SIPR反應器滲濾液預處理啟動試驗比較研究
導讀:：垃圾填埋場滲濾液突出的特性有三個：氨氮濃度高。序批式進出水和間歇曝氣。依然是預處理反應器。反應器模型啟動試驗研究。
關鍵詞：滲濾液，序批式，預處理，啟動試驗
1.引言
垃圾填埋場滲濾液突出的特性有三個：氨氮濃度高，對微生物的繁殖和生長有抑制作用;磷濃度低;水質呈非周期性變化幅度大，使污水處理裝置難以適應[1,2,3,4]。傳統生物接觸氧化工藝只考慮含碳有機物和懸浮物的去除，針對高濃度氮、低碳氮比的滲濾液處理效果并不理想。重慶黑石子垃圾滲濾液處理工藝(見圖1)在調節池與接觸氧化池之間增加了強化預處理池，CODCr、NH4+-N平均去除率分別為57.8%、52.0%;BOD5/CODCr值從進水0.27升至出水0.33，滲濾液可生化性得到一定程度提高，為后續好氧處理提供了有利條件。
但黑石子垃圾滲濾液預處理工藝需要進一步完善：TN的平均去除率僅為24.8%;滲濾液可生化性有待進一步提高;冬季低溫運行期，處理效果差。針對黑石子處理工藝局限性序批式，提出序批式強化預處理反應器(Sequencing Batch Intensified PretreatmentReactor，SIPR)，即通過序批進水、間歇曝氣、控制DO和SRT，提供較較優水解條件，促進短程硝化反硝化實現[5,6,7]。
圖1 黒石子垃圾填埋場滲濾液處理工藝流程
Fig1 Leachate treatment process of Heishizilandfill
2. SIPR反應器廢水處理理論基礎
SIPR通過序批進水使得反應器進水之初有機物濃度較高，利于水解反應進行，在一個進水周期結束時，水解兼性菌處于饑餓狀態，這種“盛宴”和“饑餓”的交替環境條件，利于提高兼性水解菌的生物活性;批量周期進水可使進水初期反應器內形成高氨氮濃度，從而形成一定的游離氨濃度，抑制硝酸菌的生長，有利于菌種分離，促進短程硝化[8]。低氧曝氣和攪拌實現反應器中的微氧和缺氧交替的環境，缺氧狀態可以抑制溶解性有機物的快速去除，同時促進水解，微氧條件消耗部分溶解性有機物，避免溶解性有機物過度積累，為下一階段的缺氧水解提供便利條件[9]，從而達到提高滲濾液可生化性的目的;間歇曝氣使溶解氧在時間上、空間上有所變化，又為硝化反硝化的順利實現提供可能。
SIPR序批式進出水和間歇曝氣，與SBR反應器有所不同：處理目的不同，SIPR依然是預處理反應器，它的第一個目的是通過水解反應提高出水可生化性;第二個目的是提高脫氮效能，優化出水營養配比中國。運行方式不同，SIPR通過間歇低強度曝氣，實現反應器微氧(0.5~1.0mg/L)、缺氧(0~0.2mg/L)狀態交替變化，而SBR反應器大都為好氧、缺氧交替運行方式;普通SBR反應器往往需要較長的進水、排水、沉淀和閑置時間，SIPR為實現反應器內不同時間段較大的濃度梯度序批式，瞬間進水排水，沉淀時間也相對較短，不需閑置;SIPR控制相對較短的SRT，旨在實現菌種分離，同時提高生物活性。
因此預處理模型選擇SIPR的目的即為通過序批進水、間歇曝氣以及控制DO濃度和SRT，旨在提高出水可生化性和脫氮效能。同時在常溫和較高溫度條件下旨在實現短程硝化反硝化，節約能耗和反應時間;在溫度較低時(進水滲濾液水溫低于20℃以下，短程硝化反硝化實現較為困難)通過序批式運行，優化反應器運行參數，探索優化出水可生化性和營養配比的實現條件。
3. SIPR反應器模型啟動試驗研究
3.1SIPR與連續流預處理反應器啟動試驗
以黑石子垃圾填埋場強化預處理工藝設計的反應池為原型，采用相似條件為保持弗勞德數不變，制作SIPR預處理試驗模型。為驗證SIPR反應器是否具有更高的處理效能，進行兩種預處理(與黑石子滲濾液處理工藝完全相同的連續流預處理工藝和SIPR預處理工藝)同步試驗。
兩種反應器以不同方式運行：連續流預處理反應器連續進水、連續曝氣，DO=0.8±0.2mg/L;SIPR序批進水、間歇曝氣(曝氣時DO=0.8±0.2mg/L)、攪拌、靜置和排上清液，序批周期12h，曝氣周期(曝氣和停曝攪拌的周期)2h，曝氣比例(反應器一個運行周期的曝氣時間占整個運行周期的比例)60%。注意控制SIPR的SRT，提高微生物活性。
