生物反應(yīng)器填埋場原位脫氮技術(shù)分析*

田 穎，徐期勇

（北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院深圳市重金屬污染控制與資源化利用重點實驗室，廣東 深圳 518055）

1 生物反應(yīng)器填埋場原位脫氮原理

填埋場滲瀝液內(nèi)氨氮主要通過揮發(fā)、反硝化和厭氧氨氧化等途徑實現(xiàn)脫除，如圖1所示。垃圾中含氮有機物分解轉(zhuǎn)化生成氨氮，一部分作為氮源被微生物同化利用，一部分以氣態(tài)形式散失。剩余部分在好氧環(huán)境下，氧化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，繼而被反硝化細(xì)菌作用還原為氮氣脫除。其中，產(chǎn)酸階段填埋柱內(nèi)以異養(yǎng)反硝化為主要脫氮形式，進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段后期，自養(yǎng)反硝化則占據(jù)優(yōu)勢地位，如途徑2所示［1］。厭氧環(huán)境下，上述脫氮途徑受到限制，厭氧氨氧化過程發(fā)揮重要作用，其脫氮效果主要依賴于填埋柱內(nèi)亞硝酸鹽的含量，因此微量空氣的擴散入侵對脫氮過程起到一定的促進(jìn)作用［2］。

B.Mertoglu等利用分子生物學(xué)16S rDNA和amoA技術(shù)對好氧填埋生物反應(yīng)器內(nèi)硝化細(xì)菌進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)此填埋場內(nèi)硝化細(xì)菌主要由Nitrosomonas類氨氮氧化菌和Nitrospira等亞硝酸鹽氧化菌組成［3］。對于反硝化細(xì)菌，MPN計數(shù)法結(jié)果顯示其在填埋柱中間層大量存在，數(shù)目與硝酸鹽濃度顯著相關(guān)，超過上層和下層達(dá)2～6個數(shù)量級［4］。R.Valencia等則利用熒光原位雜交技術(shù)和厭氧氨氧化活性測定方法第1次證實了厭氧氨氧化菌的存在，并指出在易降解有機組分消耗殆盡的環(huán)境中厭氧氨氧化菌所發(fā)揮的作用更大［5］。

圖1 垃圾填埋場氮的脫除途徑

2 生物反應(yīng)器填埋場原位脫氮系統(tǒng)的優(yōu)化

應(yīng)用生物反應(yīng)器填埋場本身的高效脫氮性能進(jìn)行填埋場脫氮是現(xiàn)在科學(xué)研究的重點。T.T.Onay等實驗結(jié)果顯示在滲瀝液持續(xù)回灌條件下脫氮效率可以達(dá)到95%［6］。為進(jìn)一步改善填埋系統(tǒng)脫氮性能，可以從操作條件和處理方式等多個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 操作條件的優(yōu)化

生物反應(yīng)器填埋場脫氮途徑多樣化，其過程受到多種因素的影響，如氧氣、垃圾填埋齡、H2S濃度、回灌頻率等。對生物反應(yīng)器填埋場操作條件進(jìn)行優(yōu)化是提高填埋場脫氮效率的必要途徑。

2.1.1 氧氣

氧氣是影響生物反應(yīng)器脫氮效率的重要因素之一，是填埋場脫氮的必要條件。由圖1可知，主要脫氮途徑厭氧氨氧化和反硝化過程都需要氧氣的參與才能實現(xiàn)有效脫氮。隨著氧氣濃度的增加，硝化作用逐漸增強，反硝化作用則逐漸減弱。N.D.Berge等利用15N同位素標(biāo)記法追蹤發(fā)現(xiàn)在0～5%氧氣濃度范圍內(nèi)，只有反硝化作用出現(xiàn)；而升高至10%～15%以后，硝化反硝化同步發(fā)生［7］。

于曉華等對比厭氧填埋柱發(fā)現(xiàn)，間歇式好氧和連續(xù)好氧處理可以顯著降低滲瀝液中含氮化合物的濃度，使氨氮濃度分別降低至7.5 g/（m2·d）和16 g/（m2·d）［8］。在生物反應(yīng)器填埋場穩(wěn)定后期進(jìn)行較小范圍的曝氣處理，可以實現(xiàn)高效原位脫氮，并減少曝氣費用。滲瀝液回灌口下7.2 m處進(jìn)行曝氣充氧就可以達(dá)到較好的脫氮效果［7］。

