AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理中试应用

赵晴, 周浩, 吕慧, 张鑫, 孟了, 刁兴兴. AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理中试应用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110
引用本文: 赵晴, 周浩, 吕慧, 张鑫, 孟了, 刁兴兴. AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理中试应用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110
ZHAO Qing, ZHOU Hao, LYU Hui, ZHANG Xin, MENG Liao, DIAO Xingxing. Pilot-scale test of partial nitrification-denitrification-based AO-SBR process for landfill leachate pretreatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110
Citation: ZHAO Qing, ZHOU Hao, LYU Hui, ZHANG Xin, MENG Liao, DIAO Xingxing. Pilot-scale test of partial nitrification-denitrification-based AO-SBR process for landfill leachate pretreatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110

AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理中试应用

    作者简介: 赵晴 (1983—),女,博士,副教授。研究方向:污水生物处理技术。E-mail:gzdx_zq@163.com
    通讯作者: 吕慧 (1982—),男,博士,教授。研究方向:环境生物处理理论与技术。E-mail:lvhui3@mail.sysu.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金资助项目 (42077155);黑龙江省自然科学基金资助项目 (QC2017060);深圳市科技计划项目 (JSGG20170824101458515);哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目 (2017RAQXJ020)
  • 中图分类号: X703.1

Pilot-scale test of partial nitrification-denitrification-based AO-SBR process for landfill leachate pretreatment

    Corresponding author: LYU Hui, lvhui3@mail.sysu.edu.cn
  • 摘要: 针对某垃圾渗滤液处理厂现有氨吹脱预处理工艺存在的脱氮效果不佳、运行费用高、易产生二次污染等问题,开展了基于短程硝化反硝化的AO-SBR垃圾渗滤液预处理中试研究,考察了反应系统的脱氮效能,分析了氮素的迁移转化途径,计算长期稳定时预处理工艺的主要运行成本。在中试实验中,垃圾渗滤液进水氨氮浓度为1 000~2 500 mg·L−1,控制SBR池pH为 6.5~7.5、DO为 1.0~1.5 mg·L−1,投加甲醇调节进水碳氮比为1.4~2.0,通过FNA抑制实现了短程硝化反硝化中试系统的启动和稳定运行。稳定阶段系统中的亚硝化率为90%以上,氨氮去除率为80%以上,总氮去除率为50%左右。典型周期氮元素平衡分析结果表明,通过短程硝化反硝化途径和硝化反硝化途径去除的总氮负荷分别占据总氮去除负荷的74.8%和13.5%。AO-SBR短程硝化反硝化作为垃圾渗滤液预处理工艺可以满足后续工艺流程进水要求,最终出水达到纳管标准,该垃圾渗滤液预处理工艺运行成本比氨吹脱降低约30%。短程硝化反硝化工艺替代氨吹脱工艺进行垃圾渗滤液预处理具有技术及经济可行性。以上研究结果可为垃圾渗滤液处理厂预处理工艺的升级改造提供技术支持。
  • 近年来,由于世界范围内的工业发展,人们越来越重视污染物排放[1-2]。静电除尘器(ESP)作为一种能够有效地从干或湿空气流中去除细微颗粒物的装置[3-4],被广泛应用于各种工业领域生产设施中的尾气处理[5-7],其总体除尘效率超过99%,并且具有效率高、阻力小、适用性强等优点。然而,由于细颗粒携带的电荷较低,传统的静电除尘器对亚微米颗粒的去除率相对较低,而且尺寸较小的颗粒更倾向于与烟气一起运动而被排放到空气中,这些细微颗粒物很可能被人体吸入肺部而引起各种呼吸道疾病,特别是对儿童和老年人造成巨大的健康危害[8-9]。因此,提高静电除尘器对细微颗粒物的捕集性能,使其满足更严格排放标准已成为当前亟待解决的问题。

