垃圾滲濾液短程硝化反硝化脫氮工藝的研究

胡君杰，夏俊方，方小琴，周耀水

（上海晶宇環(huán)境工程股份有限公司，上海200434）

垃圾滲濾液短程硝化反硝化脫氮工藝的研究

胡君杰，夏俊方，方小琴，周耀水

（上海晶宇環(huán)境工程股份有限公司，上海200434）

采用A/O-MBR工藝對填埋場垃圾滲濾液進行了短程硝化反硝化脫氮研究。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)馴化后穩(wěn)定運行，COD去除率達到80%以上，NH4+-N、TN的平均去除率分別達到99.2%、92.2%；OⅠ與OⅡ池中NO2--N平均積累率分別達到91.7%、95.6%，表明系統(tǒng)主要的脫氮方式為短程硝化反硝化；過高或過低的DO都會影響NO2--N積累，硝化過程中的最佳DO為0.7～0.9 mg/L。PCR技術(shù)分析表明，A池中的優(yōu)勢菌種是反硝化細菌，占有率為70%；OⅡ池中的優(yōu)勢菌種是AOB，占有率為67%。

垃圾滲濾液；短程硝化；NO2--N積累

垃圾滲濾液是由垃圾廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵、有機物分解后產(chǎn)生的液體在外來雨雪降水的沖淋浸泡下產(chǎn)生的一種難降解有機廢水〔1〕。垃圾滲濾液具有成分復(fù)雜、水質(zhì)隨季節(jié)變化大、有機物和氨氮濃度高、微生物營養(yǎng)元素比例失調(diào)等特點，其脫氮技術(shù)是目前國內(nèi)外研究的重點和難點〔2〕。

傳統(tǒng)的生物脫氮是將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，再通過反硝化作用將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣〔3〕。這種技術(shù)對可生化性較好的廢水處理效果較佳，但對垃圾滲濾液這類低碳高氨氮的廢水無法有效處理。短程硝化反硝化是將氨氮的氧化控制在亞硝態(tài)氮階段，不經(jīng)過硝態(tài)氮而直接將亞硝態(tài)氮進行反硝化轉(zhuǎn)化成氮氣。這種新型的脫氮技術(shù)較傳統(tǒng)的硝化反硝化生物脫氮技術(shù)可節(jié)省25%的需氧量、節(jié)省40%的碳源、縮短反應(yīng)歷程、減少污泥產(chǎn)量等〔4〕。因此，針對填埋場低碳氮比垃圾滲濾液脫氮效率低的難題，采用A/O-MBR工藝處理垃圾滲濾液，通過控制溶解氧、pH等參數(shù)條件，以形成較高的NO2--N積累，實現(xiàn)短程硝化反硝化脫氮，考察系統(tǒng)中COD、NH4+-N、TN的去除效果及NO2--N積累效果，同時對A/O系統(tǒng)中活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)進行研究，旨在為工程應(yīng)用提供理論參考。

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗所用水樣取自上海市崇明縣生活垃圾填埋場調(diào)節(jié)池中的滲濾液，水質(zhì)特征：電導(dǎo)率為11 340～18 300 μS/cm，pH為7.5～8.5，COD為2 000～6 000 mg/L，NH4+-N為1000～1500mg/L，TN為1100～1600 mg/L。實驗所用的活性污泥取自昆山偉明垃圾焚燒廠的硝化池，污泥為黃褐色液體，沉降性良好。

1.2實驗裝置

實驗裝置由反硝化池（A池）、硝化池（OⅠ池、OⅡ池）、MBR池共4個反應(yīng)器組成，反應(yīng)器材質(zhì)均為有機玻璃，有效容積分別為6、3、3、6 L；MBR膜為平板膜，材質(zhì)為PVDF，有效膜面積200 mm×317 mm；各反應(yīng)器中均設(shè)有溫控儀，A池中設(shè)有攪拌機，O池與MBR池中設(shè)有曝氣裝置，實驗裝置如圖1所示。

圖1　實驗裝置

1.3實驗過程

將活性污泥靜置沉淀1 h左右，去除上清液，分別向各反應(yīng)器中加入10%有效容積的活性污泥，然后加入滲濾液至有效容積液面處，進行悶曝，悶曝3 d后，連續(xù)進水（滲濾液的稀釋液）培養(yǎng)至微生物完成馴化后，進水改為原滲濾液，在不同的實驗條件下連續(xù)運行，同時測定系統(tǒng)中COD、NH4+-N、TN及NO2--N等指標(biāo)。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通過滴加稀鹽酸和NaHCO3進行調(diào)控。運行條件如表1所示。

表1　實驗運行條件

1.4分析方法

1.4.1水樣分析方法

水質(zhì)檢測指標(biāo)及分析方法如表2所示。

表2　檢測指標(biāo)及分析方法

1.4.2活性污泥菌種分析方法

從穩(wěn)定的A/O系統(tǒng)中的A池和OⅡ池中分別取出一定量的活性污泥樣品，采用PCR技術(shù)對陽性克隆進行測序分析，將測序得到的16S rDNA序列用BLAST的方法在GenBank數(shù)據(jù)庫上進行比對分析〔5〕。

2　結(jié)果與討論

2.1COD的去除效果

實驗過程中系統(tǒng)對COD的去除效果如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)中COD的變化

