（模式识别与智能系统专业论文）复合式膜生物反应器渗滤液处理效能及群落结构分析.pdf

摘要 摘要 对高浓度氨氮的去除一直是垃圾渗滤液处理的重点和难点之一。特别对于晚 期的垃圾渗滤液，由于碳源不足导致脱氮效果不佳。亚硝酸型硝化反硝化工艺具 有节省4 0 有机碳源特点，成为了处理晚期垃圾渗滤液的研究热点。因此，利用 复合式膜生物反应器对渗滤液进行了亚硝酸型硝化反硝化的试验研究。 本课题将以垃圾填埋场渗滤液短程硝化反硝化为目标，以复合式膜生物反应 器为载体，以p c r d g g e 技术为手段来进行研究。反应器运行稳定期间，各个 运行参数如下：溶解氧为1 o m g l ；水力停留时间为4 d ；回流比为2 ；p h 值为 8 0 - 8 3 ；c o d 容积负荷为0 8 6 k g m 3 d ：氨氮容积负荷为0 ，3 2 k g m a d 。 结果表明，当进水氨氮浓度在2 0 0 0 m g l 左右，氨氮容积负荷小于0 ，5 5 k g m 3 d 时，氨氮的去除率可达到9 1 ，总氮去除率为6 5 ，c o d 去除率可达7 2 。反应器 中亚硝酸盐氮的积累率可达到9 6 ，实现了亚硝酸型硝化反硝化反应。在本试验 中，发生短程硝化的最佳p h 值为8 0 8 3 。温度和溶解氧对短程硝化没有太大 的影响，游离氨浓度是本试验短程硝化的决定因素。但为了控制反应器高效运行， 控制反应器内水温在3 0 左右，控制溶解氧在l ，o m g l 左右。由于投加了填料， 有效地提高了生物量，并在填料内部形成了局部缺氧环境，为短程硝化反硝化和 同步硝化反硝化提供了可能性。 当膜受到严重污染，需要清洗。试验结果表明：采用水冲洗一酸沈一水冲洗和 水冲洗一碱洗一酸洗一水冲洗这两种方法清洗效果都很好，能够有效的恢复膜的膜 通量，不过第二种方法比第一种方法的效果更好，使用的周期比第一种方法的使 用周期长了2 0 天。 为了揭示复合式膜生物反应器中微生物群落结构多样性的演变过程，为改进 工艺提供依据，三次分别从反应器中的曝气池内的混合液和生物膜上采集样品并 提取这六个样品的微生物总d n a ，使用缅菌通用引物对( g c 9 6 8 f 1 4 9 2 r ) 成功扩 增出目标1 6 s r d n a 片段，最后对目标片段进行d g g e 。d g g e 分析表明，在反应器 运行初期微生物群落结构变化很大。在整个反应器运行过程中，种群多样性较高， 并且存在多种亚硝化菌属，以亚硝化单胞菌属和亚硝化螺菌属最为普遍。在该系 统中，由于生物填料的存在，多种硝化细菌、反硝化细菌和好氧反硝化细菌共存， 说明该反应器中以短程硝化反硝化和同步硝化反硝化两种脱氮方式为主。在反应 器运行后期，一些菌群的出现是污染膜的物质产生和累积的主要因素。 关键词垃圾渗滤液；亚硝酸型硝化反硝化；膜污染；生物多样性 a b s t r a c t a b s tr a c t 强er e m o v a lo fh i g hc o n c e n t r a t i o na m m o n i an i t r o g e nw a sa l w a y so n eo f h i g h l i g h t sa n dd i f f i c u l t i e si nt r e a t m e n to fl a n d f i l ll e a c h a t e e s p e c i a l l yf o rt h el a t e l a n d f i l l l e a c h a t e b e c a u s eo ft h ed e f i c i e n c yo ft h ec a r b o ns o u r c e , t h en i t r o g e nr e m o v a l e 衔c i e n c yw a sn or e m a r k a b l e n i t r o u sn 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 nh a dm e r i t so f s a v i n 9 4 0 o ft h ec a r b o ns o u r c e s oi tb e c a m et h eh o t s p o to fs t u d yo nl a t el a n d f i l l l e a c h a t e t h e r e f o r e as t u d yo nn i t r o u sn 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 nf o rt r e a t m e n to ft h e l e a c h a t ew a sc a r r i e do u ti nh y b r i dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( h m b i u s t u d yw o u l db et h es u b j e c to fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nf o rt h et a r g e t s h m b ra sa c a r r i e ra n dp c r d g g