滤去除污染物。此外，生物酶不仅能提高处理污染物的效率，还可以保障微生物自身的生长繁殖。因此，生物酶由于自身卓越的性能，有着极其广泛的应用领域。

（3）菌是微生物的一种，具有繁殖能力，其在繁殖过程中会以有机物作为营养物质，从而起到净化废水的作用。但酶从作用上判断只起到催化作用，其不能以有机物作为营养物质，不能净化废水，只能加快某化学反应，而菌是可以降解有机物的，从而实现净化废水的目的。

（4）酶+菌技术就是利用两者的特性，即酶可以进行催化加快反应，促进微生物的生长，以及起到净化的作用。在实际应用中，酶能够提高催化效率、对反应条件要求不高、不会过多要求设备性能，具有反应迅速，投资成本较低、处理成本低、污泥量少、运行稳定等优点。在将来的发展中，可将生化处理工艺与环保科学理论相结合，再合理运用成套的理论体系，开发并应用生物酶技术，这样就可以经济、快速、便捷地处理垃圾渗滤液，从而为环保工作的顺利开展奠定良好基础。

2 垃圾渗滤液的特征

2.1 垃圾渗滤液的污染成分

通常，不同种类的垃圾会导致垃圾渗滤液的成分不同，所以，针对不同成分的垃圾渗滤液，需要采取不同的处理工艺，以有效去除各种垃圾渗滤液中所包含的不同污染物。如由废弃物和有机物、能够生物降解的废物、厨余垃圾生成的垃圾渗滤液，其中的成分主要是COD、BOD5、NH3-N和大肠杆菌等。

2.2 垃圾渗滤液的特点

垃圾渗滤液有以下特点：COD和BOD浓度高；有机物种类多，水质复杂；污染物浓度高且变化较大；水质和水量差异大；含有高量的金属；氨氮含量较高；营养元素比例失调[2]。

3 处理垃圾渗滤液的典型工艺

由于垃圾渗滤液处置的环保工程、运行成本都较高，且可生化性还比较弱，所以，要投入较多的环保设备，并且，当通常情况下要处置的垃圾渗滤液的量不大时，也会产生较高的设备折旧费用和维护费用。因此，在垃圾渗滤液的实际处理过程中，主要包括物理化学法和生物法[3]。其中，物理化学法主要包括吸附（活性炭法）、沉淀（化学法）、分离（密度法）、氧化还原法（化学法）、离子交换法等；而生物法主要包括好氧法、厌氧法和二者混合法。

（1）当前，国内应用较好的生物法主要是好氧法+厌氧法的综合处理工艺。而综合处理工艺基本是针对浓度较高的垃圾渗滤液。如果待处置的垃圾渗滤液中有较高的氨氮，首先要应用氨吹脱，然后是生物法。在实际处理过程中，综合处理工艺技术稳定，经济可行，能保证较好的污泥沉淀，因此，得到了广泛认可，不过针对生化性能低，不容易降解的有机物和高毒性的废水，往往达不到预期效果。

（2）反渗透技术具有高效截留污水中溶解态的无机污染物和有机污染物的特性，所以，成为了处理垃圾渗滤液的主要方法。但在实际应用过程中，反渗透技术逐渐显现出弊端，基本体现在可操作性差、高耗能、设备损耗及运维成本较高。

（3）当前，虽然膜生物反应器能降解垃圾渗滤液中的有机物，但单纯采用膜生物反应器工艺，处理后的水质往往不能达标排放，还需要结合纳滤（浓缩）水处理设备、反渗透水处理系统、活性炭等综合处置工艺，才能满足排放要求。

4 试验内容

4.1 试验目的

本试验的目的，一是在实验室小试成熟地处理工艺，以确定最合理的处理工艺及设计参数，使之服务于实际工程需要；二是在实验室验证、模仿、创新目前环保领域新兴的工艺技术、设备等，以增强企业的竞争力。在实验过程中，小试系统的待处理对象主要是垃圾渗滤液，主要是为了更好地选择垃圾渗滤液处理系统尤其是生化系统的参数，以提供更加准确的设计依据，同时，也是对垃圾渗滤液工艺进行进一步探索。

4.2 试验设备

主要包括：反应池、生物强化工序装置、氧化工序装置、电凝聚装置等设备，并辅以生物菌、酶等耗材。

（1）反应池：均采用PVC板，池体与池体相互独立，采用法兰及钢丝软管连接。

（2）生物强化工序装置：工艺原理是指污染物被微生物分解成CO2和H2O。该装置通过对含有有机物的垃圾渗滤液进行曝气，并使之保持曝气状态，且pH值调试到6.5～7.8之间较佳；同时，保证温度和pH值等参数的系统平衡。

（3）氧化工序装置：该装置能对苯胺以及苯环类物质进行一定程度的氧化破解；在改善后续生化进水条件时，能提高整个废水的可生化性。本系统采用等离子体放电、高级氧化技术，以电化学方法为核心。

