我国的生活垃圾尚未实现分类收集,较多的厨余物导致垃圾含水率较高,因此垃圾在送入焚烧炉前需要在垃圾贮坑中堆酵3~7 d 以沥出水分、提高热值〔1- 2〕。堆酵过程中会产生大量垃圾沥滤液,其成分复杂、毒性大,有机污染物极高(COD 30 000~ 80 000 mg/L),还含有高浓度的氨氮(NH4+-N 300~ 1 800 mg/L),必须进行适当处理,否则会对环境造成严重污染〔3, 4〕。发达国家一般采用垃圾沥滤液回喷焚烧炉燃烧的方式处理,但是我国垃圾含水率高,沥滤液产量大,因此该种处理方式在国内并不适用〔5〕。目前我国尚无一种成熟的经济有效的垃圾沥滤液处理工艺,很多垃圾焚烧厂都采取将渗滤液送往城市污水厂合并处理的方式,成本高达80~100 元/t,且可能会对污水厂的稳定运行造成冲击。 前期研究发现,垃圾沥滤液可生化性良好(B/C>0.3),经厌氧生物处理可去除80%以上的 COD,而NH4+-N 却往往因为有机氮的降解而升高至 1 000 mg/L 以上〔6〕。因此,垃圾沥滤液经厌氧生物处理后必须进行脱氮处理。然而由于垃圾沥滤液水质复杂、有机物和NH4+-N 浓度高,因此传统的活性污泥法处理效果不理想〔7〕。移动床生物膜反应器(MBBR)是在生物接触氧化法和生物流化床基础上研发的,具有水头损失小、不堵塞、无需污泥回流和反冲洗等优点,除碳和脱氮效果良好〔8〕。Sheng Chen 等〔9〕采用厌氧—好氧MBBR 工艺处理垃圾填埋场渗滤液,当OLR 为4.08 kg/(m3·d),好氧MBBR 中的 HRT>1.25 d 时,系统对COD 和NH4+-N 的总去除率分别达到94%和97%以上,且具有很强的抗冲击负荷性能。膜生物反应器(MBR)将传统的生物处理工艺与膜分离技术结合,通过膜对微生物的截留作用延长了污泥龄,有利于增殖缓慢的硝化菌的生长富集,提高硝化效率。鉴于MBBR 和MBR 工艺具有上述优势,并考虑到采用前置反硝化工艺可以有效利用厌氧处理出水中剩余的有机碳源,笔者采用缺氧/ 两级好氧MBBR—MBR 组合工艺对垃圾焚烧厂沥滤液厌氧出水进行处理,考察该工艺的运行效能,为垃圾沥滤液处理工艺的选择提供新的依据。 1 材料和方法
图 1 组合工艺流程 该组合工艺共设置2 条硝化液回流管路,包括 MBR 出水回流和MBBR2 内硝化液回流。 1.2 实验用水水质 1.3 工艺运行条件
1.4 分析项目和方法 2 结果与讨论
图 2 组合工艺对NH4+-N 的处理效果
图 3 组合工艺对TN 的处理效果 由图 2 可以看出,实验期间缺氧MBBR 出水中的NH4+-N 大幅降低,这主要归因于回流水的稀释作用。缺氧MBBR 出水经两级好氧MBBR 和MBR 进一步处理后,NH4+-N 依次降低,并主要发生在 MBBR2 和MBR 处理段,MBBR1 中NH4+-N 浓度降幅很小。由图 3 可以看出,TN 主要在缺氧MBBR 中被去除,仅有少量在MBBR1、MBBR2 和MBR 中被去除。这是由于缺氧MBBR 中的反硝化菌利用垃圾沥滤液厌氧出水中的有机碳源作为电子供体,将进水及回流液中的NOx-N 最终还原成气态产物N2 〔11〕。 好氧反应器中TN 的降低可能是因为微生物的同化作用,还可能是因为发生了同步硝化反硝化〔12〕。 2.1.1 进水pH 的影响 2.1.2 碳氮比的影响 2.1.3 进水NH4+-N 的影响
图 4 MBBR2 和MBR 中游离氨及亚硝氮积累率的变化 由图 4 可见,不同进水NH4+-N 浓度下,MBBR2 在A 阶段的亚硝氮平均积累率为73.3%,C 阶段和E 阶段>90%;MBR 中的亚硝氮积累率由A 阶段的<10%逐渐上升至E 阶段的80%左右。据报道,硝酸菌和亚硝酸菌的最适宜pH 分别为6.0~7.5、7.0~ 8.5 〔13〕,其受抑制的游离氨(FA) 质量浓度分别为 0.1~1.0、10~150 mg/L〔16〕。因此认为两个反应器中亚硝酸盐积累越来越明显是因为长期在pH>8.0、FA> 1 mg/L 的环境下运行。第31~34 天,MBR 积累率突然升高是由前述DO 变化造成的。