    国内外学者对影响静电除尘器除尘效率的因素开展了较深入的研究,而烟气流速作为影响其性能的主要参数一直被广泛关注[10-11]。东明等[12]分析了不同烟气流速下静电除尘器的捕集性能,得出了烟气流速越大,颗粒捕捉效果越差、除尘性能就越低的结论。周海军[13]探究了烟气流速对除尘效率的影响,并对引起烟气流速变化的原因及其最佳选取值进行了深入讨论。为了测试不同环境下烟气流速对ESP除尘性能的影响,沈之旸等[14]针对宽间距ESP内大流量高温烟气中的细微颗粒物进行了研究,揭示了温度和烟气流速等关键因素对细微颗粒物静电捕捉的影响规律。

    将磁场引入到ESP中因其良好的性能表现,而受到了广泛的重视[15-20]。磁分离技术最早应用于工业中金属粒子的分离[21-22],之后将其引入到ESP[17, 20],发现可以有效地提高除尘效率。孙英浩[23]分析了磁增强电晕放电的放电特性及其对细微颗粒物的荷电机理。米俊锋等[24]比较了磁增强预荷电器和传统预荷电器的荷电效率,揭示了磁增强电晕放电的放电机理。毕业武等[25]研究了磁增强负电晕放电特征,分析了这一过程的放电特性和磁场对极间不同区域的影响。ELABBAS[26]实验表明,放电电极附近磁场的增强对放电电流的增加有显著影响。ZHANG等[27]发现磁场对静电除尘器的捕集性能的促进作用。

    鉴于上述的研究成果,为了更好地展现磁场对ESP颗粒物除尘效率的影响,本研究建立了磁场环境下静电除尘器的多场耦合模型,基于不同的烟气流速来探究ESP中同种颗粒的运动特性和捕集性能以揭示磁场的贡献及其规律,为设计新型ESP提供参考。

    烟气流动满足质量守恒方程(连续性方程)和动量守恒方程[28](Navier-Stokes方程)见式(1)和式(2)。

    ρgt+xi(ρgui)=0 (1)
    t(ρguj)+xi(ρgujui)=Pxj+μeff2ujxi2+Sj (2)

    式中:ρg为烟气密度,kgm3uiuj为气体速度,ms1P为气体平均静压,Paμeff为有效扩散系数,μeff=μ+μtμ为气体动力粘性系数,kg(ms)1μt为湍流动力黏性系数,kg(ms)1Sj为广义源项;下注“i”和“j”分别代表xy方向。

    对于线板式静电除尘器,在电晕稳定放电情况下,可由Poisson方程和电流连续性方程[29]进行描述,见式(3)和式(4)。

    E=2U=ρε0 (3)
    J=0 (4)

    式中:E为电场强度,NC1U为电势,Vε0为真空介电常数,Fm1ρ为空间电荷密度,Cm2J为电流密度矢量,可分为xy方向的分量,各分量的单位为Am2

    电流密度可以简化为式(5)。

    J=ρbionE (5)

    式中:bion为离子迁移率,m2(Vs)1ρ为空间电荷密度,Cm2

    结合电场强度的表达式E=U,式(5)可表示为式(6)。

    J=ρbionU (6)

    考虑离子迁移率为常数,bion=0,结合式(3)和式(4),得到电流连续性方程,见式(7)。

    Uρ=ρ2/ε0 (7)

    需要指出的是,本研究引入线板式ESP中的磁场是稳恒的,在时间和空间上是不变的,不涉及方程组的求解。

    细微颗粒物在外加磁场作用下,x-y坐标下的动量方程包含颗粒惯性力、洛伦兹力、电场力和拖曳力,由于细微颗粒物质量很小,重力被忽略,则具体颗粒动力场动量方程见式(8)。

    mpdudt=Fm+Fe+FD (8)

    式中:mp为颗粒质量,kgu为运动速度,ms1;洛伦兹力Fm=QpvpB,其中QP=Qdiff+QsatQdiff为扩散荷电带电量,Qsat为电场荷电带电量,vp为颗粒作回转的运动速度,B为磁感应强度;电场力可表示为Fe=QPE;拖曳力FD=mpFd,指的是颗粒和黏性流体进行相对运动时,流体作用于颗粒上的阻碍物体相对运动的力,其中Fd=12ApρgCD(ugup)|ugup|Ap为颗粒的迎流面积,ugup分别为烟气平均流速¯ug和尘粒平均速度¯up的标量值,CD是气流和颗粒间的阻力系数。