et e c h n o l o g y 嬲at 0 0 1 i nt h ew h o l er e a c t o ro p e r a t i o n ，a l l o p e r a t i n gp a r a m e t e r sw e r ea sf o l l o w s ：d i s s o l v e do x y g e nw a st h e1 o m g l ；h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m ew a s4 d ；r e f l u xr a t i ow a s2 ；p hw a s8 0 - 8 3 ；c o dv o l u m e t r i cl o a d i n g w a so 8 6 k g m 3 d ；n i t r o g e nv o l u m e t r i cl o a d i n gw a sa b o u t0 3 2 k g m d 刀 er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h ei n f l u e n ta m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw a s a b o u t2 0 0 0m g la n dt h ea m h a o n i an i t r o g e nl o a d i n gw a sl e s st h a no 5 5 k g m 3 d t h e r e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nc o u l dr e a c ht o91 ，t h er e m o v a lr a t eo ft o t a l n i t r o g e nc o u l dr e a c ht o6 5 a n dt h er e m o v a lr a t eo fc o dc o u l dr e a c ht o7 2 t h e n i t r i t e a c c u m u l a t i o nr a t er e a c h e d9 6 ，w h i c hi n d i c a t e dt h a t n i t r o u s n 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 nw a sr e a l i z e d t h eo p t i m u mp hw a sb e t w e e n8 0a n d8 3 t h e t e m p e r a t u r e a n dd i s s o l v e d o x y g e n h a dl i t t l ee f f e c to n n i t r o u s n 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 ，a n dh i g h 。s t r e n g t hf aw a st h ed e t e r m i n a n t s t oe n s u r et h e s y s t e mw o r k e ds t a b l yu n d e rh i g h - l o a d i n ga m m o n i a , t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e di nt h e r e a c t o rw a sa b o u t30 a n dt h ed i s s o l v e do x y g e nc o n t r o l l e dw a sa b o u t1 0 m e t e b y a d d i n gb i o c a r r i e r , b i o m a s sw a si n c r e a s e da n dl a c a lh y p o x i cm i c r o e n v i r o n m e n tw a s s t r e n g t h e n e d w h e nt h em e m b r a n ew a sp o l l u t e ds e r i o u s l y , i ts h o u l db ec l e a n e d t h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o w e dt h a tt h e s et w ow a y sc o u l de f f e c t i v e l yr e c o v e rt h em e m b r a n ef l u xo f m e m b r a n em o d u l e o n ew a yw a sw a t e rf l u s h i n g n a c i o h 2 s 0 4 - w a t e rf l u s h i n g t h e o t h t e rw a yw a sw a t e rf l u s h i n g - n a o h n a c i o w a t e rf l