短程硝化聯(lián)合厭氧氨氧化處理老齡垃圾滲濾液研究進(jìn)展

摘 """""要：垃圾填埋是我國處理垃圾的主要方式，在此過程中會(huì)產(chǎn)生滲濾液。其具有水質(zhì)變化大、復(fù)雜等特點(diǎn)，是一種高氨氮的有機(jī)廢水。垃圾滲濾液傳統(tǒng)處理法又有成本高、處理效果不佳的問題，因此需要找到應(yīng)對(duì)處理方式不佳的方法。短程硝化-厭氧氨氧化（PN-A）耦合工藝具有不加碳源、污泥產(chǎn)量少的特點(diǎn)。基于傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮在硝化過程中需要氧氣，反硝化過程又需要有機(jī)物作為碳源提供營養(yǎng)，會(huì)增加處理成本。為了降低處理成本，短程硝化-厭氧氨氧化（ANAMNOX）耦合工藝得到了廣泛應(yīng)用。本文從PN-A工藝的影響因素出發(fā)，并對(duì)工藝未來的研究和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān) "鍵 "詞：短程硝化；厭氧氨氧化；影響因素

中圖分類號(hào)：X703 """"""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)志碼：A """"""文章編號(hào)：1004-0935（20202024）0×10-00001594-0×4

垃圾滲濾液是在垃圾填埋場(chǎng)中的固體廢物分解后產(chǎn)生的，并且可能導(dǎo)致潛在的環(huán)境問題。垃圾滲濾液處理是廢水處理中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。與生活廢水相比，滲濾液中有機(jī)物和氨氮的濃度更高，并且難以處理^"[1]。多年來，大多數(shù)處理廠都采用傳統(tǒng)技術(shù)來去除氮。根據(jù)垃圾滲濾液的組成，去除有機(jī)物是垃圾滲濾液處理的一般前提，包括化學(xué)需氧量（COD）去除、生物需氧量（BOD）去除和氨氮去除。在垃圾滲濾液排入自然水體之前，還應(yīng)通過對(duì)各種生物的檢測(cè)來進(jìn)行毒性分析。目前，對(duì)滲濾液的處理主要有4種方法：滲濾液轉(zhuǎn)移法、物理化學(xué)法、生物處理法和膜處理法。

垃圾滲濾液是高氨氮廢水，并且其碳氮比很低。硝化-反硝化工藝應(yīng)用很廣，但其脫氮需額外投加碳源，致使其處理成本增加。此外，高濃度氨氮會(huì)抑制微生物的生長和代謝，導(dǎo)致反硝化和COD去除效率不高^[2]。短程硝化將氨氮僅氧化成亞硝氮，厭氧氨氧化是在厭氧條件下，氨氮與亞硝氮反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N₂。因耗氧少、反應(yīng)速度快、剩余污泥量少和無需外加碳源等特點(diǎn)，這2種工藝（尤其是其組合工藝）具有運(yùn)行成本低、節(jié)省反應(yīng)器體積和反應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，已有很多成功案例，在不同類型的廢水、不同操作條件下成功啟動(dòng)短程硝化-厭氧氨氧化工藝，并具有很高的脫氮效率。但是，尚沒有對(duì)這種耦合工藝的啟動(dòng)以及穩(wěn)定運(yùn)行所需控制的條件進(jìn)行相關(guān)的總結(jié)。

1 "短程硝化-厭氧氨氧化（PN-A）工藝簡(jiǎn)介

1.1 "單獨(dú)反應(yīng)器的PN-A工藝

所謂的單獨(dú)反應(yīng)，是指在1個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)短程硝化與厭氧氨氧化。這就需要嚴(yán)格控制好溶解氧、pH、溫度、游離氨等參數(shù)變化。其基本原理是好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌組成細(xì)菌群落，利用其協(xié)同關(guān)系實(shí)現(xiàn)廢水脫氮。好氧條件和缺氧條件交替情況下，AOB和AnAOB將會(huì)形成分層的生物膜。AOB在外層的好氧區(qū)，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，而AnAOB在內(nèi)層缺氧區(qū)將剩余氨氮和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?sup>[3]，從而實(shí)現(xiàn)在同一反應(yīng)器內(nèi)，同時(shí)存在短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)。