    图1给出二维线板式ESP的网格划分图。这里将计算区域分为3个电晕区和其他部分。由于电晕区附近的电势梯度较高,因此,需要对这一区域的网格进行细化以确保计算准确性。

    图 1  ESP网格剖分图
    Figure 1.  Mesh diagram of ESP

    不同网格数下线板式ESP的除尘效率及其相对误差如图2所示,可以看出:随着网格数量的增加,除尘效率的相对误差呈下降的趋势。当网格数为41 440时,相对误差达到最小,仅为1.5%,满足工程实际计算的要求,因此,选择此网格数进行计算。

    图 2  网格无关性验证
    Figure 2.  Verification of grid independence

    Deutsh-Anderson(D-A)公式是目前计算分级除尘效率普遍采用的公式,能准确地反映实际工况。为了使数值结果更加可靠,这里计算了与已有研究[30]相同结构和工况下的线板式ESP分级除尘效率,并与D-A公式的计算结果进行了对比,如图3所示。不难看出:相比于D-A公式,本研究的数值模拟结果更加接近于文献实验数据,分级效率的计算精度更高,从而验证了本研究理论数值模型及计算方法的可靠性。

    图 3  分级效率对比
    Figure 3.  Comparisons of grade efficiency

    为了直观地考察磁场效应对颗粒轨迹的影响情况,本研究给出了工作电压为50 kV时2.5 μm粒径颗粒在线板式ESP的运动轨迹,如图4所示。可以发现:在同一烟气流速下,外加磁场作用时颗粒的运动轨迹更偏向于收尘板,这是由于磁场产生的洛伦兹力使得颗粒在ESP中作螺旋运动,颗粒荷电更充分,促进了颗粒的捕集作用;在同一外加磁场环境中,随着烟气流速的变小,颗粒更易靠近收尘板,这是因为烟气流速越小,颗粒停留时间越长,扩散荷电作用更明显,有利于颗粒的捕获。

    图 4  有无外加磁场作用下的颗粒运动轨迹
    Figure 4.  Particle trajectories with or without external magnetic field

    图5给出了不同烟气流速下磁感应强度对颗粒除尘效率影响的曲线,可以发现:不论是否存在外加磁场,除尘效率均随着烟气流速的增大不断下降,且下降幅度逐步减小;在同一烟气流速下,相比无磁场环境,磁场效应能有效地提高除尘效率,并且随着磁感应强度的增大,除尘效率呈增大的趋势;随着烟气流速的增大,除尘效率随磁感应强度变化的上升曲线越陡峭,说明了磁场作用在高烟气流速下对ESP除尘性能的提升幅度更大;相邻2条曲线的除尘效率差值逐渐减小,表明了烟气流速削弱除尘效率的程度在低磁感应强度时更大,且在无外加磁场时最大。

    图 5  除尘效率随磁感应强度的变化
    Figure 5.  Collection efficiency vs. magnetic induction intensity

    不同磁感应强度下除尘效率随速度的变化曲线如图6所示。由此得知:随着烟气流速的增大,除尘效率均呈非线性下降的趋势,并逐渐趋于平缓,而相邻2条曲线的差值逐渐变大,也说明了低烟气流速下磁场对颗粒物除尘效率的贡献更小;磁感应强度越大,除尘效率随速度变化的下降曲线越缓慢,说明了烟气流速降低除尘效率的幅度在高磁感应强度时更小;在同一烟气流速下,磁感应强度越大,颗粒的除尘效率越高,且随着磁感应强度等幅增大,除尘效率的增幅逐步减小,这表明磁场可有效地提高颗粒的捕集效果,但提高幅度随着磁感应强度的增大而降低。

    图 6  除尘效率随烟气流速的变化
    Figure 6.  Collection efficiency vs. flue gas flow rate

    为了进一步分析磁场对颗粒捕集性能的影响,根据图6中的数据,给出了不同烟气流速下贡献率,如图7所示。可以看出:随着烟气流速的增大,磁场对颗粒捕集的贡献率均呈增大且逐渐变缓的趋势,相邻2条曲线的差值逐渐增大,同样说明了高烟气流速下外加磁场的贡献率更显著;在同一烟气流速下,磁感应强度的增大使得ESP中同种颗粒除尘效率的贡献率不断增大,而增幅逐步减小,也表明了磁场对颗粒捕集的促进效果随着磁感应强度的增大不断减小。

