固定化微生物对渗滤液DTRO出水中氨氮降解的研究*

固定化微生物对渗滤液DTRO出水中氨氮降解的研究*

冯晓娟 冼 萍 唐海芳 李 桃 黄宇钊 黎 洲 黄思荣
(广西大学 环境学院，南宁 530004)

摘要：采用固定化微生物技术处理渗滤液DTRO出水中氨氮，考察不同HRT、DO以及温度对反应体系脱氮的影响。结果表明：反应器驯化周期短，能够有效地去除反应体系中的氨氮和COD，其去除率分别为98.68%、78.19%。驯化后期，反应体系中出现轮虫、累枝虫、寡毛类动物。不同水力停留时间(HRT)、溶解氧(DO)、温度影响固定化微生物脱氮效果，通过试验得出最佳工艺条件为：HRT为5 d，ρ(DO)为4.0 mg/L，温度为25～30 ℃。在最佳工艺条件下，出水为13.01～19.96 mg/L，ρ(COD)为6.78～12.07 mg/L，达GB 16889—2008《垃圾填埋场污染控制标准》。

关键词：固定化微生物；渗滤液；DTRO出水；脱氮

0 引 言

垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水。传统处理工艺很难达到GB 16889—2008《垃圾填埋场污染控制标准》，而碟管式反渗透膜(DTRO)具有通道宽、流程短、湍流强等特点[1]，早先在国外渗滤液的处理中较常见[2]。国内填埋场如广西北海市白水塘填埋场、深圳老虎坑垃圾填埋场[2]、安徽滁州垃圾填埋场[2]等也引进了DTRO技术。DTRO运行初期，工艺稳定，出水水质好，但是随着运行时间的增加，膜组件被渗滤液所污染，DTRO膜易堵塞，压力泵负荷增加，最终导致出水无法达到排放要求[3-4]。通常，此类出水中为70～140 mg/L，ρ(COD)<100 mg/l，电导率为700～1="" 000="">[4]，其中仅氨氮浓度未达排放标准，生物脱氮仍需要一定的碳源。由于该类废水C/N值偏低，采用传统生化法处理工艺需要额外投加大量的碳源，处理成本高[5-6]。固定化微生物技术对碳源需求量低[7]，并能够维持较高的生物量，在低C/N废水脱氮领域中具有巨大的应用潜力。目前，该技术已应用于合成氨工业废水[8-9]、焦化厂废水[10]、畜禽养殖废水脱氮[11]等方面。

本文针对渗滤液DTRO出水不达标问题，采用固定化微生物进行深度处理，考察不同HRT、DO、温度条件下对固定化微生物脱氮效果的影响，确定该技术处理DTRO出水达标排放的最佳工艺条件。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，反应池尺寸为780 mm×100 mm×485 mm，有效容积为30 L，由PVC板制成。在反应池一侧距侧壁80 mm，底面285 mm处安装固定化微生物反应器，具体是在布满孔(φ5 mm)的塑料瓶(φ60 mm×210 mm)内装入曝气头，周围装满固定化微生物载体。载体由陶粒制成，具有较大的比表面积(31.744 m2/g)，装填容量仅占反应装置的1%左右，载体内包埋多种具有特定功能的细菌，其在供氧条件下，载体内的细菌被激活，释放于水中。控制固定化微生物反应器上方的溶解氧，溶解氧随着流体在反应器中扩散，沿程与断面形成“好氧-缺氧”环境，有利于反应装置同步硝化反硝化。在反应器上方安装DO测定仪、pH测定仪以及加热棒。渗滤液DTRO出水由蠕动泵排入反应池，出水溢流至排水收集槽中。

图1 试验装置
Fig.1 Experimental setup

1.2 试验用水

试验用水由382 mg/L氯化铵、108 mg/L葡萄糖以及0.1 mL/L营养液模拟配制而成为90～110 mg/L，ρ(COD)为80～100 mg/L，pH为7.5～8.5，电导率约为1 080 μS/cm。其中营养液配料如表1所述。

表1 营养液配料
Table 1 The ingredients of nutrient solution

药品名称规格含量/(mg·L-1)NaHCO3分析纯1500K3PO4·12H2O分析纯167FeSO4·7H2O分析纯10MgSO4·7H2O分析纯10

1.3 试验方法

试验装置连续进水，整个试验过程通过NaHCO3溶液调节反应池中的pH[12-13]，使其值控制在7.5～8.5[14]。

1)固定化微生物载体的激活及驯化：载体激活阶段，将试验用水稀释1倍，抽入到反应池中，待进水达到恒定水位，停止进水，只进行曝气，控制ρ(DO)为5.0 mg/L，温度为25～30 ℃，适应3 d，采用试验用水置换反应池中的水，继续曝气3 d，完成载体的激活；载体驯化阶段，在载体激活试验的基础上，控制HRT为3 d，连续进水，每隔12 h取1次水样，测得氨氮和COD浓度。

