用A/O工艺短程硝化处理垃圾渗滤液案例分析

Posted 2023-01-12 反应器

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目前普通生活污水生物处理技术已趋于成熟，而工业废水、垃圾渗滤液等特殊污水的生物处理技术尚未成熟。垃圾渗滤液为垃圾填埋过程中渗滤出来的水，属于高COD、高氨氮、难降解有机污水，其处理难度大，投资和运行费用高，很多垃圾填埋场没有采取有效处理措施，极大影响了水生态环境。笔者对短程硝化反硝化工艺处理垃圾渗滤液的脱氮效果及影响因素进行了研究。与全程硝化相比，短程硝化可以减少25%的氧耗，节省40%的有机碳源，而且亚硝态氮的反硝化速率通常比硝态氮的高63%左右，反应历程可加快约4.3倍。因此，实现稳定的短程硝化反硝化是提高渗滤液生物处理效率的有效途径。
为维持稳定的短程硝化过程，必须降低亚硝酸盐的氧化速率，提高氨氧化速率，氧化速率影响因素包括pH、溶解氧（DO）、温度、水力停留时间、游离氨（FA）和游离亚硝酸（FNA）等，其中FA与FNA是维持系统稳定短程硝化的主要影响因素。FA和FNA对硝化反应类型的影响主要是通过对氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的选择性抑制实现的。处理垃圾渗滤液时系统能稳定维持短程硝化过程的关键在于前期FA及后期FNA对NOB活性的轮流抑制且几乎不影响AOB活性。已有研究表明，FA对NOB的抑制质量浓度为0.1～1.0mg/L，对AOB的抑制质量浓度为10～150mg/L，当FA达到6mg/L时几乎可完全抑制NOB的生长。FNA达到0.011mg/L时，可对NOB代谢过程产生较明显的抑制，0.023mg/L时几乎完全抑制NOB的活性，而当FNA达到0.50mg/L左右时AOB仍具有较高的生物活性。
1、试验材料与方法
1.1试验装置
试验装置见图1，由1个前置的缺氧SBR反硝化反应器与1个好氧SBR硝化反应器组成。垃圾渗滤液在进水箱中与以一定回流比回流的硝化液混合后进入缺氧SBR反应器，充分利用原液中的COD进行反硝化脱氮，出水进入好氧SBR反应器进一步降解COD并进行短程硝化反应。试验所用缺氧SBR与好氧SBR反应器均由有机玻璃制成，呈圆柱体，内径分别为150、200mm，有效容积分别为16、50L。

图1试验装置
1.2试验用水与接种污泥
所用垃圾渗滤液取自沈阳市老虎冲垃圾填埋场，其主要污染物为COD15000～18000mg/L，BOD5000～9000mg/L，NH3-N1600～2200mg/L，pH=7.6～8.5，碱度6000～10000mg/L。
好氧SBR反应器内活性污泥取自沈阳市北部污水处理厂二沉池，污泥质量浓度为3000mg/L左右，经过一段时间的驯化培养，逐步成为适应降解垃圾渗滤液特殊水质的成熟活性污泥。
1.3试验方法与参数控制
试验通过控制曝气量调整好氧SBR反应器内的溶解氧浓度，维持好氧SBR反应器的稳定短程硝化过程，以提高系统对原液中相对不足的BOD利用率。通过控制硝化液回流比及好氧SBR反应器出流比调整氨态氮、亚硝态氮及硝态氮的初始浓度，测定反应器中氨氮的硝化效果、硝化液的反硝化效果、1个周期内氮的转化情况及亚硝态氮积累率。
好氧SBR反应器采用球冠形微孔纯钛曝气盘鼓风曝气，通过转子流量计控制反应器内DO为1.0～1.5mg/L；试验在室温下进行，温度保持在15～25℃，控制系统反应周期为10h，进水pH维持在8.0左右，回流比为50%。
2、结果与讨论
2.1初始氨氮对亚硝态氮积累的影响
试验考察了初始氨氮对亚硝氮积累率的影响，见图2。

图2不同初始氨氮下亚硝氮积累情况
由图2可见，通过控制初始氨氮的质量浓度，能达到短程硝化启动控制的目的。当初始氨氮较低时（＜200mg/L），好氧SBR反应器内硝化类型为全程硝化，随着初始氨氮的不断增加，亚硝氮积累率逐渐上升。分析原因可能是氨氮及pH的增加导致FA逐渐升高，对NOB的抑制作用越来越明显，亚硝态氮积累率逐渐提高。其中FA与FNA质量浓度计算式：

第16周期时，初始氨氮达到300mg/L左右，亚硝态氮积累率跃升到60%左右，硝化类型逐步转变为短程硝化。此后随着初始氨氮的继续增加，亚硝态氮积累率进一步提高。由试验结果可见初始氨氮浓度对好氧SBR短程硝化的启动与维持影响较大。
2.2FA与FNA的交替抑制作用
本试验中当初始氨氮平均由200mg/L增大到300mg/L时，硝化类型由全程硝化转化为短程硝化。
因此，分别对初始氨氮约为200、300mg/L时好氧SBR反应器1个周期内的氮转化情况进行全程监测，并进行比较。
2.2.1初始氨氮为200mg/L
初始氨氮为200mg/L时，好氧SBR1个周期内的氮转化情况见图3。如图3所示，在开始曝气的3h内，亚硝态氮积累率大幅上升并维持在60%以上，随后积累率开始逐步下降。分析原因可能是一开始初始氨氮较高，FA对NOB的抑制作用较明显，但随着反应的进行，氨氮逐渐降低，FA对NOB的抑制作用逐渐减弱，短程硝化逐渐被破坏。为了更清楚地了解反应器内FA与FNA的转化情况，全程监测了1个反应周期内FA与FNA的变化情况，结果见图4。

