垃圾填埋滲濾液生化處理系統中初期菌種污泥培養及馴化研究
2014-09-19 16:31:11唐中亞鄧飛飛孔為麗岳梅
安徽農學通報 2014年13期
唐中亞+鄧飛飛+孔為麗+岳梅
摘要：對高濃度滲濾液進行生化處理具有局限性，尤其對在初期無法完全降解滲濾液中難降解的特殊有機物質，需對菌種污泥進行馴化。該研究基于實際工程案例，總結2個月滲濾液生化處理技術工程中初始調試期的污泥培養技術及其影響因素參數控制。菌種污泥含水量80%左右，采用低負荷培養馴化的模式，按照先好氧后厭氧培養的順序，馴化初期的原水稀釋倍數為10倍，生化內回流比為3，控制生化池碳氮比為5∶1，在污泥培養馴化期間注意調控硝化及反硝化池中的pH、溫度、堿度、溶解氧等環境影響參數。經過調試后，生化處理系統出水水質為NH3-N 12～27mg/L、CODcr 58～107mg/L、pH 6.8～8.0，出水水質滿足后續MRB工藝要求［1］。
關鍵詞：滲濾液；A/O工藝；菌種馴化；碳氮比
中圖分類號 X705 文獻標識碼A文章編號1007-7731（2014）13-25-04
Study on Initial Sludge of Bacteria Cultivation and Domestication in the Biological Treatment System of Landfill Leachate
Tang Zhongya1 et al.
（1 Department of Biological and Environmental Engineering， Hefei University，Hefei 230601，China）
Abstract：There are limitations in the biochemical treatment of high concentrations leachate. Especially when the biodegradable organic objects in the leachate can not be completely degraded in beginning， So the sludge of bacteria need to be acclimated. The study is based on actual project case. Sludge cultivation techniques and relevant factors in biochemical treatment technology of landfill leachate projects during two months debugging step are summed up. The using Sludge which have about 80% water，and choose the low load domestication and cultivation mode.The sludge is cultivated through aerobic digestion before anaerobic digestion. raw water dilution ratio is controled to 10 times， Internal biochemical reflux reflux ratio is 3，with carbon nitrogen ratio of 5：1，During the cultivating process，denitrification and pH， temperature， alkalinity， dissolved oxygen and other influencing parameters should be regulated. After debugging， effluent water quality can reach the requirements of subsequent MBR process with NH3-N content of 12~27mg/L，CODcr，58~107mg/L，pH6.8~8.0.
