溫度對(duì)垃圾滲濾液生化處理過(guò)程中氨氮去除的影響研究

胡 健，陳增豐，馬 壯，王越婷，吳偉祥

（1.浙江傳超環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 311100；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引言

垃圾中轉(zhuǎn)站作為處理生活垃圾的紐帶，在垃圾堆放和壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的滲濾液，而這些滲濾液中含有大量的有機(jī)污染物、氨氮（NH4+-N）、重金屬、懸浮物固體以及其他無(wú)機(jī)化合物[1]，這些污染物如不能被有效地處理將會(huì)嚴(yán)重污染河流、土壤、地下水等，進(jìn)而危害人類健康[2]。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，環(huán)保部門也出臺(tái)了一系列政策對(duì)該類廢水的排放做出了相應(yīng)的要求。該類廢水經(jīng)過(guò)處理之后必須滿足GB/T 319625—2015《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》 或GB 16889—2008《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》才能納入市政排水管網(wǎng)或排入環(huán)境水體[3]。

目前常用的垃圾中轉(zhuǎn)站滲濾液的處理工藝有生化法與膜法組合工藝、生化法與高級(jí)氧化法組合工藝等[4]。NH4+-N 的去除是垃圾滲濾液處理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，而生化法是去除垃圾滲濾液中NH4+-N的核心工藝，常見(jiàn)的生化處理工藝有：A/O（厭氧-好氧）工藝、A2/O（厭氧-缺氧-好氧）工藝、多級(jí)A/O 工藝、“A/O+MBR”等[5]。溫度的變化將直接影響生化處理工藝對(duì)NH4+-N 的去除效果[6]，研究[7-9]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夏季溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，生化系統(tǒng)對(duì)NH4+-N 的去除效果會(huì)變差。關(guān)于溫度對(duì)生化系統(tǒng)的影響，目前大部分研究較多關(guān)注冬季低溫的影響，對(duì)于夏季高溫的影響研究相對(duì)較少。在當(dāng)前全球變暖的趨勢(shì)下，中國(guó)南方城市夏季環(huán)境的平均溫度達(dá)35 ℃以上，再加上曝氣風(fēng)機(jī)的持續(xù)供能和微生物產(chǎn)熱，生化系統(tǒng)內(nèi)部的溫度要遠(yuǎn)高于35 ℃甚至超出40 ℃，此時(shí)污泥活性將受到明顯抑制而影響對(duì)垃圾滲濾液中NH4+-N的去除。

本研究在實(shí)驗(yàn)室條件下探究了溫度對(duì)垃圾滲濾液生化處理過(guò)程中NH4+-N 去除的影響及夏季高溫條件下活性污泥受到損傷的可逆性，獲得了恢復(fù)生化系統(tǒng)NH4+-N 去除性能的方法。同時(shí)，將該方法成功應(yīng)用于杭州市某垃圾中轉(zhuǎn)站滲濾液處理工程生化系統(tǒng)的恢復(fù)，最終順利實(shí)現(xiàn)出水穩(wěn)定達(dá)到GB/T 319625—2015《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》B 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 進(jìn)水水質(zhì)與接種污泥

本試驗(yàn)所用的垃圾滲濾液于夏季取自杭州市某垃圾中轉(zhuǎn)站，該中轉(zhuǎn)站垃圾滲濾液采用“預(yù)處理+ 水解酸化+AO4微氧曝氣+ 均相氧化絮凝”處理工藝。試驗(yàn)進(jìn)水取自水解酸化池，其水質(zhì)特征見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用污泥取自微氧池，并在實(shí)驗(yàn)室35 ℃反應(yīng)器中連續(xù)馴化5 d，直至出水穩(wěn)定。

表1 主要進(jìn)水水質(zhì)特征 mg·L-1

1.2 試驗(yàn)裝置

對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行處理的反應(yīng)裝置流程示意見(jiàn)圖1。每個(gè)反應(yīng)器的有效容積為5.4 L。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)曝氣裝置和控制閥控制溶解氧濃度保持一致，通過(guò)蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水流量保持一致，利用加熱溫控裝置保持各反應(yīng)器處于不同溫度。