污泥培養初期以經過稀釋的滲濾液為基質，加入適量葡萄糖溶液，控制BOD5/CODCr≥0.5、CODCr/NH4+-N為10左右，為微生物提供合理營養配比。然后逐步減小滲濾液稀釋倍數和葡萄糖投入量。啟動期間進水CODCr、氨氮、TN、TP約4059~4987mg/L、221~1526mg/L、289~2045mg/L、1.80~20.35mg/L，CODCr、氨氮容積負荷分別由0.81kg/(m3·d)、0.04kg/(m3·d)提高至1.12kg/(m3·d)、0.35kg /(m3·d)。
在相同進水濃度、溫度(22±5℃)、HRT(4d)條件下，SIPR反應器較之連續流預處理反應器能在低氧耗量情況實現更高的有機物去除、氨氮轉化率和總氮去除率：啟動試驗完成后CODCr、NH3-N去除率達到68.17%、69.38%，尤其是TN去除率達到64.08%，碳氮比得到優化，為后續好氧生物處理微生物提供良好的成長環境。
3.2啟動期間預處理反應器處理效能對比分析
1)有機物和營養鹽去除效果對比分析
SIPR比連續流預處理池污染物去除效果高，出水水質更穩定。經28天的馴化，SIPR的CODCr去除率迅速升高到65.24%;32天馴化后，SIPR的CODCr去除率穩定在68.17%左右。啟動三周后SIPR的氨氮、TN、TP去除率迅速上升到53.26%、44.09%、29.48%序批式，明顯高于連續流預處理池。而且因硝化菌增殖緩慢，需較長時間才能增殖到充足的數量，SIPR的TN去除率繼續上升。培養50天后，兩種反應器均成功啟動，SIPR的平均出水CODCr、氨氮、TN、TP約為1564mg/L、461mg/L、698mg/L、5.13mg/L，CODCr、氨氮、TN、TP去除率穩定在68.17%、69.38%、64.08%、34.29%以上;連續流預處理反應器的CODCr、氨氮、TN、TP去除率則保持在63~67%、62~68%、25~29%、29~32%之間，其污染物去除率，尤其是總氮去除率明顯低于SIPR。
圖2 啟動期間CODCr處理效能對比分析
Fig. 2 CODCr removalperformance contrast
圖3 啟動期間氨氮處理效能對比分析
Fig. 3 ammonia nitrogen removalperformance contrast
圖4 啟動期間TN處理效能對比分析
Fig. 4 TN removal performancecontrast
圖5 啟動期間TP處理效能對比分析
Fig. 5 TP removal performancecontrast in start-up period
圖6 啟動期間SIPR出水中氮素比例變化
Fig.6 Transformation of nitrogenproportion of SIPR
2)出水可生化性對比
可生化性，表明滲濾液中有機污染物可被微生物降解的程度，是評價該滲濾液處理效能的重要判據。SIPR能否提高滲濾液的可生化性，可以借助幾個指標進行判斷。首先對于以顆粒態有機物含量高的滲濾液而言，隨著反應的進行，顆粒態有機物被轉變為溶解性物質，這樣勢必引起揮發性懸浮固體(MLVSS)的增加。因此通過比較反應前后的VSS的濃度變化了解可生化性提高的幅度，濃度差值越大，表明反應進行程度越好;其次滲濾液中的有機物被水解后的產物，一般是有機酸(VFA)[11]。測定反應前后的VFA濃度的變化可以直接反映水解酸化程度[12];由于水解反應后的產物大都是酸性物質，如此必然引起廢水pH值的降低，觀測pH值的變化也是常采用的方法之一;另有現象需要指出，滲濾液經過水解后溶解性BOD5所占有機物的比例明顯提高。這是因為經過水解反應后原來非BOD5物質，被轉變為易于生物降解的有機物[13]。由于水解的過程涉及的細菌種類、反應產物較多，反應機理復雜，所以這幾個判斷指標不能完全代表過程的全部。對于一個實際的水解過程來說，應該綜合各個指標，從各方面了解反應歷程。
圖7 啟動期間反應器出水可生化性的提高對比
Fig. 7 Increasing of biologicaldegradation ability contrast in start-up period