u s h i n g h o w e v e r , t h es e c o n d w a y w a sb e t t e ra n dt h em e m b r a n eu s e d2 0d a y sl o n g e ri nt h i sw a y i no r d e rt or e v e a lt h es u c c e s s i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t yd i v e r s i t yi nah y b r i d m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) a n dp r o v i d em i c r o b i a le v i d e n c ef o rt e c h n i q u e i m p r o v e m e n t s ，t o t a lm i c r o b i a ld n aw a se x t r a c t e df r o ms i xs a m p l e sw h i c hw e r e c o l l e c t e dr e s p e c t i v e l yf r o mm i x e dl i q u o ra n db i o f i l mo fam b r ，16 s r d n af r a g m e n t s w e r ea m p l i f i e df r o mt h et o t a ld n as u c c e s s f u l l yu s i n gap a i ro fu n i v e r s a lb a c t e r i a l 16 s r d n ap r i m e r , g c 9 6 8 fa n d14 9 2 r ，a n dt h e nw e r eu s e df o rd e n a t u r i n gg r a d i e n t g e le l e c t r o p h o r e s i s ( d g g e ) a n a l y s i s d g g ea n a l y s i s i n d i c a t e dt h a tan o t i c e a b l e c h a n g et o o kp l a c ei nm i c r o b i a ls t r u c t u r ei n i n i t i a ls t a g e so fm b ro p e r a t i o n i nt h e i i i 北京t 业大学工学硕： 学位 w h o l eo p e r a t i o n ，b a c t e r i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e sw e r eh i g h e r a n ds e q u e n c e sr e v e a l e d t h a tt h e r ee x i s t e dm u l t i t u d en i t r i f y i n g o r g a n i s m s ，i nw h i c hn i t r o s o m o n a sa n d n i t r o s o s p i r aw e r et h em o s tp r e d o m i n a n t i nt h i sb i o r e a c t o r , b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c e o ff i l l i n g t h e r em i g h tb et w od i f f e r e n tm o d e so fd e n i t r i f i c a t i o ni nt h er e a c t o rb e c a u s e s e v e r a ld i f f e r e n t n i t r i f y i n gb a c t e r i a , d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a a n do x i d a t i o nb a c t e r i a c o e x i s t e di ni t i nt h el a t e rs t a g eo fo p e r a t i o n ，t h ei n c r e a s i n go fs o m eb a c t e r i ah a da g r e a t e ri m p a c to nt h ep r o d u c t i o na n da c c u m u l a t i o no fm e m b r a n ep o l l u t a n t s k e yw o r d s ：l a n d f i l ll e a c h a t e ；n i t r o u sn 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 ；m e m b r a n e f o u l i n g ；m i c r o b i a ld i v e r s i t y i v 独创性声明 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。