老齡垃圾滲濾液脫氮處理PN/A工藝

老齡垃圾滲濾液的氨氮濃度高、可生化性差，是一種典型的低C/N值廢水。某垃圾填埋場采用硝化-反硝化工藝對老齡滲濾液進(jìn)行一級處理，實(shí)現(xiàn)氨氮和總氮的大幅削減后再進(jìn)行深度處理，但該工藝在硝化階段曝氣能耗高，且反硝化階段需要投加大量的有機(jī)碳源，同時產(chǎn)生的剩余生化污泥還需要進(jìn)行后續(xù)處理，這些問題導(dǎo)致運(yùn)行成本居高不下。相比于硝化-反硝化工藝，部分亞硝化/厭氧氨氧化（PN/A）工藝的曝氣能耗可降低62.5%，且無需外加有機(jī)碳源，污泥產(chǎn)量低，可使處理成本大幅降低。然而，老齡垃圾滲濾液通常含有少量有機(jī)物，為避免其對PN/A工藝脫氮產(chǎn)生不利影響，往往需要在PN/A工藝前設(shè)置去除有機(jī)物的預(yù)處理工藝。筆者構(gòu)建了前置亞硝化反硝化聯(lián)合PN/A工藝中試系統(tǒng)，以驗(yàn)證PN/A工藝用于典型老齡垃圾滲濾液脫氮處理的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)可行性，旨在為該工藝在垃圾填埋場滲濾液脫氮處理工程中的應(yīng)用提供參考。

1、中試項(xiàng)目概況

1.1 中試工藝流程

為避免進(jìn)水中過量的有機(jī)物對厭氧氨氧化菌活性造成不利影響，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了中試規(guī)模的前置亞硝化反硝化-PN/A脫氮系統(tǒng)，對某垃圾填埋場老齡垃圾滲濾液進(jìn)行脫氮處理。該中試系統(tǒng)包含前置亞硝化反硝化設(shè)備（前處理單元）和PN/A設(shè)備（后處理單元），兩個處理設(shè)備均為成套集裝箱形式，具體工藝流程見圖1。

老齡垃圾滲濾液與亞硝化處理出水按一定比例混合后進(jìn)入前置反硝化反應(yīng)器，反硝化細(xì)菌以滲濾液中的可生化有機(jī)物為碳源、以亞硝化出水中的亞硝態(tài)氮與硝態(tài)氮為氮源進(jìn)行反硝化作用，達(dá)到去除進(jìn)水中的可生化有機(jī)物并避免有機(jī)物影響后續(xù)厭氧氨氧化工藝的雙重目的。前置反硝化反應(yīng)器處理出水分為兩路，一路進(jìn)入亞硝化反應(yīng)器，另一路進(jìn)入沉淀池，通過泥水分離去除反硝化出水中的污泥，沉淀池上清液流入PN/A設(shè)備。PN/A設(shè)備中有亞硝化反應(yīng)器和厭氧氨氧化反應(yīng)器。廢水先進(jìn)入亞硝化反應(yīng)器，在氨氧化細(xì)菌的作用下將其中55%左右的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮；再進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器，在厭氧氨氧化細(xì)菌的作用下將滲濾液中的亞硝態(tài)氮與剩余的氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂蜕倭肯鯌B(tài)氮，完成對滲濾液的脫氮處理。最終出水一路通過外回流進(jìn)入亞硝化反應(yīng)器，可避免高氨氮對亞硝化過程的影響，同時可將厭氧氨氧化過程產(chǎn)生的硝態(tài)氮進(jìn)一步脫除；另一路排入廠區(qū)深度處理系統(tǒng)。

1.2 中試設(shè)備參數(shù)及設(shè)計(jì)水質(zhì)

該中試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)氨氮去除能力為15kg/d，設(shè)備有效體積為45m3（前置亞硝化反硝化設(shè)備為15m3，PN/A設(shè)備為30m3），兩個設(shè)備尺寸均為6m×3m×3m，其中，前置亞硝化反硝化設(shè)備包括亞硝化反應(yīng)器（8m3）、前置反硝化反應(yīng)器（5m3）、沉淀池（2m3）及設(shè)備房（15m3）；PN/A設(shè)備通過中間隔板分為亞硝化反應(yīng)器（15m3）與厭氧氨氧化反應(yīng)器（15m3），僅有一處連通，控制亞硝化反應(yīng)器內(nèi)與厭氧氨氧化反應(yīng)器較近區(qū)域低曝氣量，使得滲濾液進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器時基本不含DO。所有反應(yīng)器均采用聚氨酯類填料作為生物膜載體。亞硝化、前置反硝化和PN/A反應(yīng)器的HRT分別為10h、5h、3d。

