UASBAO工艺处理垃圾渗滤液短程生物脱氮的实现孙洪伟

中国环境科学2009,29(10)：1059~1064ChinaEnvironmentalScienceUASB-A/O工艺处理垃圾渗滤液短程生物脱氮的实现孙洪伟1,彭永臻1*,时晓宁1,张树军1,杨庆1,侯红勋2(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,北京100124；2.安徽国祯环保节能科技股份有限公司,安徽合肥230088)摘要：应用缺氧/厌氧UASB-A/O组合工艺处理高氮晚期渗滤液,在获得稳定有机物和氮同步去除的前提下,考察了如何实现并维持A/O系统内稳定短程硝化的途径.结果表明:在单一UASB反应器内,同时发生了缺氧反硝化和厌氧产甲烷的反应,有机物和NOx--N去除速率分别为5.3,1.1kg/(m3⋅d).12~30.6℃时,经过54d的运行,A/O反应器实现短程硝化(亚硝态氮积累率50%),此后亚硝态氮积累率迅速上升,70d后,亚硝态氮积累率稳定在90%以上.在A/O反应器内,游离氨和游离亚硝酸协同作用是实现并维持稳定短程硝化的决定因素.此外,以pH值作为A/O硝化反应进行的过程控制参数,可准确把握硝化终点,避免过度曝气破坏短程硝化,为氨氧化菌的生长创造有利条件,有效抑制亚硝酸盐氧化菌的生长并逐渐从系统中淘洗出去,实现了硝化菌种群的优化,荧光原位杂交技术检测也证明这一点.关键词：垃圾渗滤液；短程硝化；游离氨；游离亚硝酸；荧光原位杂交中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)10-1059-06AchievingnitrogenremovalfromlandfillleachateviaUASB-A/Oprocess.SUNHong-we1,PENGYong-zhen1*,SHIXiao-ning1,ZHANGShu-jun1,YANGQing1,HOUHong-xun2(1.KeyLaboratoryofBeijingWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.AnHuiGuozhenEnvironmentalProjectionScienceandTechnologyCompanyLimited,Hefei230088,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(10)：1059~1064Abstract：Treatmentofrealleachatefrommunicipallandfillwithhighammonianitrogencontentwasinvestigatedbyusinglab-scaleanoxic/anaerobicUASB-A/Oprocess.OnthebasisofachievingsimultaneousCODandnitrogenremoval,howtoachieveandstabilizepartialnitrificationintheA/Oreactorwasstudied.DenitrificationandmethanogenesiswereconductedinUASBreactor,andtheaverageremovalrateoforganicsandNOx--Nwere5.3,1.1kg/(m3·d),respectively.Partialnitrificationwasachieved(nitriteaccumulationratiowasabove50%)after54daysoperation,andafter70days,nitriteaccumulationratioinA/Oreactorreachedabove90%atambienttemperatureof12to30.6℃.Stableandlongtermpartialnitrificationwasachievedduetothecooperativeeffectoffreeacid(FA)andfreenitrousacid(FAN).DestructionofpartialnitrificationcausedbyextendedaerationwasavoidedbyusingpHasprocesscontrolparameter.NitrifyingpopulationwasoptimizedbyestablishingfavorableenvironmentofAOBandinhibitingthegrowthofNOB,thenNOBwaswashedoutfromthebiologicalsystem,whichwasprovedbyfluorescenceinsituhybridization(FISH).Keywords：landfillleachate；partialnitrification；freeammonia(FA)；freenitrousacid(FNA)；fluorescenceinsituhybridization(FISH)废水处理中,短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段,然后通过反硝化作用将亚硝态氮还原为氮气.与全程硝化反硝化相比,短程硝化反硝化具有节约能源和运行费用等优点[1-2].实现短程生物脱氮的关键在于抑制亚硝酸氧化菌的生长,从而实现NO2--N在硝化过程稳定积累[2].目前短程生物脱氮的实现多是利用氨氧化菌(AOB)和亚硝化盐氧化菌(NOB)的生理特性差异,人为控制有利于AOB增殖的环境条件,抑制NOB增殖或活性[3-7].如果能利用废水的特性实现短程生物脱氮,可进一步节约能源.