垃圾滲濾液中高含氮廢水的處理策略.pdf

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1、張永明上海師范大學環境與地理科學學院2023年2月26日杭州垃圾滲濾液垃圾滲濾液中中高含氮廢水的處理策略高含氮廢水的處理策略Strategy for treatment of high nitrogen containing wastewater in landfill leachate1幾幾種種策策略略1.反應器運行模式反應器運行模式2.生物強化的硝化生物強化的硝化/反硝化工藝反硝化工藝3.無污泥循環的無污泥循環的A/O工藝工藝2高濃度含氮高濃度含氮(氨氮、硝酸鹽氮氨氮、硝酸鹽氮)的廢水的廢水 垃圾滲濾液在經過一系列的預處理之后,仍含有濃度非常高的氨氮、硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮.隨著國家對污水排

2、放要求的提高,尤其是對排放廢水中總氮濃度的限制.如何有效去除總氮,日益引起人們的高度重視.其中高效的硝化和反硝化過程尤為重要.3高濃度含氮廢水的特點高濃度含氮廢水的特點 高濃度含氮廢水，主要是指較高濃度的氨氮(NH4+N)和硝酸鹽氮(NO3N)。高濃度含氮廢水的處理相對一般生活污水來說要困難一些，主要由以下原因：1)濃度較高，水力停留時間較長；2)高濃度氨氮本身對微生物的毒性較大，嚴重抑制微生物的生物活性；3)垃圾滲濾液中還含有一些有毒有機物對硝化/反硝化菌有嚴重的抑制。4 生物脫氮主要是指通過反硝化,即用生化的方法將氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽轉化為氮氣.許多異氧微生物能在缺氧條件下產生反硝化作用

3、,但需要有足夠的有機碳源.生物脫硝是在厭氧條件下由異氧微生物完成的,它利用硝酸鹽作為氫受體.多種常見的兼性菌可完成脫硝作用.當氨和硝酸鹽濃度類似于化肥水時,濃氨廢水的硝化和濃硝酸鹽廢水的反硝化已有成功的例子.一、生物脫氮去除廢水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽一、生物脫氮去除廢水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽 5 如果高效的除去或回收硝酸鹽,則可采用離子交換法處理.離子交換法已成功地用于硝酸銨化肥廢水中銨的回收.硝酸銨廢水首先通過強酸性陽離子樹脂除去銨離子.該離子交換往往出水中含有硝酸鹽,這是廢水中的硝酸鹽與樹脂中的氫離子反應所致.從陽離子交換柱中流出的無氨廢水再通過陽離子交換柱,除去硝酸根.最后的出水中所含有銨離

4、子和硝酸鹽濃度均很低,因而可用作補充水.二、離子交換去除廢水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽二、離子交換去除廢水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽 6三、硝酸鹽回收三、硝酸鹽回收 當廢水中硝酸鹽的濃度很高時,可以作為副產品回收.例如硝酸銨,由于其在廢水中濃度很高,所以可以從硝酸銨生產冷凝液中進行回收.該高濃度硝酸鹽廢水可作為原料供給硝酸廠,使其在內部循環,同時提高產率.回收過程可與離子交換、蒸發等預濃縮處理相結合.7 處理硝酸鹽和亞硝酸鹽的其他方法包括化學還原、土地應用及反滲透等.有幾種化學藥劑已被研究用來還原硝酸鹽為氮氣,只有亞鐵離子在經濟上可行,但還沒有工業應用.該工藝中的反硝化過程要求用銅做催化劑,且必須在堿性p

5、H值的條件下進行.硝酸鹽的去除率只有70%,并存在使用大量亞鐵的缺點.四、其他方法去除廢水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽四、其他方法去除廢水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽 8氨鹽的毒性氨鹽的毒性氨的毒性氨的毒性 養殖水域中離子氨(NH4+)允許的最高濃度為每升5mg氮，而分子氨在每升0.21mg氮濃度時,就對大多魚類產生危害。養殖水域中分子氨濃度允許的最高值僅為每升0.1 mgN。滲進生物體內的分子氨(NH3)，將血液中血紅蛋白分子的Fe2+氧化成為Fe3+,降低血液的載氧能力，使呼吸機能下降。氨主要是侵襲粘膜，特別是魚鰓表皮和腸粘膜，其次是神經系統，使魚類等水生動物的肝腎系統遭受破壞;引起體表及內臟充血，嚴重的

