1、垃圾渗滤液单级自养脱氨氮技术主要报告内容主要报告内容垃圾渗滤液处理技术概况垃圾渗滤液处理技术概况生物脱氮技术进展生物脱氮技术进展生膜系统单级自养脱氨氮研究生膜系统单级自养脱氨氮研究颗粒污泥自养脱氨氮技术研究颗粒污泥自养脱氨氮技术研究单级自养脱氨氮系统处理垃圾渗滤液单级自养脱氨氮系统处理垃圾渗滤液地点地点上海上海杭州杭州广州广州深圳深圳COD(mg/L)1500-80001000-50001400-500015000-60000BOD(mg/L)200-4000400-2500400-20005000-36000TN(mg/L)100-70080-800150-900650-2000SS(mg/
2、L)30-50060-650200-6001000-6000氨氮氨氮(mg/L)60-45050-500160-500400-1500pH5.0-6.56-6.56.5-8.06.2-8.01.1典型垃圾渗滤液水质1.垃圾渗滤液概况垃圾渗滤液概况1.2 1.2 垃圾渗滤液处理现状垃圾渗滤液处理现状渗滤液的处理经历了三个阶段。第一阶段 在90年代初期，处理工艺主要参照城市污水的处理方法，代表性的工程实例有杭州天子岭、北京阿苏卫等。在此阶段，由于渗滤液处理厂主要参照城市污水处理厂进行建设，没有考虑到渗滤液水质特性，因此都存在不能稳定运行的状况，出水也不能稳定达标。以生物处理为主的处理工艺处理成本一
3、般为35元/m3。第二阶段 在90年代中后期，研究人员考虑到渗滤液的水质独特性，如高浓度的氨氮、高浓度的有机物等，采取了脱氨措施，采取的处理工艺一般为氨吹脱厌氧处理好氧处理，代表性的工程实例有深圳下坪、香港新界西等。第三阶段 2000年以后，由于经济的飞速发展，新建的渗滤液处理厂一般远离城区，渗滤液没有条件排入城市污水管网，因此处理要求也相应提高，一般需要处理到二级甚至一级排放标准。此时的渗滤液若仅靠生物处理无法达到处理要求，一般采取生物处理深度处理的方法。代表性的工程实例有广州新丰、重庆长胜桥等。生物处理包括好氧处理、厌氧处理及二者的结合。排放标准IIIIIISS(mg/L)70200400
4、BOD5(mg/L)30150600CODCr(mg/L)1003001000氨氮(mg/L)1525垃圾渗滤液国家排放标准1.41.4存在问题存在问题渗滤液高浓度氨氮的问题渗滤液高浓度氨氮的问题高浓度的氨氮是渗滤液的水质特征之一，渗滤液氨氮浓度一般从数十至几千mg/L不等。随着填埋时间的延长，垃圾中的有机氮转化为无机氮，渗滤液的氨氮浓度有升高的趋势。与城市污水相比，垃圾渗滤液的氨氮浓度高出数十至数百倍。一方面，由于高浓度的氨氮对生物处理系统有一定的抑制作用；另一方面，由于高浓度的氨氮造成渗滤液中的C/N比失调，生物脱氮难以进行，导致最终出水难以达标排放。我国的渗滤液处理厂存在的问题主要表现在
5、：渗滤液高渗滤液高浓度氨氮的问题和渗滤液可生化性差的问题。浓度氨氮的问题和渗滤液可生化性差的问题。渗滤液可生化性差主要体现在两个方面：渗滤液可生化性差主要体现在两个方面：一是指随着填埋场填埋时间的延长，渗滤液的生化性降低，在填埋后期，可生化性很差，BOD/COD 值小于0.1，此时的渗滤液俗称“老化”渗滤液。另一方面，在填埋初期，虽然渗滤液的可生化性较好，但是光靠生物处理也很难将之处理至二级甚至一级标准以下，一般来讲，渗滤液的 COD中将近有500600 mg/L无法用生物处理的方式处理。1.5 1.5 高浓度氨氮处理技术现状高浓度氨氮处理技术现状 目前应用较多的主要有氨吹脱和生物脱氨氨吹脱和
6、生物脱氨技术。采用吹脱法虽然具有较高的去除效率，但有投资运行成本高，脱氨尾气难以治理的缺点。以深圳下坪为例，氨吹脱部分的建设投资占总投资的30左右，运行成本占总处理成本的70以上。生物脱氮传统方式是通过硝化和反硝化两个相互独立的过程实现；硝化过程需要大量的氧气，而反硝化过程则需要一定的碳源。渗滤液氨氮浓度很高，C/N值较低，无法通过单一的生物脱氮方式解决渗滤液的脱氨问题。进水进水电子供体电子供体Return activated sludge(RAS)出水出水硝化硝化反硝化反硝化沉淀沉淀沉淀沉淀出水出水进水进水反硝化反硝化硝化硝化回流污泥回流污泥(RAS)内循环内循环A)后置反硝化后置反硝化B)
7、前置反硝化前置反硝化传统脱氮工艺Nitrosomonas sp.NH4+NH3HNO2NO2-Nitrobacter sp.NO2-HNO2NO3-SubstratesProducts脱氮：硝化与前置反硝化NH4+O2 NO2-+H+NO2-+O2 NO32-NH4+NH4+有机碳有机碳有机碳有机碳C+NO32-N2+OH-Org.C+O2 CO2+H2O自养菌自养菌异养菌异养菌 进水（进水（1 Q)出水到二沉池出水到二沉池（1 Q)内循环内循环缺氧反硝化缺氧反硝化好氧硝化好氧硝化传统生物脱氮方法的缺陷传统生物脱氮方法的缺陷 传统生物脱氮工艺中硝化和反硝化是两个相互对立的过程，主要在在以下一些