本研究采用缺氧/厌氧UASB-A/O收稿日期：2009-02-28基金项目：北京市自然科学基金重点项目(8091001);“十一五”国家科技支撑计划项目(2008ZX07317-007-1)*责任作者,教授,[e-mail]1060中国环境科学29卷工艺处理实际垃圾填埋场晚期高氮渗滤液,在获得稳定有机物和氮同步去除的前提下,考察了如何实现并维持A/O系统内稳定短程硝化的途径及方法,并采用荧光原位杂交技术(FISH)对微生物种群进行定量分析.1材料与方法1.1材料本试验所用垃圾渗滤液取自北京六里屯垃圾填埋场一个运行5年的填埋区,其水质为:pH7.8~8.9;COD1038~8091mg/L;TN1005~2444mg/L;NH4+-N890~2360mg/L;碱度5000~8500mg/L.UASB反应器接种的厌氧颗粒污泥,取自哈尔滨啤酒污水处理厂,接种污泥量为62.5g.A/O反应器接种污泥取自本实验室处理生活污水的氧化沟内有良好生物脱氮除磷性能的活性污泥,MLSS为2500mg/L,SVI为116mL/g.经过一段时间的驯化,逐步培养适宜于降解垃圾渗滤液废水的“成熟”活性污泥.1.2试验装置及运行方式采用缺氧/厌氧UASB-A/O生化系统处理垃圾渗滤液,系统试验装置如图1所示.污泥回流泵进水泵空气泵原水箱出水回流泵内循环泵出水箱加热器二沉池A/O池UASB气体流量计搅拌器图1缺氧/厌氧UASB-A/O工艺示意Fig.1Schematicdiagramofanoxic/anaerobicUASB-A/Oprocess污水管污泥回流管气管原水水箱由不锈钢制成,外敷保温材料,容积为50L.缺氧/厌氧UASB反应器为上流式厌氧污泥床,材质为有机玻璃,有效容积3L.A/O反应器由有机玻璃制成,有效容积10L,均分为5格室,第1格室为A池,其余格式为O池,采用鼓风曝气.UASB控制水温为(30±2).A/O℃反应器在室温下运行.渗滤液与按一定比例回流的A/O出水一起进入UASB,进行缺氧、厌氧反应;UASB的出水与A/O内循化回流的硝化液进入A/O反应器,在A池进行反硝化,然后在好氧池完成硝化反应.采用A/O出水回流至缺氧/厌氧UASB的方式,对原渗滤液既有一定的稀释作用,又可使富含NOx--N的硝化液借助原水中丰富的有机碳源进行反硝化,实现生物脱氮及有机物降解的双重目的,因而减轻了后续处理构筑物的负担.UASB反应器运行条件:水力停留时间(HRT)1d,系统回流比为3:1.A/O反应器运行条件:HRT3d,氨氮负荷0.12~0.56kg/(m3·d),污泥回流比为150%~350%.工艺设置的取样点:Raw为原液;UASBi为UASB进水;UASBe为UASB出水;Anoxic为A/O反应器缺氧A格室;Oxi-1~Oxi-4为A/O反应器好氧4个格室.1.3测定方法从反应器内取100mL水样,用0.45μm滤纸过滤,滤纸残余物在105℃的烘箱内烘至恒重,冷却后测量MLSS.后在600℃的马福炉内烘至恒重,10期孙洪伟等：UASB-A/O工艺处理垃圾渗滤液短程生物脱氮的实现1061冷却后测量MLVSS.滤液中NH4+-N,NO3--N,NO2--N,COD的测定采用标准方法[8].TN通过TN/TOC分析仪(MultiN/C3000,德国耶拿)测定.采用WTW测定仪(pH/Oxi340i,德国WTW)及相应探针监测液相内DO,ORP,pH值.A/O反应器内污泥中硝化菌采用FISH测定[9],采用的寡核苷酸探针列于表1.表1Fish分析中采用的寡核苷酸探针Table116SrRNA-targetedoligonucleotideprobesused探针序列特异性荧光标记EUB338GCTGCCTCCCGTSGGAGT几乎全部EubacteriFITCNSO1225CGCCATTGTATTACGTGTGAAmmonia-oxidizingβ-ProteobacteriaCyt3NIT23CCTGTGCTCCATGCTCCGNitrobacterCyt32结果与讨论2.1有机物和氮的去除特性113d的试验表明,有机物和氮在缺氧/厌氧UASB-A/O生化系统内实现了稳定的去除(表2).表2缺氧/厌氧UASB-A/O生化系统对有机物和氮的去除效果Table2Removaloforganicandnitrogeninanoxic/anaerobicUASB-A/Obiologicalsystem去除率(%)项目原液缺氧/厌氧UASB出水A/O出水UASBA/OUASB-A/OCOD6537123830081.014.395.3NH4+-N202148515.876.023.299.2TN212850032576.48.284.6注:表中数值为系统稳定运行113d的平均值;除去除率外其余单位均为mg/LUASB反应器平均有机负荷为6.5kg/(m3⋅d),平均去除速率为5.3kg/(m3⋅d),COD在UASB反应器内的去除由厌氧产甲烷和缺氧反硝化共同完成.UASB出水有机物在A/O反应器中进一步去除,一部分是作为A/O反应器回流污泥中NOx--N反硝化所需碳源(在A池进行),另一部分为好氧生物降解作用(在O池进行).由表2可见,UASB和A/O反应器对有机物去除的贡献合计95.3%,实现了有机物的高效去除.对于NH4+-N和TN,UASB反应器的去除率达到76%,这部分氮不是由生物降解作用去除,而是由于回流水的稀释作用.借助A/O反应器好氧段的硝化作用及UASB与A/O反应器缺氧段的反硝化作用实现氮的真正去除.A/O反应器对整个系统NH4+-N和TN去除的贡献分别为23.2%和8.2%.可见,缺氧/厌氧UASB-A/O生化系统能去除99.2%的NH4+-N和84.6%的TN,在没有外加碳源的情况下,充分利用原渗滤液中有机物进行反硝化,获得了相对较高的TN去除率.2.2A/O短程生物脱氮的实现亚硝态氮积累率(NAR)的计算公式为:223(NON)NAR100%(NON)(NON)ρρρ−−−−=×−+−(1)式中:ρ(NO2--N),ρ(NO3--N)分别