圖1 裝置流程示意

1.3 試驗(yàn)方法

為探究溫度對(duì)垃圾滲濾液中NH4+-N 去除的影響規(guī)律，設(shè)置了7 組反應(yīng)器，控制溶解氧（DO）質(zhì)量濃度為0.35～0.60 mg/L，進(jìn)水流量為2.5 mL/min，溫度分別為35，36，37，38，39，40，41 ℃，每隔12 h 取樣測(cè)定出水水質(zhì)，分析溫度對(duì)NH4+-N 去除的影響規(guī)律和機(jī)理。當(dāng)活性污泥受到高溫?fù)p傷后，將溫度降至35 ℃運(yùn)行240 h 以嘗試恢復(fù)污泥活性，并定期取樣測(cè)定出水水質(zhì)，進(jìn)而分析降溫對(duì)污泥活性恢復(fù)的效果。最后，在杭州市某垃圾中轉(zhuǎn)站滲濾液處理項(xiàng)目中，采用降溫、重新接種污泥等方法對(duì)夏季高溫導(dǎo)致出水NH4+-N 濃度超標(biāo)的微氧池進(jìn)行恢復(fù)，并根據(jù)實(shí)際出水中NH4+-N，NO2--N，NO3--N，COD 的濃度變化判斷上述方法的可行性。

1.4 項(xiàng)目檢測(cè)指標(biāo)與方法

本試驗(yàn)主要檢測(cè)水質(zhì)指標(biāo)包括：NH4+-N，NO2--N，NO3--N，COD。檢測(cè)方法根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》，具體檢測(cè)方法及儀器見(jiàn)表2。

表2 檢測(cè)方法及儀器

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)氨氮去除的影響

溫度是影響生化系統(tǒng)中污泥活性的關(guān)鍵因素[10-11]。以往的研究發(fā)現(xiàn)，活性污泥更易在18～35℃的溫度生長(zhǎng)[12]，溫度過(guò)低時(shí)污泥中微生物代謝活動(dòng)減緩，從而導(dǎo)致NH4+-N 等污染物處理效果降低；溫度過(guò)高時(shí)則可能導(dǎo)致在硝化和反硝化過(guò)程中發(fā)揮作用的部分細(xì)菌徹底失活。杭州市夏季的高溫天氣，生化處理設(shè)施內(nèi)部水體溫度經(jīng)常超出35 ℃，因此本論文將著重探究35 ℃以上的高溫環(huán)境對(duì)活性污泥去除NH4+-N 的影響。在溫度為35，36，37，38，39，40，41 ℃條件下，測(cè)得的各反應(yīng)器出水NH4+-N，NO2--N 及NO3--N 質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖2。

圖2 不同溫度條件下反應(yīng)器出水中NH4+-N，NO2--N 及NO3--N 質(zhì)量濃度變化

由圖2（a）可以看出，運(yùn)行溫度＜40 ℃時(shí)反應(yīng)器出水NH4+-N 質(zhì)量濃度為29.21～118.14 mg/L，去除率為85%～96%，且隨溫度的升高而逐漸降低。主要因?yàn)榉磻?yīng)器在DO 質(zhì)量濃度為0.35～0.60 mg/L 的微氧狀態(tài)下存在微生物的同步硝化反硝化作用，實(shí)現(xiàn)了垃圾滲濾液中大部分NH4+-N 的去除。當(dāng)溫度＞35 ℃時(shí)，由于超出了硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌的最適生長(zhǎng)溫度（15～35 ℃），其活性開(kāi)始受到高溫的抑制[13]，且隨著溫度的逐漸升高，高溫的抑制作用逐漸增強(qiáng)，活性污泥對(duì)NH4+-N 的去除能力隨之減弱。此外，高溫環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致活性污泥絮體不易成團(tuán)，部分游離的污泥隨出水流失[14-15]，生化系統(tǒng)的污泥濃度下降，NH4+-N 的去除能力也隨之減弱。運(yùn)行溫度＞40 ℃時(shí)反應(yīng)器出水NH4+-N 質(zhì)量濃度為649.34～735.28 mg/L，NH4+-N 去除率下降至20%以下，這是因?yàn)?0 ℃以上的高溫環(huán)境下，硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌的生物膜結(jié)構(gòu)如蛋白質(zhì)、核酸等受到徹底的破壞[16]，導(dǎo)致活性污泥基本喪失對(duì)NH4+-N 的去除能力。然而，因?yàn)槔鴿B濾液屬于高氨氮、高鹽分、高堿度的廢水，其中少部分以游離氨形式存在的NH4+-N可通過(guò)氨吹脫的方式被去除，且隨著溫度的升高，游離氨與水分子間的氫鍵更易斷裂[17]，從水體中逸出的效率更快。因此，盡管活性污泥的生物脫氮能力喪失，但反應(yīng)器對(duì)垃圾滲濾液中NH4+-N 仍有部分去除作用。

