垃圾渗滤液短程硝化反硝化脱氮工艺的研究

胡君杰，夏俊方，方小琴，周耀水

（上海晶宇环境工程股份有限公司，上海200434）

垃圾渗滤液短程硝化反硝化脱氮工艺的研究

胡君杰，夏俊方，方小琴，周耀水

（上海晶宇环境工程股份有限公司，上海200434）

采用A/O-MBR工艺对填埋场垃圾渗滤液进行了短程硝化反硝化脱氮研究。实验结果表明：系统驯化后稳定运行，COD去除率达到80%以上，NH4+-N、TN的平均去除率分别达到99.2%、92.2%；OⅠ与OⅡ池中NO2--N平均积累率分别达到91.7%、95.6%，表明系统主要的脱氮方式为短程硝化反硝化；过高或过低的DO都会影响NO2--N积累，硝化过程中的最佳DO为0.7～0.9 mg/L。PCR技术分析表明，A池中的优势菌种是反硝化细菌，占有率为70%；OⅡ池中的优势菌种是AOB，占有率为67%。

垃圾渗滤液；短程硝化；NO2--N积累

垃圾渗滤液是由垃圾废弃物经厌氧发酵、有机物分解后产生的液体在外来雨雪降水的冲淋浸泡下产生的一种难降解有机废水〔1〕。垃圾渗滤液具有成分复杂、水质随季节变化大、有机物和氨氮浓度高、微生物营养元素比例失调等特点，其脱氮技术是目前国内外研究的重点和难点〔2〕。

传统的生物脱氮是将氨氮转化为硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气〔3〕。这种技术对可生化性较好的废水处理效果较佳，但对垃圾渗滤液这类低碳高氨氮的废水无法有效处理。短程硝化反硝化是将氨氮的氧化控制在亚硝态氮阶段，不经过硝态氮而直接将亚硝态氮进行反硝化转化成氮气。这种新型的脱氮技术较传统的硝化反硝化生物脱氮技术可节省25%的需氧量、节省40%的碳源、缩短反应历程、减少污泥产量等〔4〕。因此，针对填埋场低碳氮比垃圾渗滤液脱氮效率低的难题，采用A/O-MBR工艺处理垃圾渗滤液，通过控制溶解氧、pH等参数条件，以形成较高的NO2--N积累，实现短程硝化反硝化脱氮，考察系统中COD、NH4+-N、TN的去除效果及NO2--N积累效果，同时对A/O系统中活性污泥的微生物群落结构进行研究，旨在为工程应用提供理论参考。

1　材料与方法

1.1实验材料

实验所用水样取自上海市崇明县生活垃圾填埋场调节池中的渗滤液，水质特征：电导率为11 340～18 300 μS/cm，pH为7.5～8.5，COD为2 000～6 000 mg/L，NH4+-N为1000～1500mg/L，TN为1100～1600 mg/L。实验所用的活性污泥取自昆山伟明垃圾焚烧厂的硝化池，污泥为黄褐色液体，沉降性良好。

1.2实验装置

实验装置由反硝化池（A池）、硝化池（OⅠ池、OⅡ池）、MBR池共4个反应器组成，反应器材质均为有机玻璃，有效容积分别为6、3、3、6 L；MBR膜为平板膜，材质为PVDF，有效膜面积200 mm×317 mm；各反应器中均设有温控仪，A池中设有搅拌机，O池与MBR池中设有曝气装置，实验装置如图1所示。

图1　实验装置

1.3实验过程

将活性污泥静置沉淀1 h左右，去除上清液，分别向各反应器中加入10%有效容积的活性污泥，然后加入渗滤液至有效容积液面处，进行闷曝，闷曝3 d后，连续进水（渗滤液的稀释液）培养至微生物完成驯化后，进水改为原渗滤液，在不同的实验条件下连续运行，同时测定系统中COD、NH4+-N、TN及NO2--N等指标。OⅡ池到A池的硝化液回流比R= 10，MBR池到OⅠ池的污泥回流比R=5，pH通过滴加稀盐酸和NaHCO3进行调控。运行条件如表1所示。