6、發生肝昏迷以致死亡。9硝酸鹽和亞硝酸鹽的毒性硝酸鹽和亞硝酸鹽的毒性亞硝酸鹽及其毒性亞硝酸鹽及其毒性 亞硝酸鹽是硝化反應不能完全進行的中間產物，水體溶氧缺乏，水性偏酸，加重了亞硝酸鹽的毒性。此外在秋冬季節，池塘水溫的突然變化，也會阻礙硝化細菌的作用，使亞硝酸鹽的濃度增高。亞硝酸鹽的作用機理主要是通過生物的呼吸，由鰓絲進入血液，與血紅蛋白結合形成高鐵血紅蛋白。血紅蛋白的主要功能是運輸氧氣，而高鐵血紅蛋白不具備這種功能，從而導致養殖生物缺氧，甚至窒息死亡。一般情況下,當水體中亞硝酸鹽濃度達到0.1 mgN/L,就會對養殖生物產生危害。10硝酸鹽和亞硝酸鹽的毒性硝酸鹽和亞硝酸鹽的毒性硝酸鹽或亞硝酸鹽濃

7、度對青海湖發光菌的抑制作用111反應器運行模式12硝化硝化/反硝化反應過程反硝化反應過程硝化過程：(1)NH4+1.5O2 NO2 +H2O+2H+(2)NO2+0.5O2 NO3 總的反應式:(3)NH4+2O2 NO3+H2O+2H+13反硝化過程：(1)NO3+2H+2e NO2 +H2O(2)NO2+3H+3e 0.5N2+H2O+OH合并(1)和(2):(3)NO3+5H+5e 0.5N2+2H2O+OH分批式操作的攪拌槽式反應器(BSTR)基本操作模型 該類反應器的反應物具有相同的反應時間，而反應時間的長短則取決于反應動力學和所要求的反應程度；同時它還需要用于進出物料和清洗等輔助操

8、作時間。分批式操作一個周期過程如下圖所示。14(a)進料(b)反應(c)出料(c)清洗分批式操作過程示意圖？解決方案解決方案(連續操作連續操作)對于微生物反應，可以根據理想生物反應器操作模型的基礎方程來解釋。我們對底物(這里我們針對硝酸鹽)的降解反應動力學進行質量衡算并建立方程。通過該方程，可描述這些狀態變量隨時間變化的規律。通用的質量衡算方程表示為：累積量=輸入量輸出量反應量 或：輸入量=輸出量反應量+累積量 式中 累積量反應器內某組分的變化速率；反應量對底物為其消耗速率。Fm cS0 cX0 cP0Fout cS cX cPVR cS cX cP理想混合生物反應器示意圖15連續操作的攪拌槽

9、式反應器連續操作的攪拌槽式反應器(CSTR)從前面的質量平衡式可以看出，穩定狀態下cX值得大小主要取決于cS0和D。當提高cS0值，可使cX值增加，而cS不變；若提高D值，則cX值下降。下圖表示了CSTR中穩態時的污泥濃度、底物(這里指硝酸鹽)濃度和細胞生成能力隨稀釋率(D)變化的規律。從該圖可明顯看出，操作變量D有兩個重要的特征值需要進行討論。CSTR中穩態cX、cS和rX隨D變化的曲線D/h-1Wash outcX/gL-1cXcSrX=DcX012345rX/gL-1h-1cS/gL-102481012616什么叫稀釋率D?稀釋率：D=F/VRF 進水流量 m3/h;VR 反應器體積 m

10、3.所以D的量綱就是：1/h17FFV如何確定D?為了使一個連續流反應器能正常運行，或者是使出水中污染物的濃度不超標。來看看這個衡算公式：累積量=輸入量輸出量反應量SRSS0SR)(ddrVccFtcV當生物反應穩定時，累積量=0;輸入量輸出量=F(cS0 cS)反應量=VR rSF/VR(cS0 cS)=rS D=rS/(cS0 cS)18硝化過程：NH4+2O2 NO3+H2O+2H+硝化和反硝化過程中的H+和OH 對于初始濃度為1000 mgN/L的含有硝酸鹽的污水來說，當全部轉化后會產生77.8 g/L的OH。會導致溶液的pH上升很多。為了防止溶液的pH上升太多，需要補充酸來抑制pH的

11、上升。如果此時利用硝化反應所生成的H+來中和則是一種經濟的方法。反硝化過程：NO3+5/24 C6H12O6 5/4 CO2+3/4 H2O+1/2 N2+OH 19硝化反應式：NH4+2O2 NO3+H2O+2H+反硝化過程：NO3+5/24 C6H12O6 5/4 CO2+3/4 H2O+1/2 N2+OH硝化和反硝化過程中的H+和OH 20A/O工藝確保廢水在處理過程中不會導致pH波動太大。21連續攪拌的硝化連續攪拌的硝化/反硝化工藝反硝化工藝反硝化過程硝化過程222生物強化的硝化/反硝化工藝2324垃圾滲濾液中存在的有毒有機物的毒性 垃圾滲濾液中往往存在一些對微生物有抑制性的有毒有機物