尽我所知，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j 壁哀王些太堂或其它教育机构 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t 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：有戈錾日期：矽哆岁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞王些太堂有关保留、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或部 分内容，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) 签名：香文穆导师签名：多蔷日期：匆歹 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 垃圾渗滤液污染状况 随着我国城市化建设步伐的加快，城市人口的急剧增加、城市规模的扩大和 居民生活水平的提高，我国城市生活垃圾的产量在急剧增加。据有关统计资料表 明，2 0 0 5 年，我国的城市生活垃圾年产量已突破2 亿吨，并且在进入2 l 世纪以 来，全国每年的递增速度在1 0 以上，按照4 亿城市入口日均人产垃圾已达到 1 3 7 蚝，与工业发达国家的人均日产数量已经基本持平。下表1 1 为北京市垃圾 产生清运情况。 表1 - 1 北京市垃圾产生清运情况 t a b l e1 1l a n d f i l lr e m o v a li nb e i j i n g 目前城市生活垃圾的处理主要有三种方式：卫生填埋、焚烧、堆肥【l 】。各国 根据不同情况，发展了垃圾的处理方法：日本以焚烧为主；美国6 0 的垃圾用 卫生填埋法处理；西欧则多采用有控制的填埋法：我国由于资金与技术等原因， 主要也采用填埋法。填埋法由于其固有的经济实用、技术成熟等优点，是当前世 界上固体废弃物的主要处理方法。下表1 2 为北京市垃圾无害化处理方式比较。 表1 2 北京市垃圾无害化处理方式比较 t a b l e1 - 2t h ec o m p a r i s o no f h a r m l e s st r e a t m e n to fl a n d f i l li nb e i j i n g 随着城市垃圾卫生填埋技术的不断应用，二次环境污染问题也越来越受到重 视，二次污染问题内容之一就是垃圾渗滤液的处理。垃圾填埋场内的渗滤液主要 北京工业大学工学硕士学位论文 有三个来源【2 】：一是外来水分，包括大气降水、地表水和渗入的地下水；二是垃 圾受到挤压后部分初始含水的释放；三是垃圾降解过程中大量的有机物在厌氧及 兼氧微生物的作用下转化为水、二氧化碳、甲烷等所释放的内源水。垃圾含水率 为4 7 时，每吨垃圾可产生0 0 7 2 2 t 的渗滤液【3 j 。垃圾渗滤液因其污染物复杂， 毒性大，被列为疑难废水，并且是危险的环境污染源。垃圾渗滤液如果处理不当， 不仅污染地下水源，而且污染周围的土壤，破坏生态环境。因此，垃圾渗滤液的 处理是亟待解决的问题，并且日益受到关注。 1 1 2 渗滤液的特点及危害 垃圾渗滤液受很多因素影响，尤其是填埋时间和降雨量的影响，所以渗滤液 水量变化很大。由于降水量和垃圾中的水份与季节密切相关，所以渗滤液的产生 量随季节的变化而变化。北京市雨季渗滤液产生量占全年渗滤液产生量的7 0 。 渗滤液的水质也会随着填埋场场龄和堆体高度的增加而发生很大的变化i 一般来 讲，垃圾填埋场在填埋过程中可分为以下几个阶段： 调整期 垃圾填埋场初期或垃圾填埋作业进行中，水分逐渐积累且尚有氧气存在，厌 氧发酵作用及微生物作用缓慢，本阶段渗滤液水量较少，但c o d 、b o d 较高， 可生化性好。 过渡期 本阶段水分达到饱和容量，垃圾及渗滤液中的微生物渐由好氧性转变为兼氧 性及厌氧性，因厌氧和缺氧情况下电子受体自0 2 转变成n 0 3 。及s 0 4 2 ，氧化还 原电位o r p 约在一l o o m v + l o o m v 之间，此阶段尚无甲烷形成，渗滤液水量 较少，可生化性仍较高。 酸形成期 由于垃圾及渗滤液中的兼性和专性厌氧微生物的水解酸化作用，垃圾中的有 机物迅速分解为脂肪酸，而含n 、p 的有机化合物经氨化和磷酸盐化转化为氨氮 和磷酸盐，同时一些金属( f e 、m n ) 也会与有机酸发生络合作用，致使渗滤液 呈深褐色，在此期间所产生的渗滤液c o d 极高，b o d f l c o d 为0 4 - - 0 8 ，可生 化性好，而且颜色也相当深，是属于初期渗滤液。 甲烷形成时期 在酸形成期间，如果有机酸未随渗滤液流出填埋场，则将进入甲烷形成时期， 在此期间有机物经甲烷菌分解转化为c 1 4 4 、c 0 2 ，同时产氢产乙酸菌的存在，也 会产生一些氢气。由于c 0 2 溶解于水形成h c 0 3 。