由圖2（b）～（c）可以看出，當(dāng)運(yùn)行溫度＜40 ℃時(shí)反應(yīng)器出水NO2--N 濃度隨溫度的升高有所上升，NO3--N 濃度則小幅下降，這是因?yàn)闇囟仁怯绊懓毖趸?xì)菌（AOB）和亞硝酸氧化菌（NOB）活性的重要因素之一[18]，而AOB 和NOB 對(duì)于溫度的敏感性不同。研究表明，高溫條件下AOB 的最大比生長(zhǎng)速率高于NOB，且隨著溫度的升高NOB 的活性被抑制愈加明顯[19]，反應(yīng)器逐漸以短程硝化為主，造成NO2--N 逐漸積累。運(yùn)行溫度＞40 ℃的反應(yīng)器出水NO2--N 與NO3--N 濃度較進(jìn)水均無(wú)明顯變化，這是由于AOB 和NOB 這2 類菌群在40 ℃以上環(huán)境中均徹底失活，無(wú)法進(jìn)行硝化作用。

2.2 污泥活性恢復(fù)結(jié)果分析

高溫對(duì)污泥活性具有一定的損傷，而這種損傷的可逆性需要進(jìn)一步探究。因此本研究將在35，36，37，38，39，40，41 ℃條件下運(yùn)行了240 h 后的7 組反應(yīng)器降溫至35 ℃，再繼續(xù)運(yùn)行240 h 并檢測(cè)出水水質(zhì)情況，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 降溫并繼續(xù)運(yùn)行240 h 過(guò)程中NH4+-N，NO2--N 及NO3--N 質(zhì)量濃度變化

由圖3 可以看出，降溫至35 ℃后，運(yùn)行溫度＜40 ℃的反應(yīng)器出水NH4+-N 質(zhì)量濃度為25.16～73.01 mg/L，NH4+-N 去除率均恢復(fù)到90 %以上，出水NO2--N 和NO3--N 的濃度也恢復(fù)至升溫前的水平；而運(yùn)行溫度＞40 ℃的反應(yīng)器出水NH4+-N 質(zhì)量濃度為653.67～755.28 mg/L，NH4+-N 去除率未能恢復(fù)至升溫前的水平，仍維持在20%以下，同時(shí)出水NO2--N 和NO3--N 的濃度較進(jìn)水沒(méi)有發(fā)生明顯變化。主要是因?yàn)樵?0 ℃以下的環(huán)境中微生物活性只是受到了高溫的抑制，菌群內(nèi)部的生物結(jié)構(gòu)并沒(méi)有遭到徹底的破壞，屬于可逆性損傷，采取降溫措施即可恢復(fù)活性污泥對(duì)NH4+-N 的去除能力；而對(duì)于在40 ℃以上的高溫環(huán)境下徹底失活的活性污泥，由于微生物自身結(jié)構(gòu)受到破壞，難以自行修復(fù)[20]，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的降溫措施無(wú)法恢復(fù)生化系統(tǒng)的NH4+-N 去除能力。

2.3 項(xiàng)目案例分析

研究所選擇的垃圾滲濾液處理項(xiàng)目案例位于杭州市，設(shè)計(jì)處理水量為30 t/d，采用“預(yù)處理+ 水解酸化+AO4微氧曝氣+ 均相氧化絮凝”非膜法工藝，具體工藝流程見(jiàn)圖4。項(xiàng)目主體生化處理單元工藝參數(shù)如下：總水力停留時(shí)間（HRT）為5 d，生化池污泥質(zhì)量濃度（MLSS）為6 000～8 000 mg/L，四級(jí)微氧池DO 質(zhì)量濃度控制范圍為：1# 微氧池在0.05～0.10 mg/L；2# 微氧池在0.40～0.60 mg/L；3# 微氧池在0.35～0.55 mg/L；4#微氧池在0～0.10 mg/L。