图3初始氨氮为200mg/L时，1个周期内的氮转化情况

图4初始氨氮为200mg/L时，1个周期内FA与FNA的变化情况
试验结果表明，一开始FA质量浓度达到7.6mg/L，随着硝化反应的进行，FA在3h处降到0.7mg/L，NOB活性得到较大恢复，亚硝态氮积累率迅速降低到50%以下，7h时积累率降低速率变慢，可能是出现了FNA对NOB活性的抑制。值得注意的是，在反应后期阶段，虽然短程硝化被破坏，而且在过曝气状态下亚硝态氮浓度也一直缓慢降低，但FNA一直保持上升趋势，原因是随着碱度的消耗，pH缓慢降低。
2.2.2初始氨氮为300mg/L
初始氨氮为300mg/L时，好氧SBR在1个周期内的氮转化情况见图5。如图5所示，前2h内硝化速率较慢，随后加快，亚硝氮积累率一开始大幅提升，之后稳定在60%左右。分析原因可能是一开始AOB也受到FA一定程度的抑制，氨氮氧化速率较慢，随后氨氮降低，对AOB的抑制作用减弱；当反应进行到4h时，氨氮降到100mg/L左右，对NOB的抑制作用也开始明显减弱，此时亚硝氮质量浓度为110mg/L左右，FNA开始严重抑制NOB活性，此后亚硝态氮几乎保持不变，硝态氮缓慢提高。

图5初始氨氮为300mg/L时，1个周期内的氮转化情况
继续对初始氨氮为300mg/L时1个反应周期内FA与FNA的变化情况进行全程监测，见图6。

图6初始氨氮为300mg/L时，1个周期内FA与FNA的变化情况
由图6可知，一开始FA为12.6mg/L，对AOB有一定抑制作用，随着硝化反应的进行，pH随氨氮及碱度的减少而降低，FA浓度逐渐下降，对AOB活性抑制作用解除，而此时NOB活性依然被FA抑制；4h时氨氮降到100mg/L左右时，测定pH为7.20，FA降低到约0.5mg/L，对NOB的抑制作用明显减弱，此时FNA质量浓度已达到0.02mg/L，开始抑制NOB的代谢过程，并且其浓度随着亚硝态氮的增大及pH的降低而继续增大，抑制作用越来越明显。可见通过FA与FNA的协同选择抑制作用能启动并维持稳定的短程硝化过程。试验中还得出pH对硝化类型有极大影响，导致反应后期阶段虽然pH降低得很慢，亚硝氮的增量也很少，但FNA的增大速率几乎保持不变。
2.3出水比对好氧SBR硝化效果的影响
对好氧SBR反应器采用不同出水比的硝化效果进行了比较与探讨。出水比分别取占反应器容积的1/10、2/10、3/10、4/10、5/10、6/10、7/10，SBR反应器内保留的硝化液中硝态氮维持在60mg/L左右，亚硝态氮维持在160mg/L左右，进水氨氮维持在约456.27mg/L，进水以一定比例与预留的好氧硝化液混合后进行曝气。
结果发现不同出水比下系统对氨氮的去除率始终维持在85.82%以上。当出水比较小时（1/10～2/10），亚硝氮积累率维持在70%以上；出水比升高到3/10～4/10时，亚硝氮积累率开始下降，短程硝化被破坏；当出水比继续增大到5/10以上时，亚硝氮积累率开始上升并维持在60%以上。分析原因可能是当出水比较小时，初始亚硝氮在80mg/L以上，此时主要依靠FNA对NOB的抑制作用维持稳定短程硝化，而出水比增大到3/10～4/10时，FNA质量浓度降低到0.01mg/L以下，已无法有效抑制NOB，亚硝酸盐逐渐被氧化成硝酸盐；当出水比继续增大到5/10以上时，初始pH与氨氮均较高，初始FA质量浓度达到3.85mg/L以上，能通过前期FA与后期FNA的协同抑制作用维持稳定短程硝化。
为提高系统处理效率，试验出水比维持＞6/10，只有当进水初始氨氮极高（>900mg/L），初始FA对AOB产生强烈抑制作用导致系统失去硝化效果时，才考虑使用小比例出流。
3、结论
（1）初始氨氮浓度对好氧SBR反应器的硝化类型产生极大影响，当初始氨氮由约200mg/L增至约300mg/L时，系统由全程硝化转化为短程硝化。
（2）在1个反应周期内，前期FA及后期FNA对NOB的交替抑制作用是系统启动并维持稳定短程硝化过程的关键。
（3）当好氧SBR反应器采用部分出水出流，进水氨氮为456.27mg/L时，出水比较大（≥5/10）或较小（1/10～2/10），都有利于系统维持短程硝化过程的稳定运行。