啟動(dòng)短程硝化-厭氧氨氧化單相反應(yīng)器大致有以下3種方法：第一種是控制反應(yīng)器內(nèi)影響因素，實(shí)現(xiàn)AOB和AnAOB的同步富集；第二種在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)接種硝化污泥，同時(shí)進(jìn)短程硝化后的出水，并曝氣；第三種在厭氧或缺氧條件下，在短程硝化反應(yīng)器內(nèi)接種厭氧氨氧化污泥。由于厭氧氨氧化菌是自養(yǎng)菌，富集培養(yǎng)比較困難。相對(duì)于前2種方法，第三種方法有一定困難。

要想在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)PN-A工藝，主要是控制其影響因素，控制其在最佳條件?？刂频挠绊懸蛩刂饕ǎ何勰嗤Ａ魰r(shí)間（SRT）、游離氨（FA）、溶解氧（DO）、pH、溫度等。通過對(duì)這些影響因素的單個(gè)控制或者組合控制，來實(shí)現(xiàn)短程硝化-厭氧氨氧化工藝在單獨(dú)反應(yīng)器內(nèi)的啟動(dòng)與運(yùn)行。

1.2 "多個(gè)反應(yīng)器耦合反應(yīng)

多個(gè)反應(yīng)器耦合反應(yīng)指在不同反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)，并將不同反應(yīng)器組合實(shí)現(xiàn)耦合脫氮。最典型的是Sharon-Anammox工藝，2個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)公式如式（1）和式（2）所示。

NH₄⁺+0.75O₂+HCO₃^-→0.5NO₂^-+0.5NH₄⁺+CO₂+1.5H₂O（1）

NH₄⁺+1.32NO₂^-+HCO₃^-+0.512H⁺→

1.02N₂+0.26NO₃^-+0.132CH₂O_0.5N_0.15+ 2.19H₂"""""（2）

Sharon工藝是利用AOB和NOB具有不同的生長條件，實(shí)現(xiàn)短程硝化抑制NOB，使AOB成為系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌屬，并控制反應(yīng)器的HRT，對(duì)氨氮的氧化速率進(jìn)行穩(wěn)定控制，保證短程硝化出水達(dá)到Anammox工藝的進(jìn)水要求，即NH₄⁺-N與NO₂^--N的質(zhì)量比約為1∶1.32。

氨氧化菌和厭氧氨氧化菌的生理特性、所需要的生活環(huán)境均有不同。若將短程硝化與厭氧氨氧化分別在不同反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，便可避免氨氧化菌和厭氧氨氧化菌因?yàn)榄h(huán)境的不同而導(dǎo)致其相互抑制的情況。如果當(dāng)短程硝化或者厭氧氨氧化系統(tǒng)崩潰時(shí)，此時(shí)用的是多個(gè)反應(yīng)器耦合，假如是短程硝化系統(tǒng)崩潰只需要調(diào)整短程硝化系統(tǒng)讓其穩(wěn)定運(yùn)行，并不影響厭氧氨氧化系統(tǒng)的運(yùn)行，耦合系統(tǒng)也會(huì)隨著短程硝化系統(tǒng)的恢復(fù)而穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)比單獨(dú)反應(yīng)器與耦合反應(yīng)器的脫氮效率不難發(fā)現(xiàn)，耦合工藝具有更高的脫氮效率。

目前，很多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)將短程硝化-厭氧氨氧化工藝與其他脫氮工藝耦合起來，以提高氨氮去除率。LI等^[4]將短程硝化和厭氧氨氧化耦合在CANON和Sharon-Anammox，在處理垃圾填埋場(chǎng)的高氨氮（1"900"mg·L^-1）滲濾液時(shí)，其總氮的去除率為99%。