（4）电凝聚装置：该装置是借助外电源，依靠阳极生成较多的金属阳离子，且参加水解反应生成混凝剂，以形成能容易去掉的较大物质，进而达到净化效果。本系统采用铁电极，优化了电极配置和电参数设计，使COD最大程度地降低，并减少了电耗和极板损耗。

（5）生物菌：菌种是通过富集、分离、筛选等步骤从自然界中找到，通过扩培养后再应用到需要处置的污染水体中；或者把污染水体中得到的常见菌种通过各种方式和新技术制成通用菌种，并经过分离和筛选获取有效菌株，扩培后再投放到受污染水体中，实现最终的环境治理。在实验过程，运用生物菌群中各类细菌的自身功效，可针对垃圾渗滤液中的有机污染物，投入特定配比的微生物菌群，再利用微生物本身产生的各种酶系，使有机物和菌种间构成生物链且形成循环高分解链系统，可将有机污染物分解成CO2、H2O和CH4等无害的最终产物。

（6）垃圾渗滤液选自山东省某垃圾处置园区内的，此垃圾渗滤液没有被处理，其水质的基本情况详见表1。

表1 垃圾渗滤液的水质情况

4.3 试验原理

（1）由于垃圾渗滤液成分复杂，含有大量的难降解物、可生化性较差，所以，工艺系统中采用电解法。该方法对于小水量含高盐有机物废水的处理效率较高，并且提高了对COD、氨氮的降解程度，提高了可生化性，有利于微生物的培养繁殖。

（2）在高压等离子体放电方法中，可采用介质阻挡放电形式，是利用高频电源产生的高压对垃圾渗滤液负载进行放电，且放电布满整个反应器，而放电产生的等离子体由于温度较高、压力较高，导致大量有机分子被高温热解并发生高级氧化而化学降解。在这些过程和反应的协同作用下，有机物被降解，从而达到有效分解处理高浓度有机物垃圾渗滤液的目的。

（3）本系统采用的电化学方法主要为高级氧化，但如何提高氧化剂的效果以及降低成本是氧化法处理的关键。这主要是因为，具有强氧化性的羟基自由基（OH·）是一种极佳的氧化剂，与臭氧相比，其可以无选择性地氧化有机物，且反应高效迅速。但OH·的寿命极短，因此，如何充分利用其进行氧化也是一个难题。本系统针对现有电解氧化装置的OH·产生率低，利用效率低下的问题进行了研究和改进，主要采用碱性的电解液以及石墨电极，进行连续电解，使OH·能连续源源不断地产生，同时提高了OH·利用效率以及垃圾渗滤液中的COD去除率。

（4）采用金属电极进行电解，即采用电凝聚方法处理废水，是借助外电源的力量，应用可溶性阳极生成较多的金属阳离子，且参加水解反应生成混凝剂。此处理技术的作用是为了使原水中的胶体、SS、TDS、细菌、病毒和其他微生物等的物理性质发生改变，最后形成能容易去掉的较大物质，进而达到净化效果。

电凝聚方法的工艺原理如图1所示。阳极金属借助外电源外力，产生了氧化反应，形成了金属阳离子，但发生水解时形成了阴离子，所以，Mn+和OH-络合生成了M（OH）n这种混凝剂，此混凝剂能够和垃圾渗滤液中的杂质、SS和胶体等不同的成分进行混合，并慢慢沉降和溶液开始分离；与此同时，因发生水解反应而形成的氢气，在溢出液面的时候，有些污染物也会跟着上浮。

图1 电凝聚方法的工艺原理

电凝聚工艺过程中产生了一连串的物理和化学反应，主要包括：溶解的阳极金属、电场作用下电解产物的分解和电解产物及水解产物与废水中物质发生物理化学反应等。不过，在这些反应中，主要是以电极反应为主。以铁电极为例，每当电极之间通过直流电或脉冲电的时候，就会发生下面的电极反应：

当Fe2+进入水中后，会迅速发生水解反应，形成多种单核络合物；而当Fe2+经历多种水解和缩聚反应后，能够生成各种复杂的聚合离子，此聚合离子又能够和废水中的有机物质发生多种不同的物理化学反应。

由以上过程可以看出，应用电凝聚方法净化垃圾渗滤液，主要是借助外电源的外力，应用可溶性阳极（铁）产生大量的金属阳离子，再应用可溶性得阳极生成较多的金属阳离子，且参加水解反应生成混凝剂。此处理技术的作用是为了使原水中的胶体、SS、TDS、细菌、病毒和其他微生物等的物理性质发生改变，以形成能容易去掉的较大物质，进而达到净化效果。

