厭氧氨氧化相關工藝處理垃圾滲濾液的研究進展

李環宇 白玥萌

摘 ?????要： 垃圾滲濾液具有氨氮濃度高、有機物濃度高和碳氮比低的特點。厭氧氨氧化工藝脫氮能力強、能耗低，適用于垃圾滲濾液脫氮處理。對比了傳統硝化反硝化工藝、短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝和短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝，介紹了基于厭氧氨氧化技術處理垃圾滲濾液的相關工藝，為垃圾滲濾液處理和厭氧氨氧化工藝研究提出了思路。

關 ?鍵 ?詞：垃圾滲濾液； 厭氧氨氧化； 短程硝化； 短程反硝化； CANON

中圖分類號：X703?????文獻標識碼： A ????文章編號： 1004-0935（2024）05-0738-04

根據2013?-2021年中國統計年鑒，城市生活垃圾清運量呈現逐年增加的趨勢，2021年城市生活垃圾清運量更是達到最高值24?869萬t^[1-3]。垃圾滲濾液產生量也隨之增加，垃圾滲濾液的處理工藝逐漸成為各界的研究熱點。

1 ?垃圾滲濾液來源及特點

我國的生活垃圾主要包括餐廚垃圾和普通垃圾。垃圾滲濾液主要來源于降水和地下水的滲透、地表徑流的浸入、垃圾中自帶的水分流入以及被分解時產生的水分流入等，產生大量的高污染污水^[4]。而且，根據國民的生活習慣，我國的生活垃圾含水量在50%以上^[5]。隨著填埋時間的延長，伴隨著垃圾中有機物分解逐漸釋放產生大量氨氮^[6]。我國城市垃圾通過填埋方式處理的占總量的60%以上，每噸生活垃圾約產生20%的垃圾滲濾液。總的來說，垃圾滲濾液擁有氨氮含量高、水量大、水質水量季節性差異較大、組成成分復雜、色度高、含有大量重金屬離子碳氮比失調等特點^[7]，一直以來都是污水處理領域的研究重點。同時，垃圾中還含有大量的致病菌和寄生蟲卵等危害人類健康的微生物，嚴重影響人類身體和生活環境，造成較大危害^[8]。垃圾滲濾液由于具有以上特性，若不妥善處理，外滲的高濃度污水會對水資源造成嚴重污染，影響人類身體健康，對垃圾填埋場周邊土壤和大氣環境也產生很大的危害。

2 ?厭氧氨氧化技術

厭氧氨氧化技術是利用厭氧氨氧化菌在厭氧條件下，以NO₂^-為電子受體，將NH₄⁺直接氧化為N₂的工藝^[9]。其化學方程式如式（1）所示：

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→

1.02N₂+0.26NO₃^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O（1）

與傳統技術相比，消耗能源少、不需要DO和外加碳源、脫氮效率高，是一種低成本的污水處理工藝，可廣泛應用于處理氨氮含量高，C/N低的廢水。厭氧氨氧化影響因素主要有溫度、pH、DO、有機碳源、基質和鹽度等。

3 ?厭氧氨氧化技術處理垃圾滲濾液相關工藝

垃圾滲濾液的處理方法主要有物理化學法和生物法^[10]。其中物理化學法包括高級氧化法^[11]、超濾^[12]、納濾^[13]和反滲透^[14]等工藝。生物法主要包括傳統硝化反硝化工藝及厭氧氨氧化的耦合工藝。傳統的硝化反硝化工藝所需的C/N比一般要求在5以上，DO濃度一般要求維持在2?mg/L，由于垃圾滲濾液氨氮濃度較高，C/N嚴重不足，甚至可能低至2以下，使得總氮去除效果不理想，外加碳源可解決低C/N的問題但會增加處理成本。厭氧氨氧化工藝由于前述的優點，適用于垃圾滲濾液處理。厭氧氨氧化的耦合工藝主要分為短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PN/A）和短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PD/A）兩類。傳統硝化反硝化工藝、短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PN/A）和短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PD/A）的能耗比較見表2所示。

傳統硝化反硝化工藝需外加O₂和碳源^[15]。短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PN/A）無需外加碳源，短程硝化過程消耗氧氣，需要控制氨氮反應至NO₂^-，反應條件嚴格。短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PD/A）在氨氮轉化為硝態氮過程中消耗O₂，O₂消耗量相比傳統硝化反硝化過程減少45%，碳源需求量減少79%，剩余污泥量也有一定程度的降低，方便后續污泥處置又降低了污泥處置費用，PN/A工藝PD/A工藝相比反應條件更加容易，易于累積亞硝酸鹽。PN/A工藝與傳統硝化反硝化工藝及PD/A工藝相比分別減少了59%、24%的氧氣消耗量。PD/A工藝和PN/A工藝有各自的優缺點和適應性。以下介紹幾種厭氧氨氧化相關技術處理垃圾滲濾液的相關研究進展。

