導(dǎo)讀:：垃圾填埋場滲濾液突出的特性有三個：氨氮濃度高。序批式進出水和間歇曝氣。依然是預(yù)處理反應(yīng)器。反應(yīng)器模型啟動試驗研究。

關(guān)鍵詞：滲濾液，序批式，預(yù)處理，啟動試驗

1.引言

垃圾填埋場滲濾液突出的特性有三個：氨氮濃度高，對微生物的繁殖和生長有抑制作用;磷濃度低;水質(zhì)呈非周期性變化幅度大，使污水處理裝置難以適應(yīng)[1,2,3,4]。傳統(tǒng)生物接觸氧化工藝只考慮含碳有機物和懸浮物的去除，針對高濃度氮、低碳氮比的滲濾液處理效果并不理想。重慶黑石子垃圾滲濾液處理工藝(見圖1)在調(diào)節(jié)池與接觸氧化池之間增加了強化預(yù)處理池，CODCr、NH4+-N平均去除率分別為57.8%、52.0%;BOD5/CODCr值從進水0.27升至出水0.33，滲濾液可生化性得到一定程度提高，為后續(xù)好氧處理提供了有利條件。

但黑石子垃圾滲濾液預(yù)處理工藝需要進一步完善：TN的平均去除率僅為24.8%;滲濾液可生化性有待進一步提高;冬季低溫運行期，處理效果差。針對黑石子處理工藝局限性序批式，提出序批式強化預(yù)處理反應(yīng)器(Sequencing Batch Intensified PretreatmentReactor，SIPR)，即通過序批進水、間歇曝氣、控制DO和SRT，提供較較優(yōu)水解條件，促進短程硝化反硝化實現(xiàn)[5,6,7]。

圖1 黒石子垃圾填埋場滲濾液處理工藝流程

Fig1 Leachate treatment process of Heishizilandfill

2. SIPR反應(yīng)器廢水處理理論基礎(chǔ)

SIPR通過序批進水使得反應(yīng)器進水之初有機物濃度較高，利于水解反應(yīng)進行，在一個進水周期結(jié)束時，水解兼性菌處于饑餓狀態(tài)，這種“盛宴”和“饑餓”的交替環(huán)境條件，利于提高兼性水解菌的生物活性;批量周期進水可使進水初期反應(yīng)器內(nèi)形成高氨氮濃度，從而形成一定的游離氨濃度，抑制硝酸菌的生長，有利于菌種分離，促進短程硝化[8]。低氧曝氣和攪拌實現(xiàn)反應(yīng)器中的微氧和缺氧交替的環(huán)境，缺氧狀態(tài)可以抑制溶解性有機物的快速去除，同時促進水解，微氧條件消耗部分溶解性有機物，避免溶解性有機物過度積累，為下一階段的缺氧水解提供便利條件[9]，從而達到提高滲濾液可生化性的目的;間歇曝氣使溶解氧在時間上、空間上有所變化，又為硝化反硝化的順利實現(xiàn)提供可能。

SIPR序批式進出水和間歇曝氣，與SBR反應(yīng)器有所不同：處理目的不同，SIPR依然是預(yù)處理反應(yīng)器，它的第一個目的是通過水解反應(yīng)提高出水可生化性;第二個目的是提高脫氮效能，優(yōu)化出水營養(yǎng)配比中國。運行方式不同，SIPR通過間歇低強度曝氣，實現(xiàn)反應(yīng)器微氧(0.5~1.0mg/L)、缺氧(0~0.2mg/L)狀態(tài)交替變化，而SBR反應(yīng)器大都為好氧、缺氧交替運行方式;普通SBR反應(yīng)器往往需要較長的進水、排水、沉淀和閑置時間，SIPR為實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)不同時間段較大的濃度梯度序批式，瞬間進水排水，沉淀時間也相對較短，不需閑置;SIPR控制相對較短的SRT，旨在實現(xiàn)菌種分離，同時提高生物活性。

因此預(yù)處理模型選擇SIPR的目的即為通過序批進水、間歇曝氣以及控制DO濃度和SRT，旨在提高出水可生化性和脫氮效能。同時在常溫和較高溫度條件下旨在實現(xiàn)短程硝化反硝化，節(jié)約能耗和反應(yīng)時間;在溫度較低時(進水滲濾液水溫低于20℃以下，短程硝化反硝化實現(xiàn)較為困難)通過序批式運行，優(yōu)化反應(yīng)器運行參數(shù)，探索優(yōu)化出水可生化性和營養(yǎng)配比的實現(xiàn)條件。