SIPR出水BOD5/CODCr、VFA明顯高于連續流強化預處理反應器(見圖4.8)。SIPR將難降解大分子物質轉化成易降解小分子物質，使滲濾液BOD5/CODCr和VFA提高。啟動后期(前期加入葡萄糖，進水BOD5/CODCr不能真實反映滲濾液水質)，進水完全為滲濾液，SIPR的平均BOD5/CODCr由進水的0.251升高至0.442序批式，平均VFA由進水的186mg/L提高到584mg/L，其出水接近于易生物降解水質需要的BOD5/CODCr≥0.5，可生化性得到大幅度提高。連續流預處理池出水BOD5/CODCr 為0.303左右，VFA約257mg/L，出水水質距易生物降解的差距較大。
3)出水營養配比對比
氨氮濃度高、碳氮比低是滲濾液的水質特性之一，容易造成微生物營養失衡。作為滲濾液處理系統預處理階段，出水應具有合理的營養配比，這也是后續好氧處理工藝高效運行的必要條件。通過對比SIPR與連續流預處理反應器出水碳氮比(由于氨氮可被水處理微生物直接加以利用[14]，因此以CODCr/NH4+-N作為衡量碳氮比的依據)，確定更能為后續反應提供適宜營養配比的處理方式。在啟動試驗中，當進水CODCr/NH4+-N為3.24~3.51時，SIPR、連續流預處理反應器出水碳氮比分別為3.39~4.03、2.41~2.56。因此，SIPR比連續流預處理反應器更能為后續好氧生物處理提供較好的營養配比。
圖8 啟動期間反應器出水碳氮比的提高對比
Fig.8 increasing of carbon/nitrogenperformance contrast
3.3污泥特性對比分析
從污泥濃度、污泥活性、污泥沉降性能和生物相等方面對兩種反應器的污泥特性進行系統的對比分析。馴化2周后兩反應器污泥MLSS差別不大，SIPR的MLSS降至6.89g/L，MLVSS/MLSS升至0.67，SV達17.5%。連續流預處理反應器降到6.41g/L，MLVSS/MLSS上升到0.63，SV達18.8%。馴化3周后SIPR的MLSS為4.14g/L左右;連續流預處理反應器MLSS降到了3.49g/L。在28天后將SIPR的SRT控制在9d左右，連續流預處理反應器控制在10d左右，此時SIPR污泥由漿糊狀變為絮狀，顏色變淺呈棕褐色，污泥顆粒大，沉降性好。50天后，SIPR的MLSS穩定至3.11g/L左右，MLVSS/MLSS穩定在0.769左右，SV達16.1%;連續流預處理反應器MLSS降至2.02g/L，MLVSS/MLSS保持在0.667~0.712，SV達17.4%。啟動試驗期間SIPR中的MLVSS、MLVSS/MLSS始終明顯高于連續流強化預處理反應器，污泥活性高;SV值更合理序批式，污泥沉降性能好中國網。通過顯微鏡檢測發現SIPR微生物數量明顯多于連續流預處理反應器，包括游泳型纖毛蟲如豆形蟲、漫游蟲、楯纖蟲和原生動物，生物相非常活躍。
4. SIPR預處理的高效性分析
試驗證明在相同進水、溫度、HRT條件下，SIPR在低能耗的條件下較之連續流預處理反應器出水穩定，具有更高的有機物和營養鹽去除效能，出水可生化性提高幅度大，營養配比合理。
SIPR中的基質濃度和微生物濃度是變化的。這期間雖然反應器內呈完全混合狀態，但其基質與微生物濃度變化對于時間來說是一個推流過程。在連續流反應器中，有連續流完全混合式(CSTR)與推流式(PF)兩種極端的流態。在CSTR中的基質濃度等于出水基質濃度。根據生化反應動力學原理，由于反應器中的基質濃度很低，其生化反應推動力也很小，反應速率與去除有機物效率都低。在理想的推移流反應器中，廢水從池首端進入，隨推流狀態沿反應池流動，從池末端流出，但在反應池的各斷面上只有橫向的混合，沒有縱向的返混。在理想的推流式反應器中，作為生化反應推動力的基質從進水的最高濃度逐漸降解至出水時的最低濃度。在整個反應過程，基質濃度沒有被稀釋，盡可能保持了最大的推動力。但在空間上理想的推流狀態是不能實現的，曝氣池中劇烈的曝氣產生嚴重返混現象。因此連續流預處理池中的流態更接近完全混合，推流式生化反應速率及其推動力大的優點在連續流預處理池中遠未發揮出來。而SIPR中，雖然在曝氣和攪拌階段，其基質濃度與微生物濃度在反應器的空間變化上呈完全混合狀態，但是隨時間變化卻成理想的推流狀態。這是SIPR較連續流預處理池高效的原因之一。