    图 7  磁场贡献率随烟气流速的变化
    Figure 7.  Magnetic field contribution rate vs. flue gas velocity

    1)无论烟气流速为何值,磁场环境下ESP的除尘效率均更高,证明了磁场的引入可有效提高线板式ESP的除尘性能。

    2)随着烟气流速的增大,颗粒的除尘效率逐渐下降,而外加磁场对其贡献逐渐升高,说明高烟气流速时磁场效应更明显。

    3)在磁感应强度不断增大时,烟气流速对除尘效率的削弱程度逐步降低,且同种颗粒的除尘效率逐渐增大,但增长幅度不断较小,表明磁场对除尘性能的贡献程度随着磁感应强度的减小而逐步增大。

  • 图 1  AO-SBR示意图和现场照片

    Figure 1.  Schematic diagram and site photo of the AO-SBR reactor

    图 2  AO-SBR中氮化物浓度及亚硝化率

    Figure 2.  Nitrogen concentration and nitrosation rate in the AO-SBR

    图 3  AO-SBR中总氮浓度及其去除率的变化

    Figure 3.  Changes of total nitrogen mass concentration and its removal rate in the AO-SBR

    图 4  典型周期反应器内氮素转化

    Figure 4.  Nitrogen conversion in a typical cycle

    图 5  系统最终出水水质

    Figure 5.  Water quality of final system effluent

    表 1  典型周期反应器进出水水质情况

    Table 1.  Water quality of influent and effluent in a typical cycle mg·L−1

    水样碱度COD总氮氨氮亚硝态氮硝态氮
    反应器进水10 023.502 4862 4422 160.4100
    反应器出水1 0061 356.421 01526959736
    水样碱度COD总氮氨氮亚硝态氮硝态氮
    反应器进水10 023.502 4862 4422 160.4100
    反应器出水1 0061 356.421 01526959736
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    表 2  系统各工艺段出水水质

    Table 2.  Water quality of effluent from each process section of the system mg·L−1

    工艺段名称COD氨氮亚硝态氮硝态氮总氮
    原水1 442±5361 735±426001 950±430
    AO-SBR1 759±411234±106524±12615±5835±210
    EGSB1 145±506232±11049±145±1354±152
    AO-MBR837±52212±706±445±12
    NF65±183±201.5±125±9
    工艺段名称COD氨氮亚硝态氮硝态氮总氮
    原水1 442±5361 735±426001 950±430
    AO-SBR1 759±411234±106524±12615±5835±210
    EGSB1 145±506232±11049±145±1354±152
    AO-MBR837±52212±706±445±12
    NF65±183±201.5±125±9
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    表 3  AO-SBR与氨吹脱工艺的主要运行费用比较

    Table 3.  Comparison of main operating costs between AO-SBR and ammonia stripping

    工艺名称数量单价费用/(元·m−3)费用合计/(元·m−3)
    AO-SBR甲醇1.2 kg·m−34元·kg−14.8009.571
    电费5 kWh·m−30.732元·(kWh)−13.660
    人工费定员1人4 000元·月−11.111
    氨吹脱石灰18 kg·m−30.3元·kg−15.40013.669
    98%硫酸8 kg·m−30.3元·kg−12.400
    电费6.5 kWh·m−30.732元·(kWh)−14.758
    人工费定员1人4 000元·月−11.111
    工艺名称数量单价费用/(元·m−3)费用合计/(元·m−3)
    AO-SBR甲醇1.2 kg·m−34元·kg−14.8009.571
    电费5 kWh·m−30.732元·(kWh)−13.660
    人工费定员1人4 000元·月−11.111
    氨吹脱石灰18 kg·m−30.3元·kg−15.40013.669
    98%硫酸8 kg·m−30.3元·kg−12.400
    电费6.5 kWh·m−30.732元·(kWh)−14.758
    人工费定员1人4 000元·月−11.111
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-23
  • 录用日期:  2020-05-22
  • 刊出日期:  2021-02-10
赵晴, 周浩, 吕慧, 张鑫, 孟了, 刁兴兴. AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理中试应用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110
引用本文: 赵晴, 周浩, 吕慧, 张鑫, 孟了, 刁兴兴. AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理中试应用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110
ZHAO Qing, ZHOU Hao, LYU Hui, ZHANG Xin, MENG Liao, DIAO Xingxing. Pilot-scale test of partial nitrification-denitrification-based AO-SBR process for landfill leachate pretreatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110
Citation: ZHAO Qing, ZHOU Hao, LYU Hui, ZHANG Xin, MENG Liao, DIAO Xingxing. Pilot-scale test of partial nitrification-denitrification-based AO-SBR process for landfill leachate pretreatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 545-552. doi: 10.12030/j.cjee.202004110

AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理中试应用

    通讯作者: 吕慧 (1982—),男,博士,教授。研究方向:环境生物处理理论与技术。E-mail:lvhui3@mail.sysu.edu.cn
    作者简介: 赵晴 (1983—),女,博士,副教授。研究方向:污水生物处理技术。E-mail:gzdx_zq@163.com
  • 1. 广州大学土木工程学院,广州 510006
  • 2. 中山大学环境科学与工程学院,广州 510275
  • 3. 中山大学深圳研究院,深圳 518057
  • 4. 黑龙江工程学院土木与建筑工程学院,哈尔滨 150050
  • 5. 深圳市下坪固体废弃物填埋场,深圳 518047
  • 6. 深圳市利赛实业发展有限公司,深圳 518029
基金项目:
国家自然科学基金资助项目 (42077155);黑龙江省自然科学基金资助项目 (QC2017060);深圳市科技计划项目 (JSGG20170824101458515);哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目 (2017RAQXJ020)

摘要: 针对某垃圾渗滤液处理厂现有氨吹脱预处理工艺存在的脱氮效果不佳、运行费用高、易产生二次污染等问题,开展了基于短程硝化反硝化的AO-SBR垃圾渗滤液预处理中试研究,考察了反应系统的脱氮效能,分析了氮素的迁移转化途径,计算长期稳定时预处理工艺的主要运行成本。在中试实验中,垃圾渗滤液进水氨氮浓度为1 000~2 500 mg·L−1,控制SBR池pH为 6.5~7.5、DO为 1.0~1.5 mg·L−1,投加甲醇调节进水碳氮比为1.4~2.0,通过FNA抑制实现了短程硝化反硝化中试系统的启动和稳定运行。稳定阶段系统中的亚硝化率为90%以上,氨氮去除率为80%以上,总氮去除率为50%左右。典型周期氮元素平衡分析结果表明,通过短程硝化反硝化途径和硝化反硝化途径去除的总氮负荷分别占据总氮去除负荷的74.8%和13.5%。AO-SBR短程硝化反硝化作为垃圾渗滤液预处理工艺可以满足后续工艺流程进水要求,最终出水达到纳管标准,该垃圾渗滤液预处理工艺运行成本比氨吹脱降低约30%。短程硝化反硝化工艺替代氨吹脱工艺进行垃圾渗滤液预处理具有技术及经济可行性。以上研究结果可为垃圾渗滤液处理厂预处理工艺的升级改造提供技术支持。

English Abstract

  • 垃圾渗滤液是生活垃圾在卫生填埋或堆放过程中,由于垃圾内有机物分解、自身水分、以及落在垃圾上的大气降水所形成的一种高浓度废水。垃圾渗滤液水质受垃圾的组成、填埋时间、地质情况、温度和含水量等多种因素影响而变化[1],但其一般特点是高氨氮(氨氮质量浓度为1 000~3 000 mg·L−1)、低碳氮比(老龄垃圾渗滤液COD/N<0.1),有机物种类多且复杂等。垃圾渗滤液若不经处理或处理不当排放至自然环境中,将严重威胁填埋场区域水、土环境的安全[2]