2 "PN-A工藝的主要影響因素

在厭氧氨氧化反應(yīng)中，以氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽為電子受體，發(fā)生氧化還原反應(yīng)將氨氮、亞硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂拖鯌B(tài)氮，最后達(dá)到去除總氮的目的。實(shí)現(xiàn)短程硝化-厭氧氨氧化工藝的關(guān)鍵，首先是維持AOB和AnAOB活性，并抑制NOB活性。因此，影響短程硝化-厭氧氨氧化工藝性能的因素有許多，其中相對(duì)重要的影響因素有溶解氧（DO）、pH及溫度。

2.1 "溶解氧（DO）的影響

短程硝化-厭氧氨氧化工藝是在限制曝氣條件下啟動(dòng)和運(yùn)行的。一方面是因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度是維持穩(wěn)定的亞硝化比例、實(shí)現(xiàn)氨氮的部分亞硝化的關(guān)鍵因素。在短程硝化反應(yīng)過程中，相比NOB，AOB在低氧條件下能較好地生長。另一方面是因?yàn)锳nAOB是嚴(yán)格的厭氧菌，只有通過限制曝氣，使AOB消耗掉幾乎所有的溶解氧，才能保證AnAOB"的活性不被影響。有研究表明^[4]，在低氧水平（空氣飽和度0.25%～2%）下DO對(duì)AnAOB活性的抑制是可逆的，這是部分硝化和厭氧氨氧化能同步進(jìn)行的理論基礎(chǔ)。

在不同的操作條件下，實(shí)現(xiàn)短程硝化的適宜DO范圍較寬（0.16～5.0"mg·L^-1），但只有將DO控制在較低的水平，使AOB消耗幾乎所有的DO才能不影響厭氧氨氧化反應(yīng)中AnAOB活性。有學(xué)者研究表明，當(dāng)DO在0.5～0.7"mg·L^-1時(shí)，AOB和AnAOB活性比較高，NOB將被抑制，出水亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度都比較低，氨氮轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%以上。韓曉宇等^[5]研究表明，在進(jìn)行短程硝化-厭氧氨氧化的實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)DO質(zhì)量濃度為0.2"mg·L^-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性能最好，此時(shí)總氮去除率達(dá)到75.36%"。

2.2 "pH的影響

pH對(duì)短程硝化-厭氧氨氧化工藝的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一方面是直接影響微生物的活性，另外一方面是通過影響參與反應(yīng)的基質(zhì)來間接影響微生物活性。由于pH會(huì)影響生物酶的活性，而在短程硝化-厭氧氨氧化工藝中起主要作用的就是各種生物酶。每種生物酶都有自己最適合的pH范圍，在此范圍之外酶活性不能充分發(fā)揮。據(jù)報(bào)道，AOB的最適pH在7.9～8.5，NOB的最適pH在7.5～8.3，AnAOB的最適pH在6.7～8.3。對(duì)于短程硝化-厭氧氨氧化過程來說，游離氨既是AOB反應(yīng)的基質(zhì)，又是AOB與NOB的抑制劑，低游離氨水平可以促進(jìn)硝化反應(yīng)進(jìn)行，而高游離氨水平下將抑制硝化反應(yīng)。

pH是短程硝化的主要影響因素，有學(xué)者在對(duì)短程硝化實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH在7.8～8.5時(shí)，利于AOB生長代謝，同時(shí)抑制NOB。由此結(jié)論，在運(yùn)行短程硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)時(shí)，最佳pH應(yīng)控制在8左右，保證AOB的活性，并抑制NOB的生長，使AnAOB有充足的底物進(jìn)行反應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)將會(huì)穩(wěn)定高效運(yùn)行。劉旭東等^[6]研究表明，AnAOB在pH為6.5～8.5時(shí)可以生長，最適pH為8.0，可以為AOB與AnAOB的生長提供一個(gè)良好的環(huán)境，也能控制游離氨的濃度，為亞硝酸鹽的積累與厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行提供有力的支撐。

