基于短程硝化工艺的垃圾渗滤液脱氮处理研究进展

王茜，陈琴，曾涛涛,2*，周彬侃，王承意，王朝东

1.南华大学城市建设学院，湖南 衡阳　421001

2.南华大学污染控制与资源化技术湖南省高校重点实验室，湖南 衡阳　421001



基于短程硝化工艺的垃圾渗滤液脱氮处理研究进展

王茜1，陈琴1，曾涛涛1,2*，周彬侃1，王承意1，王朝东1

1.南华大学城市建设学院，湖南 衡阳421001

2.南华大学污染控制与资源化技术湖南省高校重点实验室，湖南 衡阳421001

摘要垃圾填埋时间达5 a以上便产生“中老龄”垃圾渗滤液，由于该类废水氨氮浓度较高，无机离子浓度高，CN较低，是目前普遍认为的难降解废水。总结了该类垃圾渗滤液的水质特点，介绍了短程硝化-反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化新型生物脱氮工艺的原理与优势，即可以在提高脱氮效率的同时显著降低运行成本。此外，对新型生物脱氮工艺应用于垃圾渗滤液脱氮处理的国内外现状进行了总结。目前，国内将其应用于“中老龄”垃圾渗滤液处理方面的研究较少，具有很大的潜力，在对处理效果、最佳运行条件和反应机理等方面都有待深入研究。

关键词垃圾渗滤液；生物脱氮；短程硝化；厌氧氨氧化

Review of Nitrogen Removal for Landfill Leachate Based on Partial Nitrification Technology

WANG Xi1, CHEN Qin1, ZENG Taotao1,2, ZHOU Binkan1, WANG Chengyi1, WANG Chaodong1

1.School of Urban Construction, University of South China, Hengyang 421001, China2.Hunan Province Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse Technology, University of South China,Hengyang 421001, China

AbstractThe stabilized landfill leachate, produced from long-term landfill process of more than 5 years, is widely recognized as the most refractory wastewater due to high concentrations of ammonia nitrogen and inorganic ions and low ratio of carbon to nitrogen (CN). The characteristics of landfill leachate were summarized, and the principles and advantages of new biological nitrogen removal technologies, such as single reactor high activity ammonia removal over nitrite (SHARON) and partial nitrification (PN)-anaerobic ammonium oxidation (anammox) processes, were introduced, which can significantly reduce the operating costs while increasing the nitrogen removal efficiency. Also the application of new technologies in landfill leachate nitrogen removal was stated based on literature review of home and abroad. At present, there are few researches on the application of new nitrogen removal technologies in the treatment of the stabilized landfill leachate, leaving great potential for further development. The treatment effect, the best operating conditions and the reaction mechanism need to be studied further.

Key wordslandfill leachate; biological nitrogen removal; partial nitrification; anaerobic ammonium oxidation

近10年来，随着我国城市化进程的不断发展，城市垃圾也以平均每年8%～10%的速度增长[1]。我国现有的城市垃圾处理技术中，卫生填埋技术是应用最广泛、最为简便的生活垃圾处理技术。然而，垃圾在填埋过程中，会产生威胁周围水源和公众健康的垃圾渗滤液，形成二次污染。其中，由于含氮有机物长时间的水解发酵导致垃圾渗滤液中氨氮和无机离子浓度较高，以及较低的CN，使得垃圾渗滤液脱氮处理成为难点。与全程硝化-反硝化工艺相比，短程硝化是将氨氮氧化成亚硝酸氮，然后进行反硝化或者厌氧氨氧化，是非常简捷的生物脱氮工艺，其具有以下优点：可节约25%左右的需氧量，降低能耗；减少约40%的有机碳源；反硝化速率可提高63%；污泥产量减少50%以上；反应器容积减少30%～40%[2]。因此，短程硝化是国内外研究生物脱氮工艺的热点。笔者综述了垃圾渗滤液成分、短程硝化工艺的优势及其在垃圾渗滤液脱氮处理中的研究进展。

1城市垃圾渗滤液的成分及特点

垃圾渗滤液(landfill leachate，LL)是在垃圾填埋过程中因厌氧分解、雨水径流等综合原因产生的二次污染物。其中，垃圾填埋时间少于5 a所产生的渗滤液属于年轻垃圾渗滤液，垃圾填埋时间在5 a以上所产生的渗滤液称为“中老龄”垃圾渗滤液。“中老龄”垃圾渗滤液有以下特点：

1)由于有机氮转化为氨氮，随着填埋时间的延长，垃圾渗滤液中的氨氮浓度增加，由年轻垃圾渗滤液的1 500～2 000 mgL变为“中老龄”垃圾渗滤液的2 000～100 000 mgL，波动范围大，垃圾渗滤液的CN极易失衡。

