SIPR反应器渗滤液预处理启动试验比较研究
导读:：垃圾填埋场渗滤液突出的特性有三个：氨氮浓度高。序批式进出水和间歇曝气。依然是预处理反应器。反应器模型启动试验研究。
关键词：渗滤液，序批式，预处理，启动试验
1.引言
垃圾填埋场渗滤液突出的特性有三个：氨氮浓度高，对微生物的繁殖和生长有抑制作用;磷浓度低;水质呈非周期性变化幅度大，使污水处理装置难以适应[1,2,3,4]。传统生物接触氧化工艺只考虑含碳有机物和悬浮物的去除，针对高浓度氮、低碳氮比的渗滤液处理效果并不理想。重庆黑石子垃圾渗滤液处理工艺(见图1)在调节池与接触氧化池之间增加了强化预处理池，CODCr、NH4+-N平均去除率分别为57.8%、52.0%;BOD5/CODCr值从进水0.27升至出水0.33，渗滤液可生化性得到一定程度提高，为后续好氧处理提供了有利条件。
但黑石子垃圾渗滤液预处理工艺需要进一步完善：TN的平均去除率仅为24.8%;渗滤液可生化性有待进一步提高;冬季低温运行期，处理效果差。针对黑石子处理工艺局限性序批式，提出序批式强化预处理反应器(Sequencing Batch Intensified PretreatmentReactor，SIPR)，即通过序批进水、间歇曝气、控制DO和SRT，提供较较优水解条件，促进短程硝化反硝化实现[5,6,7]。
图1 黒石子垃圾填埋场渗滤液处理工艺流程
Fig1 Leachate treatment process of Heishizilandfill
2. SIPR反应器废水处理理论基础
SIPR通过序批进水使得反应器进水之初有机物浓度较高，利于水解反应进行，在一个进水周期结束时，水解兼性菌处于饥饿状态，这种“盛宴”和“饥饿”的交替环境条件，利于提高兼性水解菌的生物活性;批量周期进水可使进水初期反应器内形成高氨氮浓度，从而形成一定的游离氨浓度，抑制硝酸菌的生长，有利于菌种分离，促进短程硝化[8]。低氧曝气和搅拌实现反应器中的微氧和缺氧交替的环境，缺氧状态可以抑制溶解性有机物的快速去除，同时促进水解，微氧条件消耗部分溶解性有机物，避免溶解性有机物过度积累，为下一阶段的缺氧水解提供便利条件[9]，从而达到提高渗滤液可生化性的目的;间歇曝气使溶解氧在时间上、空间上有所变化，又为硝化反硝化的顺利实现提供可能。
SIPR序批式进出水和间歇曝气，与SBR反应器有所不同：处理目的不同，SIPR依然是预处理反应器，它的第一个目的是通过水解反应提高出水可生化性;第二个目的是提高脱氮效能，优化出水营养配比中国。运行方式不同，SIPR通过间歇低强度曝气，实现反应器微氧(0.5~1.0mg/L)、缺氧(0~0.2mg/L)状态交替变化，而SBR反应器大都为好氧、缺氧交替运行方式;普通SBR反应器往往需要较长的进水、排水、沉淀和闲置时间，SIPR为实现反应器内不同时间段较大的浓度梯度序批式，瞬间进水排水，沉淀时间也相对较短，不需闲置;SIPR控制相对较短的SRT，旨在实现菌种分离，同时提高生物活性。
因此预处理模型选择SIPR的目的即为通过序批进水、间歇曝气以及控制DO浓度和SRT，旨在提高出水可生化性和脱氮效能。同时在常温和较高温度条件下旨在实现短程硝化反硝化，节约能耗和反应时间;在温度较低时(进水渗滤液水温低于20℃以下，短程硝化反硝化实现较为困难)通过序批式运行，优化反应器运行参数，探索优化出水可生化性和营养配比的实现条件。
3. SIPR反应器模型启动试验研究
3.1SIPR与连续流预处理反应器启动试验
以黑石子垃圾填埋场强化预处理工艺设计的反应池为原型，采用相似条件为保持弗劳德数不变，制作SIPR预处理试验模型。为验证SIPR反应器是否具有更高的处理效能，进行两种预处理(与黑石子渗滤液处理工艺完全相同的连续流预处理工艺和SIPR预处理工艺)同步试验。
两种反应器以不同方式运行：连续流预处理反应器连续进水、连续曝气，DO=0.8±0.2mg/L;SIPR序批进水、间歇曝气(曝气时DO=0.8±0.2mg/L)、搅拌、静置和排上清液，序批周期12h，曝气周期(曝气和停曝搅拌的周期)2h，曝气比例(反应器一个运行周期的曝气时间占整个运行周期的比例)60%。注意控制SIPR的SRT，提高微生物活性。
