張 雨

(包頭市排水產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人口的不斷增加，生活垃圾數(shù)量逐年增加，我國(guó)2018年生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到22801.8萬(wàn)噸[1]。填埋作為目前生活垃圾的主要處理方式，具有操作簡(jiǎn)便，工藝成熟等優(yōu)勢(shì)。填埋過程中由于垃圾本身所含的水分以及降雨沖刷、發(fā)酵、地下水滲入等產(chǎn)生的垃圾滲濾液，具有氨氮濃度高，有機(jī)物濃度高等特點(diǎn)[2]，易對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生二次污染，一直以來都是污水處理領(lǐng)域的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的生化處理工藝很難對(duì)其有效處理，而使用物化法等手段又存在成本高、能源耗費(fèi)大等問題[3]，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于垃圾滲濾液處理的研究主要集中在晚期垃圾滲濾液上。隨著我國(guó)垃圾滲濾液排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格[4]，低成本的新型垃圾滲濾液處理技術(shù)亟待開發(fā)。

厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝是上世紀(jì)九十年代開發(fā)的一種新型脫氮工藝，該工藝在厭氧條件下利用氨氮與亞硝態(tài)氮為底物，生成氮?dú)夂蜕倭肯鯌B(tài)氮[5]。相比于傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝，Anammox過程具有脫氮能力強(qiáng)、不需補(bǔ)充有機(jī)碳源以及能耗低等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)具有強(qiáng)大的工程潛力，近年來，已被逐漸應(yīng)用于處理氨氮高，C/N低的廢水[6，7]。本文將從工藝類型、影響因素、微生物學(xué)等方面對(duì)基于厭氧氨氧化的工藝處理晚期垃圾滲濾液的研究進(jìn)展進(jìn)行論述。

1 基于厭氧氨氧化的工藝類型

污水中的氮元素主要以氨氮存在，而根據(jù)Strous等[8]測(cè)算出的Anammox反應(yīng)式(式1)可知，要實(shí)現(xiàn)Anammox反應(yīng)，系統(tǒng)中應(yīng)有對(duì)應(yīng)比例的亞硝態(tài)氮，要實(shí)現(xiàn)Anammox工藝處理垃圾滲濾液，需要給系統(tǒng)提供合適濃度的亞硝態(tài)氮，同時(shí)確保厭氧氨氧化菌的穩(wěn)定生長(zhǎng)。

1NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

(1)

1.1 PN-ANAMMOX組合工藝

部分亞硝化與厭氧氨氧化(PN-ANAMMOX)組合工藝，是在ANAMMOX部分之前，增加部分亞硝化部分，將進(jìn)水中的氨氮部分亞硝化為亞硝態(tài)氮，產(chǎn)出合適比例的亞硝態(tài)氮與氨氮，同時(shí)對(duì)進(jìn)水中的有機(jī)物進(jìn)行一定消耗，保障后續(xù)厭氧氨氧化的穩(wěn)定運(yùn)行[9]。該系統(tǒng)的第一部分稱SHARON工藝[10]。第二段在完全厭氧的環(huán)境下，Anammox高效脫氮。此工藝構(gòu)型是利用Anammox進(jìn)行工程運(yùn)用的比較常規(guī)的工藝。

Li等[11-12]在實(shí)驗(yàn)室利用SBR反應(yīng)器探究了PN-ANAMMOX兩段式工藝處理垃圾滲濾液的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。Miao等[13]采用SBR系統(tǒng)構(gòu)建了PN-ANAMMOX工藝，在第一段SBR系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)部分亞硝化，并在第二段SBR系統(tǒng)中投加填料構(gòu)成SBBR(Sequencing biofilm batch reactor)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了總氮95%的去除。

1.2 CANON工藝

參與完成亞硝化和厭氧氨氧化步驟的菌均為自養(yǎng)微生物，CANON(Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工藝。將二者培養(yǎng)在一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器中，通過控制反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧、pH值、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全程自養(yǎng)脫氮[14]。例如張方齋等[15]采用CANON工藝處理晚期垃圾滲濾液，長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，總氮去除率達(dá)到了98.76%。安雪迪[16]在CANON-SBR反應(yīng)器中投加了電氣石填料進(jìn)行強(qiáng)化，在反應(yīng)器運(yùn)行第192天，去除負(fù)荷達(dá)到0.104 kg N/m3/d。Dan等[17]采用SBR反應(yīng)器啟動(dòng)了CANON工藝，嚴(yán)格控制反應(yīng)器的pH與溫度，實(shí)現(xiàn)總氮93%的去除。

