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书书书 第６０卷 第７期 化 工 学 报 Ｖｏｌ．６０ Ｎｏ．７ ２００９年７月 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊｕｌｙ ２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究简报高氨氮垃圾渗滤液犛犅犚法短程深度生物脱氮孙洪伟，王淑莹，王希明，时晓宁，彭永臻（北京工业大学环能学院北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京１００１２４）关键词：垃圾渗滤液；序批式活性污泥法；短程硝化反硝化；游离氨；游离亚硝酸；ＦＩＳＨ中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００９）０７－１８０６－０６犃犱狏犪狀犮犲犱狀犻狋狉狅犵犲狀狉犲犿狅狏犪犾犳狉狅犿犾犪狀犱犳犻犾犾犾犲犪犮犺犪狋犲狑犻狋犺犺犻犵犺犾狔犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犲犱犪犿犿狅狀犻犪狀犻狋狉狅犵犲狀狏犻犪狀犻狋狉犻狋犲犻狀犛犅犚犛犝犖犎狅狀犵狑犲犻，犠犃犖犌犛犺狌狔犻狀犵，犠犃犖犌犡犻犿犻狀犵，犛犎犐犡犻犪狅狀犻狀犵，犘犈犖犌犢狅狀犵狕犺犲狀（犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犅犲犻犼犻狀犵犠犪狋犲狉犙狌犪犾犻狋狔犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犠犪狋犲狉犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犚犲犮狅狏犲狉狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犅犲犻犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵１００１２４，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｃｈａｔｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅ（ＭＳＷ）ｂｙｕｓｉｎｇａｌａｂｓｃａｌｅｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＲ）ｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅａｉｍｏｆａｃｈｉｅｖｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｄｖａｎｃｅｄｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｆｏｒ９５ｄａｙｓｒｕｎｎｉｎｇ，ｓｔａｂｌｅｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｎｉｔｒｉｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｒａｔｅａｂｏｖｅ９２．５％ｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄａｎｄｍａｉｎｔａｉｎｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅｓｔａｂｌｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ狏犻犪ｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＮＨ＋４ＮａｎｄＴＮｗｅｒｅａｂｏｖｅ９７．２％ａｎｄ９１．７％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅＤＯ，ＯＲＰａｎｄｐＨｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒＳＢＲｒｅａｃｔｏｒ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｅｘａｃｔｌｙｔｈｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｎｄｐｏｉｎｔ．Ｔｈｅｎｉｔｒｉｔｅｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ（ＮＯＢ）ｗａｓｍｏｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｈａｎａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ（ＡＯＢ）ｔｏｔｈｅｆｒｅｅａｍｍｏｎｉａ（ＦＡ）ａｎｄｆｒｅｅｎｉｔｒｉｔｅａｃｉｄ（ＦＮＡ），ｓｏｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆＮＯＢｗａｓｉｎｈｉｂｉｔｅｄｂｙｔｈｅｓｙｎｅｒｇｅｔｉｃｅｆｆｅｃｔｏｆｈｉｇｈｌｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄＦＡａｎｄＦＮＡｉｎｔｈｅＳＢＲｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｏｆａｃｈｉｅｖｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｂｙｔｈｅａｓｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈｗａｓｐｒｏｖｅｄｂｙＦＩＳＨａｎａｌｙｓｉｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｃｈａｔｅ；ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ；ｐａｒｔｉａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｆｒｅｅａｍｍｏｎｉａ；ｆｒｅｅｎｉｔｒｏｕｓａｃｉｄ；ＦＩＳＨ ２００９－０１－０８收到初稿，２００９－０２－２４收到修改稿。联系人：王淑莹。第一作者：孙洪伟（１９７６—），男，博士研究生，讲师。基金项目：北京市自然科学基金重点项目（８０９１００１）。 引 言垃圾渗滤液是一种成分非常复杂的高浓度有机废水，高氨氮和高有机物是其重要的水质特征，它的高色度、强烈的刺激性以及大量的无机化合物均为渗滤液处理带来困难［１］。生物脱氮可实现真正意 犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００９－０１－０８．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＷＡＮＧＳｈｕｙｉｎｇ，ｗｓｙ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＫｅｙＰｒｏｇｒａｍｏｆＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＢｅｉｊｉｎｇ（８０９１００１）． 义的氮去除，而非“污染转嫁”，因此生物脱氮是处理垃圾渗滤液经济、有效及应用最广泛的方法。生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程，硝化反应是由２类独立细菌［氨氧化菌（犖犻狋狉狅狊狅犿狅狀犪狊）和亚硝酸盐氧化菌（犖犻狋狉狅犫犪犮狋犲狉）］催化完成的２个不同反应：第一步是由氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝态氮的亚硝化过程；第二步是亚硝酸盐氧化菌将亚硝态氮氧化为硝态氮。反硝化反应就是将硝化反应产生的硝态氮经亚硝态氮、一氧化氮、氧化亚氮逐步还原成氮气的过程［２］。短程生物脱氮是一种新型污水处理技术，其基本原理就是将硝化过程控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用将亚硝态氮经由一氧化氮、氧化亚氮逐步还原成氮气。根据化学计量学和生化反应动力学，与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点［３］：①硝化阶段可节约２５％左右的需氧量，降低了能耗；②反硝化阶段减少了约４０％的有机碳源，降低了运行费用；③亚硝态氮的反硝化速率通常比硝态氮的高６３％左右；④减少了５０％的污泥产量；⑤反应器容积可减少３０％～４０％左右。实现短程生物脱氮的关键在于抑制亚硝酸盐氧化菌的生长，从而实现亚硝酸盐在硝化过程得到稳定积累。短程生物脱氮技术尤其适用于低Ｃ／Ｎ、高氨氮、高ｐＨ值和高碱度废水的处理。基于上述研究背景，本文以当前污水处理厂广泛应用的序批式活性污泥法（ＳＢＲ）生物脱氮工艺作为研究对象，处理实际垃圾填埋场渗滤液，探索ＳＢＲ工艺短程生物脱氮处理该类废水的可行性，详细研究了如何实现高氨氮渗滤液ＳＢＲ工艺生物脱氮及其主要影响因素。在此基础上，对ＳＢＲ工艺的过程控制参数进行研究，并建立在线过程控制系统，从而实现ＳＢＲ工艺高效生物脱氮、低运行费用的目的。１ 试验材料和方法１１ 试验装置及运行方式本试验所采用的ＳＢＲ反应器由聚乙烯塑料制成，直径２１０ｍｍ，高５００ｍｍ，底部泥斗为圆锥形，总有效容积为９Ｌ，在器壁上设置４个取样口，间距为１００ｍｍ。采用鼓风曝气，空气压缩机产生的气体首先经过气体流量计（控制气体流量，进而调节反应器内的溶解氧浓度），然后通过安装在反应器内部的多孔扩散器进行溶解氧的供给。机械搅拌由转速可调的机械搅拌器完成，以保证反应过程泥水混合液的均质性。