（环境工程专业论文）真空抽吸法脱除垃圾渗滤液中氨氮的研究.pdf

中文摘要 垃圾渗滤液是一种成份复杂，处理难度极大的高浓度有机废水。对于垃圾渗 滤波而言，生物处理方法是目前一种应用广泛的而且成本较低廉的处理方法。 但是，由于垃圾渗滤液中存在着高浓度的n i - 1 3 - n ，而高浓度的n h 3 - n 会严重抑 制微生物的生化作用从而降低生物处理的效率。因此在对垃圾渗滤液进行生物 处理之前，脱除其中的高浓度n h 3 - n 是保证和提高生物处理效果的先决条件。 而在众多的垃圾渗滤液脱氮方法中，目前应用最广泛成本最低廉的是空气氨吹 脱法。但是由于氨吹脱法必须首先加大量药剂将渗滤液p h 调至1 l 以上方可实 行，同时在吹脱过程中设备易于结垢，因此限制了该法的应用。 本研究采用一种全新思路，构建一种垃圾渗滤液的真空负压抽吸脱氮法及其 系统设备，咀期确立一种比氨吹脱法更加高效和廉价的从垃圾渗滤液中脱除高 浓度n i - 1 3 - n 的方法，并且考虑脱除n h 3 - n 的回收及资源化利用。 经过一系列实验和研究，证实了真空脱氮法的可行性、可靠性和优越性，同 时总结出真空法脱除垃圾渗滤液中n h 3 - n 的规律及最佳工艺条件。 本实验研究取得的成果有： ( 1 ) 开创了一种新的脱除垃圾渗滤液中高浓度氨氮的方法和技术； ( 2 ) 自行研制了一整套真空抽吸脱除垃圾渗滤液中氨氮的装置，为技术的可行 性提供了保障； ( 3 ) 由实验研究证实了该技术为一种绿色环保技术，因为它克服了氨吹脱法的 固有缺点，并且将脱除n h 3 - n 转化为可供资源化利用的纯净氨水。 本研究具体得到了如下重要结论： ( i ) 采用真空抽吸法脱除垃圾渗滤液中的高浓度氨氮不仅是可行的，而且是高 效的； ( 2 ) 最佳的真空抽吸脱氮真空度为2 0 0 3 0 0 m m h g ，最佳停留时间为07 5 l h ， 实验获得的最大脱氮率可达9 5 以上，在采用简单将脱出氨通入水中吸收的方 式下，最大吸收率为7 23 4 ： ( 3 ) 所获得的氨水溶液可以直接作为植物的叶面肥旖用，也可进步提纯浓缩 作为化工化肥工业的原料。 ( 4 ) 真空抽吸脱氮法可以完全取代目前的氨吹脱法而成为垃圾渗滤液生物处理 之前的优秀的绿色脱氮预处理技术。 ( 5 ) 真空抽吸脱氮技术不仅可应用于垃圾渗滤液的脱氮，而且可应用作某些含 高浓度n h 3 一n 的工业废水的脱氮技术。 关键词：真空负压；脱除；垃圾渗滤液；氨氮 a b s t r a c t l a n d f i l ll e a c h a t ei sak i n do fh i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t e w a t e rw h i c h c o n t a i n sl o t so fc o m p o n e n t sa n di sd i s p o s e dd i f f i c u l t l y f o rl a n d f i l ll e a c h a t e ，b i o l o g i c m e t h o di sa w a yt h a ta p p l i e sf a ra n dw i d ea n dt h ec o s ti sl o w e ra m o n gt h ew a y so f t r e a t m e n t h o w e v e r , d u i n gt oh i g hc o n c e n t r a t i o no fn h 3 一ne x i s t e di nl e a c h a t e ，h i g h c o n c e n t r a t i o no fn h 3 - nw i l l s e r i o u s l y r e s t r a i nt h eb i o c h e m i c a le f f e c to f m i c r o b i o l o g y a n d d e p r e s se f f i c i e n c y o fb i o l o g i ct r e a t m e n t s ob e f o r e b i o l o g i c t r e a t m e n tt ol a n d f i l ll e a c h a t e ，r e m o v i n gh i g hc o n c e n t r a t i o no fn h 3 - ni ni ti st h e p r e d e t e r m i n a t i v ec o n d i t i o nw h i c hg u a r a n t e e sa n de n h a n c e st h eb i o l o g i ct r e a t m e n t e f f e c t a m o n gm u l t i t u d i n o u sw a y so fr e m o v i n gn i t r o g e nm e t h o do fl a n d f i l ll e a c h a t e ， t h em e t h o dt h a ti sm