2)“中老龄”垃圾渗滤液中的BOD5和CODCr都较高，但BOD5CODCr低至0.05～0.2，含有大量的难生物降解的腐殖酸和富里酸，可生化性差。因此，不能单独采用生物处理技术处理垃圾渗滤液。

“中老龄”垃圾渗滤液中的有机物以腐殖质为主。高浓度的难降解物质和低浓度的VAF(挥发性脂肪酸)使得“中老龄”垃圾渗滤液的可生化性变得极差；另外，含氮有机物长时间的水解发酵使得渗滤液中氨氮浓度升高，无机离子浓度增加，CN降低，从而导致“中老龄”垃圾渗滤液很难处理。“中老龄”垃圾渗滤液的成分及其浓度变化如表1所示。

表1　“中老龄”垃圾渗滤液的成分[3]

Table 1　Characteristics of muture landfill leachate　mgL

表1　“中老龄”垃圾渗滤液的成分[3]

项目变化范围一般值1)项目变化范围一般值1)颜色黄褐色黄褐色有机酸浓度46～24600嗅觉恶臭恶臭氯化物浓度189～3262pp.7～8.56总铁浓度50～60060总残渣浓度2356～35703Ca2+浓度200～3001000总硬度浓度3000～100003500Mg2+浓度50～1500250CODCr1200～4500018000Pb浓度0.1～2.0BOD5200～3000010000硝酸盐浓度5～4025TOC浓度1500～200006000Cr浓度0.01～2.61500氨氮浓度20～7400200K+浓度200～2000300TP浓度1～7030Na+浓度200～200050SS浓度200～1000500有机氮浓度10～600200

1)特指生活污水中的相应指标。

由表1可知，“中老龄”垃圾渗滤液成分的主要特点为：1)有机物浓度高，渗滤液的BOD5最高可达30 000 mgL，远远高于城市污水中的浓度；2)水质复杂且变化范围大，包含很多有毒有害的有机物；3)氨氮浓度高，垃圾渗滤液的处理难度大；4)营养元素比例不协调，如磷元素的缺乏与不足[1,4-5]；5)渗滤液中重金属种类众多，主要包括铁、锌、镉、铬、汞、锰、铅和镍等[6]，这些重金属会严重抑制微生物的生长与繁殖。

2新型生物脱氮工艺

2.1短程硝化-反硝化工艺

(1)

(2)

对比传统的硝化-反硝化工艺，新型的短程硝化-反硝化工艺可减少25%的DO和40%的有机物消耗量，同时减少50%的污泥量[7]。短程硝化作为新型生物脱氮工艺，凭借着投资经济性和技术可行性，在污水处理方面具有极大的潜力。

2.2短程硝化-厌氧氨氧化工艺

(3)

对比传统的硝化-反硝化工艺，短程硝化-厌氧氨氧化工艺可减少62.5%的DO，无需投加有机物，污泥产量极低，减少温室气体排放等优势。因此，该工艺也成为垃圾渗滤液生物脱氮处理的研究热点。

3短程硝化工艺处理垃圾渗滤液的研究进展

3.1短程硝化-反硝化工艺

周海妙等[8]采用序批式反应器(SBR)短程硝化系统，对晚期的垃圾渗滤液进行处理，控制反应器中的DO浓度为1.0～1.2 mgL，水力停留时间为24 h，温度约为35 ℃，pH为7.5～8.5。当进水COD从100 mgL递增到400 mgL时，亚硝酸氮积累率达94%，对COD的平均去除率达35.2%；当进水COD为500 mgL时，对氨氮的去除率达55.2%。张绍青等[9]采用SBR短程硝化系统处理垃圾渗滤液，控制温度约为28 ℃，pH为7.9～8.2，保持进水COD为900～1 000 mgL，考察DO对短程硝化-反硝化工艺的影响。结果表明：系统的最佳曝气量为120 Lh，此时对氨氮的去除率为96.9%，亚硝酸氮积累率为97.2%。杨学志等[10]采用SBR短程硝化系统对晚期垃圾渗滤液进行处理。结果表明：DO浓度为0.2～0.5 mgL时，短程硝化效率较高；反应17 h后，亚硝酸氮与氨氮质量比为1.05∶1，氨氮负荷达到1.5 kg(kg·d)，出水水质能满足后期厌氧氨氧化处理的要求。

在SBR短程硝化系统中，反应最佳温度约为28 ℃，pH控制在8左右，保持进水COD为900～1 000 mgL，对氨氮的去除率可达96.9%。当COD小于600 mgL时，有机物浓度低，不利于氨氮和亚硝酸氮的处理。当COD为600 mgL以上时，由于氨氧化菌转化能力增强，增加了对氨氮的摄取量，出水氨氮浓度急剧下降。另外，还要控制DO浓度，当曝气量过低时，硝化细菌的活性很低，抑制了氨氮的降解作用；曝气量为120 Lh时最佳，此时亚硝酸氮的积累率可达97.2%；如果将曝气量继续增加，便会积累过多的亚硝酸氮。