表1　实验运行条件

1.4分析方法

1.4.1水样分析方法

水质检测指标及分析方法如表2所示。

表2　检测指标及分析方法

1.4.2活性污泥菌种分析方法

从稳定的A/O系统中的A池和OⅡ池中分别取出一定量的活性污泥样品，采用PCR技术对阳性克隆进行测序分析，将测序得到的16S rDNA序列用BLAST的方法在GenBank数据库上进行比对分析〔5〕。

2　结果与讨论

2.1COD的去除效果

实验过程中系统对COD的去除效果如图2所示。

图2　系统中COD的变化

由图2可见，阶段Ⅰ为微生物的培养驯化阶段。此阶段可分为两个过程：在4～30 d内（1～3 d为闷曝过程，不作讨论），进水COD为1 500～2 000 mg/L，MBR出水COD为1 000 mg/L左右，此阶段为微生物对新环境的适应阶段，对COD去除率较低。30～48 d为负荷提升阶段，此阶段微生物快速增殖，进水COD从2 000 mg/L逐渐提高到5 091 mg/L过程中，MBR出水COD为1 000～1 570 mg/L，COD去除率从31.04%提高到49.76%。这一过程中的出水COD快速下降，一方面是由于A池中反硝化细菌的反硝化作用消耗大量碳源，且好氧池中微生物也消耗部分有机物，另一方面是由于MBR膜可截留部分大分子有机物。

阶段Ⅱ为系统稳定过程，此阶段的进水COD基本保持恒定，平均值为5 404 mg/L，出水COD逐渐降低并趋向稳定，最低时为623 mg/L，平均COD为923 mg/L，COD去除率在80%以上，COD最大去除率可达到88.7%，去除效果较好。

2.2氨氮的去除效果

图3　系统中的变化

2.3总氮的去除效果

系统对TN的去除效果如图4所示。

图4　系统中TN的变化

由图4可见，阶段Ⅰ，进水TN从649 mg/L逐渐增加至1379mg/L，出水从563mg/L降低至224mg/L，TN去除率从13.3%增加到83.8%。可见，此阶段的TN总体变化趋势与NH4+-N变化趋势基本相同，原因可能是系统中反硝化细菌快速繁殖生长，进行了反硝化脱氮，使硝态氮或亚硝态氮转化成了N2O、NO、N2等气体，从系统中溢出。阶段Ⅱ，进水平均TN为1 488 mg/L，出水TN较低且较稳定，维持在116.5 mg/L左右，平均TN去除率达到92.2%，说明系统对TN去除效果较好。

由图5（a）、图5（b）可见，整个运行过程中，A池与MBR池出水中的均一直无明显变化，而有较大变化的是OⅠ池与OⅡ池，说明积累主要发生在两个硝化池中，与A池、MBR池均无关。原因是A池处于缺氧状态，抑制亚硝化细菌和硝化细菌的生长；而MBR池中的溶解氧较高，抑制亚硝化细菌的生长，促进硝化菌的生长，致使氮的存在形式基本都为

图5　各反应器出水NO2--N和积累率变化

图6　OⅡ池出水NO2--N和积累率变化

2.6活性污泥中的细菌群落结构

为了鉴定稳定的A/O系统中的微生物菌种，分别从A池污泥与OⅡ池污泥样品中均随机挑选100个克隆测序，测序结果根据GenBank数据库BLAST进行比对，菌种及其所占比例分别如表3、表4所示。

表3　A池中的污泥菌种及其所占比例

表4　OⅡ池中污泥菌种及其所占比例

由表3可见，首先，Thauera sp.MZ1T是群落中的优势菌种，而Thauera菌属正是缺氧条件下生长的反硝化菌，大都为杆状且具有反硝化功能，是典型的异养反硝化细菌，同时对有机物有良好的降解能力，表现出一定的厌氧功能〔7〕；其次，Flavobacterium johnsoniae UW101也较其他菌种占比大，而该菌属具有反硝化功能，同时可以有效地降解几丁质、葡聚糖和蛋白质等有机大分子，表现出一定的厌氧功能，因此具有反硝化功能的细菌共占有70%。说明A池污泥中的细菌绝大部分是反硝化细菌。