SIPR較連續流預處理反應器具有較高的有機物去除效能。原因是異養菌和兼性水解菌世代時間相對較短，SIPR控制較短SRT，利于異養菌和水解菌的的生長繁殖，從而提高了反應器中滲濾液的可生化性，并利于有機物的穩定去除;序批進水方式使微生物處于盛宴、饑餓交替的狀態序批式，利于微生物活性的提高;間歇供氧使反應器處于缺氧、微氧交替狀態，促進SIPR利用進水中有機物作為碳源進行反硝化，既可節約這部分有機物氧化所需氧量，又可提高有機物去除率。
SIPR的氨氮、TN去除率較連續流預處理反應器高，而且SIPR抗沖擊負荷能力強，出水較穩定。SIPR初始氨氮濃度較高，促進SIPR短程硝化反硝化，利于低碳氮比滲濾液的生物脫氮。通過周期性曝氣和停曝攪拌，曝氣階段DO濃度控制在0.8mg/L左右，氨氮被氧化，(亞)硝酸鹽積累，為下一階段的反硝化提供基質;停曝攪拌時，DO濃度控制在0~0.2mg/L左右，反應器處于缺氧狀態，反硝化菌利用污水中含碳有機物作為電子供體，將(亞)硝酸鹽氮還原成為氮氣，由此避免了硝態氮在反應器中的過度積累，利于好氧階段的硝化反應。同時控制反應器的SRT在8~10d左右，確保反應器內生物量平衡，以實現生物恒化器的功能中國網。硝化產酸，反硝化作用產堿，通過硝化反硝化作用在同一反應器中實現，SIPR從空間上為反應器實現內部酸堿平衡創造條件。因此SIPR脫氮效能較好，
常規廢水生物除磷是通過厭氧、好氧交替操作，利用活性污泥超量吸磷特性，使細胞含磷量相當高的細菌群體能夠在處理系統的基質競爭中取得優勢，從而達到除磷目的。生物除磷中的聚磷菌能夠過量地、在數量上超過其生理需要從外部環境攝取磷，并將磷以聚合的形態貯藏在菌體內，形成高磷污泥序批式，排出系統外。在好氧條件下，聚磷菌有氧呼吸，不斷地氧化分解其體內儲存的有機物，同時也不斷地通過主動輸送的方式，從外部環境向其體內攝取有機物，由于氧化分解，又不斷放出能量，能量為ADP所獲取，并結合H3PO4而合成ATP。H3PO4除小部分是聚磷菌分解其體內聚磷酸鹽而取得，大部分是聚磷菌利用能量，在透膜酶的催化作用下，從外部將環境中的H3PO4攝入體內，一部分用于合成ATP，另一部分用于合成聚磷酸鹽。在厭氧條件下，聚磷菌體內ATP進行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP[48]。SIPR基質濃度高，微生物活性高，使磷不斷轉化為微生物組分，并以污泥形式被沉淀去除;同時反應器中混合液能夠周期性處于缺氧、好氧交替狀態，利于生物除磷，具有比連續流預處理反應器略高的TP去除率。
SIPR的水解使復雜大分子有機物通過產酸菌胞外酶的作用轉化為簡單的可溶性小分子，如多糖水解為單糖，蛋白質分解為氨基酸，脂肪轉化為鏈脂肪酸和丙三醇等。同時兼性或專性的產酸菌將水解產物轉化為短鏈有機酸、醇、醛等中性化合物，碳水化合物降解為脂肪酸，有機酸產生，VFA值升高。SIPR間歇曝氣，反應器中DO濃度、pH值、氧化還原電位ORP呈周期性變化序批式，尤其是停曝攪拌DO濃度降低，ORP降低，同時pH值略有上升，促進水解反應繼續進行，使滲濾液可生化性得到進一步提高。由于SIPR具有較好的除氨脫氮效能，出水營養配比得到進一步優化，為后續好氧處理創造較好的條件。
同等條件下培養，SIPR中污泥濃度高于連續流預處理反應器，生物種群豐富，污泥活性高，這也是SIPR具有更高去除效能的原因之一。
5.結論
通過采用序批進水、間歇曝氣以及控制DO濃度和SRT的運行方式，水解反應和硝化反硝化在SIPR反應器中得以共同實現，同步提高了預處理出水的可生化性和預處理反應器的脫氮效能;SIPR較連續流預處理反應器具有更高的微生物活性，使預處理出水營養配比良好，為后續好氧生物處理創造了有利條件，是垃圾滲濾液處理中優先選擇的預處理方式。
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