o s te x t e n s i v ea p p l i c a t i o na n dt h ec o s ti sl o w e s ti st h ea i r a m m o n i as t r i p p e rm e t h o d b u ts i n c ei t s n e c e s s a r yf o rt h i s m e t h o dt oa d d m u l t i t u d i n o u sm e d i c a m e n ti nt h el a n d f i l ll e a c h a t et oa d j u s tp ht ol la b o v ef i r s t ，a tt h e s a m et i m e ，t h ef a c i l i t yi se a s i l yd i r t i e di nt h ep r o c e s so f s t r i p p i n g ，t h ea p p l i c a t i o no f i t i sl i m i t e d a a b s o l u t e l yn e wt h o u g h ti sa d o p t e da sa n dam e t h o di sc o n c e i v e dt or e m o v e n i t r o g e ni nl a n d f i l ll e a c h a t eb yn e g a t i v ev a c u u mp u m p i n ga n ds y s t e m i cf a c i l i t yi nt h i s r e s e a r c hs ot h a ti t i se x p e c t e dt oe s t a b l i s ham e t h o dw h o s ee f f i c i e n c yi sh i g h e ra n d c o s ti sl o w e rt h a na m m o n i as t r i p p e rr e m o v i n gh i g hc o n c e n t r a t i o nn h 3 一nf r o mt h e l a n d f i l ll e a c h a t ea n dc o n s i d e rt h er e c y c l eo fr e m o v e dn i - 1 3 一na n dt h er e u s eo f r e s o u r c e w ec o n f i r mt h ef e a s i b l e ，t h er e l i a b i l i t ya n dt h es u p e r i o r i t yo f r e m o v i n gn i t r o g e n b yv a c u u mp u m p i n g ，a tt h es a m et i m e ，w es u m m a r i z et h er u l ea n dt h eo p t i m a l t e c h n i c a lc o n d i t i o no fr e m o v i n gn i - i a - ni nt h el a n d f i l ll e a c h a t eb yv a c u u mp u m p i n g b yas e r i e so fe x p e r i m e n ta n dr e s e a r c h t h ec o n c l u s i o no f t h i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sb e l o w ： ( 1 ) an e wm e t h o da n dt e c h n i q u eo fr e m o v i n gh i g hc o n c e n t r a t i o nn h 3 - ni nl a n d f i l l l e a c h a t ei si n i t i a t e d ( 2 ) w ed e v e l o pas u i to fd e v i c er e m o v i n gn i l 3 - ni nt h el a n d f i l ll e a c h a t eb yv a c u u m p u m p i n gi n d e p e n d e n t l y ，s op r o v i d et h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t yw i t hg u a r a n t e e ( 3 ) i t sp r o v e dt h a tt h i st e c h n i q u ei s ag r e e na n de n v i r o n m e n t a lt e c h n i q u et h r o u g ho u r r e s e a r c h ，b e c a u s ei to v e r c o m e st h