3. SIPR反應(yīng)器模型啟動試驗研究

3.1SIPR與連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器啟動試驗

以黑石子垃圾填埋場強化預(yù)處理工藝設(shè)計的反應(yīng)池為原型，采用相似條件為保持弗勞德數(shù)不變，制作SIPR預(yù)處理試驗?zāi)Ｐ�。為驗證SIPR反應(yīng)器是否具有更高的處理效能，進行兩種預(yù)處理(與黑石子滲濾液處理工藝完全相同的連續(xù)流預(yù)處理工藝和SIPR預(yù)處理工藝)同步試驗。

兩種反應(yīng)器以不同方式運行：連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器連續(xù)進水、連續(xù)曝氣，DO=0.8±0.2mg/L;SIPR序批進水、間歇曝氣(曝氣時DO=0.8±0.2mg/L)、攪拌、靜置和排上清液，序批周期12h，曝氣周期(曝氣和停曝攪拌的周期)2h，曝氣比例(反應(yīng)器一個運行周期的曝氣時間占整個運行周期的比例)60%。注意控制SIPR的SRT，提高微生物活性。

污泥培養(yǎng)初期以經(jīng)過稀釋的滲濾液為基質(zhì)，加入適量葡萄糖溶液，控制BOD5/CODCr≥0.5、CODCr/NH4+-N為10左右，為微生物提供合理營養(yǎng)配比。然后逐步減小滲濾液稀釋倍數(shù)和葡萄糖投入量。啟動期間進水CODCr、氨氮、TN、TP約4059~4987mg/L、221~1526mg/L、289~2045mg/L、1.80~20.35mg/L，CODCr、氨氮容積負荷分別由0.81kg/(m3·d)、0.04kg/(m3·d)提高至1.12kg/(m3·d)、0.35kg /(m3·d)。

在相同進水濃度、溫度(22±5℃)、HRT(4d)條件下，SIPR反應(yīng)器較之連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器能在低氧耗量情況實現(xiàn)更高的有機物去除、氨氮轉(zhuǎn)化率和總氮去除率：啟動試驗完成后CODCr、NH3-N去除率達到68.17%、69.38%，尤其是TN去除率達到64.08%，碳氮比得到優(yōu)化，為后續(xù)好氧生物處理微生物提供良好的成長環(huán)境。

3.2啟動期間預(yù)處理反應(yīng)器處理效能對比分析

1)有機物和營養(yǎng)鹽去除效果對比分析

SIPR比連續(xù)流預(yù)處理池污染物去除效果高，出水水質(zhì)更穩(wěn)定。經(jīng)28天的馴化，SIPR的CODCr去除率迅速升高到65.24%;32天馴化后，SIPR的CODCr去除率穩(wěn)定在68.17%左右。啟動三周后SIPR的氨氮、TN、TP去除率迅速上升到53.26%、44.09%、29.48%序批式，明顯高于連續(xù)流預(yù)處理池。而且因硝化菌增殖緩慢，需較長時間才能增殖到充足的數(shù)量，SIPR的TN去除率繼續(xù)上升。培養(yǎng)50天后，兩種反應(yīng)器均成功啟動，SIPR的平均出水CODCr、氨氮、TN、TP約為1564mg/L、461mg/L、698mg/L、5.13mg/L，CODCr、氨氮、TN、TP去除率穩(wěn)定在68.17%、69.38%、64.08%、34.29%以上;連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器的CODCr、氨氮、TN、TP去除率則保持在63~67%、62~68%、25~29%、29~32%之間，其污染物去除率，尤其是總氮去除率明顯低于SIPR。