12、。這些垃圾滲濾液中往往存在一些對微生物有抑制性的有毒有機物。這些有毒污染物的存在往往會抑制硝化和反硝化微生物的生物活性。因此，有毒污染物的存在往往會抑制硝化和反硝化微生物的生物活性。因此，篩選或馴化能降解有毒污染物的微生物菌種，通過生物強化的方法來加篩選或馴化能降解有毒污染物的微生物菌種，通過生物強化的方法來加速硝化和反硝化的速率，是提高垃圾滲濾液脫氮速率的有效方法之一。速硝化和反硝化的速率，是提高垃圾滲濾液脫氮速率的有效方法之一。針對垃圾滲濾液中有抑制針對垃圾滲濾液中有抑制性的有毒有機物篩選培養高效性的有毒有機物篩選培養高效的微生物菌種。的微生物菌種。25馴化耐受高濃度的硝化菌 針對高濃度的

13、含氮廢水，通過針對高濃度的含氮廢水，通過生物馴化，培養出能耐受高濃度氨生物馴化，培養出能耐受高濃度氨氮的活性污泥氮的活性污泥(NAS)，通過生物強化，通過生物強化的方法來加速來加速氨氮的去除速的方法來加速來加速氨氮的去除速率。右圖是率。右圖是NAS與普通活性污泥與普通活性污泥(CAS)去除低濃度氨氮的比較。去除低濃度氨氮的比較。26馴化耐受高濃度的硝化菌 針對高濃度的含氮廢水，通過針對高濃度的含氮廢水，通過生物馴化，培養出能耐受高濃度氨生物馴化，培養出能耐受高濃度氨氮的活性污泥氮的活性污泥(NAS)，通過生物強化，通過生物強化的方法來加速來加速氨氮的去除速的方法來加速來加速氨氮的去除速率。右圖

14、是率。右圖是NAS與普通活性污泥與普通活性污泥(CAS)去除較高氨氮濃度的比較。去除較高氨氮濃度的比較。27馴化的硝化污泥還具有降解抗生素的功能NAS與與CAS比較去除磺胺甲惡唑比較去除磺胺甲惡唑(SMX)28SMX對硝化污泥的抑制作用NAS與與CAS的比較的比較 29氨氮對硝化污泥的抑制作用NAS與與CAS的比較的比較30微生物群落的比較Nitrosomonas11%vs.1%Nitrobacter4.3%vs.1%Dokdonella 41%vs.0.1%PAH 高效微生物生物強化的實驗方法 將富集培養的純菌加入到馴化后的活性污泥內，在具體的降解過程中，研究吡啶、喹啉和NMP的降解和礦化情

15、況，并與不加入純菌時的降解進行對比，說明純菌在生物強化中的作用。31喹啉的生物降解途徑32以喹啉為例：喹啉是一種對硝化和反硝化都有抑制作用的有機物有、無喹啉存在的條件下，有、無喹啉存在的條件下，硝化反應的速率比較硝化反應的速率比較 33喹啉存在的條件下，添加C.testosteroni和R.ruber后，硝化降解速率立刻加速。硝化速率：7.23 mg L1 h1 5.02 mg L1 h1 1.37 mg L1 h134喹啉的降解情況35對比一下硝化反應與羥基喹啉去除的規律36373無污泥循環的A/O工藝38VBBR for replacing UASB39垂直折流式生物反應器(Vertica

16、l Baffled Bioreactor,VBBR)無污泥回流的A/O工藝40采用無污泥 循環的A/O水處理工藝是提高硝化和反硝化效率的重要方法之一。無污泥回流的A/O工藝41采用無污泥 循環的A/O水處理工藝是提高硝化和反硝化效率的重要方法之一。硝化和反硝化速率的比較硝化和反硝化速率的比較42硝化和反硝化污泥中的微生物群落分布43Thauer(陶厄氏菌)和Paracoccus(副球菌):典型的反硝化菌Nitrospira(硝基螺旋體):典型的硝化菌Amaricoccus(阿馬里科球菌屬):典型的異養硝化菌反硝化和硝化污泥中微生物群落分布反硝化和硝化污泥中微生物群落分布44綠彎菌門(Chloroflexi)富集在缺氧反應器內，而伯克氏菌科(Burkholderiaceae)富集在好氧反應器中。而綠彎菌門可能涉及到厭氧氨氧化，這對缺氧反硝化非常有力。而伯克氏菌科具有完全氨氧化(Comammox)的功能。AOB:NH4+1.5O2 NO2+H2O+2H+NOB:NO2+0.5O2 NO3 NH4+2O2 NO3+H2O+2H+傳統的反硝化過程:NO3+5H 0.5N2+2H2O+OH厭氧氨氧化過程:NO2+NH4+N2+2H2O45IIIIVIXXII?46