ei n t r i n s i cd i s a d v a n t a g eo fa m m o n i as t r i p p e ra n d t u r n sn h 3 ni n t op u r ea m m o n i as o l u t i o nw h i c hi sr e c y c l e di n t on e wr e s o u r c e i nt h i sr e s e a r c h ，i t sc o n c r e t e l yo b t a i n e di m p o r t a n tc o n c l u s i o n sb e l o w ： ( 1 ) i t sn o to n l yf e a s i b l eb u ta l s oh i g he f f i c i e n tt or e m o v eh i g hc o n c e n t r a t i o nn h 3 - ni n l a n d f i l ll e a c h a t eb ya d o p t i n ga sv a c u u mp u m p i n g ( 2 ) t h eo p t i m a lv a c u u mo fr e m o v i n gn i t r o g e nb yv a c u u mp u m p i n gi s 2 0 0 3 0 0 m m h g a n dt h eo p t i m a lr e t e n t i o nt i m ei so 7 5 l ht h em a x i m a lr a t eo f r e m o v i n g n r r o g e ni su pt o9 5 i nt h i se x p e r i m e n t ，a n dt h em a x i m a la b s o r p t i v i t yi s7 2 3 4 b y s i m p l yp u t t i n gn i - - 1 3t h a ti sr e m o v e d i n t ot h ew a t e ra n da b s o r b i n gi t ( 3 ) t h eo b t a i n e da m m o n i as o l u t i o nc a nb ed i r e c t l yu s e da sl e a ff e r t i l i z e rf o rp l a n t ，a n d i t sa l s oc a l lb eu l t e r i o r l yp u r i f i e da n dc o n c e n t r a t e da st h em a t e r i a l si nc h e m i c a l f e r t i l i z e ri n d u s t r y ( 4 ) t h em e t h o do fr e m o v i n gn n r o g e nb yv a c u u mp u m p i n gc a na b s o l u t e l yr e p l a c e a m m o n i as t r i p p e ra tp r e s e n ta n db e c o m eae x c e l l e n ta n dg r e e np r e t r e a t m e n tt e c h n i q u e o f r e m o v i n gn i t r o g e nb e f o r eb i o l o g i ct r e a t m e n tf o rl a n d f i l ll e a c h a t e ( 5 ) t h et e c h n i q u eo fr e m o v i n gn i t r o g e nb yv a c u u mp u m p i n gi s n o to n l ya p p l i e di n l a n d f i l ll e a c h a t eb u ta l s oi na n yi n d u s t r i a lw a s t e w a t e rw h i c hc o n t a i n s h i g h c o n c e n t r a t i o nn h 3 - n k e yw o r d s ：n e g a t i v ev a c u u m ，r e m o v e ，l a n d f i l ll e a c h a t e ，a m m o n i a n r r o g e n 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 i j 萨8 6 1 28 0 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：萱熏望日期兰塑丝缝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：莒圣垮导师签 注：请将此声明装订在论文的 日期兰竺笸：垒二，r 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 含氨氮废水的来源及危害 氨氮存在于许多工业废水中，浓度千变万化。