Key words：Leachate；A/O process；Domestication of bacteria；Ratio of carbon and nitrogen
生活垃圾的衛生填埋法因其技術成熟、處理費用低、管理方便等優點，成為目前大多數城市對大量生活垃圾最終處置的重要方法［2］。但是，生活垃圾填埋處置過程中會產生滲濾液，而滲濾液中含有毒有害物質，如果不對其進行處理，會給土壤和地下水造成嚴重污染，現階段有相當部分滲濾液因處理技術落后導致最終出水氨氮、COD濃度等關鍵指標難以達標［3］。本文以浙江富陽垃圾填埋場滲濾液處理工程為研究對象，對其生化處理部分A/O工藝中菌種污泥的培養及馴化過程中各技術參數進行初期調試，取得了較好的處理效果，通過2個月的生化調試，出水各主要指標已達到相關標準。
1 滲濾液水質特征
垃圾滲濾液的水質隨垃圾的組分、當地氣候、水文地質、填埋時間及填埋方式等因素影響而有顯著不同［4］。富陽項目的滲濾液主要來自于封場的垃圾填埋場，污水來源于填埋垃圾中有機物分解液、垃圾中的游離水、降水以及入滲的地下水等。滲濾液中主要污染物理化特征見表1。
表1 垃圾填埋場滲濾液理化特征
[項目&垃圾填埋場滲濾液&顏色&黃、黑灰色&嗅覺&惡臭&總殘渣（mg/L）&2356～35703&CODCr（mg/L）&189～80000&BOD5（mg/L）&116～40000&pH&3.5～8.5&NH3-N（mg/L）&500～800&]
由表1所示，其特征主要為：（1）有機物濃度相對
較高，CODCr和BOD5最高值分別可達80 000mg/L和
40 000mg/L。（2）氨氮含量高。一般而言，滲濾液中氨氮濃度隨著垃圾填埋年數的增加而增加，本項目中的氨氮含量最高值到達800mg/L。當氨氮濃度過高時，會影響微生物的活性，降低生物處理的效果。（3）碳氮比例失調。對于生化處理，污水中適宜的碳氮磷比例是C∶N∶P=100∶5∶1，而在中老期垃圾填埋場滲濾液碳氮比遠無法滿足正常生化反應時的營養配比［5-6］。本項目的滲濾液碳氮比約為1∶1，生化反應所需的碳源嚴重不足，這要求在進行生化反應時外加碳源。（4）中后期填埋場滲濾液水質變化不大。富陽項目的填埋場處于中后期，圖1為自2014年1月1日至2014年3月1日近60d對富陽項目滲濾液有機物綜合指標和氨氮含量測定值的變化情況。滲濾液中CODCr和氨氮的平均值分別為627mg/L和589mg/L，水質較為穩定，COD和氨氮值變化不太大。
NH3-N][天數（d）]
圖1 富陽滲濾液CODcr和NH3-N含量變化范圍
2 處理工藝
本項目工程設計處理量為100m3/d，處理工藝主要有預處理工藝、主體處理工藝（MBR處理）、深度處理工藝組成。預處理工藝主要由調節池、均衡池、2級A/O工藝組成，主體處理工藝由MBR處理工藝組成，經過預處理的泥水混合物經過超濾膜（MBR）完成再次生化反應，并通過超濾膜的膜分離功能完成泥水分離功能，污泥直接排進貯泥池，經離心脫水機，完成最終泥水分離。超濾膜的出水再經過反滲透膜的深度處理，最終使出水達到相關標準。具體的工藝流程如圖2所示。
圖2 富陽項目滲濾液處理工藝流程
3 分析方法和在線檢測儀器
CODCr的實驗室檢測采用重鉻酸鉀法（GB 11914-89），現場快速檢測采用快速密閉消解滴定法、哈希在線儀表檢測法。氨氮實驗室檢測采用納氏試劑分光光度法（GB 11914-89），現場快速檢測采用快速密閉消解滴定法或光度法、哈希在線儀表檢測法，現場快速檢測采用的檢測儀器和藥劑為：連華三參數快速測定儀（5B-6C）連華氨氮快速檢測N3、N2試劑、哈希在線氨氮檢測儀。
pH現場快速檢測方法為pH快速檢測儀（雷磁pH計pH-3C），總N實驗室檢測采用過硫酸鉀氧化、紫外分光光度法。污泥濃度MLSS用稱重法測定。
4 結果與分析
4.1 A/O池中菌種污泥的培養及濃度提升 本項目A/O池中主要投加的菌種污泥來源于富陽市市政污水處理廠的脫水污泥，菌種污泥含水量在80%左右。根據池容大小和設計初始的污泥濃度（3g/L），總共需要12.4t污泥，考慮到進泥過程中有一定的損耗，污泥投加量為15t，投加在一級A/O好氧池中。