、c 0 3 冬、h 2 c 0 3 等不同形态的 碳酸化合物，p h 值则由于重碳酸盐的缓冲系统而维持在6 8 ，同时也给甲烷菌 提供了较好的生存条件，此时o r p 为最低值，约在一3 0 0 m v - 4 0 0 m v 之间，由 第l 荦绪论 于有机酸的急速分解，渗滤液的c o d 、b o d 5 浓度会急剧降低，b o d 5 c o d 也降 为o 0 1 左右，渗滤液的可生化性变差，此时渗滤液为后期渗滤液。 成熟期 此时垃圾渗滤液中可利用的有机成分己经大量减少，细菌的生物稳定作用趋 于停止，并停止产生气体，但由于渗滤液中剩余腐殖质易和重金属离子发生络合 作用，所以渗滤液的颜色还是很深，而渗滤液中o r p 增加，氧气及氯化物也随 之增加，自然环境状况逐渐恢复。 从以上的介绍中可知，随着填埋时间的增加，填埋场逐步由好氧状态成为厌 氧状态，厌氧菌数量、种类稳定，填埋场内的厌氧反应达到平衡，处理能力增强， 垃圾渗滤液中的c o d 、b o d 值下降。 渗滤液水质随时间的变化不同，并且渗滤液水质也有着不同于_ 般的污水水 质特点。 ( 1 ) 污染物种类繁多 渗滤液中含量较多的有机物，常以t o c 、c o d 计，有烃类及其衍生物、酸 酯类、醇酚类、酮醛类和酰胺类等，刘俊新【4 j 等把垃圾渗滤液根据分子量的大小 分为三个组分，结果表明渗滤液原水中的有机物主要由分子量大于6 0 0 0 的大分 子物质和分子量小于1 5 0 0 的小分子物质组成。渗滤液中含有的高浓度的挥发性 脂肪酸( v f a ) 容易被微生物降解，而水溶性的腐殖质( a h s ) 却难被微生物降 解。郑曼英【5 】等对广州大田山垃圾填埋场进行了取样分析，从垃圾渗滤液中检出 的主要有机物7 7 种，其中芳烃类2 9 种，烷烃烯烃类1 8 种，酸类8 种，酯类5 种，醇、酚类6 种，酮、醛类4 种，酰胺类2 种，其他5 种，被列入我国环境优 先控制污染物的有5 种 6 1 。同时渗滤液中还含有微量的金属元素和植物营养素氮 磷，金属包括m n 、c r 、n i 、p b 、h g 、m g 、f e 、n a 等。 ( 2 ) 污染物浓度高，变化范围大【7 ，剐 在垃圾渗滤液的产生过程中，由于垃圾中原有的、以及垃圾降解后产生的污 染物经过溶解、洗淋等作用进入垃圾渗滤液中，以致垃圾渗滤液污染物浓度特别 高，而且成分复杂。垃圾渗滤液的这一特性是其它污水无法比拟的，造成了处理 和处理工艺选择的难度大。 ( 3 ) 时间变化性 产生量呈季节性变化，雨季明显大于旱季【9 , 1 0 】。污染物组成及其浓度季 节性变化。污染物组成及其浓度随填埋年限的延长而变化【l 。对于同一填埋场 来说，其渗滤液的性质会随着填埋场的使用时间而变化。 ( 4 ) 毒性大，存留时间长，具有生物积累性 垃圾渗滤液呈红棕色或深黑色、具有恶臭气味，成分复杂。垃圾渗滤液含各 类有机污染物，如烷烯烃，羧酸类，酯类，醇、酚类、醛、酮，酰胺等。其中有 多种物质被列入我国和美国e p a7 环境优先控制的污染物黑名单中，毒性大，可 北京工业大学工学硕士学位论文 n i 一一 i i i 蔓曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼 在环境中存留相当长时间，具生物积累性，致癌、致畸、致基因突变，对人体健 康和生态环境构成潜在危险【1 2 j 。渗滤液中很多重金属易在体内积累，导致甲级铅 中毒、骨痛病等。我国兰州东盆地雁滩水源地因垃圾渗滤液污染而废弃，西盆地 马滩水源地部分水井报废【1 3 】；在澳门与珠海市交界处的茂盛围，垃圾渗滤液排入 河中导致当地河流鱼虾绝迹、农田失收。由于夏季雨量丰富，垃圾渗滤液通过下 渗和径流污染地下水和地表水的可能性更大。垃圾渗滤液的污染问题已引起各国 的重视，垃圾渗滤液的处理技术已经成为国际上的热点之一。 1 1 3 垃圾渗滤液处理现状 垃圾渗滤液的处理包括物理化学法、生物法、塘系统和人工湿地等。常用的物 化方法有混凝沉淀法、f e n t o n 法、膜法等。生物处理法包括好氧处理、厌氧处理和 厌氧好氧混合处理。 ( 一) 物理化学法 ( 1 ) 混凝沉淀法 混凝沉淀法是向废水中投加混凝剂，使废水中的悬浮物和胶体聚集形成絮凝 体，再加以分离的方法。常用的混凝剂有a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e s 0 4 、f e c l 3 以及聚铁、聚铝 等。混凝沉淀处理垃圾渗滤液主要用于去除渗滤液中的悬浮物、不溶性c o d ，脱 色及重金属，对氨氮也有一定的去除效果。混凝沉淀法既可以作为前处理技术， 减轻后面处理设施的负荷，又可以作为后处理技术，成为整个工艺的保障。该方 法对年轻的填埋场产生的渗滤液c o d 的去除率一般为1 0 - - 一2 5 ，而对老的填埋场 渗滤液c o d 去除率可达5 0 - - 6 5 。同时，阴离子、阳离子、中性粒子的聚合电解 质可作为助凝剂以提高絮凝速度【1 4 1 。目前混凝沉淀法使用的混凝剂普遍存在处理 效率低，相对处理成本高的缺点，而且金属盐类混凝剂的使用带有定的风险性。 开发出新型安全、高效、价格低廉的混凝剂是提高混凝法处理渗滤液废水的经济 性、有效性和安全性的基础。因此复合型和生物类药剂开发是一个很好的发展方 向。 ( 2 ) f e n t o n 法 f e n t o n 技术是一种高级化学氧化法，主要原理是利用亚铁离子作为过氧化氢的 催化剂产生极强氧化性的氢氧自由基来分解有机物，是一种有效的废水处理方法。 