城市生活污水和垃圾渗滤液 中都含有氨氮，有的城市的生活污水氨氮的含量还很高，表卜1 列出了我国几 大城市垃圾渗滤液中氨氮的水质情况f 1 1 。 表卜1 我国几大城市垃圾渗滤液中氨氮的水质情况 随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，含氮化合物的排放量急剧增加， 己成环境的主要污染源。氨态氮是水环境中氨的主要形态，是水体富营养化和 环境污染的一种重要污染物质。含有较高浓度氨氮的废水，进入水体后会引起 水体缺氧，对鱼类等水生动物构成毒害。此外，氨氮的存在给水处理和水体修 复带来了困难，这主要是因为氨氮会对生物处理构成抑制作用。 遍布全世界各城镇的垃圾填埋场渗滤液产生着大量的高浓度n h ，- n 和大量 的其它有毒有害物质，如不加以处理直接排放，则会成为重要的污染源而直接 造成地面水体和地下水体的严重污染。目前，能对垃圾渗滤液进行大规模廉价 处理的方法依然是生物方法，而垃圾渗滤液中的高浓度n h 3 - n 则严重抑制微生物 的生长繁殖，从而使生物处理方法难以高效发挥。 赵庆良【2 i 研究了垃圾渗滤液中氨氨对微生物活性的抑制作用。当垃圾渗滤液 氨氮浓度分别控制在5 0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 和8 0 0 m g l ，活性污泥微生物脱氢酶活 性分别为9 2 9 、8 8 0 、8 7 1 、7 1 2 和4 9 3 ug t f m g m l s s 。这表明，垃圾渗滤液 中的氨氮对微生物具有抑制作用，且浓度约高，抑制作用越强。该研究充分说 明了垃圾渗滤液中高浓度n h 3 - n 的危害和在生物处理之前进行脱氮的必要性。 武汉理工大学1 瓯士学位论文 1 2 目前国内外含氨氮废水的处理方法 废水中氨氮的去除有很多种方法。物理方法有反渗透法、电渗析法、蒸馏 法等；化学方法有空气吹脱法、离子交换法、折点氯化法、电化学处理法等； 生物方法有硝化一反硝化等。对于给定的废水，氨氮处理技术的选择主要取决于： 水的性质；要求达到的处理效果：经济性。此外，处理后最后出水的最 终处置，也是必须考虑的因素之一。虽然许多方法都能有效的去除氨氮，但是 目前只有少数几种能真正的应用于氨氮废水的处理。因为它们必须同时具有应 用方便、处理稳定可靠、适合于废水水质波动及较为经济等优点。 氨氮处理技术的选择还与氨氮的浓度密切相关。根据氨氮浓度的不同，废 水可划分为三类p i ：高浓度，氨氮浓度大于5 0 0 m g n h 3 n l ；中浓度，5 0 5 0 0 m g n h 3 一n l ；低浓度，小于5 0 m g n h 3 - n l 。另外，用生物法处理废水时， 有机碳的相对浓度是应该考虑的重要因素。维持最佳碳氮比( c ：n ) 是生物处 理法成功与否的关键之一。若该比例过低( 含碳量相对较少) ，会导致氨的挥 发；若该比例过高( 碳含量相对较高) ，则废水中有机碳的生物处理将不稳定， 还需补充适量的氨。若废水性质不宜直接进行生物处理，则采用物化法或物化一 生物联合法达到排放要求较为经济。下面是一些处理氨氮废水方法的介绍。 1 2 1 生物脱氮方法 1211 传统生物脱氮方法 传统生物脱氮的原理是：首先在好氧条件下，通过好氧硝化细菌作用，将 废水中的n h ，- n 转化为亚硝酸盐或硝酸盐，然后在缺氧条件下，利用反硝化细 菌( 脱氮菌) ，将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从废水中逸出。硝化过程以c 0 2 、 c o ，2 、h c 0 3 等作为碳源，以氧作为电子受体。其反应过程可以用下式表示： 亚硝化反应：n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 一一n 0 2 十h 2 0 + i - 1 2 c 0 3 + 亚硝酸菌( 1 - 1 ) 硝化反应：n 0 2 + n h 4 + + h 2 c 0 3 + h c 0 3 + 0 2 一n 0 3 + h 2 0 + 硝酸菌( 1 2 ) 总反应：n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 一n 0 3 一+ h ：o + h 2 c 0 3 + 微生物细胞( 1 - 3 ) 反硝化过程以有机碳源作为电子供体，利用n 0 3 中的氧进行缺氧呼吸。从 n 0 3 还原为n 2 的过程经历了一系列连续的4 步反应过程，见图l l ： 2 武汉理工大学硕士学位论文 n 0 3 图i 一】反硝化脱氮不意图 整个反应方程式可简单表示如下： 5 n h 4 + + 3 n 0 3 一4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 盯( i - 4 ) 传统生物脱氮法虽可以除去多种含氮化合物，易于大规模工业应用，且价格低 廉，二次污染小，无论是现在还是将来都有着广泛的应用。但是它的处理设施 占地面积大而且难于处理高浓度n h 3 - n 废水。