由表4可见，首先，Nitrosospira sp.PM2为最优势菌种，Nitrosospira属于亚硝化螺菌群，Nitrosomonas属于亚硝化单胞菌群，这两类菌群共占有的比例为67%，主要功能是将氨氮转化为亚硝态氮，即氨氧化菌（AOB），说明OⅡ池污泥中主要的微生物是AOB，促进亚硝态氮的积累，实现短程硝化；其次，Nitrospina gracilis L3554在所有菌群中占据12%，而Nitrospina属于硝化刺菌属，主要功能是将亚硝态氮转化为硝态氮，即亚硝酸盐氧化菌（NOB），说明OⅡ池中同时也存在全程硝化。

3　结论

（1）采用A/O-MBR工艺处理垃圾渗滤液的过程中，经驯化培养后系统稳定时的去除效率高，COD去除率在80%以上，NH4+-N、TN的平均去除率分别达到99.2%、92.2%。（2）稳定运行时，OⅠ池与OⅡ池中NO2--N平均积累率分别达到91.7%、95.6%，表明系统主要的脱氮方式为短程硝化反硝化。（3）DO分别为0.7、0.9 mg/L时，NO2--N积累效果明显较DO分别为0.5、1.1 mg/L时的好，可知实验最佳DO为0.7～0.9 mg/L。（4）PCR技术分析表明系统的A池中的优势菌种是反硝化细菌，占有比例为70%；OⅡ池中的优势菌种是AOB，占有比例为67%。

［1］敖良根，胡斌，田文龙.垃圾渗滤液新型生物脱氮研究现状及展望［J］.科技咨讯，2009（23）：1-3.

［2］王燕，王淑莹，孙洪伟，等.高氮渗滤液短程生物脱氮反硝化动力学研究［J］.环境工程学报，2011，5（5）：1081-1085.

［3］孙洪伟，彭永臻，时晓宁，等.UASB-A/O工艺处理垃圾渗滤液短程生物脱氮的实现［J］.中国环境科学，2009，29（10）：1059-1064.

［4］袁林江，彭党聪，王志盈.短程硝化-反硝化生物脱氮［J］.中国给水排水，2000，16（2）：29-31.

［5］Godon J J，Zumstein E，Dabert P，et al.Molecular microbial diversity of an anaerobic diversity in an anaerobic digestor as determined by small-subunit r-DNA sequence analysis［J］.Applied and Environmental Microbiology，1997，63（7）：2802-2813.

［6］Ruiz G，Jeison D，Chamy R.Nitrification with high nitrite accumulation for the treatment of wastewater with high ammonia concentration［J］.Water Res.，2003，37（6）：1371-1377.

［7］Kraigher B，Kosjek T，Heath E，et al.Influence of pharmaceutical residues on the structure of activated sludge bacterial communities in wastewater treatment bioreactors［J］.Water Research，2008，42（17）：4578-4588.

Research on the shortcut nitrification denitrification nitrogen removing process for landfill leachate

Hu Junjie，Xia Junfang，Fang Xiaoqin，ZhouYaoshui
（Shanghai Jing Yu Environment Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200434，China）

A/O-MBR process has been used in the research on shortcut nitrification denitrification nitrogen removing process for landfill leachate.The experimental result indicates that the system runs stably after acclimation，COD removing rate reaches more than 80%，average removing rates of ammonia nitrogen and total nitrogen reach 99.2% and 92.2%，respectively，average NO2--N in OⅠand OⅡpools accumulation rates reach 91.7%and 95.6%，respectively. It shows that the main method for nitrogen removal is shortcut nitrification and denitrification.Dissolved oxygen（DO）too high or too low would affect the accumulation of NO2--N.The best dissolved oxygen（DO）in nitrification process is 0.7-0.9 mg/L.PCR technical analysis shows that the superior strains in pool A are denitrification bacteria（occupancy 70%）and the superior strains in pool OⅡare ammonia-oxidizing bacteria（AOB）（occupancy 67%）.

landfill leachate；shortcut nitrification；NO2--N accumulation

X703.1

A

1005-829X（2016）05-0051-04

胡君杰（1986—），硕士。E-mail：hujunjie@ge-we.cn。

2016-02-15（修改稿）