这种方法可以分解垃圾渗滤液中的一些难降解的有机物，从而提高废水的可生化 降解性，故被认为是处理垃圾渗滤液的一种替代方法。由于它费用低廉、操作简 便而受到人们的重视。 ( 3 ) 膜法 膜技术是利用隔膜使溶剂与溶质或微粒分离的一种水处理方法，根据溶质或 溶剂透过膜的推动力不同。膜法可分为反渗透法、超滤、微滤等。根据膜的孔径 第l 苹绪论 和透过性的大小，可将不同粒径的物质分开。 反渗透膜( r o ) 能从水中分离除去0 3 1 2 n m 大小的溶质分子，也可以从水 中去除除氢离子、氢氧根离子外的其他无机离子，去除率高达9 8 ，低分子量有机 物的去除率可达1 0 0 。由于r o 分离技术能有效地截留垃圾渗滤液中溶解态的有机 物和无机物，在国外已广泛应用于渗滤液的处理中，它对渗滤液中成分浓度的变 化发挥了高度灵活的抗变能力。c h i a n e s e ，a g e - u _ b s 等人将反渗透技术用于垃圾渗滤 液的小试实验，发现渗透速度随着c o d 的阻力系数变化而呈线性变化，c o d 的阻 力系数与c o d 值无关，但与操作压力有关，同时发现，c o d 值的大小对重金属的 影响可忽略。近些年也有人将纳滤膜处理技术应用于垃圾渗滤液，t r e b o u e t ，d 【1 6 j 等人报道采用纳滤膜处理垃圾渗滤液，认为当压强为2 m p a 切线流速3 m s 时，纳滤 膜通量可稳定在6 0 l m 2 h ，比反渗透效率高。 膜技术能够有效的截留各种污染物，获得纯度较高的出水，在国外得到广泛 的应用，其中反渗透技术( r o ) 的应用最广，但是膜组件的成本较高和膜过滤过程 中产生的浓液的处理问题成为制约膜的发展和应用的两个重要的因素。 ( 二) 生物法 ( 1 ) 好氧处理 好氧处理法主要有活性污泥法和生物膜法。其中活性污泥法具有费用低、处 理效率高等优点。通过提高活性污泥浓度来降低污泥的有机负荷，可以得到令人 满意的垃圾渗滤液处理效果。p i r b a z a r i b 7 】等人对众多实际运行的垃圾渗滤液处理系 统调查后指出，活性污泥法比化学氧化法等其它方法的处理效果更佳。低氧、好 氧活性污泥法和s b r 法等改进型活性污泥工艺，能维持较高运转负荷、耗时短， 因此这些改进工艺能节省空间，提高处理能力，从而比常规活性污泥法更有效。 但由于垃圾渗滤液成分复杂，对于晚期的垃圾渗滤液可生化性差，所以往往需要 采用联合工艺才能达到理想的去除效果。 与活性污泥法相比，生物膜法具有抗水量、水质冲击负荷的优点，而且生物 膜上能生长世代时间较长的微生物，如硝化菌、亚硝化菌等。并且生物膜可以固 着大量的微生物，提高微生物量，从而提高处理效果。 ( 2 ) 厌氧处理 厌氧生物处理法已经应用近1 0 0 年了，它具有运行费用低，能耗低，操作简单， 投资运行费用低，产生污泥量少等优点。目前以应用于渗滤液预处理的主要方法 有厌氧生物滤池、上流式厌氧污泥床反应器、厌氧复合反应器等。 ( 3 ) 厌氧好氧混合处理 虽然厌氧生物法对高浓度有机废水处理有一定的有效性，但由于垃圾渗滤液 成分复杂，单独采用厌氧处理很难达标排放，般会采用厌氧好氧结合的处理工 艺，处理效率较高且经济性较合理。不仅能有效地去除c o d ，而且由于能构成硝 化反硝化环境而有效的脱氮。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 三) 塘系统 塘系统处理垃圾渗滤液技术其实就是氧化塘技术，可分为曝气塘、厌氧塘和 兼性塘。与活性污泥法相比，曝气塘体积大，有机负荷低，降解速度慢，但其工 艺简单，在土地相对比较多且不贵的地方，是最省钱的垃圾渗滤液处理方法。氧 化塘最初用于城市生活污水的处理，在垃圾渗滤液处理中运用稳定塘技术也取得 了较好的效果【l 引。 ( 四) 人工湿地 人工湿地技术处理垃圾渗滤液还处于发展阶段，实践证明这种技术具有很多 优点：处理效果好，缓冲容量大j 建造运行费用低，设备简单，易于维护，即使 在填埋场封闭后仍能发挥作用。 人工湿地技术可用于污水处理，是因为其具有较高的的植物产率，植物根系 具有多种活性微生物。b u l c 垮】等建造一个4 5 0 m 3 的人工湿地对室内滤液处理进行 研究，结果得到c o d ，b o d 5 和f e 去除率为6 8 ，4 5 ，8 5 。陈玉成等1 2 0 l 采用 土壤渗滤和芦苇湿地对渗滤液进行小试研究，得到良好的试验结果，当水力负荷 为3 0 - 5 0 c m d 时，干湿交替运行在原水c o d 为1 0 0 0 m g l 左右时，其稳定的去 除率可达6 0 以上，当芦苇湿地床设计参数为水力负荷0 1 0 c m d ，停留时间为7 7 d ， 进水c o d 为4 0 0 m g l ，其出水c o d 可达排放标准。 1 1 4 垃圾渗滤液排放标准 表1 3 现有和新建生活垃圾填埋场水污染物排放浓度限值 t a b l e1 - 3l e tc r i t e r i o no fe x i s t i n ga n dn e wl a n d f i l ll e a c h a t e 第l 荤绪论 曼皇皇曼皇鼍曼鼍舅! 曼曼孽曼皇曼曼皇曼鼍曼曼! ! 曼量曼鼍曼曼! 曼曼鼍! 曼篁i i ii 曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼皇量舅! 