因此，若要应用生物方法脱氮，就 必须事先将废水中的高浓度n h 3 - n 脱除。 生物方法脱氮除了传统的生物脱氮理论，近些年提出了很多生物脱氮的新 理论。这些新理论包括：短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化等。 这些新理论技术具有需氧量低、能耗低、负荷高、对碳源碱度需求低等优点。 下面简要介绍之。 1 2 ，i 2 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 又称亚硝酸 硝化反硝化，其基本原理【4 】是，在同一个反应器内先在有氧条件下，利用氨氧化 细菌将n h 3 一n 控制在亚硝化阶段，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将 亚硝酸盐反硝化，生成氮气，其反应式为： n h 4 + + l5 0 2 一n 0 2 斗2 h 十h 2 0( 1 5 ) n 0 2 + 3 h 】+ r o5 n 2 + h 2 0( 1 6 ) 在研究中发现，在控制温度、p h 值、溶解氧、水力负荷等条件下，可以使氨 氮的去除通过亚硝酸硝化反硝化途径完成。 周少奇、方汉平从计量学关系式的角度得出：将一定量的n h 4 + 硝化成n o ，一 比硝化成n 0 2 需要更多的氧，而将一定量的硝基氮反硝化成n 2 需要的碳源比反 硝化同量的亚硝基氮需要的碳源多4 0 以上。所以，短程硝化反硝化工艺和传统 硝化反硝化工艺相比具有如下优点：( 1 ) 节约2 5 的硝化曝气量i ( 2 ) 反硝化阶段 节省4 0 的碳源；( 3 ) 减小3 0 5 0 反硝化反应器容积；( 4 ) 具有较高的反硝化速 武汉理工大学硕士学位论文 率：( 5 ) 污泥产量降低等。所以短程硝化反硝化对垃圾渗滤液的脱氮处理具有非 常重要的意义。 短程硝化反硝化工艺中，如何把氨氧化控制在n 0 2 - 并维持较高的n 0 2 浓度 是关键，目前对影响n 0 2 - 积累的因素普遍认为是温度、p h 值、溶解氧( d o ) 、自由 羟氨( n h 2 0 h ) 以及水力负荷、污泥龄等。但目前对n 0 2 。积累的理论解释并不充 分，有待进步研究。基于上述原因，短程硝化反硝化的成功案例还不多见。 d o n g e n e 等利用s h a r o n i 艺处理氨氮浓度为i 0 0 0 1 5 0 0 m g l 的废水，在水力停留 时间( h r t ) 为l d 的情况下，有5 3 的氨氮转化为亚硝酸盐，并且稳定运行超过两 年，是目前报道中效果最好的短程硝化反硝化实验。s h a r o n _ t _ 艺是在有一定碱度 的条件下，让5 0 的氨氨氧化为亚硝酸盐，剩余5 0 的氨氮。 1 2 1 3 同步硝化反硝化 近年来，随着好氧反硝化菌和异氧硝化菌的发现，突破了硝化和反硝化反应 不能同时发生的传统观点。对好氧反硝化、异氧硝化和自氧反硝化的研究表明： 当好氧和缺氧环境在同一个反应器中同时存在时，只要控制好硝化和反硝化的 反应动力学平衡，就可以使硝化和反硝化在同一个反应器中进行，这一过程称为 同步硝化反硝化( s n d ) 。s n d 工艺和传统生物脱氮工艺相比具有节省反应器体积、 缩短反应时间和不需要酸碱中和等优点，适合低c o d n f l + - n 的垃圾渗滤液脱氮 处理。利用s n d 3 2 艺，通过控制供氧量和调控营养配比，使垃圾渗滤液的高浓度氨 氮经过n 0 2 途径同步硝化反硝化，达到高效、经济的除氮效果。研究表明，同步 硝化反硝化不仅可以发生在生物膜反应器如流化床、生物滤池、生物转盘中也 可以发生在活性污泥系统如曝气池、氧化沟中。p a u l 等人利用厌氧滤池和r b c 对 氨氮浓度高达2 1 4 0 m g l 的垃圾渗滤液，在r b c 的氨氮负荷为1 5 3 o e j ( m 2 d 1 的 条件下，氨去除率高达8 0 9 0 。反应器中碱度消耗和c 去除的情况说明氨氮 去除是通过同步硝化反硝化的途径。周少奇等人以我国香港粉岭垃圾填埋场渗 滤液为研究对象，在历时5 0 天活性污泥驯化后，反应器系统中达到同步硝化反硝 化动力学平衡状态，并在之后的4 5 天里，基本保持稳定状态。 1 2 1 4 厌氯氯氧化 厌氧氨氧化( a n a m m o x ，a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ) 是近年来发现的氨 氮的厌氧生物氧化现象，即在厌氧环境中，微生物直接以n h 4 + 为电子供体，以 4 武汉理工大学硕士学位论文 n o r 或n 0 2 - 为电子受体，将n 地+ 氧化为n 2 ，将n o r 或n 0 2 - 直接还原为n 2 的生物氧 化过程。 厌氧氨氧化的反应方程式可以推测为： 5 n h a + + 3 n 0 3 一4 n 2 十9 h 2 0 + 2 w ( 卜7 ) n h 4 + + n 0 2 1 一n 2 + 2 h 2 0 ( 卜8 ) 从理论上讲，氨作为反硝化的无机物电子供体，其反应自由能几乎与好氧反 硝化一样有利，反应( 卜7 ) 是个产能反应，可以提供微生物生长所需的能量。 