    目前,垃圾渗滤液处理主要采用物化法与生化法相结合的方式,通过预处理、生化处理、深度处理等系列工序达到排放标准[3-4]。吹脱法脱氨效果稳定、氨去除率高,常被用作垃圾渗滤液预处理工艺[5-6]。但吹脱法亦存在明显的缺点[7-8]:操作过程需要大幅度调节 pH、耗费大量酸碱调节药剂、增加成本;使用石灰药剂产生水垢,增大设备维护难度;吹脱产生气态氨,易造成大气污染等。而生物法因为其操作简单、工艺成本低、脱氮高效稳定等特点,逐渐成为国内外填埋场渗滤液脱氮的核心处理技术。但由于垃圾渗滤液碳氮比低,直接采用传统硝化反硝化脱氮工艺处理时,存在碳源投加量大、运行能耗高、脱氮效率低等问题[9-10]。短程硝化反硝化(PND)工艺是指将硝化过程控制在亚硝态氮阶段,再利用反硝化作用直接将亚硝态氮转化为氮气的过程[11]。与传统硝化反硝化相比,理论上可节约25%的耗氧量和40%的碳源量[12]。尽管一些研究者对短程硝化反硝化处理垃圾渗滤液进行了大量研究,通过控制pH、温度、溶解氧、FNA(游离亚硝酸)、FA(游离氨)、污泥龄等条件[13-18]实现亚硝态氮的积累,但研究多为实验室小试实验,大规模应用研究还鲜见报道。

    本研究针对深圳市某垃圾渗滤液处理厂氨吹脱预处理工艺存在的脱氮效果不佳、运行费用较高等实际问题,开展了基于短程硝化反硝化的垃圾渗滤液预处理的中试研究。中试处理水量最高可达200 m3·d−1,相当于小型垃圾渗滤液处理厂规模。由于垃圾渗滤液处理厂大多采用膜生物反应器(MBR)多级硝化反硝化技术,为方便渗滤液处理厂进行技术改造,本研究选用AO-SBR反应器开展中试实验。考察了短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理工艺启动及稳定运行控制的影响因素,解析了典型反应周期氮素平衡关系,探讨了短程硝化反硝化作为垃圾渗滤液预处理工艺的可行性。本研究将为垃圾渗滤液处理厂预处理工艺的升级改造提供实验基础与经验参考。

  • AO-SBR工艺主要由调节池、缺氧池、SBR池(好氧池)和储水池组成,各部分有效容积分别为10、95、285、10 m3,实验装置示意图和现场照片见图1。老龄渗滤液取自深圳某垃圾填埋场,主要水质参数为pH=8.3~8.6、碱度7 000~12 000 mg·L−1、COD 1 200~3 000 mg·L−1、总氮1 200~2 700 mg·L−1、氨氮1 000~2 500 mg·L−1。实验中通过气动泵分别在缺氧池和储水池投加甲醇,以提高原水可生化性。接种污泥取自渗滤液处理厂二级AO-MBR好氧池,污泥MLSS浓度为7 086 mg·L−1,MLVSS浓度为5 668 mg·L−1,污泥呈棕黄色。

    反应器单个周期运行工序为进水(非限制性曝气)8 h、曝气2 h、沉淀0.5 h、滗水1.5 h,每天运行2个周期。反应器回流比约为4∶1,沉淀与滗水工序时关闭回流。水池外壁安装保温层保持系统温度为35~38 ℃,通过调节鼓风机频率使SBR池DO保持为1~1.5 mg·L−1,通过调节进水量使SBR池pH保持为6.5~7.5。反应器启动阶段不排泥,生化池中污泥浓度始终维持在5 000~6 000 mg·L−1。反应器试运行阶段(1~10 d)主要解决工程问题,并未严格按设计工序运行,因此下述实验数据及分析从运行第11天开始。

  • 实验期间定期采样,COD、氨氮、亚硝态氮、碱度等常规水质指标均按国家标准方法[19]进行测定分析;硝态氮采用离子色谱仪(IC-AS23阴离子检测器,DIONEX ICS-600)测定;总氮由总有机碳分析仪(TOC-L CPH/CPN测定仪)测定;DO含量和pH分别使用溶解氧仪 (model 6308DT,Jenco)和pH计(model 3675,Jenco)进行在线测定。