N.D.Berge等研究氧氣含量對生物反應(yīng)器填埋場滲瀝液原位脫氮動力的影響，結(jié)果顯示22℃、0.7%O2條件下脫氮速率較慢，適當(dāng)提高填埋場氧氣含量可以提高脫氮效率［9］。公式（1） Monod多元方程式體現(xiàn)了氧氣對填埋場脫氮效果的影響。

式中：R為氨氮去除速率，mg/（g·d）；KS為半飽和常數(shù)，mg/L；CN為氨氮總濃度，mg/L；k為比脫 氮 速 率 ， mg/（g·d）；KO2為 氧 半 飽 和 常數(shù)，%；%O2為氣相氧氣濃度，%；K1表示較高氧氣濃度的抑制作用，%。

2.1.2 垃圾填埋齡

垃圾填埋齡是影響填埋場脫氮的另一個重要因素，表現(xiàn)在垃圾反硝化性能的差異。探究其原因主要歸結(jié)于C/N的影響。在強制間歇好氧填埋層內(nèi)，當(dāng)生物可利用碳/氨氮大于4.5時，填埋層可基本實現(xiàn)完全反硝化［8］。隨著填埋時間的延長，垃圾內(nèi)有機碳將不斷分解轉(zhuǎn)化，C/N逐漸減小，結(jié)果導(dǎo)致部分反硝化反應(yīng)的發(fā)生和N2O氣體的出現(xiàn)。Y.X.Chen等［10］對比了填埋齡為1、6、11 a的垃圾，發(fā)現(xiàn)具有1 a填埋齡的垃圾硝態(tài)氮去除速率最快，更適合作為反硝化反應(yīng)發(fā)生的介質(zhì)。

Y.C.Chiu等［11］利用BNP方法探究出生物反應(yīng)器填埋場反硝化作用的最佳C/N（COD/NO3-N）為2.6～5.5，但此最佳C/N隨回灌滲瀝液中初始氨氮濃度的不同而表現(xiàn)出一定差異［11］。

2.1.3 其他條件

除氧氣、垃圾填埋齡外，H2S、含水率、回灌頻率等多個因素也會對生物反應(yīng)器填埋場脫氮效率產(chǎn)生一定影響，調(diào)節(jié)硝化、反硝化過程在填埋場內(nèi)的變化。

H2S的存在對反硝化過程具有一定的抑制作用，實驗過程中反映為反硝化作用的低谷期對應(yīng)于H2S含量的急劇增加；而當(dāng)含水率為40%～60%時，隨著填埋柱中垃圾含水率的增加，硝化、反硝化反應(yīng)速率均得到一定程度的提高［12］。滲瀝液的回灌頻率也要根據(jù)填埋柱內(nèi)垃圾的不同時期進(jìn)行優(yōu)化選擇。在厭氧-準(zhǔn)好氧聯(lián)合型兩相生物反應(yīng)器內(nèi)為實現(xiàn)最大程度的脫氮效應(yīng)，填埋柱在產(chǎn)酸階段應(yīng)該選用較低的回灌頻率（3 d/次），而在產(chǎn)甲烷階段改為1 d/次的高回灌頻率［13］。

硝化和反硝化反應(yīng)發(fā)生的溫度分別為15～35℃和4～45℃，最佳pH范圍為7.5～8.5，控制填埋場適宜溫度和滲瀝液pH是提高脫氮的有效途徑［14］。此外，回灌滲瀝液的硝酸鹽濃度也會影響生物反應(yīng)器填埋場脫氮效率，N.D.Berge等［15］實驗顯示硝態(tài)氮濃度為1 000 mg/L滲瀝液的脫氮效率較低，這可能是硝化過程產(chǎn)生的氫離子降低了滲瀝液的pH所致。