因为亚硝酸菌和硝酸菌的溶解氧饱和常数一般分别为0.2~0.4、1.2~ 1.5 mg/L,在低DO 下亚硝酸菌的生长速率大于硝酸菌的生长速率,亚硝化过程占优〔17〕。此外,MBBR2 接入系统前亚硝氮积累率为85%左右,这是MBBR2 在运行初期就有明显亚硝酸积累的主要原因之一。 MBR 在A 运行阶段亚硝氮积累率较低可能是因为该阶段进水NH4+-N 相对较低,MBBR2 出水NH4+-N 平均已降至16.5 mg/L,导致MBR 中可利用的亚硝化过程的底物(NH4+-N)很少,主要发生NO2--N 氧化为NO3--N 的反应,而且MBR 接入系统前亚硝氮积累率仅为15%左右。随着进水NH4+-N 增加, MBBR2 出水中NH4+-N 也相应升高,这是运行后期 MBR 实现短程硝化的必要条件之一。 综上,在进水流量为1.0 L/d,pH 约为7.0,COD 约为6 500 mg/L,好氧MBBR、MBR 中DO 为3~4.5 mg/L 的条件下,即使进水NH4+-N 高达1 650 mg/L左右,组合工艺对NH4+-N 和TN 的去除率仍能达到约99%和81%,出水NH4+-N 质量浓度低于15 mg/L,缺氧/两级好氧MBBR—MBR 组合工艺能够有效去除垃圾沥滤液厌氧处理出水中的高浓度NH4+- N。而且在MBBR2 和MBR 中实现了短程硝化,降低了反硝化对碳源的需求量,系统无需外加碳源。 2.2 COD 的去除效果
图 5 组合工艺对COD 的去除效果 图 5 表明,实验期间系统对COD 的总去除率较稳定,在77%~89%。在A、B、C、E 运行阶段,COD 主要在缺氧MBBR 中通过反硝化作用被去除。系统进水COD 为4 700~7 800 mg/L 时,缺氧MBBR 实际进水COD(考虑回流)经计算可知约为1 500~2 500 mg/L,缺氧段出水COD 为800~1 600 mg/L,仅剩余少量可降解COD 在好氧MBBR1 中被异养菌消耗。而在D 运行阶段,由于该阶段进水COD 已升至约 10 000 mg/L,因此缺氧段出水中可降解COD 增多, MBBR1 对COD 的去除作用明显增加。可见MBBR1 的设置减小了进水COD 波动对系统去除效果的影响。MBBR2 和MBR 对COD 去除作用不明显,有时甚至出现出水COD 升高的现象,原因可能是其出水中含有更高浓度的亚硝氮,然而实验所采用的COD 测定方法无法消除亚硝氮对测定的影响。 2.3 生物膜和污泥中的硝化细菌特性分析
查表可得〔10〕,MBBR1 中每颗填料生物膜上的亚硝酸菌和硝酸菌最大可能数分别为4.5×104 和90; MBBR2 中每颗填料生物膜上的亚硝酸菌和硝酸菌最大可能数分别为4.5×106 和4.5×103;MBR 反应器污泥混合液中所含的亚硝酸菌和硝酸菌最大可能数分别为1.1×106 mL-1 和4.5×104 mL-1。与MBBR2 相比,MBBR1 中的亚硝酸菌和硝酸菌均小2 个数量级,这是MBBR1 硝化效果相对较差的根本原因。且由上述计算结果可见,MBBR1 中的硝酸菌数量很少,亚硝酸菌为优势菌,因此MBBR1 中主要发生的是亚硝化过程,其出水中硝酸盐几乎为0。 MBBR2 和MBR 中的亚硝氮平均积累率分别约为90%、80%,由MPN 计数结果可知2 个反应器中都是亚硝酸菌相对更占优势,其中MBBR2 中亚硝酸菌与硝酸菌的数量比为1 000∶1,MBR 中为24.4∶1,这是这两个反应器都能实现短程硝化的原因之一。但由于2 个反应器中也大量存在硝酸菌,因此在较高pH 条件下,反应器中高浓度的FA 对硝酸菌活性的抑制作用也是实现短程硝化的重要因素。。 3 结论 (2)系统稳定运行时,MBBR2、MBR 中的亚硝酸盐平均积累率分别约90%、80%,实现了短程硝化。较高的pH 和FA 是反应器亚硝酸积累的重要原因。 (3)MPN 计数法测定结果表明,MBBR2 和MBR 中都大量存在亚硝酸菌和硝酸菌,其中MBBR2 中亚硝酸菌与硝酸菌数量比为1 000 ∶1,MBR 中为 24.4∶1,亚硝酸菌的数量占优势。 |