基于特種微生物發酵的深度脫氮技術在滲濾液NF出水處理中的應用

摘要：基于特種微生物發酵的深度脫氮技術將膜生物反應器和發酵罐相結合，可用于處理滲濾液納濾（NF）出水，實現總氮（TN）穩定達標排放。試驗研究及工程應用表明，滲濾液NF出水的TN濃度為200～300 mg/L時，經進一步去除，TN濃度不超過15 mg/L，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準，實現高標準排放。

關鍵詞：深度脫氮；膜生物反應器；發酵罐；TN去除；高標準排放

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.049

Abstract： The deep denitrification technology based on special microbial fermentation combines the membrane bioreactor and the fermentation tank， which can be used to treat the nanofiltration （NF） effluent of leachate and achieve stable and standard discharge of total nitrogen （TN）. Experimental research and engineering application have shown that when the TN concentration of leachate NF effluent is 200～300 mg/L， after further removal， the TN concentration does not exceed 15 mg/L， meeting the first level A standard of the \"Pollutant Discharge Standard for Urban Sewage Treatment Plants\""（GB 18918—2002）， achieving high standard discharge.

Keywords： deep denitrification; membrane bioreactor; fermentation tank; TN removal; high standard discharge

垃圾滲濾液是一種帶有惡臭氣味的黑色或黃褐色液體，含有多種污染物[1-2]，其突出特點是氨氮含量高。高濃度氨氮導致滲濾液脫氮困難，氨氮去除效果不理想，許多滲濾液處理工程出水TN超標，目前缺乏可靠的低成本處理工藝來確保TN穩定達標[3-4]。

傳統的厭氧好氧法（AO）是目前應用最普遍的一種工藝，其硝化過程需氧量大，能耗高，碳源消耗量大，運行費用高，末端治理缺乏高效手段。厭氧氨氧化技術可減少供氧量，無須外加碳源，但反應條件苛刻，厭氧氨氧化菌倍增時間長且產率低，不易在短時間內富集，同時反應器初期污泥容易流失，導致厭氧氨氧化菌富集更加困難[5]。另外，國內有工程采用膜法去除氨氮，但產生的濃縮液仍含有大量有機物和氨氮，即使保證系統氨氮達標排放，TN仍無法滿足排放標準。因此，保證系統TN達標排放成為垃圾滲濾液處理的難題。本文結合現有技術優缺點，利用特種微生物發酵技術研發深度脫氮設備，將其串聯在納濾（NF）裝置后端，有效解決NF出水TN不達標的問題。進水TN濃度、碳源、pH、水力停留時間（HRT）、化學需氧量（COD）、Cl-、SO42-、回流比等是影響垃圾滲濾液處理效果的重要因素，下面通過試驗驗證得到優化的工藝條件，并將其應用于實際工程中，使得出水TN穩定達標。該技術能耗較低，可高效去除TN，使之達到排放標準（≤15 mg/L），并降低系統運行和維護費用。

1 試驗流程

1.1 試驗材料

選取某垃圾焚燒發電廠的NF出水作為試驗用水，水質參數如表1所示。試驗設備包括原水桶、蠕動泵、生物柱和膜箱等。

1.2 試驗方法

監測項目包括pH、溫度、COD、TN、HRT、回流比、Cl-、SO42-、碳源等。利用生物發酵原理，在適宜條件下，將篩選好的特種微生物置于徑高比合理的發酵罐內發酵。發酵罐中，微生物生長和代謝活動始終保持旺盛的穩定狀態。利用該微生物特定代謝過程，將硝態氮轉化為氮氣，實現高效深度脫氮，TN達到排放標準（≤15 mg/L）。對于影響微生物生長、代謝的條件，將pH、溫度、溶解氧等都控制在適宜的范圍，維持菌體恒定生長速度，提高發酵速率和脫氮效率。pH、溫度均采用便攜式儀表進行測定，Cl-采用硝酸銀滴定法測定，SO42-采用鉻酸鋇分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，COD采用重鉻酸鉀法測定。

2 結果分析

通過研究碳源、HRT、COD、TN、回流比、鹽分（Cl-、SO42-）、溫度等條件，對NF出水進行深度脫氮試驗。

2.1 碳源分析

在微生物脫氮過程中，碳源的選擇很重要。HRT為48 h時，以乙醇、甲醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖等為碳源，開展脫氮效果篩選試驗。試驗結果表明，以甲醇為碳源的脫氮效果最差，TN去除率只有5.03%；以乙醇、乙酸為碳源的脫氮效果最好，TN去除率可超過95%；以葡萄糖為碳源的TN去除率為60.7%，效果不理想；以乙酸鈉為碳源的TN去除率較高，超過90%。經比選，采用脫氮效果較好且化學性質穩定的乙酸鈉作為碳源。