除了根據(jù)進(jìn)水中氨氮濃度的變化進(jìn)行曝氣外，CANON反應(yīng)器內(nèi)還要保持適量的堿度(3.68 g CaCO3/g N)，在藥物添加上會(huì)帶來更多的消耗[10，18]。目前針對(duì)CANON工藝應(yīng)用的研究較少，焦點(diǎn)更多的停留在反應(yīng)機(jī)理、分子生物學(xué)等理論層面[18-21]。

1.3 SNAD

SNAD工藝(Simultaneous partial nitrification，anammox and denitrification)是指在一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器中，通過微氧間歇曝氣，使以下三個(gè)脫氮步驟有序進(jìn)行：(1)氨氧化菌將氨氮部分亞硝化為亞硝態(tài)氮；(2)剩余的氨氮與(1)中產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮經(jīng)厭氧氨氧化菌的作用生成氮?dú)馀c部分硝態(tài)氮；(3)反硝化菌將(2)中產(chǎn)生的硝態(tài)氮還原成氮?dú)鈁22]。根據(jù)式(1)可知，厭氧氨氧化的理論脫氮效率并不是100%，會(huì)產(chǎn)生約10%的硝態(tài)氮。例如Wang等[23-25]在SBR中啟動(dòng)了SNAD工藝，探究了不同的氮負(fù)荷、C/N比對(duì)工藝的影響，并建立了評(píng)估部分亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化脫氮貢獻(xiàn)率的模型。

1.4 其他工藝類型

高級(jí)氧化-厭氧氨氧化工藝有效解決了垃圾滲濾液中難降解有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響[26]。陸天友等[27]采用了接觸氧化-厭氧氨氧化-微波工藝組合工藝，強(qiáng)化了出水效果。歐洲有一運(yùn)行多年的垃圾滲濾液處理廠將活性污泥、超濾與活性炭吸附和厭氧氨氧化結(jié)合，減少了91%的甲醇費(fèi)用和96%的剩余污泥產(chǎn)量[28]。短程反硝化是一種新的為厭氧氨氧化提供亞硝態(tài)氮的途徑，近幾年有諸多研究聚焦在短程反硝化-厭氧氨氧化處理垃圾滲濾液[29-32]。使用厭氧氨氧化工藝的主要原則為充分發(fā)揮厭氧氨氧化菌的強(qiáng)大脫氮能力，因此諸多物化法和生物法耦合厭氧氨氧化工藝逐漸被提出。

2 影響因素

顯然，厭氧氨氧化部分在上述的組合工藝中起著決定性的作用。而厭氧氨氧化菌是一種倍增時(shí)間長(zhǎng)，生長(zhǎng)條件相對(duì)苛刻的自養(yǎng)菌，垃圾滲濾液中存在的重金屬離子、高濃度有機(jī)物、溶解氧等因素都有可能對(duì)厭氧氨氧化菌活性產(chǎn)生抑制[8，33]。

2.1 基質(zhì)濃度與負(fù)荷

研究表明系統(tǒng)中存在過高的游離氨和游離亞硝酸根會(huì)對(duì)厭氧氨氧化工藝產(chǎn)生抑制，過高的氮累計(jì)負(fù)荷，也會(huì)對(duì)厭氧氨氧化過程產(chǎn)生抑制。Ruscalleda等[34]認(rèn)為控制亞硝態(tài)氮和氨氮的比例是保持厭氧氨氧化菌和其他菌種平衡的關(guān)鍵。這和Lotti等[35]做基礎(chǔ)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相同，但Lotti等認(rèn)為亞硝態(tài)氮對(duì)厭氧氨氧化的作用是可逆的，并不是致死的毒害作用。Phan等[29]的系統(tǒng)可在NLR高達(dá)10 kg N/m3/d的情況下良好運(yùn)行，并有超過95%的氮去除率。

