厌氧氨氧化技术用于垃圾渗滤液处理的研究与应用现状

李志荣

(上海市机电设计研究院有限公司，上海 200040)

1 垃圾渗滤液处理现状

随着我国城市化进程的发展，城市生活垃圾总量和单位产量都以平均每年8%～10%的速度增长。目前国内外生活垃圾仍以卫生填埋和焚烧发电为主要处置方式，都不可避免地面临着大量垃圾渗滤液的处理难题。

垃圾渗滤液是生活垃圾在堆放或填埋过程中产生的高浓度氨氮有机废水，由于城市垃圾组分复杂、管理方式不同等影响，使垃圾渗滤液呈现出地域性差异。总的来说，垃圾渗滤液具有污染成分复杂、污染浓度高、水质水量波动大等特点，大量有机污染物被列入我国环境优先控制污染物的名单，COD一般为60 000 mg/L左右，个别地区最高可达100 000 mg/L以上，氨氮为1 500～2 500 mg/L，此外，还含有多种重金属离子和高浓度TDS，影响生化系统的正常运行，降低设备的使用寿命，造成后续膜处理系统高成本和低回收率。

针对垃圾渗滤液这类成分复杂的废水，单一处理技术不能解决问题，往往采用组合处理工艺，目前较广泛采用的工艺是“生物处理+深度处理”，生物处理包含厌氧、缺氧和好氧处理，厌氧处理大幅去除有机污染物，缺氧和好氧处理通过硝化反硝化去除总氮，深度处理一般采用膜分离或催化氧化方式。该工艺目前面临的问题是为保证后续生物脱氮合适的碳氮比，无法充分发挥厌氧反应器的最大效能，而好氧部分为保证良好的脱氮效果，需要充分曝气和较高的回流比，大大增加了运行成本。

基于以上这些情况，研究者们纷纷将目光转向了厌氧氨氧化脱氮工艺领域，期望在高效去除污染物的前提下，降低运行成本，同时提高后续深度处理的效率，为垃圾渗滤液的处理处置开辟新的路径。

2 厌氧氨氧化技术原理及控制因素

近年来，研究者们开发了多种以厌氧氨氧化为主体的处理工艺，其中研究和应用最广泛的是亚硝化—厌氧氨氧化(Sharon-Anammox)和完全自养脱氮工艺(CANON)。以下将对这两种工艺的研究与应用进行总结与展望，旨在为开发稳定脱氮的厌氧氨氧化新技术提供指导。

2.1 Sharon-Anammox工艺

Sharon-Anammox工艺是目前应用较为广泛的厌氧氨氧化工艺，分为两步，第一步Sharon段，50%～60%氨氮被氧化为亚硝酸盐；第二步Anammox段，剩余氨氮与亚硝酸盐氮进行厌氧氨氧化生成氮气，并生成少量硝酸盐氮，工艺过程见图1。两步反应分别在不同的反应器内完成，让两类菌分别产生作用，实现了分相处理，为功能菌的生长提供了良好的环境[1]。

图1 SHARON-Anammox工艺流程图

要保证该工艺顺利进行，就是要保证Sharon段的出水能稳定达到后续Anammox段的要求，出水亚硝态氮和氨氮的比例约为1～1.3之间。Sharon反应主要以氨氧化菌AOB(Ammonia Oxidation Bacteria)为主导，一般为革兰氏阴性菌，严格好氧，化能自养，倍增时间8h到几天之间[2]，而Anammox菌属化能自养的专性厌氧菌，倍增时间约为11天。因此，两段工艺的功能菌群的生理特性和生存环境存在显著差异，在不同反应设备内可充分发挥各自的优势。

在垃圾渗滤液处理中，一般在Anammox段均会发生厌氧氨氧化和反硝化协同作用，Ruscalleda等[5]发现城镇垃圾渗滤液Sharon-Anammox工艺处理过程中，85.1%的总氮通过厌氧氨氧化去除，14.9%的总氮通过异养反硝化途径得以去除。