曼曼曼! ! 曼! 曼曼皇! ! ! 曼曼鼍曼曼曼曼 生活垃圾填埋场污染控制标准( g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) 规定了渗滤液的允许排 放标准见表1 3 。 根据不同的渗滤液标准确定不同的处理工艺流程，也决定了渗滤液处理投资 和处理成本。生活垃圾渗滤液等污水经处理并符合本标准规定的污染物排放控制 要求后，可直接排放。现有和新建生活垃圾填埋场自2 0 0 8 年7 月1 日起执行上 表规定的水污染排放浓度限值。 1 1 5 本课题的研究意义 现有的渗滤液处理方法大多操作管理复杂，占地面积大，运行成本高，而且 因垃圾渗滤液碳氮比失调，各污染物浓度太高，处理效果常常并不理想，出水水 质达不到垃圾渗滤液排放限值。本课题将以研究垃圾填埋场渗滤液短程硝化反硝 化为目标，以复合式膜生物反应器为载体，以p c r - d g g e 技术为手段，着重研 究影响短程硝化反硝化实现的一些控制条件。希望通过该项研究，为短程硝化反 硝化技术在垃圾渗滤液处理中的实际应用提供理论依据和技术支持，用于指导和 改进现有垃圾渗滤液的生物处理工艺，寻找一种高效稳定、经济合理且能适应我 国国情的垃圾渗滤液处理技术。 1 2 膜生物反应器应用概述 复合式膜生物反应器是一种集膜滤和生物处理于一体的新型高效生物反应 器。 按膜组件与生物反应器的相对位置。膜生物反应器可分为分置式膜生物反应 器、一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器这三种。 分置式膜生物反应器指的是膜组件与生物反应器分开设置，相对独立，两者 的相互干扰比较小，易于控制调节，膜组件也容易清洗。但其动力消耗较大。 一体式膜生物反应器是人们为解决分置式能耗高的问题而研发的第二代产 品，它是指将膜组件安装在反应器内部，依靠重力或泵抽吸产生的负压作为出水 动力。该装置能够减少占地面积和降低能耗。 复合式膜生物反应器膜组件也是安装在反应器内部，与一体式膜生物反应器 唯一不同的地方是在反应器内部填加了生物填料。填料的填加，一方面提高处理 系统的抗冲击负荷，保证了系统的处理效果；另一方面是增加了附着型微生物浓 度，降低了反应器中悬浮性活性污泥浓度，延缓了膜的污染。 1 2 。1 膜生物反应器的技术特点 与传统废水生物处理技术相比，组成这种反应器的膜组件有高效的过滤功 北京工业大学工学硕士学位论文 能，这样可以取代活性污泥工艺中的二次沉淀池，从而降低了管理费用和节省了 土地面积。因此这种反应器具有污泥浓度高、污泥龄长、容积负荷高、剩余污泥 产量低、出水水质好和占地面积小等一些优点，这使得这种反应器在处理高浓度 的垃圾渗滤液方面有很广泛的应用前景，这也是这项技术在污水处理中得以迅速 发展的原因： ( 1 ) 能高效地进行固液分离，其分离效果比传统的沉淀池要好，不仅对悬 浮物和有机物去除率高，而且可以去除细菌、病毒等。且占地少，出水水质好而 且稳定，可以直接再利用，实现了污水资源化利用； ( 2 ) 由于膜的截留作用，能阻止高分子量的有机物和悬浮物向系统外流失， 使参与反应的微生物完全截留在生物反应器内，生物反应器能保持高浓度的污泥 浓度。因此这有利于世代期较长的微生物积累和繁殖，如硝化细菌和亚硝化细菌 这种世代时间较长的微生物，从而有利于提高系统的硝化效率； ( 3 ) 膜生物反应器设备布置具有灵活性，可实现污水就地处理，进而节约 大量的给排水管网和泵站的费用； ( 4 ) 无污泥膨胀，剩余污泥产量少，污泥处理费用少； ( 5 ) 易于实现自动控制，操作管理方便； ( 6 ) 膜生物反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷能力强，并且传质效率 高。 1 2 2 膜生物反应器处理垃圾渗滤液的应用现状 膜分离技术在污水处理中的应用开始于1 9 8 8 年，并且发展迅速，技术比较 成熟。我国膜技术处理垃圾渗滤液的研究起步比国外晚，但近年来明显地加快了 发展步伐。 ( 1 ) 国外应用现状 国外对膜分离技术处理垃圾渗滤液的研究开始较早，s e t i a d i t 2 l 】等研究了 m b r 处理垃圾渗滤液的效果，膜组件为聚丙烯中空纤维微滤膜，当水力停留时 间是2 4 h 、污泥龄为1 6 - - 一3 6 d 时，m b r 对n h 3 n 的去除率为9 8 。l a i t i n e n l z z 】 等采用s b r + m b r 工艺处理垃圾渗滤液，系统对s s 、b 0 0 5 、p 、n h 3 - n 的去除 率分别大于9 9 、9 7 、9 7 和8 8 。v i s v a n a t h a n l 2 习研究表明，m b r 对垃圾渗 滤液中c o d 和n h 3 - n 的去除率都达到了7 5 以上。t a m a c k i l 2 4 等对m b r 的操 作条件、膜通量、氨吹脱对m b r 去除效果的影响等方面也进行了研究。 ( 2 ) 国内现状 汪进辉【2 5 】等采用一体式恒压m b r 处理垃圾渗滤液，水力停留时间控制在 4 8 h ，试验表明该工艺对c o d 、n h 3 n 的去除率均在9 0 以上，出水s s 几乎为 零，出水浊度不大于o 6 n t u 。但是膜的透水性能下降很快，并且膜通量维持在 第l 荤绪论 较低的水平。