3.1 ?短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝

3.1.1??短程硝化-厭氧氨氧化工藝

短程硝化-厭氧氨氧化工藝是氨氧化菌（AOB）將部分氨氮轉化成亞硝酸氮，然后厭氧氨氧化菌（AnAOB）進行微生物反應直接生成N₂。該工藝較完全硝化反硝化工藝相比，有很大的優勢：降低氧氣的消耗，減少曝氣的能耗，降低運行成本；可減少外加碳源的投加量，降低運行成本；短程硝化可以為厭氧氨氧化提供NO₂^-，進一步降低運行成本。

NH₄⁺+2O₂—→NO₃^-+2H⁺+H₂O

（全程硝化） ???????????（2）

NH₄⁺+3/2O₂—→NO₂^-+2H⁺+H₂O

（短程硝化） ???????????（3）

6NO₃^-+5CH₄O+CO₂—→3N₂+6HCO₃^-+7H₂O

（全程反硝化）???????????（4）

根據式（2）和（3），短程硝化較完全硝化降低25%的曝氣量，減少的曝氣量降低了對后續處理單元的影響；根據式（3）和（4），100%減少外加碳源；比傳統生物脫氮工藝相比，剩余污泥量減半。在短程硝化-厭氧氨氧化工藝中NO₂^-轉化率大約55%，其余NH₄⁺在缺氧情況下直接與NO₂^-反應被去除，降低曝氣所需的能量消耗，同時厭氧氨氧化工藝中沒有產生氧化亞氧，避免產生溫室氣體。

吳莉娜等^[16]為解決垃圾滲濾液中高濃度污染物對微生物的毒性抑制、生物處理出水有機物或氮不達標及投加碳源成本高的問題，采用短程硝化-厭氧氨氧化工藝處理實際垃圾滲濾液與生活污水的混和液，在不外加碳源的情況下，有機物、NH₄⁺-N和TN的去除率達到88%、95%和91%，在中間反應器內NO₂^--N積累率達到96.7%（短程硝化效率很高）。黃奕亮等^[17]以短程硝化+厭氧氨氧化工藝處理實際垃圾滲濾液。常溫條件下，穩定運行后NH₄⁺-N、NO₂^--N去除率可以維持在98%以上，NH₄⁺-N、總氮去除負荷分別為1.04?kg/（m³·d）、0.325?kg/（m³·d），NO₂^--N積累率、總氮去除率分別為96.7%，93%，實現了對氮的深度處理。初永寶等^[18]成功地應用短程硝化-厭氧氨氧化工藝處理中國西南地區某垃圾填埋場的滲濾液，設計日處理量為200?t，TN、氨氮和COD去除率分別達到80%、98%和65%。

3.1.2??一體化部分亞硝化厭氧氨氧化工藝

在短程硝化-厭氧氨氧化工藝中，短程硝化階段的氨氧化菌的最佳生長pH是（7.5～8.5），而且短程硝化階段需要消耗堿度，隨著反應的進行，短程硝化階段的pH不斷降低；而厭氧氨氧化階段產生堿度，厭氧氨氧化菌的最佳生長pH（7.0～8.0），隨著反應的進行，pH不斷升高。研究發現一體化部分亞硝化厭氧氨氧化工藝（CANON）工藝可以有效解決上述矛盾。

CANON工藝是指在同一個反應器內同時完成短程硝化和厭氧氨氧化反應，通過AOB和AnAOB的共同作用達到處理污水的作用^[19]。在CANON工藝中，厭氧氨氧化反應產生的堿度可以及時補充給短程硝化反應消耗的堿度，不需要人工調控堿度，達到減少藥劑使用的目的，且反應器減少，降低基建費用和運行維護問題。

張方齋等^[20]采用CANON工藝處理晚期垃圾滲濾液，反應器經過曝氣/缺氧交替循環方式，經過130?d的馴化，成功啟動CANON工藝。實驗證明其具有較強的穩定性，在進水COD、NH₄⁺-N、TN濃度分別為2?050±250、1?625±75和2?005±352?mg/L且未投加碳源情況下，出水COD、NH₄⁺-N、TN濃度穩定在407±14、8±4和19±4?mg/L，總氮去除率達到了98.76%。耿忠軒等^[21]采用CANON工藝處理老齡垃圾滲濾液，在進水NH₄⁺-N和TN濃度分別為190?mg/L、203?mg/L的條件下，NH₄⁺-N、TN去除率分別可達到98.18%和86.45%。

3.1.3??限氧自養硝化-厭氧反硝化工藝

限氧自養硝化-厭氧反硝化工藝（OLAND工藝）是在硝化過程中，通過控制溶解氧濃度在0.1～0.3?mg/L條件下抑制NO₂^-生成NO₃^-反應，使得硝化階段只從NH₄⁺生成NO₂^-[22]。之后再經過厭氧氨氧化工藝將NH₄⁺和NO₂^-生成N₂，完成處理全過程。其與傳統硝化反硝化工藝相比，同樣是沒有外加碳源、減少曝氣和污泥產量降低。目前，應用OLAND工藝處理垃圾滲濾液的相關應用較少，但應用其處理高氨氮廢水有很好的前景。

