高氨氮渗滤液的亚硝酸型同步硝化反硝化特性王燕

高氨氮渗滤液的亚硝酸型同步硝化反硝化特性王燕，王淑莹，王凯，孙洪伟(北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京100124)摘要:采用UASB/SBBR组合工艺处理垃圾渗滤液，通过控制游离氨(FA)浓度使系统实现亚硝酸型同步硝化反硝化(SND)，在此基础上考察了序批式生物膜反应器(SBBR)对总氮和氨氮的去除特性，同时深入分析了亚硝酸型SND的形成机理。试验结果表明:经过60个周期的运行，SBBR系统实现了亚硝酸型SND，且对总氮和氨氮有较高的去除率。当DO为2mg/L左右时，对TN和NH+4－N的平均去除率分别可达58．95%和95%以上，曝气结束时的SND脱氮率最高可达34．3%。另外，试验发现FA是SBBR系统内亚硝酸型SND形成的主要因素。当FA在13．00～29．84mg/L范围内变化时，亚硝态氮的积累率从初始的1．7%逐渐上升到93．01%，并能稳定维持在90%以上。关键词:垃圾渗滤液;亚硝酸型同步硝化反硝化;游离氨;生物脱氮中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1000－4602(2011)01－0020－05CharacteristicofSimultaneousNitrificationandDenitrificationviaNitriteforTreatmentofLandfillLeachatewithHighConcentrationofNitrogenWANGYan，WANGShu-ying，WANGKai，SUNHong-wei(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentalRecoveryEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China)Abstract:Onthebasisofachievingsimultaneousnitrificationanddenitrification(SND)vianitritethroughcontrollingtheconcentrationoffreeammonia(FA)inlandfillleachateinUASB-SBBRsystem，theremovaloftotalnitrogenandammonianitrogeninSBBRsystemwasinvestigated，withdeepanalysisofmechanismofSNDvianitrite．TheresultsindicatethatSNDvianitriteisachievedinSBBRwithhighremovalefficiencyoftotalnitrogenandammonianitrogenafter60cycles．Whentheconcentrationofdis-solvedoxygenisabout2mg/L，theaverageremovalratesofTNandNH+4－Nare58．95%andabove95%respectively，andthemaximumefficiencyofSNDattheendofaerationis34．3%．FAisthemainfactorforformationofSNDvianitriteinSBBRsystem．WhentheconcentrationofFAisbetween13．00and29．84mg/L，thenitriteaccumulationratioisincreasedfrom1．7%to93．01%graduallyandismaintainedatabove90%．Keywords:landfillleachate;simultaneousnitrificationanddenitrificationvianitrite;freeammonia;biologicalnitrogenremoval基金项目:国家自然科学基金资助项目(50978003);北京市自然科学基金重点资助项目(8091001)渗滤液具有成分复杂、水质和水量变化大、有机物和氨氮浓度高、营养元素比例失调等特点，给其处·02·第27卷第1期2011年1月中国给水排水CHINAWATER＆WASTEWATERVol．27No．1Jan．2011理带来相当大的困难［1］。研究发现［2］，生物脱氮可实现真正意义的氮去除且较经济，因此被广泛应用于垃圾渗滤液的处理中。近年来随着人们对生物脱氮技术研究的深入，开发出了许多新型脱氮工艺，其中同步硝化反硝化(SND)工艺可弥补传统生物脱氮工艺能耗高、占地面积大等缺点，进一步达到节能减排的目的。而亚硝酸型SND的实现，关键在于将NH+4－N的氧化过程控制在NO－2－N阶段，使亚硝酸盐得到稳定积累，并被直接还原成氮气。研究发现，导致硝化过程中NO－2－N积累的因素很多，如温度、pH、FA、DO、氮负荷等［3］。低溶解氧条件下，氨氧化菌(AOB)对溶解氧的亲和力要比亚硝酸盐氧化菌(NOB)强，因此易发生NO－2－N的积累［4］。生产性试验结果表明，控制DO为0．5～2．5mg/L可获得稳定且持久的亚硝态氮积累［5］。高守有在填充填料的SBR反应器中发现了亚硝酸型SND现象，并通过控制DO浓度获得了54．6%的SND脱氮率［6］。此外，利用FA对AOB和NOB的选择性抑制来实现NO－2－N积累也有广泛的应用。Anthonisen通过试验发现，FA对NOB的抑制浓度为0．1～1．0mg/L，对AOB的抑制浓度为10～150mg/L。Chung在连续流反应器中维持FA为20mg/L，实现了长期稳定的NO－2－N积累［7］。Cecen发现在反应器的启动阶段，通过较高FA和pH(8．5)对NOB的抑制作用可获得NO－2－N积累。