圖2 啟動期間CODCr處理效能對比分析

Fig. 2 CODCr removalperformance contrast

圖3 啟動期間氨氮處理效能對比分析

Fig. 3 ammonia nitrogen removalperformance contrast

圖4 啟動期間TN處理效能對比分析

Fig. 4 TN removal performancecontrast

圖5 啟動期間TP處理效能對比分析

Fig. 5 TP removal performancecontrast in start-up period

圖6 啟動期間SIPR出水中氮素比例變化

Fig.6 Transformation of nitrogenproportion of SIPR

2)出水可生化性對比

可生化性，表明滲濾液中有機污染物可被微生物降解的程度，是評價該滲濾液處理效能的重要判據(jù)。SIPR能否提高滲濾液的可生化性，可以借助幾個指標(biāo)進行判斷。首先對于以顆粒態(tài)有機物含量高的滲濾液而言，隨著反應(yīng)的進行，顆粒態(tài)有機物被轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庑晕镔|(zhì)，這樣勢必引起揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)的增加。因此通過比較反應(yīng)前后的VSS的濃度變化了解可生化性提高的幅度，濃度差值越大，表明反應(yīng)進行程度越好;其次滲濾液中的有機物被水解后的產(chǎn)物，一般是有機酸(VFA)[11]。測定反應(yīng)前后的VFA濃度的變化可以直接反映水解酸化程度[12];由于水解反應(yīng)后的產(chǎn)物大都是酸性物質(zhì)，如此必然引起廢水pH值的降低，觀測pH值的變化也是常采用的方法之一;另有現(xiàn)象需要指出，滲濾液經(jīng)過水解后溶解性BOD5所占有機物的比例明顯提高。這是因為經(jīng)過水解反應(yīng)后原來非BOD5物質(zhì)，被轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谏锝到獾挠袡C物[13]。由于水解的過程涉及的細菌種類、反應(yīng)產(chǎn)物較多，反應(yīng)機理復(fù)雜，所以這幾個判斷指標(biāo)不能完全代表過程的全部。對于一個實際的水解過程來說，應(yīng)該綜合各個指標(biāo)，從各方面了解反應(yīng)歷程。

圖7 啟動期間反應(yīng)器出水可生化性的提高對比

Fig. 7 Increasing of biologicaldegradation ability contrast in start-up period

SIPR出水BOD5/CODCr、VFA明顯高于連續(xù)流強化預(yù)處理反應(yīng)器(見圖4.8)。SIPR將難降解大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成易降解小分子物質(zhì)，使?jié)B濾液BOD5/CODCr和VFA提高。啟動后期(前期加入葡萄糖，進水BOD5/CODCr不能真實反映滲濾液水質(zhì))，進水完全為滲濾液，SIPR的平均BOD5/CODCr由進水的0.251升高至0.442序批式，平均VFA由進水的186mg/L提高到584mg/L，其出水接近于易生物降解水質(zhì)需要的BOD5/CODCr≥0.5，可生化性得到大幅度提高。連續(xù)流預(yù)處理池出水BOD5/CODCr 為0.303左右，VFA約257mg/L，出水水質(zhì)距易生物降解的差距較大。

3)出水營養(yǎng)配比對比

氨氮濃度高、碳氮比低是滲濾液的水質(zhì)特性之一，容易造成微生物營養(yǎng)失衡。作為滲濾液處理系統(tǒng)預(yù)處理階段，出水應(yīng)具有合理的營養(yǎng)配比，這也是后續(xù)好氧處理工藝高效運行的必要條件。通過對比SIPR與連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器出水碳氮比(由于氨氮可被水處理微生物直接加以利用[14]，因此以CODCr/NH4+-N作為衡量碳氮比的依據(jù))，確定更能為后續(xù)反應(yīng)提供適宜營養(yǎng)配比的處理方式。在啟動試驗中，當(dāng)進水CODCr/NH4+-N為3.24~3.51時，SIPR、連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器出水碳氮比分別為3.39~4.03、2.41~2.56。因此，SIPR比連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器更能為后續(xù)好氧生物處理提供較好的營養(yǎng)配比。