圖4 “預(yù)處理+水解酸化+AO4 微氧曝氣+均相氧化絮凝”非膜法工藝流程

研究記錄了4# 微氧池垃圾滲濾液處理項(xiàng)目30 d 的平均溫度及其出水水質(zhì)變化情況，見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出，在1～11 d 項(xiàng)目運(yùn)行穩(wěn)定，出水NH4+-N均達(dá)標(biāo)，但其整體上呈上升趨勢(shì)。在第12 天，由于杭州市夏季持續(xù)高溫天氣并達(dá)到40 ℃以上，出水NH4+-N 質(zhì)量濃度突增至217.00 mg/L，NO2--N 質(zhì)量濃度幾乎減至0；在第15 天開(kāi)始采取措施逐步降溫至36.4 ℃，但出水NH4+-N 去除效果并沒(méi)有得到提高，質(zhì)量濃度最高至454.50 mg/L 左右，NO2--N 質(zhì)量濃度僅為0.50 mg/L 左右；在第24 天，對(duì)微氧池重新接種部分污泥，并保持水體溫度在36 ℃左右，隨后檢測(cè)出水NH4+-N 質(zhì)量濃度下降至14.14 mg/L，NO2--N質(zhì)量濃度增至141.70 mg/L，污泥活性得到明顯改善。在第12 天出水NH4+-N 濃度急劇增長(zhǎng)，這是由于前4 d 的污水池溫度已達(dá)40 ℃以上，微氧池的污泥徹底失去活性。在12～23 d，盡管采取了降溫措施，但出水NH4+-N 濃度仍維持較高水平，這說(shuō)明單純的降低溫度并不能有效恢復(fù)污泥的活性。對(duì)此，借鑒以往的研究[21]，于第24 天在微氧池重新接種部分污泥，重新接種污泥后，NH4+-N 濃度顯著下降并穩(wěn)定保持在較低水平，同時(shí)NO2--N 濃度也隨之增長(zhǎng)，說(shuō)明此時(shí)微氧池內(nèi)污泥活性較強(qiáng)，對(duì)NH4+-N 的去除能力逐漸得到恢復(fù)。

圖5 垃圾滲濾液項(xiàng)目30 d NH4+-N，NO2--N 和COD 的質(zhì)量濃度變化

項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)4#微氧池出水的COD 濃度也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，由圖5 可以看出，在1～14 d，當(dāng)水體溫度從37.2 ℃逐漸升高至41.5 ℃，COD 質(zhì)量濃度隨溫度的升高逐漸增加至775 mg/L，COD 降解效果顯著下降；15～23 d 雖然水體溫度由38.8 ℃逐漸下降至36.4 ℃，但是COD 質(zhì)量濃度并沒(méi)有表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且最高增長(zhǎng)至1 232 mg/L；第24 天重新接種部分污泥后，COD 質(zhì)量濃度急劇下降，第30 天下降至257 mg/L。

項(xiàng)目案例運(yùn)行結(jié)果進(jìn)一步表明，生化污泥在40 ℃以上的高溫環(huán)境下會(huì)迅速失去活性，但不會(huì)立即顯著地從出水NH4+-N 濃度變化中表現(xiàn)出來(lái)。采用簡(jiǎn)單的降溫措施并不能有效恢復(fù)活性污泥對(duì)NH4+-N和COD 的去除能力，通過(guò)重新接種污泥可快速恢復(fù)生化系統(tǒng)對(duì)NH4+-N 和COD 的去除能力。

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)夏季高溫會(huì)導(dǎo)致生化污泥活性受損，且受損程度隨溫度的升高而愈加嚴(yán)重，并導(dǎo)致NH4+-N 的去除效果下降。當(dāng)生化系統(tǒng)溫度升高但沒(méi)有超過(guò)40 ℃時(shí)，應(yīng)迅速采取降溫措施來(lái)避免生化污泥活性受到抑制；當(dāng)水體溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，生化污泥徹底失活，生化系統(tǒng)對(duì)NH4+-N 的去除率降至20%以下，此時(shí)需立即重新接種污泥或投加菌種來(lái)實(shí)現(xiàn)生化系統(tǒng)的恢復(fù)。因此，在垃圾滲濾液處理工程項(xiàng)目的運(yùn)行管理中，應(yīng)通過(guò)設(shè)置冷卻塔等必要措施避免生化污泥處于40 ℃以上的高溫環(huán)境中，從而保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到GB/T 319625—2015 《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》B 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。