2.3 "溫度的影響

溫度主要是通過抑制酶活性和化學(xué)反應(yīng)活化能，對(duì)微生物的生理功能產(chǎn)生影響，從而影響整個(gè)反應(yīng)過程。根據(jù)修正的Arrhenius方程式可以得出：當(dāng)溫度升高，會(huì)加快酶促反應(yīng)，酶變性失活也會(huì)加快。當(dāng)酶促與失活2個(gè)效應(yīng)趨于平衡，此時(shí)的微生物活性最高。短程硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)在30～35"℃的條件下可以成功啟動(dòng)。該溫度下AOB和AnAOB可維持動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)AOB比NOB生長得更快。

目前短程硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)已在30～35"℃下成功運(yùn)行。李亞峰等^[7]通過升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）探究影響Anammox脫氮性能的因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明UASB在30～35"℃時(shí)脫氮性能最佳。當(dāng)然，不是只有高溫條件下才能進(jìn)行短程硝化-厭氧氨氧化過程。高于30"℃的溫度是反應(yīng)器中AnAOB的最佳選擇，并且相比于NOB，此溫度對(duì)AOB生長繁殖更有利。

3 "短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)

3.1 "短程硝化的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

污水處理過程中的氨氮硝化作用是通過氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（nitrite oxidizing bacteria，NOB）來完成2個(gè)不同的反應(yīng)，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的完全硝化反硝化相比較，短程硝化在污水處理應(yīng)用上主要有兩大優(yōu)勢(shì)。一方面，短程硝化降低了氧氣的消耗，曝氣能耗降低，減少了運(yùn)行成本。此外，在反硝化階段，由于我國生活污水C/N比較低，COD量遠(yuǎn)不足以進(jìn)行完全反硝化，短程硝化的進(jìn)行降低了外加碳源的投加量。另一方面，短程硝化還可以為厭氧氨氧化提供亞硝酸基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本的進(jìn)一步降低。

短程硝化過程的穩(wěn)定維持主要是通過抑制淘汰NOB，從而使AOB成為硝化細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌種來實(shí)現(xiàn)的。主要通過控制溫度、pH、溶解氧、污泥齡、游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）的濃度、投加抑制劑（NH₂OH）以及間歇曝氣來實(shí)現(xiàn)亞硝酸的積累。

3.2 "短程硝化-厭氧氨氧化工藝研究現(xiàn)狀

短程硝化-厭氧氨氧化工藝相比于短程硝化反硝化工藝更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閰捬醢毖趸亲责B(yǎng)菌，短程硝化也是在自養(yǎng)條件下完成的。因此，相比于短程硝化反硝化工藝能夠節(jié)約100%的碳源，污水中的碳源可以被用于生產(chǎn)甲烷以實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。與此同時(shí)，在短程硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)器中只有約55%的NH₄⁺被硝化為NO₂^-，剩余的NH₄⁺在缺氧條件下與NO₂^-通過厭氧氨氧化反應(yīng)去除，因此曝氣所需的能量消耗降低了60%。厭氧氨氧化反應(yīng)過程中沒有氧化亞氮的產(chǎn)生，也避免了溫室氣體的排放。

2002年，荷蘭帕克公司首次將厭氧氨氧化實(shí)際工程應(yīng)用于鹿特丹水廠，該工程采用兩段式SHARON/ANAMMOX系統(tǒng)用于處理污泥消化液（氨氮質(zhì)量濃度在1"200"mg·L^-1左右），厭氧氨氧化反應(yīng)器設(shè)計(jì)容積70"m³，設(shè)計(jì)處理量為500"kg·d^-1，總氮負(fù)荷成功啟動(dòng)后能夠達(dá)到10"kg·m^-3·d^-1。2014年，全世界共有114座已建成或在建的實(shí)際規(guī)模厭氧氨氧化污水處理廠，出于建設(shè)成本的考慮，大多采用一體式厭氧氨氧化系統(tǒng)用于處理高氨氮污水。