3.2 ?短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝

短程反硝化耦合厭氧氨氧化（PD/A）工藝是通過控制NO₃^--N還原成NO₂^--N，再通過厭氧氨氧化工藝完成脫氮反應。短程硝化耦合厭氧氨氧化（PN/A）雖然有前述各項優點，但在硝酸鹽廢水、ANAMMOX工藝出水中，PD/A有更好的處理效果。PD/A工藝化學反應方程式如下：

NO₃+0.519CH₃COO+1.026NH₄⁺→0.926N₂+0.56HCO₃+0.06H⁺+0.083C₅H₇NO₂+

0.062CH₂O_0.5N_0.15+2.164H₂O

王眾^[23]針對PN/A出水中含過量NO₃^-的問題，采用PD/A工藝處理晚期垃圾滲濾液。通過控制ORP和pH，可以維持反應的運行穩定性，反應器出水TN小于20?mg/L時，TN的去除率能夠達到84.8%。Hao等^[24]研究了ANAMMOX工藝處理成熟垃圾滲濾液出水的深度處理方法，向出水投加污泥發酵液，發酵液中的CH?COOH可誘導短程反硝化反應的發生，提高了處理效果，脫氮率能夠達到99%。

3.3 ?PN/A和PD/A組合工藝

鑒于前述兩類工藝的優缺點，PN/A和PD/A組合工藝逐漸顯示出很大的潛力。王眾^[12]采用PN/A+?PD/A組合工藝處理晚期垃圾滲濾液，穩定階段TN去除率達到98.8%，實現深度脫氮。其以晚期垃圾滲濾液處理規模為500?m³/d為例，PN/A+PD/A組合工藝運行成本為47元/m³，對比組合工藝與傳統硝化反硝化工藝運行成本，在能耗、藥劑、外部處置費用和綜合成本方面降低費用46%、78%、33%和42%。即便與成都滲濾液處理廠^[12，25]相比，綜合運行成本仍降低22%。

3.4??其他工藝與厭氧氨氧化組合工藝

陸天友^[26]采用生物處理/Anammox/物化處理組合工藝處理貴陽市高雁城市生活垃圾衛生填埋場老齡垃圾滲濾液，組合工藝對COD、NH₃-N、TN、TP的平均去除率為94.97%、98.53%、98.23%和69.82%，出水COD、NH₃-N、TN、TP質量濃度平均為47.5?mg/L、14.62?mg/L、21.3?mg/L和2.22?mg/L，其各項出水指標濃度均滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB 16889—2008）的一級標準。吳莉娜等^[27]采用UASB-A/O-ASBR工藝處理晚期垃圾滲濾液，試驗結果表明：當進水COD、NH₄⁺-N和TN分別為2?220?mg/L、1?400～1?450?mg/L和1?450～1?500?mg/L時，出水分別為98?mg/L、7?mg/L、25?mg/L，去除率分別達到95.6%、98.3%和99.5%。

4 ?結束語

隨著垃圾清運量快速增多，垃圾滲濾液的排放標準日益嚴格，傳統的硝化反硝化技術在能耗和處理能力方面均很難滿足要求，采用基于厭氧氨氧化技術的相關工藝是一種很有潛力的解決辦法，關于短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝、短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝及相關改良和組合工藝已有大量的研究。未來研究可考慮高級氧化法、納濾、反滲透等物化法耦合厭氧氨氧化工藝，以及厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液的工程化推廣。

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Research Progress of Anaerobic Ammonia Oxidation

Related Process for Treating Landfill Leachate

LI Huanyu¹， BAI Yuemeng?²

（1. Daling?River Scenic Area Management Office， Chaoyang Liaoning 122000，?China;

2. Liaoning Beifang Environmental Protection Co.，?Ltd.，?Shenyang Liaoning 110000，?China）

Abstract：??Landfill leachate has characteristics of high ammonia nitrogen concentration， high organic matter concentration and low carbon-nitrogen ratio. Anaerobic ammonia oxidation process has strong nitrogen removal capacity and low energy consumption， it is suitable for nitrogen removal treatment of landfill leachate. In this paper， the traditional nitrification and denitrification process， PN/A coupled anaerobic ammonia oxidation process and PD/A coupled anaerobic ammonia oxidation process were compared， the related processes for treating landfill leachate based on anaerobe oxidation technology were introduced， the idea for landfill leachate treatment and anaerobic ammonia oxidation process was put forward.

Key words：??Landfill leachate; Anaerobic ammonia oxidation; PN/A; PD/A;?CANON

收稿日期： 2023-07-30

作者簡介： 李環宇（1991-），女，遼寧凌源人，中級工程師，碩士學位，2016年畢業于沈陽建筑大學環境科學與工程專業，研究方向：水污染控制理論與技術。

通信作者： 白玥萌（1991-），女，中級工程師，碩士學位，研究方向：水污染控制理論與技術。