前置亞硝化反硝化設(shè)備中的亞硝化反應(yīng)器主要通過游離氨控制亞硝化效果，為反硝化反應(yīng)器提供適量的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮作為反應(yīng)基質(zhì)，并通過反硝化出水仍然含有少量亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮判斷反硝化脫氮負(fù)荷充足情況，來反映滲濾液中的可生化COD完全去除程度。PN/A脫氮設(shè)備中的亞硝化反應(yīng)器主要通過控制溶解氧<1.0mg/L來控制亞硝化效果，為厭氧氨氧化過程提供合適比例的氨氮和亞硝態(tài)氮，而亞硝化反應(yīng)器與厭氧氨氧化反應(yīng)器連通區(qū)域維持低曝氣量，控制溶解氧不超過0.2mg/L，使得滲濾液進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器時基本不含有溶解氧，保證厭氧氨氧化反應(yīng)器的正常運(yùn)行。

設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如下：COD為3000~3500mg/L、氨氮為3000~3300mg/L、總氮為3100~3500mg/L、pH為7~8.5，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)如下：COD為1000~1500mg/L、氨氮≤200mg/L、總氮≤350mg/L、pH為7~8。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N、TN：紫外分光光度法；COD：重鉻酸鉀滴定法；pH：便攜式pH計(jì)；溶解氧：哈希HQ-30d便攜式溶氧儀。

2、結(jié)果與分析

2.1 調(diào)試階段

調(diào)試階段主要分為兩個過程，即啟動過程和負(fù)荷提升過程。在啟動過程中，將滲濾液與自來水混合后間歇泵入中試系統(tǒng)內(nèi)，同時啟動前置亞硝化反硝化設(shè)備與PN/A設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)對氨氮的去除率>80%時視作啟動成功。在負(fù)荷提升過程中，通過各反應(yīng)器出水水質(zhì)變化情況調(diào)整進(jìn)水量與曝氣量，不斷提高進(jìn)水氨氮負(fù)荷，以匹配各反應(yīng)器內(nèi)微生物生長所帶來的氨氮去除能力的提升。整個調(diào)試階段各反應(yīng)器的運(yùn)行效果如圖2所示?？梢钥闯觯瑑H運(yùn)行2d的系統(tǒng)就已經(jīng)具有5kg/d的氨氮去除能力，主要原因：①系統(tǒng)接種的反硝化與硝化污泥取自該填埋場長期運(yùn)營的A/O反應(yīng)池，污泥中的微生物仍保持著一定活性，且能很快地適應(yīng)所處理滲濾液的水質(zhì)條件；②在厭氧氨氧化反應(yīng)器投加厭氧氨氧化污泥，并投加堿和微量元素為厭氧氨氧化細(xì)菌提供所需的營養(yǎng)元素，提高其活性。

第2~16天，厭氧氨氧化系統(tǒng)的氨氮去除能力處于快速提升狀態(tài)，并且氨氮去除能力在第12天時就已經(jīng)達(dá)到15kg/d。第17~19天，由于項(xiàng)目現(xiàn)場施工需要降低滲濾液處理量，因此將中試系統(tǒng)進(jìn)水氨氮負(fù)荷逐漸降低至5.7kg/d；第20天直接將進(jìn)水氨氮負(fù)荷提高至14.5kg/d，后續(xù)持續(xù)穩(wěn)定在15kg/d。從以上過程可以看出，控制穩(wěn)定的進(jìn)水氮負(fù)荷，結(jié)合投加堿和微量元素，可為厭氧氨氧化細(xì)菌提供適量營養(yǎng)元素，能使厭氧氨氧化細(xì)菌快速生長和繁殖，使得反應(yīng)器的脫氮能力快速提升；在進(jìn)水氨氮負(fù)荷大幅調(diào)整時，反應(yīng)器仍然保持良好的運(yùn)行狀況，表明該系統(tǒng)具有較高的抗負(fù)荷沖擊能力。