为实现ＳＢＲ法生物脱氮，ＳＢＲ工艺每周期的运行方式为：瞬间进水，曝气去除有机物、硝化，投加碳源搅拌进行缺氧反硝化，静沉、排水。当ＳＢＲ工艺运行若干周期进入生化反应稳定状态后，跟踪检测整个硝化反硝化过程的氨氮、亚硝态氮、硝态氮和ＣＯＤ等水质指标以及ＤＯ、ＯＲＰ和ｐＨ等过程控制参数。１２ 试验用水来源及水质试验用水取自北京六里屯垃圾填埋场，渗滤液水质指标如表１所示，为便于研究，本试验采用自来水对渗滤液进行稀释（由于原始渗滤液氨氮浓度高达７３８～１２８７ｍｇ·Ｌ－１左右），并根据试验投加一定量氯化铵来维持反应器内较高氨氮浓度（ＳＢＲ初始氨氮浓度控制在１５０～２００ｍｇ·Ｌ－１左右），使硝化反应顺利进行（不被抑制）而又维持相对较高的游离氨浓度。表１ 渗滤液的物化特性犜犪犫犾犲１ 犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狅犳犾犪狀犱犳犻犾犾犾犲犪犮犺犪狋犲ＰａｒａｍｅｔｅｒＲａｎｇｅＡｖｅｒａｇｅｐＨ７．１—８．５７．８ＣＯＤ／ｍｇ·Ｌ－１７８５６—２２５００１５１７８ＴＣ／ｍｇ·Ｌ－１３４５０—４０１０３７３０ＴＮ／ｍｇ·Ｌ－１８３８—１３９０１１１４ＮＨ＋４Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１７３８—１２８７１０１２ＮＯ－３Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１２．６—９．６６．１ＮＯ－２Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１１．０—２．６１．８１３ 分析项目及测定方法ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－３Ｎ、ＮＯ－２Ｎ、ＣＯＤ、碱度等水质指标均采用国家规定的标准方法［４］。ＴＮ、ＴＯＮ、ＴＣ、ＴＯＣ、ＴＩＣ通过ＴＮ／ＴＯＣ分析仪（ＭｕｌｔｉＮ／Ｃ３０００，德国耶拿）测定。采用ＷＴＷ测定仪及相应探针监测液相内ＤＯ、ＯＲＰ、ｐＨ值。游离氨（ＦＡ）、游离亚硝酸（ＦＮＡ）按以下公式计算［５］ＦＡ＝１７１４［ＮＨ＋４Ｎ］×１０ｐＨｅｘｐ６３３４２７３＋（）犜＋１０ｐＨＦＮＡ＝［ＮＯ－２Ｎ］ｅｘｐ－２３００２７３＋（）犜×１０ｐＨ式中 ＦＡ为游离氨浓度，ｍｇ·Ｌ－１；［ＮＨ＋４Ｎ］为氨氮浓度，ｍｇ·Ｌ－１；犜为温度，℃；ＦＮＡ为游离亚硝酸浓度，ｍｇ·Ｌ－１；［ＮＯ－２Ｎ］为亚硝态氮浓度，ｍｇ·Ｌ－１。２ 试验结果与讨论２１ 短程生物脱氮的实现及稳定反应器内活性污泥体积为４Ｌ，每一运行周期·７０８１· 第７期 孙洪伟等：高氨氮垃圾渗滤液ＳＢＲ法短程深度生物脱氮向反应器内加入４Ｌ废水，排水比１∶２。硝化过程控制反应器溶解氧浓度小于１．０ｍｇ·Ｌ－１，污泥龄为２０ｄ，经２４ｄ的运行，硝化结束时出水中以ＮＯ－２Ｎ为主，［亚硝酸盐积累率以ＮＡＲ表示，ＮＡＲ＝ρ（ＮＯ－２Ｎ）硝化结束ρ（ＮＯ－２Ｎ）硝化结束＋ρ（ＮＯ－３Ｎ）硝化结束×］１００％达到８９．４％以上，表明ＳＢＲ内发生了明显的短程硝化反应，试验结果如图１所示。图１ 不同试验阶段ＳＢＲ系统亚硝态氮积累情况Ｆｉｇ．１ ＮｉｔｒｉｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｎＳＢＲａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈａｓｅｓ ＳＢＲ系统短程硝化过程可分为２个阶段。阶段Ⅰ———短程硝化实现阶段，反应初期系统内亚硝酸盐氧化菌占有很大比例，硝化结束时出水以ＮＯ－３Ｎ为主。随着运行天数的增加，曝气结束时出水ＮＯ－３Ｎ浓度逐渐减小，ＮＯ－２Ｎ浓度逐渐增加，因此亚硝酸盐积累率逐渐上升，从第１ｄ的２９％上升到第２４ｄ的８９．４％，认为实现短程硝化。本试验过程中，经过１４ｄ的运行，亚硝酸盐积累率为５４％，此后，亚硝酸盐积累率迅速上升。阶段Ⅱ———短程硝化稳定阶段，第２４～４３ｄ，亚硝酸盐积累率出现一定的波动，平均值为８６．６％，此后时间内一直稳定在９５．２％以上，并稳定运行５２ｄ。因此，可认为ＳＢＲ系统经过９５ｄ的运行，获得了稳定的垃圾渗滤液短程生物脱氮性能。２２ 犛犅犚一个典型周期内氮转化规律为了更加准确地描述ＳＢＲ系统内短程生物脱氮过程，进行了ＳＢＲ系统稳定阶段一个典型周期内氮转化规律试验，试验中温度为１７．１℃左右，对硝化反硝化过程逐时取样，分析测定ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－３Ｎ、ＮＯ－２Ｎ和ＣＯＤ浓度（图２）。由图２可知，初始ＮＨ＋４Ｎ浓度为１６５．６ｍｇ·Ｌ－１，硝化结束时，ＮＯ－３Ｎ浓度为５．１ｍｇ·Ｌ－１，ＮＯ－２Ｎ浓度达到了１３５．５ｍｇ·Ｌ－１，亚硝酸盐积累率为９６．４％。这说明亚硝酸盐氧化菌的活性在整个氨氮氧化过程中受到了充分的抑止，而氨氧化菌的活性并没有受到明显影响。此外，初始ＴＮ为１８８．３ｍｇ·Ｌ－１，反硝化结束时，ＴＮ浓度为１５．６ｍｇ·Ｌ－１，去除率达到９１．７％，实现了深度脱氮目的。从整个试验过程ＴＮ变化来看，硝化