垃圾填埋場滲濾液是一種成分復雜、 污染程度很高的有機廢水,其中高氨氮、 高有機物和營養元素比例失調等獨特的水質特點使滲濾液難于處理[1]. 由于生物脫氮可實現真正意義的氮去除,而非“污染轉嫁”,因此生物法是目前處理垃圾滲濾液應用最廣泛的方法[2, 3, 4]. 研究表明,厭氧-好氧組合工藝可以同時去除滲濾液中有機物與氨氮,并且在厭氧反應器內可實現同步反硝化和產甲烷,以強化有機物和氮的去除. 因此,該工藝成為目前滲濾液生物處理的主導工藝[5, 6, 7].

　　由于滲濾液內的高氨氮所形成的游離氨(FA)對硝化菌活性產生產生抑制作用,使硝化作用無法進行[8, 9]. 同時,硝化反硝化作用受溫度的影響較大,當溫度低于15℃時,硝化、 反硝化速率明顯降低,當溫度10℃以下時,反硝化作用將停止[10, 11]. 鑒于上述原因,本實驗針對實際垃圾填埋場滲濾液,采用單級UASB-SBR生化系統進行處理,基于623 d的連續實驗,考察系統在常、 低溫條件下的去有機物和除氮特性,力求實現高氨氮和有機物的同步、 深度去除， 同時考察SBR系統內氮的轉化規律.

　　1 材料及方法

　　1.1 實驗用水來源與水質特性

　　本研究所采用的垃圾滲濾液取自北京六里屯垃圾填埋場,其水質特征見表 1.

　　表 1 滲濾液水質特征/mg ·L-

　　1.2 接種污泥

　　UASB接種厭氧顆粒污泥取自哈爾濱啤酒廢水處理廠， SBR接種污泥取自本實驗室處理生活污水氧化溝內具有良好脫氮活性的污泥，濃度為2 500 mg ·L-1

　　1.3 實驗裝置及運行方式

　　采用 UASB-SBR生化系統處理垃圾填埋場滲濾液,實驗裝置如圖 1所示.

　　圖 1 單級UASB-SBR生化系統示意

　　原水箱由不銹鋼制成,容積為50 L,水箱中間為容積10 L的水浴加熱區. UASB反應器的材質為有機玻璃,有效容積為1.5 L. SBR反應器由有機玻璃構成,有效容積為12 L,采用鼓風曝氣,SBR在室溫下運行. 滲濾液從原水水箱通過蠕動泵與回流的 SBR硝化出水一起進入UASB反應器,進行缺氧、 厭氧反應. 經UASB處理的滲濾液進入SBR,完成生物脫氮的硝化-反硝化反應及殘余有機物的去除. SBR運行模式：靜態進水→曝氣反應→靜沉→硝化上清液回流→缺氧攪拌(投加碳源)→靜沉、排水.

　　1.4 水樣測定方法

　　NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N、 COD和堿度等水質指標均采用國家規定的標準方法[12]. TN通過TN分析儀(Multi N/C3000,德國耶拿)測定. 采用WTW測定儀及相應探針監測液相內DO、 ORP、 pH值.

　　1.5 實驗運行條件

　　本實驗共運行623 d,分4個階段, Ⅰ為實驗啟動階段, Ⅱ~Ⅳ為穩定運行階段. 實驗運行條件如表 2所示. SBR運行參數:進水 2 min,曝氣和缺氧攪拌反應時間采用DO、 ORP、 pH儀實時控制,靜沉、 硝化上清液回流 30 min,靜沉、 排水30 min. 溶解氧(DO)濃度為1.0～2.5 mg ·L-1, SBR反硝化階段不進行曝氣,只進行缺氧攪拌,因此DO濃度始終小于0.06 mg ·L-1. 污泥濃度(MLSS) 2 500 mg ·L-1,污泥齡(SRT)30 d, 溫度10.4～32.1℃. UASB運行參數為:HRT 1 d, MLSS 20 g ·L-1, SRT 40 d.

