垃圾渗滤液处理中的高效生物脱氮现象

袁居新1，陶涛1，王宗平1，钟辉2?
( 1.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074 ；2.中山市环卫科研所，广东中山528401)

　　摘　要：总结了中山市老虎坑垃圾渗滤液处理厂改造工程中存在的高效生物脱氮现象，并对其机理进行了分析。?
　　关键词：垃圾渗滤液；生物脱氮；硝化—反硝化；好氧反硝化；亚硝酸反硝化?
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)03-0076-03

　　近年来在生物脱氮理论方面有了许多新进展，如亚硝酸反硝化、同时硝化反硝化、厌氧氨氧化和好氧反硝化等，皆为高浓度氨氮废水的高效生物脱氮提供了可能的途径。中山市老虎坑垃圾填埋渗滤液处理厂的改造工程(简称老虎坑改造工程)为高效生物脱氮技术的应用进行了有益的探索。?

1 　处理工艺

　　老虎坑垃圾填埋渗滤液处理厂于1996年建成，采用的工艺为：垃圾渗滤液→调节池→厌氧池→氧化沟→兼性塘→好氧塘→出水。由于设计之初缺乏详细的水质资料，没有考虑到垃圾渗滤液氨氮浓度高这一显著特点，因此使1997年的调试遇到了许多困难，于是针对原工艺中存在的不足进行了改造［1、2］(见图1)。?

　　改造内容包括：?
　　① 将功能单一的调节池改为微氧曝气池；?
　　② 在原氧化沟中装设半软性填料，成为接触式氧化沟；?
　　③ 将氧化沟出水回流至微氧曝气池。?
　　将原调节池改造成微氧曝气池，采用射流曝气，将DO控制在0～0.5mg/L，而氧化沟DO则控制在2.0mg/L以上(为好氧池)，这样组成了A²/O工艺。?
　　由于原设计中上流式污泥床厌氧池水力负荷过小，而布水及搅拌设施因腐蚀而损坏，厌氧池实际上未能起到应有的作用。另外，氨氮的空气吹脱存在两个问题：一是没有采取回收措施，造成了空气污染；二是石灰用量大，产生了大量沉渣且不便清除，因此实际运行的工艺流 程如图2所示。

2 运行效果

2.1 垃圾渗滤液水质
　　垃圾渗滤液的COD为4800mg/L、氨氮为2700mg/L、BOD₅为1200mg/L、pH为8.0左右、碱度为12000mg/L(以CaCO₃计)。?
2.2 处理效果
　　改造工程经过长期运行取得了良好的处理效果(见表1)。

表1 实际运行效果 项目 原水(mg/L) 微氧曝气池(mg/L) 氧化沟(mg/L) 出水(mg/L) 总去除率(%) COD 4800 2700 600 270 94.4 BOD₅ 1200 800 180 60 95.0 NH₃-N 2700 1500 160 20 99.3

　　尽管原水水质变化较大，微氧曝气池和氧化沟对有机物和氨氮的去除效果仍较稳定。从实际运行效果看，老虎坑改造工程的总脱氮率＞99%，而微氧曝气池和氧化沟的脱氮率达94%，这是传统生物脱氮方法所不及的。?

