技术垃圾焚烧渗沥液脱氮处理工艺

技术|垃圾焚烧渗沥液脱氮处理工艺城市生活垃圾在垃圾焚烧厂的堆酵过程中会产生大量的垃圾焚烧渗沥液,针对其COD、氨氮浓度高的水质特点,主要采用“厌氧+好氧”生化组合工艺进行处理。其中,厌氧生化阶段主要用于有机物的去除,此阶段有机氮被降解,厌氧出水中氨氮浓度会进一步升高,需在好氧生化阶段进行脱氮处理,而在脱氮过程中会有温室气体N2O产生。因此,在污水处理工艺中需要调控工艺参数来控制N2O的排放。N2O在生物脱氮工艺中的好氧硝化和缺氧反硝化过程均有产生。在好氧硝化过程,氨氧化过程中不稳定中间产物NOH的降解及其降解产生的NO的还原过程会产生N2O,氨氧化菌(AOB)对亚硝酸盐(NO2--N)的还原过程也会产生N2O;在缺氧反硝化过程,溶解氧过高,碳氮比过低等导致氧化亚氮还原酶(Nos)活性降低的运行条件会使反硝化产物停留在N2O。KISHIDA等研究了SBR反应器在处理养猪废水过程中C/N对N2O排放的影响,发现BOD5/TN为2.6时反应器中N2O的释放量是BOD5/TN为4.5时的270倍;PAN等研究了SBR反应器在处理人工配水过程中pH对N2O产生和排放的影响,发现当pH为6.0时SBR反应器中N2O的积累量最高,当pH为7~9时SBR反应器中几乎没有N2O的积累;郭慧雯等研究了A/O反应器在生活污水处理过程中DO浓度、SRT和硝化液回流比(R)等3个工艺参数对N2O产生的影响,发现好氧处理单元DO浓度为1.2mg·L-1、SRT为20d和R为300%时A/O反应器中N2O的释放量最少;张婷婷等研究了A/OSBR反应器在处理人工配水过程中温度对N2O排放的影响,发现在一定温度范围内(10~35℃),N2O的释放量随温度升高而降低。由此表明,废水脱氮系统中进水COD/N、pH、温度和回流比等参数是影响N2O释放的重要参数。1、材料和方法1.1实验装置和运行实验采用A/OMBBR工艺处理经EGSB反应器处理后的垃圾焚烧渗沥液,实验装置如图1所示。实验装置由缺氧反硝化池(A-MBBR)和好氧硝化池(O-MBBR)组成,池体由有机玻璃制成,内径为0.1m,高为0.3m,有效容积为2L。A-MBBR和OMBBR均设有温控仪、曝气装置、液体采样口和气体采样口,采用曝气泵控制进气流速,气体流量计测定产气流速,并用铝箔塑料气袋(大连德霖气体包装有限公司)收集产气。池体中所选用的填料为混有无机活性粒子的聚乙烯塑料,外形为空心圆柱体,内部带有支架,表观填充比为50%。以北京市高碑店污水处理厂二沉池污泥作为种泥,在A-MBBR和O-MBBR中分别接种污泥浓度MLSS为1500mg·L-1的污泥,进水为乙酸钠+稀释的经EGSB处理后的垃圾焚烧渗沥液厌氧出水(COD/N=5.5),控制DO3~5mg·L-1,pH8.0~8.5,回流比300%,温度30~32℃,水力停留时间2d,梯度提升进水氨氮负荷(NH4+-N浓度从100mg·L-1提升至300mg·L-1),采用连续流的运行方式启动反应器。A/OMBBR启动成功后,分别调节进水COD/N(5.5、4.2、3.5、2.8)、pH(6.5、7.5、8.5、9.5)、温度(25、32和38℃)和回流比(200%、300%和400%),采用连续流的运行方式研究脱氮过程中N2O释放量的变化情况。反硝化系统中游离亚硝酸(FNA)的浓度会影响Nos的活性。游离亚硝酸浓度计算公式为:式中:ρ(FNA)是FNA浓度,mg·L-1;T为温度,℃。硝化系统中游离氨(FA)的浓度会影响亚硝酸盐氧化菌(NOB)和AOB的活性。游离氨浓度的计算公式为:式中:ρ(FA)是FA浓度,mg·L-1;T为温度,℃。1.2实验用水实验用水为垃圾焚烧渗沥液经EGSB处理后的厌氧出水,水质特征见表1。