污泥培养初期以经过稀释的渗滤液为基质，加入适量葡萄糖溶液，控制BOD5/CODCr≥0.5、CODCr/NH4+-N为10左右，为微生物提供合理营养配比。然后逐步减小渗滤液稀释倍数和葡萄糖投入量。启动期间进水CODCr、氨氮、TN、TP约4059~4987mg/L、221~1526mg/L、289~2045mg/L、1.80~20.35mg/L，CODCr、氨氮容积负荷分别由0.81kg/(m3·d)、0.04kg/(m3·d)提高至1.12kg/(m3·d)、0.35kg /(m3·d)。
在相同进水浓度、温度(22±5℃)、HRT(4d)条件下，SIPR反应器较之连续流预处理反应器能在低氧耗量情况实现更高的有机物去除、氨氮转化率和总氮去除率：启动试验完成后CODCr、NH3-N去除率达到68.17%、69.38%，尤其是TN去除率达到64.08%，碳氮比得到优化，为后续好氧生物处理微生物提供良好的成长环境。
3.2启动期间预处理反应器处理效能对比分析
1)有机物和营养盐去除效果对比分析
SIPR比连续流预处理池污染物去除效果高，出水水质更稳定。经28天的驯化，SIPR的CODCr去除率迅速升高到65.24%;32天驯化后，SIPR的CODCr去除率稳定在68.17%左右。启动三周后SIPR的氨氮、TN、TP去除率迅速上升到53.26%、44.09%、29.48%序批式，明显高于连续流预处理池。而且因硝化菌增殖缓慢，需较长时间才能增殖到充足的数量，SIPR的TN去除率继续上升。培养50天后，两种反应器均成功启动，SIPR的平均出水CODCr、氨氮、TN、TP约为1564mg/L、461mg/L、698mg/L、5.13mg/L，CODCr、氨氮、TN、TP去除率稳定在68.17%、69.38%、64.08%、34.29%以上;连续流预处理反应器的CODCr、氨氮、TN、TP去除率则保持在63~67%、62~68%、25~29%、29~32%之间，其污染物去除率，尤其是总氮去除率明显低于SIPR。
图2 启动期间CODCr处理效能对比分析
Fig. 2 CODCr removalperformance contrast
图3 启动期间氨氮处理效能对比分析
Fig. 3 ammonia nitrogen removalperformance contrast
图4 启动期间TN处理效能对比分析
Fig. 4 TN removal performancecontrast
图5 启动期间TP处理效能对比分析
Fig. 5 TP removal performancecontrast in start-up period
图6 启动期间SIPR出水中氮素比例变化
Fig.6 Transformation of nitrogenproportion of SIPR
2)出水可生化性对比
可生化性，表明渗滤液中有机污染物可被微生物降解的程度，是评价该渗滤液处理效能的重要判据。SIPR能否提高渗滤液的可生化性，可以借助几个指标进行判断。首先对于以颗粒态有机物含量高的渗滤液而言，随着反应的进行，颗粒态有机物被转变为溶解性物质，这样势必引起挥发性悬浮固体(MLVSS)的增加。因此通过比较反应前后的VSS的浓度变化了解可生化性提高的幅度，浓度差值越大，表明反应进行程度越好;其次渗滤液中的有机物被水解后的产物，一般是有机酸(VFA)[11]。测定反应前后的VFA浓度的变化可以直接反映水解酸化程度[12];由于水解反应后的产物大都是酸性物质，如此必然引起废水pH值的降低，观测pH值的变化也是常采用的方法之一;另有现象需要指出，渗滤液经过水解后溶解性BOD5所占有机物的比例明显提高。这是因为经过水解反应后原来非BOD5物质，被转变为易于生物降解的有机物[13]。由于水解的过程涉及的细菌种类、反应产物较多，反应机理复杂，所以这几个判断指标不能完全代表过程的全部。对于一个实际的水解过程来说，应该综合各个指标，从各方面了解反应历程。
图7 启动期间反应器出水可生化性的提高对比
Fig. 7 Increasing of biologicaldegradation ability contrast in start-up period