　　表 2 實驗運行條件

　　2 結果與討論

　　2.1 垃圾滲濾液內有機物去除的長期穩定性

　　圖 2為單級UASB-SBR生化系統對滲濾液內有機物去除的長期穩定性. 階段Ⅰ,采用逐步提高UASB進水有機負荷的方式運行,通過將垃圾滲濾液用自來水分別按5 ∶1(0～26 d)、 4 ∶1(27～58 d)、 3 ∶1(59～74 d)、 1.5 ∶ 1(75～96 d)和不稀釋(97～115 d)來運行,相應的進水有機負荷(以COD計，下同)分別為4.45、 5.81、 8.67、 9.24和11.95 kg ·(m3 ·d)-1. 經過115 d的運行,系統對有機物的去除率在90%以上,最終出水COD小于390 mg ·L-1,系統啟動成功. 此后運行過程中,由于原滲濾液的特性不同,導致進水COD出現了較大的波動. 實驗期間,進水COD介于1 000～13 800 mg ·L-1之間,出水COD濃度為150.1～1 234 mg ·L-1,平均去除率在90%以上. UASB反應器的進水負荷在1.0～13.8 kg ·(m3 ·d)-1范圍內波動,平均值為5.92 kg ·(m3 ·d)-1. 4個階段的最終出水COD平均值分別為201、 315、 364和387 mg ·L-1,實現了有機物深度去除. 需要指出的是,原滲濾液中有機物的去除主要在UASB反應器內(反硝化作用和厭氧生物降解)完成的, SBR實現了UASB出水中有機物的深度去除. 由于UASB 反應器的效能和進水有機負荷關系較大,當原滲濾液有機物濃度較高時,UASB反應器的效能越高,反之當進水COD較低時,UASB反應器的效能越低.

　　圖 2 UASB-SBR生化系統對滲濾液內有機物去除的長期穩定性

　　2.2 垃圾滲濾液內氨氮去除的長期穩定性

　　圖 3為氨氮在單級UASB-SBR生化系統內的去除情況. 在階段Ⅰ,系統處于啟動過程,隨著原水稀釋比例的逐漸減小,進水NH+4-N濃度逐漸增加. 啟動過程,在4種條件下,UASB的進水有機負荷(以N計)分別為0.33、 0.44、 0.63和0.91 kg ·(m3 ·d)-1. 從第97 d開始,原滲濾液直接進入反應器,運行至115 d,系統獲得了穩定的氮去除效果,至此完成了實驗啟動. 在以后的運行過程中,階段Ⅱ和Ⅳ階段的原滲濾液NH+4-N濃度較高,平均值分別為1 927 mg ·L-1和1 789.5 mg ·L-1,屬于較為典型的晚期垃圾滲濾液. 階段Ⅲ,原滲濾液NH+4-N濃度較低,平均值為906 mg ·L-1,屬于早期滲濾液.

　　圖 3 單級UASB-SBR生化系統對滲濾液內氨氮去除的長期穩定性

　　從圖 3(a)還可看出,相對于原滲濾液,UASB出水NH+4-N濃度有了較大程度的降低,這是由于SBR硝化液回流稀釋作用,而非生物降解作用. 整個實驗期間,SBR出水NH+4-N平均濃度穩定在10 mg ·L-1以下,這也是系統的最終出水,因此,單級UASB-SBR系統獲得了穩定的氮去除.

　　圖 3(b)為SBR系統內NH+4-N去除率和溫度的變化關系圖. 整個實驗期間,由于SBR反應器在室溫條件下運行,季節的更替導致了SBR內水溫的不斷變化. 對于硝化反應,文獻報道適宜溫度范圍為20～30℃,一般溫度低于15℃時,硝化速率明顯降低,硝化反應受到明顯抑制. 本實驗過程中,溫度波動較大,最高為32.1℃,最低為10.2℃左右,系統在較長期的低溫條件下運行,其中15℃的運行天數共計為171 d,但SBR系統仍然維持了幾乎為100%的NH+4-N去除率,并且硝化速率并未受到明顯影響.