2.2 CANON工艺

CANON(Completely autotrophic N removal over nitrite)工艺，即“基于亚硝酸盐途径的完全自养脱氮”，是指在同一反应器内，通过控制溶解氧实现亚硝化菌和Anammox菌协同作用，全程由自养菌完成由氨氮至氮气的转化，其反应过程见图2。由于Anammox过程在氧浓度达0.5%空气饱和度时被完全抑制，理论上氨氧化菌(AOB)和Anammox菌可能同时存在于氧限制条件下，氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐的反应耗氧，使水中溶解氧保持在较低浓度[6]。此时，Anammox仍可保持其活性，将氨氮和亚硝酸盐转化为氮气。

图2 CANON工艺流程图

由于活性污泥法在低溶解氧水平下极易发生污泥膨胀，难以长期连续稳定运行，许多研究者在生物膜脱氮反应器中实现了CANON过程。生物膜的存在也使氨氧化菌(AOB)和亚硝酸氧化菌(NOB)易受传质限制影响，AOB对氧的亲和常数比NOB低很多，从而成为优势菌种占据生物膜表层。而ANAMMOX菌生长于膜内部的厌氧层，膜表面进行氨氧化反应，氨氮与亚硝酸盐可扩散至厌氧层内进行Anammox反应，实现完全自养脱氮工艺。

张方斋等[7]采用CANON工艺处理晚期垃圾渗滤液，在进水COD、氨氮、总氮浓度分别为2 050、1 625、2 005 mg/L，且未投加碳源情况下，出水各指标稳定在407、8、19 mg/L，总氮去除率高达98.76%。

2.3 厌氧氨氧化的影响因素

厌氧氨氧化菌是一种世代周期较长的自养脱氮微生物，对环境的要求极为苛刻，工艺最大瓶颈是厌氧氨氧化反应的启动过程，涉及的影响因素有很多，例如反应装置(反应器类型、污泥性质、填料等)，底物浓度(有机物、基质、无机盐、金属离子等)，环境影响因素(DO、pH、温度等)。

以下就影响工艺的基质、DO、pH、污泥龄、有机物等因素着重阐述对脱氮效率的影响。

目前，实验室对厌氧氨氧化的研究很多以模拟配水为研究对象，氨氮与亚硝酸盐氮浓度按厌氧氨氧化理论最佳配比添加，均能获得较好的启动和运行结果，而实际工程中亚硝酸是通过控制短程硝化实现的，短程硝化依然是生物脱氮领域的重点和难点，因此，如何持久地维持较高浓度的亚硝酸盐积累成为厌氧氨氧化技术的关键控制步骤。

2.3.2 DO

DO是氨氧化过程的重要因素，AOB和NOB之间的竞争关系受DO浓度影响很大。通常在低DO条件下，AOB比NOB对溶解氧有更高的亲和力，使得氨氧化速率大于亚硝酸氧化速率，易获得较高水平的亚硝酸积累。

除直接控制DO外，生物膜和颗粒污泥内存在传质阻力，可间接限制氧浓度，同样可以实现亚硝酸积累[9]。即使主体溶液处于较高DO下，生物膜内的氧浓度仍较低。

Strous等[10]研究表明，氧能够抑制厌氧氨氧化活性，但是抑制是可逆的，除氧后厌氧氨氧化活性可以恢复，在氧浓度为0.5%～2.0%空气饱和度条件下，厌氧氨氧化活性被完全抑制。这也是CANON工艺的理论基础，可在同一反应器内实现短程硝化和厌氧氨氧化。

谁知，陈山利并不明白朱排长的良苦用心。将头摇得像拨浪鼓：“倪班副牺牲了，谁不难受啊？未必朱排长认为所有难受的人，神经都不正常？”

2.3.3 pH

pH对短程硝化和厌氧氨氧化的影响主要包含两个方面：

首先，pH会影响微生物体内的电解质平衡进而影响微生物活性。AOB对高pH值的适应能力高于NOB，因此提高pH可有效抑制NOB，将硝化反应控制在亚硝化阶段。而厌氧氨氧化反应的最大反应速率也出现在pH为8左右。

另外，更重要的是，pH对游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)的浓度有重大影响，FA和FNA都会抑制细胞活性及其生长。pH过低，FNA浓度升高；pH过高，FA浓度升高。研究表明，FA对AOB、NOB和Anammox菌的抑制浓度分别为150、1.0和25 mg/L，FNA对AOB、NOB和Anammox菌的抑制浓度分别为0.4、0.02和5.3×10-3mg/L[11]。在Tang等人[12]的研究中，FA对Anammox生物膜的抑制浓度甚至达到了57～187 mg/L，试验结果表明，反应器中FA基本处于对NOB的抑制浓度，而不会对AOB和Anammox产生抑制，从而实现并维持亚硝酸盐积累率较高的短程硝化，继而通过Anammox反应深度脱氮。