g r a f f 等人( 1 9 9 5 年) 证明了这一反应是一个生物化学反应： 在缺氧的条件下，氨氧化菌可以利用n 1 4 + 作电子供体将n o ；或n 0 2 - 还原， n h 2 0 h 、n h 2 n h 2 、n o 和n 2 0 等是重要的中间产物。厌氧氨氧化的途径目前推 测有3 种：( 1 ) 羟氨( n h 2 0 h 0 和n 0 2 生成n 2 0 的反应，而n 2 0 可以进一步转化为氮气， 氨被氧化为羟氨；( 2 ) 氨和羟氨反应生成联氨( n h 2 n h 2 ) ，联氨被转化为氮气并生 成4 个还原性 h ，还原性 h 加入亚硝酸还原系统生成羟氨；( 3 ) 一方面n 0 2 设还 原为n o ，n o 继续还原为n 2 0 ，n 2 0 最终被还原为氮气：另一方面，n h 4 + 被氧化为 n h 2 0 h 、n h 2 0 h 经n h 2 n h 2 、n 2 h 2 被转化为氮气。与其它的生物脱氮工艺相比， 厌氧氨氧化有如下突出优点：( 1 ) 耗氧量下降6 2 5 ，所以可以大幅度降低硝化反 应的充氧能耗：( 2 ) 无需外加碳源作电子供体，节约处理成本；( 3 ) 由于厌氧氨氧 化是一个厌氧过程，其反应物和产物均为中性，可以节约大量的中和试剂，既节 约费用，又降低了二次污染。鉴于此，厌氧氨氧化及其工艺具有十分重要的研究 价值和开发前景，国内外的许多学者在这方面进行了深入的研究。m a v i n i cd s 等人的研究表明，在外加碳源的条件下，采用前置反硝化的m l e 工艺处理高氨氮 渗滤液( 氨氮浓度最高达1 2 0 0 m g n l ) 时，试验取得了较好的结果，并在研究中提 出了厌氧氨氧化去除氨氮的概念。s t r o u s 等人研究了不同反应器中厌氧氨氧化 的情况，实验证明固定床和流化床反应器都适合厌氧氮氧化的进行。经过1 5 0 天 的实验，在固定床和流化床反应器中，n h 4 + 的去除率分别为8 8 $ h 8 4 ，n 0 2 的去 除率均达到了9 9 。d o n g e n e 等人利用s h a r o n - a n a m m o x 工艺处理高氨氮浓度 ( 1 0 0 0 1 5 0 0 m g l ) 废水，经过两年连续运行，s b r 反应器中超过8 0 的n h 4 + - h i 转化 为氮气。s h a r o n - a n a m m o x 工艺即使和节能的短程硝化反硝化相比，也可减少5 0 的供氧量，还无需外加碳源。郑平等人( 1 9 9 8 年，2 0 0 0 年，2 0 0 1 年) 也对厌氧氨氧化 的电子受体、污泥生物硝化性状、流化床反应器性能、厌氧氨氧化菌代谢特性 和厌氧氨氧化菌混培物生长及代谢动力学等进行了研究，s i e g r i s t 等人利用s b r 武汉理工大学硕士学位论文 处理高氨氮浓度的垃圾渗滤液，获得了较高的氨氮去除率，并分析了氨氮去除的 。r irh 。机理，得出垃圾渗滤液中氨氮有高达7 0 是通过厌氧氨氧化途径去除的。 新近出现的短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厌氧氨氧化工艺为垃圾渗 滤液的生物脱氮提供了新的思路，使垃圾渗滤液的高效低成本的生物脱氮成为 可能。特别是厌氧氨氧化，具有处理成本低，能处理的氨氮浓度高等优点，日益受 到了人们的关注，研究垃圾渗滤液的厌氧氨氧化工艺，将是解决垃圾填埋场二次 污染的可能途径之。传统硝化反硝化、短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和 厌氧氨氧化的比较见表卜2 。 表1 2 几种生物脱氮方法的比较 1 2 2 物理化学法 12 21 吹脱法 吹脱法是将废水中的离子态铵，通过调节p h 值转化为分子态氨，随后被通 入废水的空气或蒸汽吹出。垃圾渗滤液中的氨氮，一般以铵离子( n h 4 + ) 和游离氨 ( n i l ，) 的形式存在，并在水中保持如下电离平衡： n h 4 + + o h n h 3 + h 2 0( 卜9 ) 这个平衡受p h 值影响。当p h 值升高时，平衡向右移动，游离氨增高；p h 值降低时， 平衡向左移动，铵离子增高。当水的p h 值升高到l l 左右时，水中的氨氮几乎全部 武汉理工大学硕士学位论文 以n h ，的形式存在。若加以搅拌、曝气等作用可促使氨从水中向大气中转移。提 高p h 值，能够促使上式反应进行。但p h 值过高，后续生化处理不能承受。因此， 应该通过强化气一液传质来提高吹脱率，而避免处理后的渗滤液p h 值过高以及 减少化学碱物质的添加。若通入蒸汽则会升高废水的温度，也提高了一定p h 值 时被吹脱的分子态氨的比率。低浓度氨氮废水常在室温下用空气吹脱，而高浓 度氨氮废水则常用蒸汽进行吹脱。影响蒸汽吹脱效率的因素有：蒸汽吹脱装 置的合理设计；废水流量的控制；足量的蒸汽；p h i l ；吹脱温度 9 3 3 。c ；足够的气液分离空间；适宜的氮冷凝系统。 吹脱处理可回收到浓度达3 0 以上的氨水。石灰一般用来提高p h 值。用蒸汽 比用空气更易控制结垢现象，若用烧碱则可大大减轻结垢的程度。蒸汽吹脱工 艺成本中，产生蒸汽所需费用所占的比例最高。 吹脱法一般采用吹脱池和吹脱塔两类设备。吹脱池占地面积大，而且易污 染周围环境，所以有毒气体的吹脱都采用塔式设备。