表1垃圾焚烧渗滤液水质特征1.3水质指标的测试方法COD的测定采用高温消解快速测定法;NH4+-N的测定采用纳氏试剂比色法;NO3--N的测定采用紫外分光光度法;NO2--N的测定采用可见分光光度法;TN的测定采用高温消解紫外分光光度法;DO的测定采用Multi3420便携溶氧测定仪(德国WTW公司);pH的测定采用Multi3420便携pH计(德国WTW公司)。1.4N2O气体分析A/OMBBR在运行期间连续曝气,通过曝气泵控制进气流速,通过气体流量计测定出气口产气流速,并用铝箔塑料气袋集气,按日取样并测定。采用Agilent7890A气相色谱仪测定采集的气样,所用色谱柱为HP-5毛细柱(30m×320μm内径×0.25μm膜厚),所用色谱条件为:进样口100℃;炉温60℃;EDC检测器300℃。2、结果与讨论2.1A/OMBBR反应系统的启动采用经EGSB处理后的垃圾焚烧渗沥液厌氧出水为A/OMBBR反应器的进水(COD/N=5.5),通过连续流进水逐渐排出系统中的污泥,并梯度提升反应器进水氨氮负荷(NH4+-N浓度从100mg·L-1提升至300mg·L-1),大约运行10d后,系统内的泥已全部排出,运行40d后,系统对NH4+-N的转化率稳定在99%、对TN的去除率稳定在75%左右,反应器启动成功,以此进水氨氮浓度进行后续实验。2.2COD/N对脱氮系统N2O释放量的影响控制进水COD/N,研究A/OMBBR系统对N2O释放的影响,结果如图2所示。由图2可知,COD/N的降低会导致A-MBBR中N2O释放量的升高,而O-MBBR中N2O的释放量在一定范围内波动,没有明显变化趋势。其原因被认为是COD在反硝化过程中作为电子供体,当COD不足时,各类反硝化作用酶(硝酸盐还原酶,亚硝酸盐还原酶,NO还原酶,氧化亚氮还原酶)会竞争有限的电子,而Nos的电子竞争力最弱,当COD/N过低,Nos对COD提供的电子的利用率降低,N2O无法被彻底还原,释放量升高。同时,COD/N的降低会导致TN去除率和NH4+-N转化率的降低,但COD的去除率始终维持在90%左右。这是因为COD不足,导致反硝化速率下降,TN去除率下降,无法为硝化过程提供充足的碱度,NH4+-N转化率下降。从保证N2O低排放和高脱氮效率的角度出发,A/OMBBR脱氮系统应控制COD/N不低于4.2。王淑莹等利用SBR反应器研究COD/N对全程和短程反硝化脱氮过程中N2O产量的影响时发现,全程和短程反硝化COD/N分别为6.01和4.13时,NO3--N和NO2--N完全被还原,反硝化过程中几乎没有N2O产生。巩有奎等利用SBR反应器研究进水COD/N对短程反硝化过程中N2O释放的影响时发现,低COD/N条件下,NO2--N还原酶会和N2O还原酶竞争内碳源电子供体,导致N2O的积累。由于选用工艺和处理水质的不同,实验所得的最佳COD/N值有所差异。2.3pH对脱氮系统N2O释放量的影响控制进水pH,研究A/OMBBR系统对N2O释放的影响,结果如图3所示。由图3可知,pH改变会导致N2O释放量的改变。当pH=8.5时,A-MBBR和O-MBBR中N2O的释放量都较低。当pH升高到9.5时,A-MBBR和OMBBR中N2O的释放量均升高。系统中FNA的浓度为0.0007~0.001mg·L-1时会对Nos产生抑制,使Nos的活性降低[18]。FA对NOB的抑制浓度为0.1~1.0mg·L-1,对AOB的抑制浓度为10~150mg·L-1,NOB比AOB属更易受FA的抑制。当pH=9.5时,A-MBBR内FNA的浓度约为0.0009mg·L-1,Nos活性降低,还原N2O的速率降低,AMBBR中N2O的释放量升高;O-MBBR内FA的浓度约为3.8mg·L-1,对NOB产生了抑制,AOB生成NO2--N的速率几乎不变,NOB氧化NO2--N的速率降低,NO2--N浓度升高,促使AOB合成亚硝酸盐还原酶,将NO2--N还原为N2O,O-MBBR中N2O的释放量升高。