  • 系统典型反应周期氮素平衡计算所涉及的生物脱氮反应方程式如式(1)~式(4)所示。亚硝化反应见式(1),硝化反应见式(2),硝化总过程见(3),反硝化过程反应见式(4)。

  • 根据进水负荷和脱氮性能,可将AO-SBR反应器运行过程分为3个阶段,各阶段的平均进水氨氮负荷分别为0.376、0.511、0.489 kg·(m3·d)−1;平均水力停留时间(HRT)分别约为5、3.6、3.1 d。

    第Ⅰ阶段为启动期(11~60 d),在此阶段的前10 d,氨氮去除率由75%升高至95%,硝态氮质量浓度明显下降,亚硝化率由41.9%升高至99.2%(图2)。这说明此时系统脱氮路径正由全程硝化向短程硝化转变,氧化亚硝态氮的NOB菌活性受到抑制。第21天后亚硝态氮积累率稳定保持在95%以上,标志着系统内短程硝化启动成功。从第30天开始,氨氮去除率下降至90%左右,通过计算发现,第30天SBR池FNA质量浓度最高可达0.221 mg·L−1,处于硝化作用受到抑制的FNA浓度[20]范围内(0.22~0.28 mg·L−1)。但氨氮去除率并未持续下降,这说明硝化作用并没有完全被抑制。第Ⅱ阶段为负荷提升期(61~100 d),该阶段内氨氮去除率由90%下降至80%,进水氨氮负荷增加成为影响硝化反应的主要因素。第Ⅲ阶段为稳定运行期(101~190 d),受填埋场气候及渗滤液水质(尤其氨氮质量浓度)波动的影响,该阶段氨氮去除率不稳定,但基本保持在80%以上。在运行至第146天时,进水氨氮质量浓度高达3 300 mg·L−1,生化反应剧烈放热导致各反应池水温升至最高,为40 ℃,SBR池pH上升至8.0左右。紧急从二级AO-MBR好氧池中回流泥水混合物至SBR池稀释降温。应急处理后系统逐渐恢复正常,当天出水硝态氮质量浓度为60 mg·L−1。除突发情况外,其他运行时段亚硝化率稳定保持在90%以上。在反应器启动初期,出水亚硝态氮质量浓度约为200 mg·L−1,通过调节水量降低SBR池内pH,使FNA质量浓度最高达到0.111 mg·L−1,其处于NOB菌活性完全受到抑制的浓度[20]范围内(0.026~0.22 mg·L−1),而AOB菌活性并未受到影响,因此,使系统中NOB菌逐渐被洗淘,这说明在中试规模下通过控制高浓度FNA可以实现垃圾渗滤液短程硝化反硝化的快速启动和稳定运行。

    由于垃圾渗滤液尤其是老龄垃圾渗滤液碳氮比失调,在实验中通过投加甲醇调节原水碳氮比,以提高原水可生化性、实现反应系统高效脱氮,实验结果如图3所示。在第Ⅰ阶段,系统平均COD/N约为2,总氮去除率由70%下降至60%。该阶段内的亚硝态氮逐渐积累,FNA浓度逐渐升高至0.247 mg·L−1。虽然高浓度FNA会影响反硝化菌的活性[20],但总氮去除率没有持续降低,这说明反硝化菌对高浓度FNA产生抗性。第Ⅰ阶段平均ΔCOD/ΔN约为2.1,小于传统硝化反硝化消耗碳氮比2.86,这也侧面证明短程硝化反硝化已经发生。在第Ⅱ阶段,系统平均COD/N下降为1.4,平均ΔCOD/ΔN低至1.8,总氮去除率低至40%,此时COD/N成为制约反硝化脱氮效率的主要因素。在第Ⅲ阶段,平均COD/N上升至1.8,平均ΔCOD/ΔN约为2,总氮去除率基本维持在50%以上。剩余亚硝态氮将在后续EGSB厌氧生物反应器中继续进行反硝化去除。在反应系统运行过程中,垃圾渗滤液原水水质受气候影响变化波动较大,但系统仍能保持稳定脱氮效果,说明该预处理工艺具有一定耐冲击负荷能力。