表2 進原水進度
[序號&污泥負荷（kgCOD/kgMLSS·d）&原水進水量（m3）&1&0.005&10&2&0.008&17&3&0.012&25&4&0.017&36&5&0.025&53&6&0.035&74&7&0.047&100&]
因菌種污泥來源于市政污水處理廠，在處理高濃度滲濾液有局限性，在初期無法完全降解滲濾液中難降解的特殊有機物和其他有毒有害物質，需對菌種污泥進行馴化。將市政脫水污泥投入生化池內，在菌種污泥投加初期，采用低負荷培養馴化的模式，進原水75t，原水稀釋倍數約為10倍（總池容760m3），悶曝氣（只曝氣，無進、出水），使經脫水厭氧的污泥逐步轉向好氧狀態，采取間歇排水方式對污泥培養馴化。后續原水進度如表2所示，目的是盡快提升池內污泥濃度。
經過30d的馴化培養，污泥性狀得到改變，污泥色澤由深黑色逐漸轉為棕黃色，由顆粒狀沉淀轉向絮狀沉淀，污泥沉降部分的無機物所占比重下降，污泥活性逐步恢復。
污泥濃度也在逐步提高（見圖3），30d后，MLSS值由3g/L增至5.4g/L，達到生化系統處理所要求的污泥濃度范圍，此后污泥濃度穩定在5.5g/L左右。
圖3 生化池中污泥濃度變化
4.2 片堿投加量對硝化反應進行和COD去除率影響 一級O池中隨著污泥活性逐步恢復，硝化反應按以下反應式進行［8］：
NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+ （1）
NO2-+0.5O2→NO3- （2）
NH4++2O2→NO3-+H2O+2H+ （3）
由上述反應式可以看出，硝化反應所釋放的H+導致一級O池消耗一定的堿度。隨著硝化反應進行，硝化池中的pH值下降很快，為調節池中酸堿度，保持硝化反應正常進行，在一級硝化池中要投加一定量的片堿，補充硝化反應消耗的堿度，同時也為硝化反應順利進行提供合適的酸堿度。在工程實踐中投加片堿（98%純度NaOH），根據池容大小和硝化反應的進度，投加量為25~75kg/d。具體投加量根據每天水質檢測情況來定，保證好氧池的pH在7.5～8.5范圍內。
在調試前期（2014年1月1~20日），投加進一級O池中的活性污泥的活性有一定程度的恢復，污泥的沉降性能得到改善，O池中的COD去除率較為穩定，保持在50%左右（見圖4）。
圖4 生化池中COD去除率變化
4.3 控制回流比 提高生化池中氨氮去除率是滲濾液處理工藝調試的重要任務之一。在調試前期（2014年1月1~20日）內采取增加停留時間、保持較低的進水量、加大曝氣量等方法，仍無法提高氨氮去除率（見圖5）。此間的污泥微生物生物相表現也不好，出現以游離細菌為食的原生動物和后生動物，還有輪蟲和草履蟲等。
圖5 生化池中氨氮含量變化
分析其原因：進池中的原水氨氮含量在500～800mg/L，前期雖然在生化池注入了大量的清水對原水進行稀釋，但池中最終的氨氮含量維持在50mg/L左右，好氧微生物被較高濃度的氨氮所抑制，并且在硝化過程產生部分硝酸鹽類和亞硝酸鹽類，這類物質的累積對硝化反應有抑制作用，氨氮維持在較高濃度給后期調試帶來困難。
針對硝化池培養馴化出現的問題，及時啟動反硝化污泥微生物的培養，通過啟動厭氧池的作用控制回流比，使硝化池中的產物通過反硝化處理使其還原成氮氣排放，達到最終去除氨氮的目的。具體回流比的控制通過控制生化回流泵的運作時間來控制回流量，通過檢測出水總氮的去除率，調整并獲得最佳工程控制回流比值（見圖6）。
圖6 回流比與總氮去除率關系
從圖6可知，回流比從1~5的變化過程中，總氮去除率增加了26%，此后繼續增大回流比，對總氮去除率增加幅度在10%左右。綜合考慮處理效果和運行費用等因素，試驗采用回流比為3，總氮去除率為76%，出水總氮達到后續處理設備（MBR處理）的進水要求。
采取了上述措施后，反硝化反應順利啟動，反硝化池表面可以觀察到穩定均勻的氣泡、泡沫產生逸出，并可能發現一層厚度不大的浮渣，說明系統產生了N2，并將反硝化池底的部分污泥帶到池表面。