2.2 處理方式的優(yōu)化

填埋垃圾層具有很強的原位反硝化能力，隨著回流氨氮負(fù)荷的增加，反硝化作用也逐漸增強，在硝態(tài)氮濃度為850 mg/L時，硝酸鹽還原速率達(dá)到35 mg/（L·h）［16］。現(xiàn)階段垃圾載體作為反硝化介質(zhì)逐漸成為科學(xué)研究的熱點。根據(jù)硝化處理位置的不同，原位脫氮技術(shù)又可以進(jìn)一步劃分為原位硝化反硝化和異位硝化原位反硝化。

2.2.1 原位硝化反硝化

原位硝化反硝化是指硝化和反硝化途徑均在填埋場內(nèi)部發(fā)生。傳統(tǒng)填埋場多保持為厭氧環(huán)境，缺少氮素脫除的途徑，不能滿足填埋場脫氮的需求，因此可以通過改變填埋場結(jié)構(gòu)實現(xiàn)厭氧填埋場向好氧、準(zhǔn)好氧和混合型填埋場的轉(zhuǎn)變，推動原位硝化反硝化過程的發(fā)生。

在好氧填埋場內(nèi)，曝氣供氧處理可以改善滲瀝液水質(zhì)，顯著減小外排氨氮和COD濃度［17-18］。N.D.Berge等［15］通過實驗室和場地試驗驗證了好氧填埋場（甚至是低C/N環(huán)境）中同步硝化反硝化過程的存在，在沒有單獨設(shè)置好氧和兼性厭氧區(qū)域的情況下達(dá)到了較好的脫氮效果。

自然通風(fēng)條件下，填埋柱水平方向隨著集氣管距離的增加依次出現(xiàn)好氧、兼性和厭氧區(qū)域，為氨氮的去除提供了適宜硝化-反硝化環(huán)境。垂直方向上，龐香蕊等［19］對準(zhǔn)好氧填埋結(jié)構(gòu)不同位置滲瀝液中各形態(tài)氮進(jìn)行相關(guān)分析得出上層垃圾對氮的去除效果較好，氨氮濃度與硝態(tài)氮濃度相關(guān)性顯著；中層和下層氨氮則與總氮關(guān)系顯著，為滲瀝液內(nèi)氮污染的主體。霍守亮等［20］實驗表明，回灌型準(zhǔn)好氧生物反應(yīng)器填埋柱可以實現(xiàn)97.7%的氨氮去除和97.6%的凱氏氮去除。在此基礎(chǔ)上，每天保持填埋層內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于3%以上1～2 h就可以實現(xiàn)垃圾和滲瀝液內(nèi)氨氮的迅速去除［21］。因此，適當(dāng)增加集氣管密度可以更好地解決回灌滲瀝液帶來的氨氮濃度增高問題。

混合型生物反應(yīng)器填埋場則是指厭氧、準(zhǔn)好氧和好氧型生物反應(yīng)器填埋場在不同時間、空間和運行方式上的組合，主要包括好氧-厭氧空間混合和厭氧-好氧時間混合等［22］。上層間歇曝氣充氧就是其中一種常用的方式，通過在空間上營造出好氧-缺氧-厭氧的交替環(huán)境，促進(jìn)垃圾中硝化、反硝化細(xì)菌的生長［23］。據(jù)統(tǒng)計，上層間歇曝氣處理的垃圾填埋層內(nèi)反硝化細(xì)菌數(shù)量比普通垃圾填埋層高出4～13個數(shù)量級，硝化細(xì)菌最多可以達(dá)到109個/g［24］。Y.Long等［25］將生物反應(yīng)器填埋場分2個階段進(jìn)行處理，在兩相生物反應(yīng)器交叉回灌后，對新鮮垃圾填埋柱進(jìn)行上層曝氣處理，結(jié)果顯示這種混合式的生物反應(yīng)器填埋場可以有效去除72%的氮素，兩階段脫氮效率分別為49%和23%。與滲瀝液回流前流經(jīng)好氧硝化反應(yīng)器相比，雖然上層間歇曝氣生物反應(yīng)器內(nèi)滲瀝液氨氮濃度的衰減速度略微降低，但是其理論能耗較之后者可以節(jié)省98%，因此具有較好的發(fā)展空間和應(yīng)用前景［26］。