3 脱氮机理分析

　　该工程的改造方案是在传统脱氮原理的基础上结合实际情况提出的，即在氧化沟进行充分硝化反应，再将混合液回流至微氧曝气池，而水中的NO₃-N起双重作用(为降解还原性的 有机物提供化合态氧和完成反硝化脱氮)。?
　　传统生物脱氮理论认为，进水总氮浓度应＜30mg/L，否则脱氮率将＜50%，而污泥的氮负荷应＜0.03kg/(kgMLSS·d)。但老虎坑改造工程实际进水氨氮的浓度为2700mg/L，微氧曝气池和氧化沟的污泥氮负荷为0.1kg/(kgMLSS·d)，其累计脱氮率＞94%，这些现象 不能完全由传统生物脱氮理论来解释。?
3.1 同时硝化—反硝化和好氧反硝化
　　接触式氧化沟运行过程中进水平均氨氮浓度为1600mg/L、出水为150mg/L、平均去除率为90.6%；而同期出水中NO₃-N平均浓度为72mg/L、NO₂-N平均浓度为65mg/L。由此可以看出，NH₃-N并非全部转化为NO₂-N或NO₃-N，而是有一部分以N₃的方式被脱去，这种现象可用同时硝化—反硝化或好氧反硝化来解释。?
　　① 同时硝化—反硝化(SND)?
　　在接触式氧化沟中安装了约200m³的半软性填料，并已发现有良好的生物膜形成。生物膜的外层为好氧层、内层为厌氧层、中间为缺氧层，这样形成了生物反应的微环境。?
　　运行结果表明约1450mg/L的氨氮被脱去，如按照传统生物脱氮理论计算需要4300mg/L(COD)以上的碳源，而实际上接触氧化沟的COD降解量仅为2100mg/L，C/N值仅为1.45∶1，节省碳源约50%，用SND理论能很好地解释这一现象，因为它能使异养硝化和好氧反 硝化同时进行，可实现低碳源条件下的高效脱氮。
　　② 好氧反硝化
　　20世纪80年代后期以来，在脱氮生物学方面有了很大进展，人们曾多次观察到在没有明显缺氧段的活性污泥法中存在脱氮现象，发现了好氧反硝化菌(Pseudomonas spp，Alcaligenes faecalis,Thiosphaera Pan-totropha)，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌(传统的硝化菌是化学自养型)，故此类细菌可将氨在好氧条件下直接转化为气态氮产物^［3］。
　　Muller等人^［4］证明了好氧反硝化与硝化是相伴发生的，并得到了不同DO、压力下好氧反硝化的特征参数，其中好氧反硝化速率与氨消耗速率基本处于同一数量级，这使好氧反硝化更具工程意义。?
3.2 亚硝酸反硝化
　　微氧曝气池由调节池改造而成，污泥浓度约为1000mg/L，pH值为8.4左右，DO为0.1～0.5mg/L(平均为0.3mg/L)。运行结果表明：氨氮浓度由2700mg/L降至1600mg/L，去除率为40.7%；污泥氮负荷为0.1kg/(kgMLSS·d)，是传统氮负荷的3倍；水中NO₂-N浓度为50mg/L，NO₃-N浓度仅为5mg/L。?
　　由此可知，①硝化反应以亚硝化反应为主；②反硝化是从亚硝酸开始的，属亚硝酸反硝化。 ?
　　亚硝酸反硝化又被称为短程硝化—反硝化^［5、6］，保证亚硝酸反硝化顺利进行关键有两点：一是维持稳定的HNO₂积累；二是维持亚硝酸菌的增殖速率大于硝酸菌。控制DO也可以实现亚硝酸反硝化，Laanbroek［7］的研究进一步表明低DO下亚硝酸大量积累是由于亚硝酸菌对DO的亲合力较硝酸菌强(亚硝酸菌的饱和常数一般为0.2～0.4mg/L，硝酸菌的饱和常数一般为1.2～1.5mg/L)。低氧条件下虽然亚硝酸菌和硝酸菌的增殖速率都下降了，但两者降幅不一样，当DO为0.5mg/L时亚硝酸菌的增殖速率为正常时的60 %，而硝酸菌不超过30%，所以此时可利用两类菌的动力学特性的差异达到淘汰硝酸菌的目的，这样完全可以实现亚硝酸反硝化。

4 结语

　　老虎坑改造工程在运行过程中污泥浓度一直较低，很难进一步提高，这可能与垃圾渗滤液的高氨氮、低碳源及可生化性差有关。该工艺具有很高的脱氮功能，降解的C/N＜2∶1［远低于传统生物脱氮所要求的(3～4)∶1］，为好氧反硝化、同时硝化—反硝化及亚硝酸反硝化的科学研究提供了有力的证据，为低碳源、高氨氮有机废水的高效生物脱氮进行了有益的探索。

参考文献：

　　［1］陶涛，袁居新，刘文峰，等.中山市垃圾渗滤液生物处理工艺技术改造方案［J］.环境卫生工程，2000，8(3)：101-103.
　　［2］王宗平，陶涛，袁居新，等.中山市垃圾渗滤液处理厂的改造工程［J］.中国给水排水，2001，17(5)：57-58.?
　　［3］赵宗升，刘鸿亮，李炳伟，等.高浓度氨氮废水的高效生物脱氮途径［J］.中国给水排水，2001，17(5)：24-28.?
　　［4］Muller EB,et al.Simultaneous NH3 oxidation and N2 production at reduced O2 tensions by sewage sludge sudcultrued with chemilithotropic mdemiu［J］．B iodegradation,1995,(10)6：339-349.
　　［5］袁林江，彭党聪，王志盈，等.短程硝化—反硝化生物脱氮［J］.中国给水排水，2000，16(2)：29-31.
　　［6］Jeten MSM，et al?.Towards a more sustainable municipal wastewater system［J］.Wat SciTech,1997,35(9)：171-180.
　　［7］Laanbroek H J,Gerards S.Competition for limiting amounts of oxygen between nitro-somanas europaea and nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultures ［J］.Arch Microbiology,1993,159：453-459.

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　　收稿日期：2001-11-05