8、缺陷：反硝化反应要有碳源作为电子供体，若污水中碳源不足(C/N过低)，则需投加甲醇等有机碳，这不仅增加了运行费用，还增加了运行管理的难度；抗冲击负荷能力差，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生长；为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，不仅增加了处理费用，而且还有可能造成二次污染；硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，因此造成系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用。2 生物脱氮技术进展生物脱氮技术进展 q短程硝化短程硝化-反硝化反硝化q同步硝化反硝化同步硝化反硝化(SND)(SND)q厌氧氨氧化生物脱氮原理与工艺厌氧氨氧化生物脱氮原理与工艺 qSHARONSHA
9、RON工艺与工艺与ANAMMOXANAMMOX工艺的组合工艺的组合 q单级自养脱氮单级自养脱氮 短程硝化-反硝化生物脱氮法是将硝化控制在形成亚硝酸阶段，阻止亚硝酸的进-步硝化，然后直接进行反硝化；其关键是在硝化阶段维持亚硝态氮长久稳定地积累。短程硝化短程硝化-反硝化生物脱氮技术反硝化生物脱氮技术同步硝化反硝化生物脱氮（SND）就是在同一反应器中同时进行硝化和反硝化过程从而实现生物脱氮；与传统生物脱氮技术相比，脱氮工艺得到了简化并提高了脱氮效率，从而节省投资、提高处理效率。目前对同步硝化反硝化生物脱氮（SND）机理的解释主要有宏观环境解释、微环境理论和生物学解释。同步硝化反硝化同步硝化反硝化亚硝
10、化-厌氧氨氧化联合工艺其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，其反应式如下：NH4+1.5O2 NO2-H2O2H+厌氧氨氧化的定义厌氧氨氧化反应的特点是微生物在厌氧条件下，以NH4+为电子供体，以NO2-或NO3-为电子受体，将氨氮和硝态氮转变成N2排入大气中，其反应式为：NH4+NO2 N2+2H2O亚硝酸型硝化厌氧氨氧化的作用机理厌氧氨氧化的作用机理目前关于厌氧氨氧化的生物化学机理还没有定论，比较有代表性的观点是厌氧氨氧化是通过生物氧化的途径实现的，其中羟胺(NH2OH)是非常重要的中间体，为最有可能的电子受体；当反应器中存在过量的羟胺和氨时，将会发生联氨(N2H4)积累；联胺氧化为二氮
11、气的过程能产生四个电子将亚硝酸盐还原为羟胺。厌氧氨氧化中氮的可能转移途径厌氧氨氧化中氮的可能转移途径HZOHZO表示联氨氧化还原酶；表示联氨氧化还原酶；NRNR为亚硝酸盐还原酶；为亚硝酸盐还原酶；HHHH表示联氨水解酶表示联氨水解酶 亚硝化亚硝化-厌氧氨氧化的组合厌氧氨氧化的组合以亚硝化反应器的出水作为厌氧氨氧化反器的进水，组合成亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺；其中最为关键的是亚硝化的出水必须满足厌氧氨氧化的进水要求。联合亚硝化厌氧氨氧化工艺流程图联合亚硝化厌氧氨氧化工艺流程图 Sharon-AnammoxSharon-Anammox联合工艺图联合工艺图 Sharon反应器的进水中，有反应器的进水
12、中，有50%的氨氮转化为亚硝态氮，而的氨氮转化为亚硝态氮，而后其出水作为厌氧氨氧化反器的进水，生成氮气和硝态氮。后其出水作为厌氧氨氧化反器的进水，生成氮气和硝态氮。亚硝化亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的优点厌氧氨氧化联合工艺的优点硝化控制在亚硝化阶段，可节省供气量25左右，节省动力消耗；可以缩短水力停留时间（HRT），减少反应器的体积和占地面积；传统脱氮工艺的反硝化过程在处理高氨低碳废水时需要外加碳源，联合工艺不需要外加碳源。单级自养脱氮工艺单级自养脱氮工艺 单级自养脱氮的全过程由自养菌在同一个反应器中完成，其机理尚不清楚；主要包括以下两个过程：(1)氨氮氧化为亚硝态氮即亚硝酸型硝化(2)氨氮和亚