　　2.3 系統內有機物和氮的物料衡算

　　表 3為整個實驗期間,生化系統內UASB和SBR單元內有機物和氮的物料衡算關系. 由此可知,不同的運行階段,由于進水COD和NH+4-N濃度差異較大,因此去除機制也不盡相同. 在階段Ⅰ和Ⅲ,進水COD濃度較高,而NH+4-N濃度較低時,滲濾液內的有機物主要通過UASB內的厭氧產甲烷作用去除, UASB內的反硝化和SBR的硝化作用去除貢獻為20%左右. 在階段Ⅱ和Ⅳ,進水COD濃度較低,而NH+4-N濃度較高時,滲濾液內的有機物主要通過UASB內的反硝化作用去除, UASB內的厭氧產甲烷作用和SBR的硝化作用去除貢獻約為20%左右.

　　表 3 生化系統UASB和SBR單元的有機物和氮的物料衡算關系1)

　　此外,對于滲濾液內的NH+4-N,主要通過SBR的好氧硝化作用去除,貢獻率為95%以上. UASB反應器內去除少量NH+4-N,應為微生物的同化作用利用. 對于滲濾液內的TN去除,主要在UASB和SBR反應器內完成,兩者貢獻大小主要取決于SBR硝化液的回流比. 當回流比較大時, UASB作為TN去除的主要角色. 當回流比較小時,TN去除主要在SBR內完成. 需要指出的是, SBR好氧過程,TN損失是由于系統內存在同步硝化-反硝化作用,而缺氧過程TN去除是因為氧化態氮被還原成氮氣,從系統中逸出.

　　2.4 低溫條件下SBR系統深度脫氮

　　圖 4為低溫條件下SBR內氮的轉化規律. 在溫度分別為 14.9、 11.05、 17.1和13.4℃條件下,獲得了充分的全程生物脫氮[圖 4(a)、 4(b)]和短程生物脫氮[圖 4(c)、 4(d)]. 對于全程生物脫氮,2種溫度下出水NH+4-N分別為0.12 mg ·L-1和 0.6 mg ·L-1,出水TN分別為4.13 mg ·L-1和16.5 mg ·L-1,實現了深度脫氮. 即使在11.05℃時,NH+4-N和TN的去除率仍高達99.8%和86.7%. 需要指出,反硝化過程中出現NO-2-N積累，積累濃度分別為21.5 mg ·L-1和34.9 mg ·L-1,這種現象已被觀察到[13, 14],認為NO-2-N的還原速率低于NO-3-N還原速率是主要原因.

　　圖 4 低溫條件下,SBR典型周期內TN、 NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N的變化規律

　　對于短程生物脫氮,2種溫度條件下,SBR實現了充分短程硝化. 在硝化過程中NH+4-N降低,相應地NO-2-N上升. 硝化過程TN損失了約17.6%～5.2%,可認為是同步硝化反硝化作用. 硝化結束時,SBR內亞硝積累率分別為96.7%和96.8%,維持了穩定的短程硝化. 反硝化過程中,隨著NO-2-N的迅速還原,TN和NO-2-N不斷降低. 2種溫度下,SBR出水TN分別為15.9 mg ·L-1和26.4 mg ·L-1,實現了氮的深度去除.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。

　　3 結論

　　(1)單級UASB-SBR系統可實現滲濾液內高濃度有機物的長期穩定去除,在進水COD為1 000～13 800 mg ·L-1條件下,出水COD為150～1 234 mg ·L-1,去除率維持在90%左右. 基于UASB內高效的反硝化和厭氧生物降解作用,去除了原水中大部分有機物,SBR實現了UASB出水中有機物的深度去除.

　　(2) 單級UASB-SBR生化系統實現了長期穩定的氮去除. 在進水NH+4-N濃度為574～2 360 mg ·L-1條件下,出水NH+4-N小于10 mg ·L-1,去除率維持在95%以上,實現了氨氮的深度去除. 此外,UASB 和SBR系統內充分的反硝化為SBR硝化過程提供了充足的堿度,使得硝化反應過程得以順利進行.

　　(3)低溫條件下,SBR系統獲得穩定的生物脫氮特性,成功跨越2個冬季,15℃以下共計171 d,最低溫度為10.2℃.