4.4 碳源投加量與最終氨氮去除效果 因為反硝化細菌為異養型微生物，原水中的碳氮比接近1∶1，為達到正常除氮工藝最佳C∶N=5∶1，需要外加有機物作為反硝化細菌的碳源和能量補給。調試時根據污泥濃度投加的碳源量如表3所示：
表3 甲醇投加進度
[序號&污泥負荷（kgCOD/kgMLSS·d）&加甲醇量（kg）&1&0.005&37&2&0.008&60&3&0.012&90&4&0.017&127&5&0.025&187&6&0.035&261&7&0.047&351&]
生化池最終出水情況見表4。表4顯示，單純的好氧生物處理工藝（曝氣池、生物濾池）對滲濾液中所特有的難生物降解稠環芳香烴和雜環化合物去除率很低，經過生物脫氮工藝處理后，這些污染物質的去除率顯著提高，且主要是在反硝化過程中被去除。
表4 系統出水水質指標
[項目&NH3-N（mg/L）&CODcr（mg/L）&pH&O池污泥培養階段出水水質&40～81&323～629&6.1～7.2&A池啟動后出水水質&14～32&197～303&6.7～7.5&]
隨著污泥培養、馴化的逐步進行，污泥性能得到改善，污泥外觀由黑色逐漸轉變為土黃色，系統處理效果明顯提高，出水氨氮濃度下降，去除率上升。污泥濃度不斷上升，污泥中無機顆粒減少，污泥的活性成分逐步提高，并且其沉降性能逐漸轉為良好，污泥呈絮狀，并且出現大量菌膠團，結構致密，污泥培養及馴化出現很大的改善。
4.5 活性污泥培養馴化的成熟階段 經過2個月的運行調整，系統的運行日趨穩定，處理效果良好。調試中逐漸提高配水比例（處理水量=污水量+稀釋水量），直至生化處理系統中充滿原水，此時污泥的培養馴化已進入成熟階段。在硝化池的池曝氣過程中，反應區碳化菌和硝化菌兩者能以正常比例增殖，異養型微生物不會對自養型的硝化菌造成抑制作用，兩者能夠合理生長，菌膠團數量增加，結構趨于緊密，螺旋藻類出現，污泥濃度呈增長趨勢，污泥沉降比為13%，出現原生生物累枝蟲，污泥中的微生物相良好，一些游離性微生物如滴蟲、豆形蟲很少出現，游離細菌數量很少，系統的微生物以原生動物和后生動物等活性很強的微生物為主。滲濾液處理系統的運行情況良好，原水中的CODcr、氨氮降解速率加快，最終出水水質感觀好，水體的顏色由棕黃色轉為較為透明的液體，最終進出水水質情況見表5。
表5 進出水水質
[項目&NH3-N（mg/L）&CODcr（mg/L）&pH&進水&484～715&529～794&7.1～7.7&出水&12～27&58～107&6.8～8.0&]
表5顯示，此時活性污泥已完全成熟，系統達到預期的處理效果。
5 結論與討論
通過對滲濾液處理系統2個月的初始調試，出水達到相關設計目標值。本次實踐表明：對于滲濾液污泥的培養及馴化，采用城市污水廠的脫水后污泥接種培養，是滲濾液生物脫氮處理開工調試時污泥培養馴化的一種有效方法。首先需加一定量的清水對原水進行稀釋，并且污泥培養馴化的順序按照先好氧培養，后厭氧培養的順序，在此過程中控制污泥馴化初期的進水水質，控制進水的氨氮濃度，并調整好碳氮比值，使新接種的活性污泥少受沖擊負荷的影響；在污泥培養馴化期間應時刻注意硝化反硝化池中的pH、溫度、堿度、溶解氧等環境影響參數，出現異常情況時，應及時采取工程技術手段調整。
參考文獻
［1］環境保護部.生活垃圾填埋場滲濾液處理工程技術規范［S］.北京：中國環境科學出版社，2010.
［2］環境保護部.固體廢物處理處置工程技術導則《HJ 2035-2013》［S］.北京：中國環境科學出版社，2013.
［3］顏麗輝，吳銀彪.城市生活垃圾處理帶來的二次污染問題［J］.中國環保產業，2003（4）：16-17.
［4］牟杏妹.常州市江邊污水廠一期工藝運行調試與評價［D］.2006.
［5］顧嘉嘉.淺談我國城市垃圾填埋場滲濾液的處理［J］.資源與環境，2008（13）：155.
［6］陶濤，王宗平.垃圾滲濾液處理研究［J］.武漢城市建筑學院學報，1998（3）.
［7］環境保護部.生活垃圾填埋場污染控制標準《GB 16889-2008》［S］.北京：中國環境科學出版社，2008.
［8］徐亞同，史家梁，張明.污染控制微生物工程［M］.化學工業出版社，2001.