针对电解过程中的阳极钝化现象和电极腐蚀较严重，损耗快的问题，进行了一系列优化，采用换向电源，使系统的阴极、阳极在反应一段时间后进行转换，有效抑制了阳极钝化现象的产生；同时，从材料方面入手，改进了传统的铁电极，从而使电极损耗降低，有效延长了电极寿命。

区别于传统的高效生物菌种需要反复投加、成本昂贵等特点，使用该技术可以有针对性的扩培特效微生物菌团，且在日常运行中无需重复投加，降低了处理成本。该技术比传统生物处理系统的调试时间缩短很多，并且，利用快速启动剂在短时间内激活菌种后，就可以实现满负荷正常运行。

4.4 试验方法

（1）本试验采用一种综合处理方法：预处理+高压等离子处理+高级氧化+生化，实现了降解大分子有机物，降低水体中的COD和氨氮，最终达到排放标准。在一系列的物化法、高级氧化和生化处理等方法中，以等离子体放电及电化学方法为核心，以物理混凝、微电解、生化降解为辅助，综合考虑了各种方法的优劣，优化了各方法的先后顺序、内部操作流程，同时，是在各处理方法优化的基础上，进行有机结合。

（2）该系统的主要工艺流程如图2所示：

图2 工艺流程图

本系统采用等离子体放电、高级氧化技术，以电化学方法为核心。

（3）本次小试试验运用的等离子体放电技术克服了现有技术中的不足，其工艺过程是，采用介质阻挡放电形式，利用高频开关电源产生脉冲电压，经变压器谐振产生高压后，对垃圾渗滤液负载进行放电；由于介质阻挡放电布满了整个反应器的空间，使有机分子在等离子体通道内被高温进行热解，并在自由基的作用下发生高级氧化而化学降解。应用该技术处理垃圾渗滤液时，不需要添加化学试剂，处理过程简单，无废弃物和二次污染，且在提高水处理效率的同时，最大程度地减少了能耗。

（4）但由于废水含有较高难降解有机物和氨氮，生物处理段采用缺氧-好氧处理工艺。好氧（硝化）和缺氧（反硝化）进行生物处理可有效去除COD、BOD和NH3-N。其中，前置反硝化可以降低需氧量和碳用量，通过水解酸化后废水BOD/COD值提高；而硝化池内通过高活性的好氧微生物作用，使垃圾渗滤液中的大部分有机物污染物在硝化池内得到降解，同时氨氮和有机氮氧化为硝酸盐和亚硝酸盐。经过硝化-反硝化过程，垃圾渗滤液废水中的有机物和氨氮大部分被转化为无机物（CO2、H2O、N2）可从水中去除，一小部分则转化为细胞物质，通过定期排泥被排出系统。

5 试验结果与分析

分别取20 L垃圾渗滤液各一份分成三组，一组当空白对照，二组处理工艺不加生物菌酶，三组按照完整的工艺流程加入20 g的生物菌酶，48 h后观察结果：二组的垃圾渗滤液有明显的悬浮物，三组的垃圾渗滤液底部有分层，底部由浊变清。分别取第二组和第三组的上清液检测，其处理效果详见表2。由上述试验结果可以看出，生物菌酶可以快速去除垃圾渗滤液中的污染物。

表2 垃圾渗滤液出水水质

6 讨论

（1）通常情况下，垃圾渗滤液水质复杂，有机物浓度高且多为有毒、有害、难生物降解有机物，氨氮浓度也很高，由以上定性试验可以看出，投加相应的高强活性生物菌，可显著提升垃圾渗滤液的处理效果；可快速降解入侵的高浓度有机物、降低系统负荷、逐步修复受损菌落、改善污泥形状、从而建立更强更优的生化系统；而生物菌会加速将大分子变为好吸收的小分子，这不仅提高了污染物的处置效率，而且也为微生物的生长繁殖提供了支撑，促进了生化反应。

（2）生物菌酶除具有破杂环、断长链、耐盐、除氮、脱臭、降COD等能力外，还有如下特性：

①菌种本身无毒性，无致病性，不会造成二次危害；

②消除污染物速度快且强，脱氮效果好；

③采用生物菌酶技术处理垃圾渗滤液，降解1 kg BOD5只产生约0.25 kg的干污泥，而采用常规的活性污泥法降解1 kg BOD5则产生0.5～0.7 kg的干污泥，产生的污泥量较少。因此，该处理工艺产生的污泥量比常规处理工艺要少。

7 结论

本次定性试验，验证了生物菌酶对垃圾渗滤液有净化作用。因此，在垃圾渗滤液的实际处理过程中，生物菌酶作为一种纯天然绿色环保产品，会随着污染物的降低而逐渐减少，不会造成二次污染，这样既提高了垃圾渗滤液的可生化性，增强了处置效率，又减少了反应时间，降低了处理成本。所以，该处理工艺在垃圾渗滤液处理行业具有广阔的市场前景，也会带来巨大的经济效益和社会效益。