2.2 回流比分析

回流比是影響脫氮效果的重要因素。對于不同TN濃度的水樣，采用不同的回流比進行脫氮效果對比試驗。試驗結果表明，TN濃度在200 mg/L以內時，回流比為1∶1，可保證脫氮效率在90%以上；TN濃度超過200 mg/L同時低于400 mg/L時，回流比調整為2∶1，但存在出水TN不達標情況；TN濃度超過400 mg/L時，回流比調整為3∶1，保證脫氮高效，但出水TN無法達到排放標準。因此，要根據試驗進水水質，對回流比進行相應調整，以保證最佳脫氮效果。同時，要控制進水TN濃度，保證出水TN達標排放。

2.3 鹽分分析

鹽分可能影響特種微生物的脫氮效果。對不同Cl-和SO42-濃度的水樣進行脫氮試驗，脫氮效果如圖1、圖2所示。

該特種微生物對Cl-的耐受性較好，Cl-濃度超過8 000 mg/L時，脫氮效率才會出現大幅下降，出水TN無法滿足排放標準；Cl-濃度為2 000～7 000 mg/L時，脫氮效率維持在90%以上，出水TN可以達標排放。該特種微生物對SO42-的耐受性較差，SO42-濃度超過1 000 mg/L時，脫氮效率明顯下降，同時出水TN無法達標；SO42-濃度為3 000 mg/L時，該特種微生物徹底失活，無法進行脫氮試驗。SO42-濃度在500 mg/L以內時，該特種微生物的脫氮效率均保持在90%以上，可以確保出水TN穩定達標。綜上，該特種微生物不適用于處理高鹽廢水。在實際應用中，要檢測進水的Cl-和SO42-濃度，將其控制在一定范圍內，以保證最佳脫氮效果。

2.4 TN分析

針對不同TN濃度的水樣，開展脫氮試驗。進水TN濃度控制在250 mg/L左右時，TN去除率大于90%，HRT為24 h時不能確保TN達標排放；進水TN濃度控制在170 mg/L左右時，TN去除率大于95%，出水水質穩定達標，試驗結果達到預期。

3 技術優勢

該深度脫氮技術以特種微生物發酵為基礎，主體為特種微生物，處理對象為含氮廢水。該技術工藝流程簡單，成套設備可直接串聯使用。該技術能耗較低，后期運行和維護費用不高，可實現低成本、高效率的脫氮，并保證出水TN穩定達標，尤其適用于TN濃度小于200 mg/L的末端廢水治理。同時，要控制廢水中鹽分（Cl-和SO42-），濃度太高則會影響微生物生長代謝，對系統產生沖擊，無法達到預期脫氮效果。

4 案例分析

將該深度脫氮技術應用到該垃圾焚燒發電廠的滲濾液處理系統中。該系統的處理量為150 m3/d，產水量為149.25 m3/d，水回收率為99.5%。垃圾滲濾液水量存在季節性變化，雨季時水量增大，水質不穩。在處理過程中，要投加大量碳源，最高投加量可達800 mg/L，造成投資成本增加，同時出水TN無法滿足排放要求。該項目采用生化+膜處理工藝，并在此基礎上串聯深度脫氮設備。

4.1 水質情況

垃圾滲濾液經過生化處理后，絕大部分有機物被降解，出水pH介于8～9，COD小于500 mg/L，總硬度小于1 500 mg/L，鈣硬度小于500 mg/L，氨氮濃度小于1 mg/L，SO42-濃度小于200 mg/L，Cl-濃度介于5 000～6 000 mg/L。生化出水后增加膜生物反應器+納濾系統，NF出水的COD保持在50～100 mg/L，SO42-濃度不超過10 mg/L。NF出水后連接高效深度脫氮系統，經過處理后，出水TN在15 mg/L以內，保證其達標排放。

4.2 運行情況

項目運行的部分數據如圖3所示，脫氮效率較高，出水TN達到排放標準，符合預期。該項目自2018年7月開始運行，出水穩定達標排放，COD不超過60 mg/L，TN濃度不超過15 mg/L。

5 結論

研究表明，滲濾液NF出水的TN濃度為200～300 mg/L時，經進一步去除，TN濃度可不超過15 mg/L，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準，實現高標準排放。該深度脫氮技術填補了垃圾滲濾液高效穩定脫除TN技術領域的空白，建議加快工程示范和推廣應用。

參考文獻

1 Renou S，Givaudan J G，Poulain S，et al.Landfill leachate treatment：Review and opportunity[J].Journal of Hazardous Materials，2008（3）：468.

2 崔 鋒，倪晉仁，郭金成，等.新標準下衛生填埋場垃圾滲濾液的處理對策[J].中國給水排水，2011（6）：55-58.

3 趙慶良，李湘中.垃圾滲濾液中NH3-N對微生物活性的抑制作用[J].環境污染與防治，1998（6）：1-4.

4 孫體昌，張建云，松全元.廢水中氨氮沉淀的影響因素[J].北京科技大學學報，2004（1）：13-14.

5 于德爽，彭永臻，張相忠，等.中溫短程硝化與反硝化的影響因素研究[J].中國給水排水，2003（1）：40-42.