  • 系统中氨氮的去除可能存在多种途径,除了短程硝化反硝化、传统硝化反硝化等生物脱氮路径,反应器利用池底鼓风曝气增加溶解氧的同时,也会使部分游离氨通过曝气方式从水中直接逸散。因此,有必要分析反应系统氮素物料平衡关系,明确氮类污染物主要去向、判断反应器运行状态。

    以第Ⅲ阶段稳定运行期第120天的进出水数据(表1)为例,根据生物脱氮反应方程(式(1)~式(4)),由碱度、COD消耗及进出水氮元素物料平衡关系计算,得到AO-SBR典型周期内氮素转化情况(图4)。氮平衡计算结果表明:当AO-SBR反应器进水总氮负荷为0.739 kg·(m3·d)−1时,通过短程硝化反硝化途径去除的总氮负荷为0.323 kg·(m3·d)−1,占据总氮去除负荷的74.8%;而全程硝化反硝化脱氮途径去除的总氮负荷占据总氮去除负荷的13.5%。由此可知,短程硝化反硝化反应是AO-SBR中试反应器脱氮的主要路径。在系统脱氮过程中,COD实际消耗量(2 375.65 mg·L−1,含投加甲醇1 246.07 mg·L−1)远小于仅发生传统脱氮反硝化的理论耗碳量(3 602.94 mg·L−1),节省约34%有机碳源。

  • 垃圾渗滤液经AO-SBR预处理工艺脱氮后,还需通过EGSB厌氧生物反应器+AO-MBR+纳滤(NF)等工序,以完成渗滤液处理。EGSB厌氧生物反应器将去除预处理出水中剩余的亚硝态氮和部分COD,预处理+EGSB将共同完成80%总氮去除的任务,AO-MBR工艺去除剩余20%总氮与难降解COD,经NF后的最终出水水质达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》即可纳管排放。在中试期间,系统各工艺段出水水质见表2,垃圾渗滤液处理系统出水水质见图5。短程硝化反硝化预处理工艺出水经过后续工艺处理后,均可达到排放标准。以上结果说明,短程硝化反硝化工艺代替氨吹脱方法进行垃圾渗滤液预处理在技术上是可行的。

    AO-SBR工艺主要运行成本包括药剂费(甲醇)、电费和人工费;氨吹脱工艺主要运行成本包括药剂费(石灰、硫酸)、电费和人工费。在长期稳定运行的情况下,2种预处理工艺的主要运行费用见表3。未考虑其他少量药剂、设备折旧、日常维修和大修等费用时,AO-SBR作为垃圾渗滤液脱氮预处理工艺,其主要运行成本是氨吹脱的70%左右。此外,AO-SBR工艺自动化程度较高且操作简单。氨吹脱工艺容易产生水垢问题,导致其大修次数远多于AO-SBR工艺;吹脱产生自由氨需要硫酸溶液吸收处理,也会增加相应的人工成本。因此,在整体工艺出水满足纳管要求前提下,作为垃圾渗滤液预处理工艺,AO-SBR较氨吹脱具有明显的经济优势。

  • 1)中试规模的AO-SBR短程硝化反硝化垃圾渗滤液预处理工艺脱氮效果良好。当平均进水氨氮负荷为0.489 kg·(m3·d)−1时,氨氮去除率可达80%以上,且碳氮比为1.8时,总氮去除率为50%左右,满足后续工序进水要求。

    2)当AO-SBR反应器进水总氮负荷为0.739 kg·(m3·d)−1时,通过短程硝化反硝化途径去除的总氮负荷为0.323 kg·(m3·d)−1,占据总氮去除负荷的74.8%,系统以短程硝化反硝化脱氮途径为主。

    3) AO-SBR短程硝化反硝化预处理工艺出水经过后续EGSB厌氧生物反应器、二级AO-MBR、NF工艺处理后可以满足排放标准,AO-SBR主要运行成本为9.571元·m−3,是氨吹脱工艺主要运行成本的70%。

参考文献 (20)

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