SIPR出水BOD5/CODCr、VFA明显高于连续流强化预处理反应器(见图4.8)。SIPR将难降解大分子物质转化成易降解小分子物质，使渗滤液BOD5/CODCr和VFA提高。启动后期(前期加入葡萄糖，进水BOD5/CODCr不能真实反映渗滤液水质)，进水完全为渗滤液，SIPR的平均BOD5/CODCr由进水的0.251升高至0.442序批式，平均VFA由进水的186mg/L提高到584mg/L，其出水接近于易生物降解水质需要的BOD5/CODCr≥0.5，可生化性得到大幅度提高。连续流预处理池出水BOD5/CODCr 为0.303左右，VFA约257mg/L，出水水质距易生物降解的差距较大。
3)出水营养配比对比
氨氮浓度高、碳氮比低是渗滤液的水质特性之一，容易造成微生物营养失衡。作为渗滤液处理系统预处理阶段，出水应具有合理的营养配比，这也是后续好氧处理工艺高效运行的必要条件。通过对比SIPR与连续流预处理反应器出水碳氮比(由于氨氮可被水处理微生物直接加以利用[14]，因此以CODCr/NH4+-N作为衡量碳氮比的依据)，确定更能为后续反应提供适宜营养配比的处理方式。在启动试验中，当进水CODCr/NH4+-N为3.24~3.51时，SIPR、连续流预处理反应器出水碳氮比分别为3.39~4.03、2.41~2.56。因此，SIPR比连续流预处理反应器更能为后续好氧生物处理提供较好的营养配比。
图8 启动期间反应器出水碳氮比的提高对比
Fig.8 increasing of carbon/nitrogenperformance contrast
3.3污泥特性对比分析
从污泥浓度、污泥活性、污泥沉降性能和生物相等方面对两种反应器的污泥特性进行系统的对比分析。驯化2周后两反应器污泥MLSS差别不大，SIPR的MLSS降至6.89g/L，MLVSS/MLSS升至0.67，SV达17.5%。连续流预处理反应器降到6.41g/L，MLVSS/MLSS上升到0.63，SV达18.8%。驯化3周后SIPR的MLSS为4.14g/L左右;连续流预处理反应器MLSS降到了3.49g/L。在28天后将SIPR的SRT控制在9d左右，连续流预处理反应器控制在10d左右，此时SIPR污泥由浆糊状变为絮状，颜色变浅呈棕褐色，污泥颗粒大，沉降性好。50天后，SIPR的MLSS稳定至3.11g/L左右，MLVSS/MLSS稳定在0.769左右，SV达16.1%;连续流预处理反应器MLSS降至2.02g/L，MLVSS/MLSS保持在0.667~0.712，SV达17.4%。启动试验期间SIPR中的MLVSS、MLVSS/MLSS始终明显高于连续流强化预处理反应器，污泥活性高;SV值更合理序批式，污泥沉降性能好中国网。通过显微镜检测发现SIPR微生物数量明显多于连续流预处理反应器，包括游泳型纤毛虫如豆形虫、漫游虫、楯纤虫和原生动物，生物相非常活跃。
4. SIPR预处理的高效性分析
试验证明在相同进水、温度、HRT条件下，SIPR在低能耗的条件下较之连续流预处理反应器出水稳定，具有更高的有机物和营养盐去除效能，出水可生化性提高幅度大，营养配比合理。
SIPR中的基质浓度和微生物浓度是变化的。这期间虽然反应器内呈完全混合状态，但其基质与微生物浓度变化对于时间来说是一个推流过程。在连续流反应器中，有连续流完全混合式(CSTR)与推流式(PF)两种极端的流态。在CSTR中的基质浓度等于出水基质浓度。根据生化反应动力学原理，由于反应器中的基质浓度很低，其生化反应推动力也很小，反应速率与去除有机物效率都低。在理想的推移流反应器中，废水从池首端进入，随推流状态沿反应池流动，从池末端流出，但在反应池的各断面上只有横向的混合，没有纵向的返混。在理想的推流式反应器中，作为生化反应推动力的基质从进水的最高浓度逐渐降解至出水时的最低浓度。在整个反应过程，基质浓度没有被稀释，尽可能保持了最大的推动力。但在空间上理想的推流状态是不能实现的，曝气池中剧烈的曝气产生严重返混现象。因此连续流预处理池中的流态更接近完全混合，推流式生化反应速率及其推动力大的优点在连续流预处理池中远未发挥出来。而SIPR中，虽然在曝气和搅拌阶段，其基质浓度与微生物浓度在反应器的空间变化上呈完全混合状态，但是随时间变化却成理想的推流状态。这是SIPR较连续流预处理池高效的原因之一。