田发新等[11]采用间歇式反应器(batch reactor，BR)研究了短程硝化-反硝化工艺处理晚期垃圾渗滤液的特性。试验发现：在进水氨氮浓度约为0.27 gL，温度约为27 ℃，pH控制在7.5，DO浓度控制在1 mgL时，硝化效果较好；温度控制在25 ℃以上时，反应器处理效果均较好。夏俊方[5]采用前置反硝化AO工艺系统处理垃圾渗滤液，进行了低CN垃圾渗滤液的短程硝化-反硝化工艺脱氮的影响因素研究，结果表明：实现短程硝化-反硝化的最适DO浓度为0.8～1.0 mgL。

章磊[6]采用AO-MBR和单级SBR处理垃圾渗滤液，结果表明：短程硝化-反硝化在AO-MBR系统内较难成功实现；单级SBR可以很好地实现亚硝酸硝化，出水氨氮浓度稳定，进水氨氮浓度约为480 mgL，氨氮的平均去除率高达90%。

孙洪伟等[2]采用单级UASB-SBR生化系统处理垃圾渗滤液，结果表明：COD，氨氮和TN的去除率分别为92.0%，99.2%和98.0%，实现了渗滤系统对渗滤液内有机物和氮的深度去除。

当采用SBR时，应控制反应温度在25 ℃以上，若温度下降，亚硝酸菌和反硝化菌活性降低，氨氧化速率和亚硝酸氮降解速率下降较快；当采用前置反硝化AO工艺系统时，DO浓度为0.8～1.0 mgL时，氨氮去除率较高，保持了稳定的亚硝酸氮积累，说明控制DO是实现稳定短程硝化的有效方法；当采用单级UASB-SBR生化系统时，对于有机物和氮的去除效果较好，同时体现了该生化系统短程生物脱氮的长期稳定性。

综上，短程硝化-反硝化工艺处理垃圾渗滤液，确定运行条件(反应温度与DO浓度)是实现稳定短程硝化的关键。

刘牡等[12]采用两级USBR工艺系统处理不同有机负荷浓度的垃圾渗滤液，创造有利于厌氧硝化的温度、pH、碱度和VFA浓度等条件，在较短的时间内使得两级USBR工艺系统内颗粒污泥的SS、VSS、VSSSS、沉降速率和平均粒径等指标呈阶段性增加，生物活性可以迅速恢复。Vilar等[13]采用光催化氧化和硝化-反硝化工艺联合处理垃圾渗滤液的小试中发现，光催化氧化工艺对垃圾渗滤液的处理非常有效，可提高垃圾渗滤液的可生化性，可以作为后续硝化-反硝化的预处理工艺；在研究微生物降解能力测试中发现，57%的垃圾渗滤液得到矿化，57%的多酚类物质和芳香类物质得到去除。Alessandro等[14]采用短程硝化-反硝化工艺进行“老龄”垃圾渗滤液处理，经过生物驯化，成功实现垃圾渗滤液的短程硝化启动；由于碱度有限，脱氮效率为50%～70%；水力停留时间为4～5 d时，可获得稳定短程硝化，较长的水力停留时间，使得垃圾渗滤液中游离氨浓度提高，严重抑制亚硝酸盐氧化细菌的生长。

综上，目前短程硝化-反硝化工艺在垃圾渗滤液脱氮处理中应用较多，主要采用SBR进行处理，通过控制DO浓度，将氨氮氧化成亚硝酸氮后直接进行反硝化，完成垃圾渗滤液的脱氮处理，避免传统过程将氨氮氧化成硝酸盐氮才进行反硝化。该工艺具有脱氮效率高、COD去除率高以及节省能耗等特点。

3.2短程硝化-厌氧氨氧化工艺

王凯等[15]采用SBR进行短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理晚期垃圾渗滤液，结果表明：渗滤液中难降解的COD未对厌氧氨氧化菌产生抑制作用，系统的总氮容积去除负荷为0.76 kg(m3·d)；在不添加任何碳源的条件下，总氮去除率达90%以上。苗蕾等[16]采用短程硝化SBR联合厌氧氨氧化SBR(ASBR)两级系统处理氨氮浓度为(2 000±100)mgL、COD为(2 200±200)mgL的晚期垃圾渗滤液，短程硝化SBR运行了100 d，亚硝酸氮积累率达95%，当ASBR进水可降解COD降到约50 mgL时，厌氧氨氧化菌活性可较好地保持，厌氧氨氧化菌占全部细菌的最大比例为1.94%。