填料吹脱塔的主要特征是 在塔内装置一定高度的填料层，利用大表面的填料来达到气水充分接触，以利 于气水间的传质过程。常用的填料有拉西环、聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心 球等。废水被提升到填料塔塔顶，并分布到填料的整个表面，水通过填料往下 流，与气流逆向流动，废水在离开塔前，氨组分被部分气提。对于高浓度氨废 水的处理，运行成本很高。大规模的氨吹脱、气提塔中，生成水垢是一个严重 的操作问题。 吹脱法是工程应用最为广泛的方法，具有简单、高效、投资省、易操作等 优点。但它也存在着不足，比如填料易堵塞，会生成水垢，处理不易，运行成 本很高，需要加碱调节p h 值，还会产生二次污染。 12 22 离子交换法 离子交换法是将中等酸性废水，通过弱酸性阳离子交换柱，n h 4 + 被截留在 树脂上，同时生成游离态h 2 s ，从而达到去除氨氮的目的。由于h 2 s 不被吸附， 所以很容易被洗脱，饱和的阳离子交换树脂可用无机酸溶液再生。对于低浓度 氨氮废水，例如浓度约为i 0 5 0m g l 的废水，离子交换法脱除氨氮的效率可达 9 3 9 7 。操作温度变化和毒性化合物对氨氮的去除效率影响较小。该法的缺点 是离子交换树脂用量较大，再生频繁，废水先要进行预处理以去除悬浮物；因 此处理成本较高。 武汉理工大学硕士学位论文 天然沸石是一种骨架状的铝硅酸盐，与合成沸石分子筛一样，能够选择性 的吸附气体，并在水溶液中具有离子交换能力，对去除工业废水中的氨氮有较 好的效果。 斜发沸石可作为低至中等浓度废水选择性去除氨的离子交换介质。斜发沸 石对n h 4 + 具有很高的选择性。当p h 值增加时，n h 4 + 离子交换性能变差，p h 为 4 8 是斜发沸石离子交换的最佳酸度。当p h 4 时，h + 与n h 4 + 发生竞争吸附； p h ) 8 时，n i - h + 转化为n h 3 而失去离子交换能力。用钠或钙可以使斜发沸石再生。 离子交换法的一般处理流程为：先用物化法或生物法去除废水中大量的悬 浮物和有机碳，然后使废水流经交换柱。当交换柱饱和或出水中氨氮过高，需 停止操作并用无机酸对交换柱进行再生，再生废液中的氨通常在中性或碱性条 件下用空气或蒸汽吹脱。 12 2 ，3 折点氯化法 折点氯化法是将氯气通入废水中达到某一点，在该点时水中游离氯含量最 低，而氨的浓度降为零。当氯气通入量超过该点时，水中的游离氯就会增多， 因此该点称为折点。该状态下的氯化称为折点氯化。折点氯化法除氨的机理为 氯气与氨气反应生成了无害的氮气。 n h 3 + h c i o n h 2 c l + h 2 0( 卜l o ) n b + 2 h c l o n h c l 2 + 2 h 2 0 ( 卜1 1 ) n h 3 + 3 h c l o n h c b + 3 h 2 0( 1 - 1 2 ) n h 2 c l 士n h c l 2 + h c l o n 2 0 + 4 h c l( 卜1 3 ) 2 n h 2 c i + h c i o n 2 + 3 h c i + h 2 0( 卜1 4 ) 当水中存在氨和胺时，加氯量必须控制在折点之后，才能保证水中胺和氨被全 部氧化分解。折点氯化法最突出的优点，是通过正确控制加氯量和对流量进行 均化，可使废水中的全部氨氮降为零，缺点是处理成本较高。因此，常将其作 为深度脱氮处理。处理所需的实际氯气量，取决于温度、p h 值及氨氦浓度。氧 化每毫克氨氮一般需要6 1 0 m g 的氯气。 虽然氯化法反应迅速，处理效果稳定，不受水温影响，所需设备投资少，但 副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染，液氯的安全使用和贮存要求较严， 处理成本较高，一般用于给水处理，不适合处理大水量高浓度氨氮废水。 武汉理工大学硕士学位论文 1224 沉淀法 化学沉淀法是在含n i - h + 的废水中，投加m 矿+ 和p 0 43 。使之与n i l + 生成难溶 复盐m g n h , p 0 46 h 2 0 ( 简称m a p ) 结晶，通过沉淀，使m a p 从废水中分离出 来。沉淀产m a p 可用作肥料。 化学沉淀法最好使用m g o 和h 3 p 0 4 ，这样不但可以避免带入其它的有害离 子，m g o 还可以起到中和h + 的作用，节约碱的用量。经化学沉淀处理后，废水 中氨氮和磷酸根残留浓度还是比较高的。处理时，若p h 值过高，容易造成部分 n h 3 的挥发。建议缩短沉淀时间，适当降低p h 值，以减少n h 3 的挥发。该法适 宜的p h 为9 1 1 ，p h 过低过高皆对反应不利。使用化学沉淀法除氮，是p h 控制需用药剂调整精确，二是只能处理氨氮浓度 4 6 时才有可能实现完全的生物脱氮。本实验研究期间，b o d 5 c o d c r 0 3 ， b o d 5 t k n 为0 3 0 7 远小于4 ，这说明了为什么出水中还含有高浓度氧化态氨。 