2.3.4 污泥龄

污泥龄是污水处理设计、运行、决定种群结构及出水水质的重要参数。厌氧氨氧化菌由于倍增时间长达11天，若反应器污泥龄太短则不利于Anammox菌的富集和维持。张杰等[13]利用SBR反应器分别研究梯度污泥量对总氮去除负荷，结果表明随污泥龄的降低，污泥龄由21d降至12d，整体脱氮效能下降了16%。

因此，厌氧氨氧化系统内多采用生物挂膜形式，延长Anammox菌污泥停留时间，使其能较长久地停留在反应器内，逐渐驯化培养成为优势菌种。

2.3.5 有机物

众所周知，厌氧氨氧化反应无须外加碳源，但废水中不可能不存在有机物，有机物浓度过高，会使异养反硝化菌快速增长，与Anammox菌竞争底物亚硝酸盐氮，从而抑制厌氧氨氧化的脱氮性能。但是，在有机碳源不抑制厌氧氨氧化反应时，系统主要是通过厌氧氨氧化和反硝化反应的共同作用，提高总氮的去除率。王凯[14]用ASBR处理晚期渗滤液时发现，当进水的可生化性的有机物大于150 mg/L时，会对厌氧氨氧化菌产生严重的影响而导致系统崩溃，当进水可降解有机物小于50 mg/L时，厌氧氨氧化菌和反硝化菌不仅可以达到共生，反硝化作用还提高了系统的脱氮效率。

对于早期垃圾渗滤液，吴莉娜等[15]采用UASB-A/O-Anammox工艺，通过前端UASB对有机物的去除，减少了有机物对后续反应器中Anammox菌的抑制，氨氮和亚硝酸氮可得以深度去除而不需外加碳源，整个系统实现有机物和总氮同步去除。

2.4 工艺对比分析

Sharon-Anammox工艺、CANON工艺与传统的硝化-反硝化反应相比，在脱氮效能、投资和操作成本等方面有很多优势，具体见表1。

表1 厌氧氨氧化工艺与传统脱氮工艺参数比较

3 厌氧氨氧化系统启动

无论是Sharon-Anammox还是CANON工艺，Anammox菌由于污泥产率系数极低，倍增时间长，其培养与富集依然是工艺启动并正常运行的关键。通常启动时间在半年以上，世界上第一个厌氧氨氧化生产装置——荷兰鹿特丹污水处理厂启动时间长达3.5年。随着研究不断深入，研究人员已经探索出一些可用于厌氧氨氧化快速启动的方案。

(1)改进或构建合适的反应器，尽可能减少其生物量的流失

研究表明，向厌氧氨氧化反应器内投加填料形成生物膜有利于污泥的持留。高梦佳等[17]将两种不同密度的悬浮填料和两种不同密度的海绵填料置于同一反应器内，进行厌氧氨氧化污泥的挂膜，结果发现海绵填料的单个填料氨氮平均去除速率和亚硝态氮平均去除速率整体高于悬浮塑料填料，所挂污泥的胞外聚合物EPS含量整体也高于悬浮塑料填料，并且挂膜速度也相对较快。

另外，MBR工艺也适合于厌氧氨氧化的快速启动，汪涛[18]对比研究了MBR和SBR启动厌氧氨氧化工艺，MBR因膜对生物量的完全截留作用，启动周期比SBR缩短了41.6%，且MBR体系中存在更丰富的厌氧氨氧化菌种。

(2)创造合适的培养环境和培养条件，优化其生长代谢

创造微生物合适的生长环境，包含AOB和Anammox两种微生物，既使AOB实现较高水平的短程硝化，又使Anammox完成厌氧氨氧化，最终实现高效脱氮，即控制两种微生物最佳的DO、pH、有机物等环境条件，运行时充分发挥仪器仪表在线监测的能力，及时调控各项参数。