2.2.2 異位硝化原位反硝化

異位硝化原位反硝化是實現(xiàn)填埋場有效脫氮的新型方法［27］。它是將滲瀝液在場外硝化處理后再回流至填埋場內(nèi)部進(jìn)行反硝化處理的高效脫氮技術(shù)。G.A.Price等［28］用事實證明了生物反應(yīng)器填埋場轉(zhuǎn)化硝酸鹽氮為氮氣的技術(shù)可行性。

表1 不同結(jié)構(gòu)生物反應(yīng)器的脫氮效果

國內(nèi)外研究中硝化反應(yīng)器的選擇具有多樣性，均能取得較好的脫氮效果。J.P.Y.Jokela等［29］利用堆肥產(chǎn)物和碎石塊組成的生物濾池作為硝化反應(yīng)器，將硝化后的滲瀝液回流至厭氧填埋柱中進(jìn)行原位反硝化，實現(xiàn)了外排滲瀝液氧化態(tài)氮濃度低于檢測限的效果。P.J.He等［30］則選用SBR為硝化反應(yīng)器，結(jié)合異位硝化和原位反硝化作用實現(xiàn)填埋場的脫氮效果。楊渤京等［31-32］也構(gòu)造A-O脫氮型生物反應(yīng)器填埋系統(tǒng)將滲瀝液出水氨氮濃度降低至200.9 mg/L，脫氮效率達(dá)到厭氧型生物反應(yīng)器填埋場2～3倍。

S.L.Huo等［4］將填充有新鮮垃圾、陳垃圾和好氧活性污泥的填埋柱分別作為反硝化、產(chǎn)甲烷和硝化反應(yīng)器，實現(xiàn)了多相生物反應(yīng)器填埋場內(nèi)原位脫碳脫氮效應(yīng)的兼得，最大有機物和氨氮去除速率達(dá)到1.78 kg/（m3·d） 和0.18 kg/（m3·d）。此外，陳馨等［13］聯(lián)合使用厭氧生物反應(yīng)器填埋場和礦化垃圾組成的準(zhǔn)好氧生物反應(yīng)器，借助兩相系統(tǒng)中礦化垃圾良好的生物脫氮性能，提高準(zhǔn)好氧柱內(nèi)脫氮效率達(dá)到90%以上，較好地緩解了厭氧型生物反應(yīng)器填埋場中氨氮累積問題。

值得注意的是，回灌滲瀝液中大量硝酸鹽的存在對填埋柱內(nèi)產(chǎn)甲烷過程會產(chǎn)生一定的不利影響。Q.Zhang等［27］認(rèn)為在TON大于11.4 g/（t·d） 時，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制。然而硝酸鹽一經(jīng)完全消耗，產(chǎn)甲烷過程又會重新恢復(fù)過來，并不會產(chǎn)生不可逆的抑制作用［10］。上述各生物反應(yīng)器脫氮效果如表1所示。

3 結(jié)論

生物反應(yīng)器填埋場內(nèi)氨氮累積現(xiàn)象嚴(yán)重，高濃度氨氮的存在造成一定生物毒性，并影響后續(xù)處理。為實現(xiàn)填埋場高效脫氮，填埋系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，具體可通過以下途徑實現(xiàn)：①在操作條件上，可以通過優(yōu)化曝氣頻率、回灌參數(shù)、垃圾填齡和填埋場濕度等分別從氧氣、回灌頻率、C/N和含水率等角度對生物反應(yīng)器填埋場進(jìn)行調(diào)整，為填埋場高效脫氮提供適宜的環(huán)境條件。②在處理方式上，充分發(fā)揮垃圾層較強的反硝化能力，在生物反應(yīng)器中營造出好氧-缺氧-厭氧的交替環(huán)境，促進(jìn)硝化-反硝化反應(yīng)的高效進(jìn)行，實現(xiàn)生物反應(yīng)器填埋場內(nèi)異位硝化原位反硝化和同步硝化反硝化。

未來生物反應(yīng)器填埋場原位脫氮技術(shù)應(yīng)趨于低能耗、高效率，實現(xiàn)脫氮技術(shù)在工程中的實際應(yīng)用。

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