何晓红等[17]控制试验条件，使pH为7.5～8.5，DO浓度为0.5～2.0 mgL，温度为(30±1)℃，发现氨氧化负荷和COD负荷最高可分别达1.366和2.572 kg(m3·d)，氨氮去除率达95%以上，COD去除率为57.7%～77.1%，且通过PCR-DGGE揭示了亚硝化单细胞菌Z9是主要功能菌。杨学志等[10]的试验表明：在DO浓度为0.2～0.5 mgL、温度为(28±2)℃的条件下，短程硝化效率较优，且通过DGGE的显示结果得出，随着DO浓度的升高，SBR内微生物群落结构的多样性有所升高，但DO浓度对微生物群落结构影响有限。

采用短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液时，难降解的COD未对厌氧氨氧化菌产生抑制作用，厌氧氨氧化菌活性可较好地保持。因此，比起短程硝化-反硝化工艺，COD的去除率得到明显提高。由于微生物群落结构多样性以及相似度变化受到DO的影响有限，使得好氧细菌在微好氧条件下对DO的变化不敏感。但微生物群落结构的变化不足以解释其中氨氮的转化，对SBR中的硝化细菌群落结构的影响有待深入研究。若不能很好控制游离氮(FA)和游离亚硝酸盐(FNA)对亚硝化细菌和硝化细菌的抑制作用，会导致进水氨氮浓度对短程硝化的效能不达标，更加有效地控制FA和FNA对亚硝化细菌和硝化细菌的抑制作用是亟待解决的问题，尤其是FA和FNA对硝化细菌的抑制作用。

Lan等[18]在SBR内同时进行短程硝化-厌氧氨氧化脱氮处理，在9 d水力停留时间条件下，约96%的氨与87%的COD可被去除。Akgul等[19]用UASB-MBR-SHARON-Anammox工艺处理垃圾渗滤液，研究发现COD和TKN的去除率均大于90%，可生物降解的有机物去除率达99%，BOD5超过8 000 mgL的垃圾渗滤液，经该工艺处理后降低到50 mgL。

综上表明，短程硝化-厌氧氨氧化工艺已应用到垃圾渗滤液的脱氮处理中，反应器以SBR为主。对其运行条件及反应器内的功能微生物进行的相关研究表明：该工艺的关键在于短程硝化的稳定控制，即出水氨氮亚硝酸氮的比例能够满足厌氧氨氧化反应所需，且垃圾渗滤液中的有机物不对厌氧氨氧化菌产生抑制作用。虽然目前的研究已取得一定进展，但该工艺的稳定性有待进一步提高。

表2对比分析了硝化-反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺的脱氮过程。

表2　厌氧氨氧化工艺与硝化-反硝化工艺脱氮对比[20]

由表2可知，厌氧氨氧化工艺脱氮比传统的全程硝化-反硝化工艺节省约60%的供氧量和100%的外加碳源，减少污泥产量70%～80%，无需控制pH，且厌氧氨氧化工艺的氮素转化速率较高，反应器和沉淀池的数量及尺寸也较小。

4小结

(2)目前大多都采用SBR对垃圾渗滤液进行处理，但针对其局限性，可将SBR与其他新型生物脱氮工艺(短程硝化-反硝化工艺或短程硝化-厌氧氨氧化工艺)有机地结合起来，才能更有效地发挥SBR的特点，达到处理垃圾渗滤液的预期效果。

(3)无论从处理效率、基建投资、运行费用等方面，短程硝化-厌氧氨氧化工艺均优于传统硝化-反硝化工艺。因此，短程硝化-厌氧氨氧化工艺在垃圾渗滤液生物脱氮领域中具有非常好的应用前景，未来有可能形成以厌氧氨氧化单元为脱氮工艺为核心的污水再生全流程。

建立节能、高效的城市污水再生全流程是今后实现污水再生回用的必然趋势。短程硝化-厌氧氨氧化作为一种新的节能、高效生物脱氮工艺，相对传统的硝化-反硝化工艺具有供氧量低、无需外加碳源、低污泥产量等优点，将完全自养脱氮的Canon工艺与传统的AO除磷二级处理工艺组合成新的全流程用于处理城市污水，可实现80%以上的自养脱氮效率，TN去除速率可达0.2 kg(m3·d)。由于其脱氮效果稳定，又无需外加碳源，在未来的污水生物脱氮领域具有非常广阔的应用前景。

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中图分类号:X703.1

文章编号:1674-991X(2016)02-0127-06

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.019

作者简介:王茜(1996—)，女，13272218460@163.com*责任作者:曾涛涛(1985—)，男，博士，主要从事污水生物处理、重金属污染控制等研究，biowater@126.com

基金项目:国家自然科学基金项目(51408293)；南华大学2014—2015年度大学生科研课题

收稿日期:2015-07-15

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