13、硝态氮一起反应生成氮气，也即厌氧氨氧化过程。3 生物膜系统单级自养脱氨氮研究生物膜系统单级自养脱氨氮研究 生物膜生物膜载体载体好氧好氧缺氧缺氧底物消耗完全底物消耗完全NH4+NO2-NO2-+NH4+N2N2NH4+N2ON2N2O衰亡衰亡C3.1 原理单级自养脱氮 NH4+to N21.Aerobic Oxidation of 50%of NH4-N to NO2-N 40%of the O2 demand compared to full nitrifikation to NO3-N 50%less acid capacity required2.Anaerobic Oxidation o
14、f NH4-N with NO2-N to N2 0%of the C-demand compared to denitrifikation very low production of excess sludgeBoth reactions combined in one biofilmto a single-step operation环形塑料长:5-8 mm直径:5 mm内部比表面积:172 m/m生物物质干重:99 g/mcm3.2 生物膜载体不同生物膜载体的反硝化能力塑料环生物膜塑料环生物膜 thick“biofilm 生物膜厚生物膜厚 1000 m N2O 生成生成纤维填料生物膜纤
15、维填料生物膜 thin“biofilm 生物膜厚生物膜厚 500 m 无无 N2O 生成生成15-15N2(反硝化反硝化)14-15N2(厌氧氨氧化厌氧氨氧化)分批测试分批测试15NO2-+14NH4+158585694生物膜反应器示意图生物膜反应器示意图1 cmacba生物膜驯化期间反应器中生物膜驯化期间反应器中氮化合物的去除氮化合物的去除 a a驯化前氮驯化前氮物质的转换去除情况物质的转换去除情况 b b 驯化驯化1616天后氮物质的转换去除情天后氮物质的转换去除情况况 c c 驯化期间总无机氮的去驯化期间总无机氮的去除情况除情况 3.3 反应器的启动 a 反应器2，在第57天 b 反应器
16、 1，在第68天 总氮 氨氮 亚硝酸氮 硝酸氮 COD abpH的影响图图2.9 不同浓度无机碳源条件下氨氮、总无机氮的去除率不同浓度无机碳源条件下氨氮、总无机氮的去除率无机碳源的影响DO=0.50.7mg/LDO=0.20.3mg/L图图2.11 DO DO对全程自养脱氮的影响对全程自养脱氮的影响 氨氮氨氮 亚硝酸氮亚硝酸氮 硝酸氮硝酸氮 总无机氮总无机氮DO的影响3.3 自养脱氨氮生物膜微生物学载体载体载体载体自养脱氨氮生物膜切面自养脱氨氮生物膜切面(160 x 倍倍)生物膜中的微生物种群分布生物膜中的微生物种群分布(FISH)绿色绿色=氨氧化微生物氨氧化微生物红色红色=厌氧氨氧化微生物厌
17、氧氨氧化微生物生物膜反应器微生物种群动态研究 考察生物膜在运行过程中系统内微生物群落的动态变化，不同时期的生物膜样品进行了DGGE分析。生物膜DGGE分离谱图（1：10d；2：27d；3：38d；4：55d；5：65d）根据变性梯度凝胶电泳对具有相同大小而不同DNA序列的片段分离原理，5个时期生物膜样品的PCR产物中含有十几种不同序列的DNA片段，它们是一些特异微生物种类的16SrDNA基因V3区的DNA片段，每个独立分离的DNA理论上代表一个微生物的种属。反应器运行的第10d微生物多样性较高，到第27d减少，随后的第38d、55d和65d逐渐增多；优势菌群也从原来的2种变到7、8种。微生物群
18、落结构和种群的数量存在明显的演替过程，优势种群成为顶级优势群落。可观察到band a、和band f一直存在于整个系统的运行期间，而且是不同时期微生物群落中的优势种群。测定样品NCBI比对结果基因库查询号相似百分数Band aNitrosomonas sp.Nm107AF27241697.2Nitrosomonas europaea Nm103AF03710696.4Nitrosomonas ureae Nm10AF27241498.5Band buncultured clone SL24AF37969597.3Escherichia coli O157BA00000794.5Band cun
19、cultured-proteobacterium CRE-F140AF14146193.6uncultured-proteobacterium SBR1011AF20425394.7Band dNitrococcus mobilis Nc2AJ29872895.5Band eNitrospira spAF03581397.2Nitrospira spY1464495.6Band fNitrosospira spAJ23820394.6Nitrosospira sp.AJ01210693.2Nitrosospira sp.O13AJ01210895.8Fig 3 Phylogenetic tre