2)HRT对脱氮效果的影响试验：控制ρ(DO)为5.0 mg/L，温度为25～30 ℃，将HRT设置为7，5，3 d，待反应器稳定运行后，每隔12 h取1次水样，测得氨氮和COD浓度。

3)DO对脱氮效果的影响试验：控制温度为25～30 ℃，HRT为5 d，调节ρ(DO)为5.0，4.0，3.0 mg/L，待反应器稳定运行后，每隔12 h取1次水样，测得氨氮和COD浓度。

4)温度对脱氮效果的影响试验：控制ρ(DO)为4.0 mg/L，HRT为5 d，调节温度为25～30 ℃和15～20 ℃，待反应器稳定运行后，每隔12 h取1次水样，测得氨氮和COD浓度。

1.4 分析项目及方法

分析项目包括COD、氨氮、pH、DO、温度和生物相。测定COD采用重铬酸钾法[15]，氨氮采用纳氏试剂法[15]，pH采用便携式pH计测定，DO采用WTW溶解氧仪Oxi3310测定，温度采用温度计测定，生物相观察采用生物显微镜(XSP-BM-2CBAS)。

2 结果和讨论

2.1 固定化微生物载体的驯化

驯化过程中氨氮和COD的变化曲线如图2所示，期间反应体系中出水氨氮和COD浓度均有所降低。由图2a可知：出水氨氮浓度在前3天内急剧降低，浓度低于1 mg/L，去除率达99.33%，从第3天开始，氨氮浓度基本保持不变；由图2b可知：出水COD在前6天内缓慢地升高，第6～7天，出水COD有所降低，第7天以后，出水COD基本保持不变。这是因为驯化初期，反应池内逐渐出现多种功能的细菌菌种，而反应池中的环境更适合硝化细菌的生长繁殖，因此硝化细菌优先于异养菌大量繁殖，硝化细菌迅速地将转化为和出水浓度急剧降低，而异养菌与硝化细菌在反应体系中呈竞争关系，驯化期间硝化细菌大量繁殖，抑制异养菌的生长代谢，异养菌适应反应体系的能力较弱，反应体系中有机物的利用率降低。但是随着驯化时间的增加，异养菌的数量逐渐增加，竞争力逐渐加强，待固定化微生物载体驯化7 d后，硝化细菌与异养菌形成相对稳定的动态环境，出水氨氮和COD浓度基本保持不变。驯化后期，镜检显示反应池中出现寡毛类动物、轮虫、累枝虫等后生动物，则驯化结束。由此可知，固定化微生物驯化周期短，可有效降解渗滤液DTRO出水中的氨氮。

； b—COD。—■—浓度； —▲—去除率。
图2 驯化过程中和COD的变化曲线
Fig.2 Variation curve ofand COD in acclimation process

2.2 HRT对氨氮去除效果的影响

稳定运行中不同HRT对固定化微生物处理氨氮的影响如图3所示。由图3a可知：HRT为3 d时，平均出水为13.74 mg/L，受水力冲击负荷影响，出水为7.76～18.06 mg/L，波动较大。HRT为5 d与7 d时，出水氨氮浓度基本保持一致，去除率均能达到95%以上。由图3b可知：当HRT为3 d和5 d时，COD去除率的波动性大，但是相比HRT为5 d，HRT为3 d时出水有机物浓度明显较低。当HRT为7 d时，出水ρ(COD)稳定在23.00 mg/L左右。氨氮去除效果随HRT的增大而逐渐增强，这是因为HRT过小，水力冲击负荷大，会破坏反应池中的推流作用，体系中的氨氮与微生物无法充分接触，氨氮的去除效果不佳；HRT增大，水力负荷减小，反应池内会形成有利于硝化反硝化细菌生长的“好氧-缺氧”环境，可有效降解氨氮。HRT为5 d时出水COD浓度的波动性比HRT为3 d时大，而且有升高的趋势，一方面是受水力负荷影响，另一方面可能是因为随着HRT的增加，异养菌在反应体系中的竞争力逐渐减弱，导致出水COD浓度逐渐升高。综合图3a、图3b，固定化微生物处理渗滤液DTRO出水中氨氮的最佳HRT为5 d。

； b—COD。—▼—HRT=3 d时浓度； —▽—HRT=3 d时去除率； —▲—HRT=5 d时浓度； —△—HRT=5 d时去除率； —■—HRT=7 d时浓度； —□—HRT=7 d时去除率。
图3 不同HRT条件下和COD的变化曲线
Fig.3 Variation curve ofand COD under different HRT