圖8 啟動期間反應(yīng)器出水碳氮比的提高對比

Fig.8 increasing of carbon/nitrogenperformance contrast

3.3污泥特性對比分析

從污泥濃度、污泥活性、污泥沉降性能和生物相等方面對兩種反應(yīng)器的污泥特性進行系統(tǒng)的對比分析。馴化2周后兩反應(yīng)器污泥MLSS差別不大，SIPR的MLSS降至6.89g/L，MLVSS/MLSS升至0.67，SV達17.5%。連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器降到6.41g/L，MLVSS/MLSS上升到0.63，SV達18.8%。馴化3周后SIPR的MLSS為4.14g/L左右;連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器MLSS降到了3.49g/L。在28天后將SIPR的SRT控制在9d左右，連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器控制在10d左右，此時SIPR污泥由漿糊狀變?yōu)樾鯛�，顏色變淺呈棕褐色，污泥顆粒大，沉降性好。50天后，SIPR的MLSS穩(wěn)定至3.11g/L左右，MLVSS/MLSS穩(wěn)定在0.769左右，SV達16.1%;連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器MLSS降至2.02g/L，MLVSS/MLSS保持在0.667~0.712，SV達17.4%。啟動試驗期間SIPR中的MLVSS、MLVSS/MLSS始終明顯高于連續(xù)流強化預(yù)處理反應(yīng)器，污泥活性高;SV值更合理序批式，污泥沉降性能好中國網(wǎng)。通過顯微鏡檢測發(fā)現(xiàn)SIPR微生物數(shù)量明顯多于連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器，包括游泳型纖毛蟲如豆形蟲、漫游蟲、楯纖蟲和原生動物，生物相非�；钴S。

4. SIPR預(yù)處理的高效性分析

試驗證明在相同進水、溫度、HRT條件下，SIPR在低能耗的條件下較之連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器出水穩(wěn)定，具有更高的有機物和營養(yǎng)鹽去除效能，出水可生化性提高幅度大，營養(yǎng)配比合理。

SIPR中的基質(zhì)濃度和微生物濃度是變化的。這期間雖然反應(yīng)器內(nèi)呈完全混合狀態(tài)，但其基質(zhì)與微生物濃度變化對于時間來說是一個推流過程。在連續(xù)流反應(yīng)器中，有連續(xù)流完全混合式(CSTR)與推流式(PF)兩種極端的流態(tài)。在CSTR中的基質(zhì)濃度等于出水基質(zhì)濃度。根據(jù)生化反應(yīng)動力學(xué)原理，由于反應(yīng)器中的基質(zhì)濃度很低，其生化反應(yīng)推動力也很小，反應(yīng)速率與去除有機物效率都低。在理想的推移流反應(yīng)器中，廢水從池首端進入，隨推流狀態(tài)沿反應(yīng)池流動，從池末端流出，但在反應(yīng)池的各斷面上只有橫向的混合，沒有縱向的返混。在理想的推流式反應(yīng)器中，作為生化反應(yīng)推動力的基質(zhì)從進水的最高濃度逐漸降解至出水時的最低濃度。在整個反應(yīng)過程，基質(zhì)濃度沒有被稀釋，盡可能保持了最大的推動力。但在空間上理想的推流狀態(tài)是不能實現(xiàn)的，曝氣池中劇烈的曝氣產(chǎn)生嚴重返混現(xiàn)象。因此連續(xù)流預(yù)處理池中的流態(tài)更接近完全混合，推流式生化反應(yīng)速率及其推動力大的優(yōu)點在連續(xù)流預(yù)處理池中遠未發(fā)揮出來。而SIPR中，雖然在曝氣和攪拌階段，其基質(zhì)濃度與微生物濃度在反應(yīng)器的空間變化上呈完全混合狀態(tài)，但是隨時間變化卻成理想的推流狀態(tài)。這是SIPR較連續(xù)流預(yù)處理池高效的原因之一。

SIPR較連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器具有較高的有機物去除效能。原因是異養(yǎng)菌和兼性水解菌世代時間相對較短，SIPR控制較短SRT，利于異養(yǎng)菌和水解菌的的生長繁殖，從而提高了反應(yīng)器中滲濾液的可生化性，并利于有機物的穩(wěn)定去除;序批進水方式使微生物處于盛宴、饑餓交替的狀態(tài)序批式，利于微生物活性的提高;間歇供氧使反應(yīng)器處于缺氧、微氧交替狀態(tài)，促進SIPR利用進水中有機物作為碳源進行反硝化，既可節(jié)約這部分有機物氧化所需氧量，又可提高有機物去除率。