整個調(diào)試階段中試系統(tǒng)的進(jìn)水氨氮平均濃度為2737mg/L、出水氨氮平均濃度為150mg/L，氨氮平均去除率達(dá)到94.5%，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的高效脫氮性能；通過控制反硝化反應(yīng)器的進(jìn)出水亞硝態(tài)氮與硝態(tài)氮濃度，使得滲濾液中的可生化有機(jī)物在反硝化反應(yīng)器中基本被完全去除，整個中試系統(tǒng)對滲濾液中COD的去除率達(dá)到67.9%，通過計(jì)算得出反硝化反應(yīng)器的COD去除貢獻(xiàn)率達(dá)到89.0%，實(shí)現(xiàn)了有效去除滲濾液中的可生化有機(jī)物以避免其對后續(xù)厭氧氨氧化細(xì)菌造成不利影響的目的，為該脫氮系統(tǒng)的快速啟動提供了保障。

2.2 穩(wěn)定運(yùn)行階段

中試系統(tǒng)從第24天進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，通過調(diào)控相關(guān)參數(shù)將系統(tǒng)的氨氮進(jìn)水量和處理量均控制在15kg/d以上，觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況并評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖3。

在穩(wěn)定運(yùn)行階段的20d內(nèi)，中試系統(tǒng)的進(jìn)水氨氮濃度范圍為1930~3374mg/L（平均濃度為2632mg/L），出水氨氮濃度范圍為51~222mg/L（平均濃度為128mg/L），氨氮平均去除率為95.1%；出水總氮濃度范圍為62~228mg/L（平均濃度為151mg/L），總氮平均去除率為94.3%；每天氨氮去除量均達(dá)到15kg以上，氨氮平均去除量為15.8kg/d，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。同時，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化反應(yīng)器的總氮平均去除貢獻(xiàn)率達(dá)到89.7%，而反硝化反應(yīng)器的總氮平均去除貢獻(xiàn)率為10.3%，表明本系統(tǒng)主要依靠厭氧氨氧化過程實(shí)現(xiàn)對滲濾液的脫氮處理，成功實(shí)現(xiàn)在無額外碳源投加條件下去除老齡垃圾滲濾液中絕大部分氮污染物的目的。

2.3 成本核算

中試系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要包括化學(xué)藥劑（堿度與微量元素等）消耗及電耗費(fèi)用。取穩(wěn)定運(yùn)行階段的20d進(jìn)行成本核算，具體如表1所示。各項(xiàng)費(fèi)用合計(jì)2940.8元，系統(tǒng)對老齡垃圾滲濾液中NH4+-N的實(shí)際去除量為316kg（以N質(zhì)量計(jì)），則系統(tǒng)處理老齡垃圾滲濾液的費(fèi)用（以去除氨氮計(jì)）為9.3元/kg，相比于廠區(qū)目前使用的硝化-反硝化工藝（成本為36.3元/kg）可節(jié)省74.4%的運(yùn)行成本，具有顯著的節(jié)能降耗效益。

3、結(jié)論

①本研究構(gòu)建了中試規(guī)模的前置亞硝化反硝化-PN/A工藝，用于某典型老齡垃圾滲濾液的脫氮處理，僅耗時23d就成功啟動，并達(dá)到設(shè)計(jì)氨氮處理量（15kg/d）。

②前置亞硝化反硝化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對可生化有機(jī)物的大幅去除，有效避免了有機(jī)物對后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)器的不利影響，有助于PN/A工藝的快速啟動與穩(wěn)定運(yùn)行。

③中試系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，對老齡垃圾滲濾液的氨氮、總氮平均去除率分別可以達(dá)到95.1%和94.3%。

④中試系統(tǒng)工藝適用于老齡垃圾滲濾液的高效節(jié)能脫氮，處理成本（以去除NH4+-N計(jì)）僅為9.3元/kg，相比傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝可以節(jié)約74.4%的運(yùn)行成本。（來源：武漢環(huán)投固廢運(yùn)營有限公司，華南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院）