用回流式两级s b r 活性炭吸附一混凝工艺处理高浓度氨氮、低碳氮比的垃 圾渗滤液，粉末活性炭和铝盐投加量分别为l ( w v ) 和0 4 ( w v ) ，吸附时间 为1 0 0 m i n ，总的水力停留时间为8 2 h ，c o d c ，的去除率可以稳定在9 0 口a _ k ，氨氮 去除率可以达n 9 5 以上，出水中氮的主要形态为n 0 2 l 出水c o d c ， 3 0 0 m g l 、 氨氮 2 0 m g l 、色度 2 0 倍。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 北京j 1 = = 业大学的李军p 埘深圳市垃圾渗滤液进行了中试研究。 深圳市垃圾渗滤液含有高浓度c o d 、b o d 5 和氨氮，其适宜的处理工艺为：原生 渗滤液一复合式厌氧反应器一碱化吹脱塔一a 0 淹没式生物膜曝气池一混凝沉 淀一出水。 复合厌氧反应器的水力停留时间为2 0 d 、容积负荷为9 5 k g c o d ( m 3 - d ) 、水 温为3 4 。c 时，其对c o d 的去除率为8 3 3 、b o d 5 去除率为8 8 4 ：在p h 为9 1 、h r t 为5 h 、水循环比为2 5 ：l 、气水比为2 8 0 ：l 时，碱化吹脱塔对氨氦去除率为6 7 ，8 、 c o d 去除率为1 9 7 ，吹脱后出水c n 从4 上升到8 ，有利于a o 池脱氮；a o 淹没式 生物膜曝气池适宜的h r t 为2 2 1 h ( 其中厌氧段为6 5 h 、好氧段为1 5 6 h ) 、混合液 回流比为3 ，在该工艺参数下c o d 去除率为7 1 7 、氨氮去除率为9 0 8 ：a o 池出 水经同步化学沉淀，可使最终出水达到排入当地城市下水道标准( c o d f 0 0 m g l 、 氨氮 9 0 。垃圾渗 滤液取自香港某垃圾填埋场( 启用至今已有l o 年) ，渗滤液随着填埋时间的延长， 有机物浓度有所降低( c o d 为4 0 0 0 4 5 0 0 m g l ) ，但氨氮浓度高达1 4 0 0 m g l 左右， p h = 7 8 9 0 ，呈黄褐色。 吹脱预处理采用鼓风曝气方式吹脱废水中的氨氮。生化系统采用a 0 2 工艺， 即氨氮主要在好氧池硝化，然后再回流到缺氧池进行反硝化。缺氧池内悬挂塑料 组合填料。好氧阶段采用分级硝化，即有机物的降解和氨氮的硝化分别在两个曝 气池中依次进行。好氧池采用鼓风曝气，混合液在沉淀池进行泥水分离后部分污 泥回流到好氧池。沉淀池2 的出水回流到缺氧池前，在缺氧池进行反硝化。通过 回流，可以进一步降低生化系统进水的氨氮和有机物浓度，减少由于氨氮浓度过 高对微生物活性的抑制作用。 ( 7 ) 另外还有武汉城市建筑学院的陶涛、袁居新【1 2 l 研究中山市垃圾渗滤液生物 处理工艺的技术改造方案，在原氧化沟前增设了吹脱池和微氧曝气池，并将原 氧化沟改为合建式生物接触氧化沟，p h 值调至9 5 吹脱4 h 后，n h 3 n 的去除率 可达6 2 8 ，经微氧曝气后去除率累计可达8 4 2 ；四川大学的夏素兰、周勇等 承接并完成了某市垃圾场渗滤液废水治理中试工程n h 4 + - n 脱除工序的研究、设 计与装置运行调试任务，成功地将n i - 1 4 + n 浓度由2 4 0 0 m g l 降至4 8 0 m g l 以下， 满足了后续生化处理的要求；西南师大生物系对p h 为8 0 8 6 ，c o d 为 1 6 1 2 4 m g l ，b o d 5 为2 1 4 4 0 6 m g l 、n i - 1 3 一n 为4 7 5 m g l 的渗滤液采用厌氧+ 好氧 生物化学法处理，取得出水p h 为7 1 7 9 ，c o d 为1 7 0 3 3 3 1 4 8 m g l ，r o d5 为 9 1 4 m g l ，n h 3 - n 为2 9 1 m g l 的良好效果。吴方同等人采用规整填料塔吹脱去 除垃圾渗滤液中浓度高达1 5 0 0 2 5 0 0 m g l 的氨氮，在温度为2 5 ，p h 值为 1 0 5 1 1 0 ，气液比为2 9 0 0 3 6 0 0 时氨吹脱效率达9 5 以上。英国和香港采用好 氧生物法处理垃圾渗滤液，当进水p ( c o d c ，) = 8 7 3 2 0 8 0 0 m g l p ( n h 3 - n ) = 1 8 0 2 5 6 3 m g l 。，在生物氧化塘中滞留1 5 4 0 d 后，氨氮去除率最高可 达9 9 5 ，p ( c o d c ，) 可降至7 6 1 3 2 0 m 。乒一，p0 3 0 d s ) 6 1 m g l 一，硝酸盐氮急剧 增加，氯化物处理前后基本不变。美国、加拿大、英国、澳大利亚和德国的小试 与中试生产规模研究都表明，采用曝气氧化塘能够获得较好的垃圾渗滤液脱氮 处理效果。日本垃圾渗滤液的处理采用生物处理与物理化学处理相结合，原则流 程为酸化硝化一反硝化一化学混凝一活性炭吸附一消毒灭菌，由于进水p 武汉理工大学硕士学位论文 ( c o d ) 5 0 0 m g l 、p ( b o d 5 ) 1 0 0 0 m g l 、口( s s ) 2 0 0 m g l 、p ( n h 3 一n ) 1 2 0 m g l 1 都较低，处理后的水质能完全低于排放标准。台湾对高浓度垃圾渗滤液建议采用 厌氧与好氧相结合进行处理。欧美和日本近年来的实践证明，生物滤池和生物转 盘工艺