由圖2可見，階段Ⅰ為微生物的培養(yǎng)馴化階段。此階段可分為兩個過程：在4～30 d內(nèi)（1～3 d為悶曝過程，不作討論），進水COD為1 500～2 000 mg/L，MBR出水COD為1 000 mg/L左右，此階段為微生物對新環(huán)境的適應(yīng)階段，對COD去除率較低。30～48 d為負荷提升階段，此階段微生物快速增殖，進水COD從2 000 mg/L逐漸提高到5 091 mg/L過程中，MBR出水COD為1 000～1 570 mg/L，COD去除率從31.04%提高到49.76%。這一過程中的出水COD快速下降，一方面是由于A池中反硝化細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機物，另一方面是由于MBR膜可截留部分大分子有機物。

階段Ⅱ為系統(tǒng)穩(wěn)定過程，此階段的進水COD基本保持恒定，平均值為5 404 mg/L，出水COD逐漸降低并趨向穩(wěn)定，最低時為623 mg/L，平均COD為923 mg/L，COD去除率在80%以上，COD最大去除率可達到88.7%，去除效果較好。

2.2氨氮的去除效果

圖3　系統(tǒng)中的變化

2.3總氮的去除效果

系統(tǒng)對TN的去除效果如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)中TN的變化

由圖4可見，階段Ⅰ，進水TN從649 mg/L逐漸增加至1379mg/L，出水從563mg/L降低至224mg/L，TN去除率從13.3%增加到83.8%。可見，此階段的TN總體變化趨勢與NH4+-N變化趨勢基本相同，原因可能是系統(tǒng)中反硝化細菌快速繁殖生長，進行了反硝化脫氮，使硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成了N2O、NO、N2等氣體，從系統(tǒng)中溢出。階段Ⅱ，進水平均TN為1 488 mg/L，出水TN較低且較穩(wěn)定，維持在116.5 mg/L左右，平均TN去除率達到92.2%，說明系統(tǒng)對TN去除效果較好。

由圖5（a）、圖5（b）可見，整個運行過程中，A池與MBR池出水中的均一直無明顯變化，而有較大變化的是OⅠ池與OⅡ池，說明積累主要發(fā)生在兩個硝化池中，與A池、MBR池均無關(guān)。原因是A池處于缺氧狀態(tài)，抑制亞硝化細菌和硝化細菌的生長；而MBR池中的溶解氧較高，抑制亞硝化細菌的生長，促進硝化菌的生長，致使氮的存在形式基本都為

圖5　各反應(yīng)器出水NO2--N和積累率變化

圖6　OⅡ池出水NO2--N和積累率變化

2.6活性污泥中的細菌群落結(jié)構(gòu)

為了鑒定穩(wěn)定的A/O系統(tǒng)中的微生物菌種，分別從A池污泥與OⅡ池污泥樣品中均隨機挑選100個克隆測序，測序結(jié)果根據(jù)GenBank數(shù)據(jù)庫BLAST進行比對，菌種及其所占比例分別如表3、表4所示。

表3　A池中的污泥菌種及其所占比例

表4　OⅡ池中污泥菌種及其所占比例

由表3可見，首先，Thauera sp.MZ1T是群落中的優(yōu)勢菌種，而Thauera菌屬正是缺氧條件下生長的反硝化菌，大都為桿狀且具有反硝化功能，是典型的異養(yǎng)反硝化細菌，同時對有機物有良好的降解能力，表現(xiàn)出一定的厭氧功能〔7〕；其次，F(xiàn)lavobacterium johnsoniae UW101也較其他菌種占比大，而該菌屬具有反硝化功能，同時可以有效地降解幾丁質(zhì)、葡聚糖和蛋白質(zhì)等有機大分子，表現(xiàn)出一定的厭氧功能，因此具有反硝化功能的細菌共占有70%。說明A池污泥中的細菌絕大部分是反硝化細菌。

由表4可見，首先，Nitrosospira sp.PM2為最優(yōu)勢菌種，Nitrosospira屬于亞硝化螺菌群，Nitrosomonas屬于亞硝化單胞菌群，這兩類菌群共占有的比例為67%，主要功能是將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，即氨氧化菌（AOB），說明OⅡ池污泥中主要的微生物是AOB，促進亞硝態(tài)氮的積累，實現(xiàn)短程硝化；其次，Nitrospina gracilis L3554在所有菌群中占據(jù)12%，而Nitrospina屬于硝化刺菌屬，主要功能是將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，即亞硝酸鹽氧化菌（NOB），說明OⅡ池中同時也存在全程硝化。

3　結(jié)論

（1）采用A/O-MBR工藝處理垃圾滲濾液的過程中，經(jīng)馴化培養(yǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定時的去除效率高，COD去除率在80%以上，NH4+-N、TN的平均去除率分別達到99.2%、92.2%。（2）穩(wěn)定運行時，OⅠ池與OⅡ池中NO2--N平均積累率分別達到91.7%、95.6%，表明系統(tǒng)主要的脫氮方式為短程硝化反硝化。（3）DO分別為0.7、0.9 mg/L時，NO2--N積累效果明顯較DO分別為0.5、1.1 mg/L時的好，可知實驗最佳DO為0.7～0.9 mg/L。（4）PCR技術(shù)分析表明系統(tǒng)的A池中的優(yōu)勢菌種是反硝化細菌，占有比例為70%；OⅡ池中的優(yōu)勢菌種是AOB，占有比例為67%。

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

Hu Junjie，Xia Junfang，F(xiàn)ang 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—），碩士。E-mail：hujunjie@ge-we.cn。

2016-02-15（修改稿）