丛利泽【2 6 l 等采用微电解法混凝一体式厌氧m b r 组合工艺处理高 浓度垃圾渗滤液有很好的处理效果。当迸水c o d 高达9 1 7 6 m g l ，n h 3 - n 高达 3 0 0 0 m g l 时，c o d 和n h 3 n 的去除率都达到了9 9 以上。申欢【2 7 j 等采用一体 式m b r 工艺处理垃圾渗滤液，膜组件为聚乙烯板式中空纤维膜，系统对c o d 的去除率为7 0 - - 8 5 、对n h 3 - n 的去除率为9 0 - 9 9 8 ，对t n 的去除率为 5 0 - 6 7 。董春松1 2 引等采用一种新型玻璃纤维管式动态膜生物反应器处理垃圾 渗滤液，结果表明，过滤压差在1 4 5 m p a 下膜通量能较长时间稳定在6 l ( m 2 1 1 ) ， 对c o d 、b o d s 、n h 3 n 的去除率分别大于7 l 、9 6 和9 8 ，动态膜对混合 液上清液c o d 去除率为1 9 3 ，系统出水浊度在1 o n t u 以下。季民口9 j 等比较 了普通m b r 工艺和投加专性耐盐菌强化m b r 工艺处理高含盐垃圾渗滤液的效 果，研究发现投加耐盐菌可有效改善m b r 对垃圾渗滤液的去除效果，两种m b r 工艺处理高含盐渗滤液时对氨氮的去除率都高达1 0 0 。 上述m b r 处理垃圾渗滤液研究为m b r 在垃圾渗滤液处理中的进一步应用 奠定了基础。但从目前情况看，国内关于m b r 处理渗滤液的研究处于初期阶段， 需要进一步加快m b r 国产化的步伐，摆脱膜组件依赖国外进口的弊端，降低 m b r 基建费用，为m b r 在国内的应用奠定基础。另外，目前开展复合式膜生 物反应器对垃圾渗滤液进行亚硝化型硝化反硝化的研究还非常少，因此本研究对 膜生物反应器的应用具有实际的指导意义。 1 。3p c r - d g g e 技术概述 1 3 1p c r 技术 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c ti o n ) 是2 0 世纪8 0 年代后期由 k m u l l i s 等建立的一种体外酶促扩增特异d n a 片段的技术，p c r 是利用针对目的 基因所设计的一对特异寡核苷酸引物，以目的基因为模板进行的d n a 体外合成反 应。由于反应循环可进行一定次数( 通常为2 5 3 0 个循环) ，所以在短时间内即 可扩增获得大量目的基因。这种技术具有灵敏度高、特异性强、操作简便等特点。 p c r 技术的基础是只有在微生物特定核酸存在的条件下，重复性酶促d n a 合成和 扩增才能够发生。其步骤是：变性：退火：延伸。p c r 扩增产物可以通过l 的琼 脂糖凝胶来检验和纯化，也可以被用来进行克隆、转化和测序。在实际的应用时， 往往是和其它技术联合应用，常见的有r t p c r 、竞争p c r 、p c r - d g g e 、p c r - s s c p 和巢式p c r 等。 r t - p c r 是将r n a 的反转录( r t ) 和c d n a 的聚合酶链式扩增( p c r ) 相结合 的技术。首先经反转录酶的作用从r n a 合成e d n a ，再以e d n a 为模板，扩增合成 目的片段。它提供了一种分析基因表达的快速灵敏的方法。r t - p c r 技术灵敏而 北京工业大学工学硕士学位论文 且易于操作，可用于检测细胞中基因表达水平，细胞中r n a 病毒的含量和直接克 隆特定基因的e d n a 序列。作为模板的r n a 可以是总r n a 、m r n a 或体外转录的r n a 产物。无论使用何种r n a ，关键是确保r n a 中无r n a 酶和基因组d n a 的污染。 竞争p c r 技术是用一种竞争模板与靶序列e d n a 同时扩增，使用同样的引物 经过p c r 扩增之后，能将这些靶e d n a 区别开来。竞争模板是一种突变的靶e d n a ， 它的突变位点为一个新的限制性内切酶位点，这种突变体能够很容易地用p c r 定点诱变来得到。也有利用基因组质粒d n a 作为竞争模板，在紧靠一小段( 1 0 2 0 0 b p ) 内含子序列的两个外显子上选择寡核苷酸引物，按照靶e d n a 的长短区分 扩增竞争模板的方式进行的，但它的扩增效率可能不如e d n a 扩增效率高。扩增 之前可以精确定量竞争e d n a 模板的浓度，再将其作系列稀释与靶e d n a 共同扩 增。竞争模板的初始浓度的任何改变，都会影响其最终产物，无论影响p c r 定量 的哪个因素的改变，对两种模板的影响是相同的，因此二者的扩增产量比率在反 应中会保持一致。c d n a 靶序列的竞争模板相对含量可以用溴化乙锭染色，电泳 凝胶直接扫描法进行测定，或者采用掺入放射性同位素标记d n t p 的方法来测定。 因为竞争模板开始时的浓度是已知的，则e d n a 靶序列的最初浓度能测定出来。 本法能精确测定i n g 总m r n a 中l p g 的c d n a 靶序列，可定量1 0 个细胞内的特异 m r n a ，亦能用于细胞培养中集落的筛选，或流式分类细胞的特异m r n a 定量。 聚合酶链式反应一单链构象多态( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t