2.2 有機(jī)物

厭氧氨氧化菌是一種自養(yǎng)菌，有機(jī)物一直被視為其重要的生長(zhǎng)抑制因素[36，37]。但也有研究表明系統(tǒng)中存在適量的有機(jī)物有助于維持反硝化菌和厭氧氨氧化菌之間的平衡，從而使整個(gè)系統(tǒng)的脫氮能力提高[38]。很多研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物對(duì)Anammox處理垃圾滲濾液的影響有限[23]。Wang等[39]發(fā)現(xiàn)在COD濃度超過2000 mg/L的情況下，Anammox對(duì)垃圾滲濾液的脫氮效果沒有受明顯影響。垃圾滲濾液的成分復(fù)雜，難生物降解有機(jī)物較多，對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)的影響機(jī)理尚不明晰。為了使厭氧氨氧化系統(tǒng)從基質(zhì)沖擊或有機(jī)物沖擊中恢復(fù)，有研究在垃圾滲濾液中混入低濃度廢水[40](如市政污水)，使系統(tǒng)繼續(xù)保持一定處理能力。

2.3 pH、溶解氧與溫度

pH、溶解氧和溫度是影響厭氧氨氧化活性的常見因素，在垃圾滲濾液中各因素波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)對(duì)整個(gè)工藝的處理效果產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)以上因素進(jìn)行一定控制。

pH會(huì)直接影響系統(tǒng)中各種菌群的生長(zhǎng)活性，同時(shí)也會(huì)影響氨氮和游離氨與亞硝態(tài)氮和游離亞硝酸直接的化學(xué)平衡。研究表明厭氧氨氧化菌的最適宜pH為6.5 ～ 8.8[41]。厭氧氨氧化菌為嚴(yán)格厭氧菌，在溶解氧超過0.5%飽和度時(shí)就會(huì)受到抑制。系統(tǒng)的溶解氧濃度要根據(jù)工藝類型，并隨著進(jìn)水水質(zhì)的變化而進(jìn)行調(diào)整。而且研究者普遍認(rèn)為厭氧氨氧化菌最適宜生長(zhǎng)溫度為35 ～ 40 ℃。

2.4 鹽度與金屬離子

鹽度高是晚期垃圾滲濾液的重要特點(diǎn)，厭氧氨氧化菌在自然界中有廣泛的存在。金屬離子是影響污水處理中微生物活性的常見因素。除常見金屬元素Ca2+、Mg2+、Fe2+等外，垃圾滲濾液中還有可能含有Cd、Hg等重金屬。而采用Anammox處理垃圾滲濾液時(shí)重金屬離子的影響目前并不多見。

3 微生物學(xué)

厭氧氨氧化工藝脫氮涉及多個(gè)功能菌群，厭氧氨氧化工藝應(yīng)用過程中可能涉及的脫氮途徑如圖1所示，在有氧氣條件下AOA與AOB將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，進(jìn)一步經(jīng)NOB氧化為硝態(tài)氮。在完全厭氧條件下，AMX利用氨氮與亞硝態(tài)氮生成氮?dú)馀c硝態(tài)氮，同時(shí)DEN將硝態(tài)氮反硝化為氮?dú)?。在有機(jī)物存在的情況下，系統(tǒng)中也存在硝態(tài)氮異化還原為銨現(xiàn)象，將部分硝態(tài)氮還原為氨氮。

(AOA：氨氧化古菌，AOB：氨氧化細(xì)菌，NOB：亞硝酸鹽氧化菌，AMX：厭氧氨氧化菌，DEN：反硝化菌)

在細(xì)胞水平上，有研究利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各功能菌群進(jìn)行定性分析[24]。Wu等[40]利用定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)對(duì)體系內(nèi)的Anammox菌群進(jìn)行相對(duì)定量，比較不同階段Anammox的生長(zhǎng)狀態(tài)。

隨著分子生物學(xué)手段的不斷發(fā)展，許多研究利用高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)行群落分析。Wu等[31]利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)多級(jí)處理垃圾滲濾液系統(tǒng)中的微生物群落進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)在分析厭氧氨氧化工藝處理實(shí)際廢水中的應(yīng)用還較少。

4 總結(jié)與展望

垃圾滲濾液的排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛，對(duì)節(jié)能降耗的需求與日俱增，采用基于厭氧氨氧化的工藝處理垃圾滲濾液是一種可行的思路。多年來的研究取得了一定的進(jìn)展，推進(jìn)了厭氧氨氧化工藝的工程應(yīng)用。作為一種新型生物技術(shù)，厭氧氨氧化還有許多工程化的問題急需解決，如長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵、影響因素的排除和微生物的作用機(jī)理等。隨著分析手段的發(fā)展，該技術(shù)的研究將進(jìn)一步深入發(fā)展，工程化的應(yīng)用將逐漸成熟。