SIPR较连续流预处理反应器具有较高的有机物去除效能。原因是异养菌和兼性水解菌世代时间相对较短，SIPR控制较短SRT，利于异养菌和水解菌的的生长繁殖，从而提高了反应器中渗滤液的可生化性，并利于有机物的稳定去除;序批进水方式使微生物处于盛宴、饥饿交替的状态序批式，利于微生物活性的提高;间歇供氧使反应器处于缺氧、微氧交替状态，促进SIPR利用进水中有机物作为碳源进行反硝化，既可节约这部分有机物氧化所需氧量，又可提高有机物去除率。
SIPR的氨氮、TN去除率较连续流预处理反应器高，而且SIPR抗冲击负荷能力强，出水较稳定。SIPR初始氨氮浓度较高，促进SIPR短程硝化反硝化，利于低碳氮比渗滤液的生物脱氮。通过周期性曝气和停曝搅拌，曝气阶段DO浓度控制在0.8mg/L左右，氨氮被氧化，(亚)硝酸盐积累，为下一阶段的反硝化提供基质;停曝搅拌时，DO浓度控制在0~0.2mg/L左右，反应器处于缺氧状态，反硝化菌利用污水中含碳有机物作为电子供体，将(亚)硝酸盐氮还原成为氮气，由此避免了硝态氮在反应器中的过度积累，利于好氧阶段的硝化反应。同时控制反应器的SRT在8~10d左右，确保反应器内生物量平衡，以实现生物恒化器的功能中国网。硝化产酸，反硝化作用产碱，通过硝化反硝化作用在同一反应器中实现，SIPR从空间上为反应器实现内部酸碱平衡创造条件。因此SIPR脱氮效能较好，
常规废水生物除磷是通过厌氧、好氧交替操作，利用活性污泥超量吸磷特性，使细胞含磷量相当高的细菌群体能够在处理系统的基质竞争中取得优势，从而达到除磷目的。生物除磷中的聚磷菌能够过量地、在数量上超过其生理需要从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形态贮藏在菌体内，形成高磷污泥序批式，排出系统外。在好氧条件下，聚磷菌有氧呼吸，不断地氧化分解其体内储存的有机物，同时也不断地通过主动输送的方式，从外部环境向其体内摄取有机物，由于氧化分解，又不断放出能量，能量为ADP所获取，并结合H3PO4而合成ATP。H3PO4除小部分是聚磷菌分解其体内聚磷酸盐而取得，大部分是聚磷菌利用能量，在透膜酶的催化作用下，从外部将环境中的H3PO4摄入体内，一部分用于合成ATP，另一部分用于合成聚磷酸盐。在厌氧条件下，聚磷菌体内ATP进行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP[48]。SIPR基质浓度高，微生物活性高，使磷不断转化为微生物组分，并以污泥形式被沉淀去除;同时反应器中混合液能够周期性处于缺氧、好氧交替状态，利于生物除磷，具有比连续流预处理反应器略高的TP去除率。
SIPR的水解使复杂大分子有机物通过产酸菌胞外酶的作用转化为简单的可溶性小分子，如多糖水解为单糖，蛋白质分解为氨基酸，脂肪转化为链脂肪酸和丙三醇等。同时兼性或专性的产酸菌将水解产物转化为短链有机酸、醇、醛等中性化合物，碳水化合物降解为脂肪酸，有机酸产生，VFA值升高。SIPR间歇曝气，反应器中DO浓度、pH值、氧化还原电位ORP呈周期性变化序批式，尤其是停曝搅拌DO浓度降低，ORP降低，同时pH值略有上升，促进水解反应继续进行，使渗滤液可生化性得到进一步提高。由于SIPR具有较好的除氨脱氮效能，出水营养配比得到进一步优化，为后续好氧处理创造较好的条件。
同等条件下培养，SIPR中污泥浓度高于连续流预处理反应器，生物种群丰富，污泥活性高，这也是SIPR具有更高去除效能的原因之一。
5.结论
通过采用序批进水、间歇曝气以及控制DO浓度和SRT的运行方式，水解反应和硝化反硝化在SIPR反应器中得以共同实现，同步提高了预处理出水的可生化性和预处理反应器的脱氮效能;SIPR较连续流预处理反应器具有更高的微生物活性，使预处理出水营养配比良好，为后续好氧生物处理创造了有利条件，是垃圾渗滤液处理中优先选择的预处理方式。
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