此外，还有通过其他特殊手段，如任龙飞[19]通过向反应器投加零价铁(ZVI)来强化厌氧氨氧化反应器，零价铁可促进微生物生长增殖，还可通过还原能力消耗溶解氧，创造最适生境，从而缩短厌氧氨氧化的启动用时并提高总氮去除负荷。

(3)选取适宜的接种污泥，提高接种污泥的质量

目前常采用以下几种接种微生物：①Anammox菌颗粒污泥，专属菌的浓度和活性高，接种后启动快，但实际工程应用案例少，泥源很难获得；②城市污水厂硝化和反硝化污泥，泥源广，与Anammox菌种群接近，可优先选用；③厌氧颗粒污泥，有利于Anammox在原菌团上附着生长，但原泥中Anammox菌较少；④混合污泥，泥源广，存在不同种的Anammox菌。

李伙生[20]采用絮状AOB污泥和Anammox颗粒污泥作为CANON反应器的接种污泥，并于试验前45d在进水中添加少量亚硝酸盐氮，可实现CANON快速启动，随后逐步提高垃圾渗滤液在配水中的比例直至全部进水为渗滤液(C/N比为0.80～0.95)，反应器脱氮负荷稳步上升，至第101d，反应器氮去除负荷为1.32 kg/m3·d，脱氮效率为81%。丁爽[21]选用厌氧产甲烷菌、新鲜厌氧氨氧化污泥和储藏厌氧氨氧化污泥作为接种物，均可成功启动厌氧氨氧化反应器，但呈现不同的运行性能，以新鲜厌氧氨氧化污泥最佳，厌氧产甲烷菌最差。

4 实际工程案例

随着厌氧氨氧化技术发展和实践，该技术在市政污水处理、污泥消化液处理等已有应用，在国内外也有成熟且成功的案例，如新加坡樟宜再生水厂，奥地利Strass污水处理厂等。据报道，截至2017年，全世界厌氧氨氧化工程已超过110座[22]。针对垃圾渗滤液处理，相比目前较传统成熟的工艺，将厌氧氨氧化用于垃圾渗滤液处理仅是近几年才兴起，其关键就是控制游离氨、游离亚硝酸，实现氨氧化途径的亚硝酸积累。

4.1 湖北十堰垃圾渗滤液处理工程

2015年2月，我国正式调试启动成功首个厌氧氨氧化技术处理垃圾渗滤液工程——湖北十堰垃圾渗滤液处理工程。

该工程位于十堰西部垃圾处理厂下游，设计日处理渗滤液150 m3，项目占地2 040 m2，总投资1700万元，选用自主驯养的厌氧氨氧化菌(“芮诺卡”)，采用两级UASB+厌氧氨氧化+UF/RO联合处理工艺，生物处理COD去除率大于60%，总氮去除率大于80%，最终膜处理后出水COD<50 mg/L，TN<20 mg/L，出水水质达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)要求。

该工艺克服了低碳氮比污水处理的工程应用难题，COD出水控制在100 mg/L，TN出水控制在40 mg/L，氨氮出水控制在25 mg/L，相对传统工艺节省碳源90%以上，污泥减量50%以上。该工程的成功运行，为厌氧氨氧化技术实现高效处理、节能降耗的工程应用提供了革命性的解决方案。

4.2 上海金山垃圾焚烧厂渗滤液处理工程

图3 上海金山垃圾渗滤液处理工艺

该工艺最大程度的发挥了生化处理的效能，简化了物化处理的工艺流程，减少了膜处理的负担，大大降低了运维成本。

5 展望与结语

针对垃圾渗滤液的生化处理过程，采用厌氧氨氧化为主的Sharon-Anammox和CANON工艺，都显示出明显的优势。厌氧氨氧化技术逐渐走向中试和现场应用，但实际应用过程中仍存在诸多问题需要进一步探讨和研究，主要包括：

(1)Anammox菌活性随温度降低而下降明显，工程现场温度变化，特别是中低温状态下对厌氧氨氧化的活性影响及控制对策。

(2)Anammox菌对生长环境要求苛刻，且垃圾渗滤液水质变化大、毒性高，现场应用Anammox快速启动和系统维护研究。

(3)实际废水中有机碳源对Anammox 菌的抑制效应，以及Anammox 与反硝化协同脱氮除碳作用研究。