SIPR的氨氮、TN去除率較連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器高，而且SIPR抗沖擊負荷能力強，出水較穩(wěn)定。SIPR初始氨氮濃度較高，促進SIPR短程硝化反硝化，利于低碳氮比滲濾液的生物脫氮。通過周期性曝氣和停曝攪拌，曝氣階段DO濃度控制在0.8mg/L左右，氨氮被氧化，(亞)硝酸鹽積累，為下一階段的反硝化提供基質(zhì);停曝攪拌時，DO濃度控制在0~0.2mg/L左右，反應(yīng)器處于缺氧狀態(tài)，反硝化菌利用污水中含碳有機物作為電子供體，將(亞)硝酸鹽氮還原成為氮氣，由此避免了硝態(tài)氮在反應(yīng)器中的過度積累，利于好氧階段的硝化反應(yīng)。同時控制反應(yīng)器的SRT在8~10d左右，確保反應(yīng)器內(nèi)生物量平衡，以實現(xiàn)生物恒化器的功能中國網(wǎng)。硝化產(chǎn)酸，反硝化作用產(chǎn)堿，通過硝化反硝化作用在同一反應(yīng)器中實現(xiàn)，SIPR從空間上為反應(yīng)器實現(xiàn)內(nèi)部酸堿平衡創(chuàng)造條件。因此SIPR脫氮效能較好，

常規(guī)廢水生物除磷是通過厭氧、好氧交替操作，利用活性污泥超量吸磷特性，使細胞含磷量相當(dāng)高的細菌群體能夠在處理系統(tǒng)的基質(zhì)競爭中取得優(yōu)勢，從而達到除磷目的。生物除磷中的聚磷菌能夠過量地、在數(shù)量上超過其生理需要從外部環(huán)境攝取磷，并將磷以聚合的形態(tài)貯藏在菌體內(nèi)，形成高磷污泥序批式，排出系統(tǒng)外。在好氧條件下，聚磷菌有氧呼吸，不斷地氧化分解其體內(nèi)儲存的有機物，同時也不斷地通過主動輸送的方式，從外部環(huán)境向其體內(nèi)攝取有機物，由于氧化分解，又不斷放出能量，能量為ADP所獲取，并結(jié)合H3PO4而合成ATP。H3PO4除小部分是聚磷菌分解其體內(nèi)聚磷酸鹽而取得，大部分是聚磷菌利用能量，在透膜酶的催化作用下，從外部將環(huán)境中的H3PO4攝入體內(nèi)，一部分用于合成ATP，另一部分用于合成聚磷酸鹽。在厭氧條件下，聚磷菌體內(nèi)ATP進行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP[48]。SIPR基質(zhì)濃度高，微生物活性高，使磷不斷轉(zhuǎn)化為微生物組分，并以污泥形式被沉淀去除;同時反應(yīng)器中混合液能夠周期性處于缺氧、好氧交替狀態(tài)，利于生物除磷，具有比連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器略高的TP去除率。

SIPR的水解使復(fù)雜大分子有機物通過產(chǎn)酸菌胞外酶的作用轉(zhuǎn)化為簡單的可溶性小分子，如多糖水解為單糖，蛋白質(zhì)分解為氨基酸，脂肪轉(zhuǎn)化為鏈脂肪酸和丙三醇等。同時兼性或?qū)Ｐ缘漠a(chǎn)酸菌將水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為短鏈有機酸、醇、醛等中性化合物，碳水化合物降解為脂肪酸，有機酸產(chǎn)生，VFA值升高。SIPR間歇曝氣，反應(yīng)器中DO濃度、pH值、氧化還原電位ORP呈周期性變化序批式，尤其是停曝攪拌DO濃度降低，ORP降低，同時pH值略有上升，促進水解反應(yīng)繼續(xù)進行，使?jié)B濾液可生化性得到進一步提高。由于SIPR具有較好的除氨脫氮效能，出水營養(yǎng)配比得到進一步優(yōu)化，為后續(xù)好氧處理創(chuàng)造較好的條件。

同等條件下培養(yǎng)，SIPR中污泥濃度高于連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器，生物種群豐富，污泥活性高，這也是SIPR具有更高去除效能的原因之一。

5.結(jié)論

通過采用序批進水、間歇曝氣以及控制DO濃度和SRT的運行方式，水解反應(yīng)和硝化反硝化在SIPR反應(yīng)器中得以共同實現(xiàn)，同步提高了預(yù)處理出水的可生化性和預(yù)處理反應(yīng)器的脫氮效能;SIPR較連續(xù)流預(yù)處理反應(yīng)器具有更高的微生物活性，使預(yù)處理出水營養(yǎng)配比良好，為后續(xù)好氧生物處理創(chuàng)造了有利條件，是垃圾滲濾液處理中優(yōu)先選擇的預(yù)處理方式。

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