当pH从8.5降低到7.5时,O-MBBR中N2O的释放量升高,A-MBBR中N2O的释放量变化不大。当pH=7.5时,O-MBBR内FA的浓度约为13.8mg·L-1,FA对NOB产生抑制,对AOB产生抑制但作用很小,AOB生成NO2--N的速率几乎不变,NOB氧化NO2--N的速率降低,NO2--N浓度升高,促使AOB合成亚硝酸盐还原酶,将NO2--N还原为N2O,N2O的释放量升高。当pH进一步降低为6.5时,A-MBBR和O-MBBR中N2O的释放量降低。这是因为pH过低,硝化作用酶和反硝化作用酶的活性降低,硝化速率和反硝化速率降低,系统整体运行效率降低,N2O的释放量降低。朱萍萍等利用SBR反应器研究pH值对N2O产生的影响时发现,当pH值等于7时,反硝化过程中N2O的产生量明显比pH值为8和9时要大。当pH为8时硝化过程中N2O的产生量最小。黎秋华等利用SBR反应器研究pH值对硝化过程N2O产生的影响时发现了当系统的pH值达到9时,N2O的排放量达到最大。本实验在pH为8时,硝化过程和反硝化过程中N2O的释放量最小,分析原因可能为选用的工艺和处理的水质不同,实验所得的最佳pH值有所差异。同时,pH降低会导致NH4+-N转化率和TN去除率降低。这是因为硝化过程需要充足的碱度,pH低会消耗系统中的碱度,不利于硝化反应的进行,NH4+-N转化率下降,无法为反硝化过程提供充足的底物,TN去除率下降。从保证N2O低排放和高脱氮效率的角度出发,A/OMBBR脱氮系统应控制pH在8.5左右。2.4温度对脱氮系统中N2O释放的影响控制温度,研究A/OMBBR系统对N2O释放的影响,结果如图4所示。由图4可知,温度对A-MBBR和O-MBBR中N2O释放量的影响较小。温度升高,NH4+-N转化率和TN去除率略有升高。这是因为在20~40℃范围内,温度越高,硝化作用酶和反硝化作用酶的活性越高,硝化速率和反硝化速率越高,NH4+-N转化率和TN去除率越高。从保证N2O低排放和高脱氮效率的角度出发,A/OMBBR脱氮系统应控制温度在32℃左右。2.5回流比对脱氮系统中N2O释放的影响控制回流比,研究A/OMBBR系统对N2O释放的影响,结果如图5所示。由图5可知,当回流比升高到400%时,O-MBBR中N2O的释放量升高,A-MBBR中N2O的释放量没有明显变化。当回流比从300%为400%时,OMBBR出水中NO2--N浓度由0.7mg·L-1升高到30.8mg·L-1,NO2--N浓度升高导致AOB合成亚硝酸还原酶的速率升高,反硝化速率升高,N2O的释放量升高。Tallec等发现AOB的活性受NO2--N浓度的影响,当水中的NO2--N浓度由10mg·L-1增至20mg·L-1时,硝化过程中N2O排放量能增加4~8倍。同时,回流比升高,NH4+-N转化率一直维持在99%左右,TN去除率先升高后降低。当回流比升高到400%时,回流到A-MBBR中的硝态氮负荷升高,导致进水的COD/N较低,COD不足导致反硝化不彻底;而且,回流液携带的DO破坏了反硝化的缺氧环境,反硝化速率下降,TN去除率下降。从保证N2O低排放和高脱氮效率的角度出发,A/OMBBR脱氮系统应控制回流比为300%。3、结论1)COD/N是影响反硝化过程中N2O释放量的重要参数之一。COD/N降低导致A-MBBR中N2O的释放量升高,TN的去除率和NH4+-N的转化率降低。控制COD/N不低于4.2,A/OMBBR系统N2O释放量较低,脱氮效率较高。2)pH从8.5升高到9.5或降低到7.5都会导致N2O释放量的升高,TN去除率和NH4+-N转化率的降低,垃圾焚烧沥滤液厌氧出水pH值范围为8.0~8.3,不需要调节。3)回流比主要对硝化过程中N2O的释放量产生影响。回流比升高到400%,会导致O-MBBR中N2O的释放量升高,A/OMBBR系统中TN去除率和NH4+-N转化率降低。回流比R=300%时,A/OMBBR运行状态良好。