（責編：張宏民）
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4.5 活性污泥培養馴化的成熟階段 經過2個月的運行調整，系統的運行日趨穩定，處理效果良好。調試中逐漸提高配水比例（處理水量=污水量+稀釋水量），直至生化處理系統中充滿原水，此時污泥的培養馴化已進入成熟階段。在硝化池的池曝氣過程中，反應區碳化菌和硝化菌兩者能以正常比例增殖，異養型微生物不會對自養型的硝化菌造成抑制作用，兩者能夠合理生長，菌膠團數量增加，結構趨于緊密，螺旋藻類出現，污泥濃度呈增長趨勢，污泥沉降比為13%，出現原生生物累枝蟲，污泥中的微生物相良好，一些游離性微生物如滴蟲、豆形蟲很少出現，游離細菌數量很少，系統的微生物以原生動物和后生動物等活性很強的微生物為主。滲濾液處理系統的運行情況良好，原水中的CODcr、氨氮降解速率加快，最終出水水質感觀好，水體的顏色由棕黃色轉為較為透明的液體，最終進出水水質情況見表5。
表5 進出水水質
[項目&NH3-N（mg/L）&CODcr（mg/L）&pH&進水&484～715&529～794&7.1～7.7&出水&12～27&58～107&6.8～8.0&]
表5顯示，此時活性污泥已完全成熟，系統達到預期的處理效果。
5 結論與討論
通過對滲濾液處理系統2個月的初始調試，出水達到相關設計目標值。本次實踐表明：對于滲濾液污泥的培養及馴化，采用城市污水廠的脫水后污泥接種培養，是滲濾液生物脫氮處理開工調試時污泥培養馴化的一種有效方法。首先需加一定量的清水對原水進行稀釋，并且污泥培養馴化的順序按照先好氧培養，后厭氧培養的順序，在此過程中控制污泥馴化初期的進水水質，控制進水的氨氮濃度，并調整好碳氮比值，使新接種的活性污泥少受沖擊負荷的影響；在污泥培養馴化期間應時刻注意硝化反硝化池中的pH、溫度、堿度、溶解氧等環境影響參數，出現異常情況時，應及時采取工程技術手段調整。
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［8］徐亞同，史家梁，張明.污染控制微生物工程［M］.化學工業出版社，2001.
（責編：張宏民）
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4.5 活性污泥培養馴化的成熟階段 經過2個月的運行調整，系統的運行日趨穩定，處理效果良好。調試中逐漸提高配水比例（處理水量=污水量+稀釋水量），直至生化處理系統中充滿原水，此時污泥的培養馴化已進入成熟階段。在硝化池的池曝氣過程中，反應區碳化菌和硝化菌兩者能以正常比例增殖，異養型微生物不會對自養型的硝化菌造成抑制作用，兩者能夠合理生長，菌膠團數量增加，結構趨于緊密，螺旋藻類出現，污泥濃度呈增長趨勢，污泥沉降比為13%，出現原生生物累枝蟲，污泥中的微生物相良好，一些游離性微生物如滴蟲、豆形蟲很少出現，游離細菌數量很少，系統的微生物以原生動物和后生動物等活性很強的微生物為主。滲濾液處理系統的運行情況良好，原水中的CODcr、氨氮降解速率加快，最終出水水質感觀好，水體的顏色由棕黃色轉為較為透明的液體，最終進出水水質情況見表5。
表5 進出水水質
[項目&NH3-N（mg/L）&CODcr（mg/L）&pH&進水&484～715&529～794&7.1～7.7&出水&12～27&58～107&6.8～8.0&]
表5顯示，此時活性污泥已完全成熟，系統達到預期的處理效果。
5 結論與討論
通過對滲濾液處理系統2個月的初始調試，出水達到相關設計目標值。本次實踐表明：對于滲濾液污泥的培養及馴化，采用城市污水廠的脫水后污泥接種培養，是滲濾液生物脫氮處理開工調試時污泥培養馴化的一種有效方法。首先需加一定量的清水對原水進行稀釋，并且污泥培養馴化的順序按照先好氧培養，后厭氧培養的順序，在此過程中控制污泥馴化初期的進水水質，控制進水的氨氮濃度，并調整好碳氮比值，使新接種的活性污泥少受沖擊負荷的影響；在污泥培養馴化期間應時刻注意硝化反硝化池中的pH、溫度、堿度、溶解氧等環境影響參數，出現異常情況時，應及時采取工程技術手段調整。
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（責編：張宏民）
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