20、e based on partial Pla 16S rRNA gene sequences retrieved from the biofilm with primer set Pla46f and Pla886r(numbered as clones Pla1 to Pla14)and set Pla40f and Pla518r(clones Pla15 to Pla20),some of their closest relatives,and sequences obtained from the RDP.T.maritimawas used as an outgroup.Scale
21、bar,5 inferred nucleotide substitutions per 100 nucleotides.GenBank accession numbers are also indicated.Phylogenetic tree based on partial AAOB 16S rRNA gene sequences retrieved from the biofilm(indicated in bold,numbered as clones AOB1 to AOB10,with the percentage of clones having the same indicat
22、ed),some of their closest relatives,and sequences obtained from the RDP.Scale bar,10 inferred nucleotide substitutions per 100 nucleotides.GenBank accession numbers are indicated.单级自养脱氨氮生物膜特征成熟的自养脱氮生物膜成熟的自养脱氮生物膜6 颗粒污泥单级自养脱氮研究颗粒污泥单级自养脱氮研究 驯化初级阶段 图图5.1 接种污泥在低浓度溶解氧条件下，亚硝化作用受到抑制接种污泥在低浓度溶解氧条件下，亚硝化作用受到抑制a
23、 a 絮状活性污泥絮状活性污泥 b颗粒污泥颗粒污泥ab全程自养脱氮阶段 ab图5.5全程自养脱氮 a 反应器1，在第57天 b 反应器 2，第68天7 单级自养脱氨氮技术处理垃圾渗滤液单级自养脱氨氮技术处理垃圾渗滤液 亚硝化厌氧氨氧化联合工艺处理垃圾渗滤液 010203040506070809010014710 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46时间(d)去除率%氨氮去除率亚硝态氮去除率总无机氮去除率020406080100120140160180147152157162167172177182187192197202207212运行天数（d）浓度（mg/L
24、）氨氮亚硝酸氮硝酸氮进水氨氮单级自养生物膜系统处理垃圾渗滤液 三、总结q在单级自养脱氨氮：通过利用生物膜系统或好氧颗粒污泥方法，可在单一反应器中实现高效率的自养生物脱氮，q在单级自养脱氨氮反应器微生物学研究表明：自养脱氨氮包括了自养的亚硝化和厌氧氨氧化两个过程。但其微生物仍呈现多样性。q在单级自养脱氨氮过程控制的关键为：在溶解氧DO小于0.5mg/L时，是形成自养脱氮的关键，形成自养脱氮能力后，可逐步提高DO至1.0mg/L。q单级自养脱氮可达到约90的脱氮能力，在进水氨氮浓度为500mg/L左右，HRT24小时条件下。建议垃圾处理应遵循的原则：减量化、无害化、资源化。垃圾处理应从源头抓起，减
25、少有机物含量。做好垃圾分类，现阶段切实可行的推广措施是将厨房垃圾、酒店餐饮垃圾分开收集。Location城市城市上海上海杭州杭州广州广州深圳深圳Fukoka日本福冈日本福冈COD(mg/L)1500-80001000-50001400-500015000-60000CODMn:50BOD(mg/L)200-4000400-2500400-20005000-36000TN(mg/L)100-70080-800150-900650-2000SS(mg/L)30-50060-650200-6001000-6000303AmmoniaN(mg/L)60-45050-500160-500400-1500pH5.0-6.56-6.56.5-8.06.2-8.07.3