基于上述研究背景，笔者采用UASB/SBBR工艺处理垃圾渗滤液，在实现亚硝酸型SND的基础上，考察低溶解氧条件下SBBR系统的脱氮性能，同时深入分析亚硝酸型SND的形成机理。1材料与方法1.1渗滤液水质及接种污泥垃圾渗滤液取自北京六里屯垃圾填埋场，呈深黑色、粘稠、有恶臭，其pH值为7．1～8．5，COD为3000～5000mg/L，TN为1500～2600mg/L，氨氮为1000～2400mg/L，TS为15800mg/L，色度为500～750倍，臭味为4级。UASB接种的厌氧颗粒污泥取自某啤酒废水处理厂，SBBR接种的活性污泥取自实验室处理生活污水的活性污泥反应器。1.2试验装置采用UASB/SBBR组合工艺处理垃圾渗滤液，该系统由原水箱、UASB、中间水箱、SBBR顺序连接组成，试验装置如图1所示。图1UASB/SBBR工艺流程Fig．1FlowchartofUASB/SBBRbiologicalsystem原水箱由不锈钢制成，外包裹保温材料，容积为50L。水浴加热区直径为150mm，容积为10L。UASB和SBBR由有机玻璃制成，其中UASB的有效容积为3L，SBBR的有效容积为9L。由于UASB采用连续进水方式，而SBBR为间歇进水，因此在两者之间设容积为25L的中间水箱。SBBR反应器内装有海绵载体(1．5cm×1．5cm×1．5cm)，比表面积为4cm2/cm3，填料总体积为2．36L，填充比为26．2%。SBBR工艺运行程序:进水(10min)→曝气(480～720min)→静沉(240～360min)→排水(10min)。每天运行1个周期，共进行60d。由于进水氨氮浓度较高，曝气结束时仍存在大量的硝酸盐和亚硝酸盐，为防止影响下一周期的正常运行，在曝气结束时加入足量的甲醇作为碳源进行反硝化。1.3分析方法NH+4－N、NO－3－N、NO－2－N和COD采用标准方法测定，TN采用TN/TOC分析仪测定，采用WTW测定仪及相应探针监测DO、ORP和pH。2结果与分析2.1SBBR系统亚硝酸型SND的实现参照文献［8］中的方法计算SND脱氮率。图2是SBBR系统中FA浓度、亚硝态氮积累率和SND脱氮率的变化。可以看出，系统中存在明显的同步硝化反硝化现象，曝气结束时平均有25．78%的氮是通过同步硝化反硝化去除的，最高可达34．3%。同时，系统中的亚硝态氮积累率也有较大的变化。在0～16d亚硝态氮积累率＜50%，属于全程硝化阶段;在17～31d，随着运行天数的增加，亚硝态氮积累率由51．65%逐渐上升到93．01%，属于短程硝·12·．watergasheat．com王燕，等:高氨氮渗滤液的亚硝酸型同步硝化反硝化特性第27卷第1期化实现阶段;在32～60d，亚硝态氮积累率一直稳定在90%以上，属于短程硝化稳定阶段。图2SBBR系统中FA浓度、亚硝态氮积累率和SND脱氮率随时间的变化Fig．2VariationsofinitialconcentrationofFA，NARandSNDrateinSBBR影响短程硝化的因素主要有温度、污泥龄、DO、pH、FA等，但不同的研究得到的影响因素不尽相同［9］。SBBR系统在室温下运行，DO维持在2mg/L左右，不控制污泥龄和pH，而FA浓度始终在13．00～29．84mg/L范围内变化，这说明高浓度的FA对NOB的活性逐渐产生了抑制作用，进而实现并维持稳定的短程硝化。由此可见，FA是SBBR系统实现亚硝酸型SND的主要因素。图3为曝气过程中DO、ORP和pH的变化。图3曝气过程中DO、ORP和pH的变化规律Fig．3VariationsofDO，ORPandpHinSBBRduringaeration由图3可知随着反应的进行，pH不断下降并在180min时下降速度加快，这表明反应已进入硝化阶段。当反应进行到565min时pH降到最低，随后开始逐渐升高，曲线上出现了“氨谷”。该特征点的出现说明反应器中的氨氮基本被降解完，因此可作为硝化结束的重要指示参数。从图3还可以看出，此时ORP曲线已出现平台，标志着系统不再产生新的氧化态物质，即氧化态物质和还原态物质的总量不再变化，这是硝化结束的另一个特征［10］。利用上述曲线出现的特征点对SBBR系统进行过程控制，可实现对NOB的淘洗，进而促进亚硝酸型SND的实现和维持。2.2SBBR系统对氮的去除特性当溶解氧为2mg/L左右时，SBBR系统维持了稳定的NH+4－N去除率。在进水NH+4－N为93．6～232．4mg/L的情况下，出水NH+4－N为2．3～12．6mg/L，对NH+4－N的去除率可达到95%以上。同时系统对TN也有较高的去除率，在进水TN平均浓度为178．45mg/L的情况下，对TN的去除率在40．11%～76．87%范围内变化，平均去除率可达到58．95%。2.3曝气过程中的亚硝酸型SND图4为SBBR系统曝气过程中COD和氮浓度的变化。图4曝气过程中COD和氮浓度的变化Fig．4VariationsofCOD，NH+4－N，NO－2－N，NO－3－NandTNinSBBRduringaeration系统初始COD为688．5mg/L，随着反应的进行则其值不断降低，硝化结束时COD为544mg/L，这部分COD主要是难于生物降解的有机物。在降解有机物的同时，NH+4－N不断被转化为亚硝态氮和硝态氮，浓度由初始的166．92mg/L降为5．6mg/L，此时NO－3－N仅为3．98mg/L，而NO－2－N高达126．9mg/L，亚硝态氮积累率为96．9%。这表明反应器中NOB的活性受到抑制，SBBR已实现短程硝化。而TN浓度的变化进一步说明系统中存在同步硝化反硝化现象。经过12h的曝气，TN浓度由初始的186．32mg/L降为148．98mg/L，共减少了37．34mg/L，在不考虑微生物生长所需要的氮以及中间产物NO、NO2等逸出所造成的氮损失，可认为这部分氮是通过同步硝化反硝化去除的。由此可·22·第27卷第1期中国给水排水．watergasheat．com见，SBBR系统内已