絕大多數(shù)的實(shí)際工程采用的都是一體式工藝，反應(yīng)器的形式多種多樣，主要包括：SBR、顆粒污泥系統(tǒng)、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR）以及生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器（Rotating Biological Contactor，RBC）等。好氧反氨化工藝（DEMON，deammonification）是應(yīng)用最為廣泛的厭氧氨氧化技術(shù)，第一座利用DEMON技術(shù)的污水處理廠為奧地利的Strass污水處理廠，用于處理污泥發(fā)酵液。該系統(tǒng)采用pH在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)使用水力旋流器分離AnAOB，從而達(dá)到保證厭氧氨氧化菌的持留，同時(shí)淘洗NOB的目的^[8]。Strass污水處理廠目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了能量自給，并將側(cè)流處理發(fā)酵液的厭氧氨氧化的污泥投到主流污水處理中，利用生物強(qiáng)化的方式實(shí)現(xiàn)了主流厭氧氨氧化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 "結(jié) 論

短程硝化-厭氧氨氧化工藝是一種新型的自養(yǎng)脫氮技術(shù)，不僅可以節(jié)約曝氣能耗，還能削減藥耗。工藝啟動(dòng)與運(yùn)行所需的環(huán)境要求比較嚴(yán)格，不僅要有利于AOB與AnAOB的生長繁殖，同時(shí)還需要抑制并淘汰NOB，所以溫度最好保持在30～35"℃，pH制在8.0±0.2，DO質(zhì)量濃度控制在0.5"mg·L^-1以下。

作為一項(xiàng)才發(fā)展十幾年的新技術(shù)，短程硝化-厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用研究依舊任重道遠(yuǎn)，未來可以從以下幾方面拓展對(duì)短程硝化-厭氧氨氧化工藝的研究。

1）探索簡(jiǎn)易的控制策略實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定提供亞硝酸鹽，保證后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)的順利進(jìn)行。

2）由于AnAOB的生長緩慢，可以通過研發(fā)促進(jìn)AnAOB生長與富集的功能填料，縮短該工藝的啟動(dòng)時(shí)間。

3）在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，將工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)控，在自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定脫氮。

4）探索除污泥消化上清液和垃圾滲濾液等特殊廢水外，常規(guī)生活污水、不同類型工業(yè)廢水用該工藝處理的可行性。

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Research progress oin the Treatment of Aged Landfill Leachate by

Short-Cut Nitrification Combined with Anammoxidation

GAO Han

（College of"Municipal and Environmental Engineering，"Shenyang jianzhu universityShenyang Architecture University，"Shenyang""Liaoning"Shenyang""110168，，"China）

Abstract："Landfill is the main way to treat garbage in China， and leachate will be produced in the process. It is a kind of organic wastewater with high ammonia nitrogen， and has great change and complexity in water quality. The traditional treatment method of landfill leachate has the problems of high cost and poor treatment effect， so it is necessary to find a way to deal with the poor treatment methodThe landfill leachate produced by sanitary landfill is a kind of organic wastewater with high ammonia nitrogen due to its complex composition and great change in water quality. The traditional landfill leachate treatment process has some problems such as high cost and unstable treatment effect. The short-cut nitrification ANAMMOX combined process has the characteristics of low energy consumption， no additional carbon source and less sludge production， which can make up for the shortcomings of the traditional treatment method. The traditional biological nitrogen removal process based on whole-process nitrification and denitrification requires a large amount of oxygen supply in the process of nitrification， and the denitrification process requires organic matter as a carbon source， which has the problem of excessive energy consumption and drug consumption. In order to reduce the cost of wastewater denitrification and denitrificationtreatment， the combined process of short-cut nitrification and ANAMNOX has been developed rapidly. The influencing factors of short-cut nitrification and ANAMMOX process were reviewed， and the future research direction of short-cut nitrification and ANAMMOX process was prospected.

Key words："Short-cut nitrification; Anaerobic ammonia oxidation; Influencing factor"Submarine pipeline;