2.3 DO对氨氮去除效果的影响

图4为稳定运行中不同DO对固定化微生物脱氮效果的影响。由图4a可知：ρ(DO)为3.0 mg/L时，平均出水为37.65 mg/L，去除率仅为62.35%，未达GB 16889—2008标准，随着DO浓度的升高，氨氮去除率逐渐升高。当ρ(DO)为5.0 mg/L时，平均出水仅为3.30 mg/L，去除率达96.70%。由图4b可知：随着DO浓度的升高，反应体系中的出水COD浓度先降低后升高，当ρ(DO)分别为3.0，4.0，5.0 mg/L时，平均出水ρ(COD)分别为21.32，10.58，31.58 mg/L，波动性大。不同脱氮细菌对氧气的需求不同，硝化细菌属于好氧细菌，而绝大多数反硝化细菌属于缺氧细菌，因此在同一个反应池中要同时进行硝化反硝化反应，需严格控制DO浓度，当ρ(DO)为3.0 mg/L时，溶解氧不足，不利于硝化细菌代谢，出水氨氮浓度不符合排放要求，同时异养菌没有充足的氧气，出水有机物浓度偏高，随着DO浓度的升高，逐渐满足硝化细菌对氧气的需求，其生长繁殖加快，将氨氮转化为硝酸盐氮或亚硝酸盐氮，出水氨氮浓度降低，同时有机物的消耗量增加，出水有机物浓度降低，但是当ρ(DO)继续升高至5.0 mg/L时，尽管出水氨氮浓度进一步降低，但是有机物的量不降反升，这是因为当ρ(DO)为5.0 mg/L时，硝化细菌快速生长繁殖的同时与体系中的异养菌进行竞争，硝化细菌在竞争中处于优势地位，抑制了异养菌的繁殖，有机物消耗量减少；另一方面过高的DO浓度提高了氧气的穿透能力，增加了反应体系中好氧区域，破坏了整个体系中稳定的“好氧-缺氧”环境，影响反硝化细菌的代谢活动，反硝化细菌无法消耗碳源导致出水COD浓度升高。

； b—COD。—▼—ρ(DO)=3.0 mg/L时浓度； —▽—ρ(DO)=3.0 mg/L时去除率； —▲—ρ(DO)=4.0 mg/L时浓度； —△—ρ(DO)=4.0 mg/L时去除率； —■—ρ(DO)=5.0 mg/L时浓度； —□—ρ(DO)=5.0 mg/L时去除率。
图4 不同DO条件下和COD的变化曲线
Fig.4 Variation curve ofand COD under different DO concentrations

综合图4a、图4b可知：当ρ(DO)为4.0 mg/L时，出水氨氮浓度波动性较小，平均出水为14.08 mg/L，同时有利于反硝化细菌生长代谢，反应体系中硝化细菌与异养细菌相互竞争形成相对稳定的环境，有利于体系同时脱氮除碳。

2.4 温度对氨氮去除效果的影响

稳定运行中不同温度对固定化微生物处理氨氮的效果如图5所示，当温度为25～30 ℃时，出水为13.01～19.96 mg/L，ρ(COD)为6.78～12.07 mg/L；但当温度为15～20 ℃时，平均出水和ρ(COD)分别高达50.23，54.58 mg/L。温度影响脱氮微生物的活性，不同的脱氮微生物适应不同的温度，温度过高可致微生物失活；温度过低，微生物的代谢活性则会降低。因此，确定固定化微生物处理渗滤液DTRO出水中氨氮的适宜温度为25～30 ℃，若冬天较低的温度影响固定化微生物脱氮效果，可延长水力停留时间[16]，保证出水达标排放。

； b—COD。—■—T=25～30 ℃时浓度； —▲—T=15～20 ℃时浓度； —□—T=25～30 ℃时去除率； —△—T=15～20 ℃时去除率。
图5 不同温度条件下和COD的变化曲线
Fig.5 Variation curve ofand COD at different temperatures

3 结 论

1)采用固定化微生物技术深度处理渗滤液DTRO出水中的氨氮，驯化周期短，出水水质好，氨氮和COD去除率分别为98.68%和78.19%，驯化后期，反应体系中存在大量的微生物群体，如轮虫、累枝虫、寡毛类动物。

2)HRT、DO、温度可影响固定化微生物脱氮效果，保证pH为7.5～8.5时，在最佳HRT为5 d，ρ(DO)为4.0 mg/L，温度为25～30 ℃的条件下，出水为13.01～19.96 mg/L，ρ(COD)为6.78～12.07 mg/L，达GB 16889—2008排放标准。

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REMOVAL OF AMMONIA NITROGEN FROM DTRO TREATED LANDFILL LEACHATE BY IMMOBILIZED MICROORGANISM

FENG Xiao-juan, XIAN Ping, TANG Hai-fang, LI Tao, HUANG Yu-zhao, LI Zhou, HUANG Si-rong
(College of Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Immobilized microorganism technology was applied to treat ammonia nitrogen from the disk tubular reverse osmosis (DTRO) treating landfill leachate. The effect of hydraulic retention time (HRT), dissolved oxygen (DO) and temperature on ammonia nitrogen removal were investigated. The results showed that the domestication time was short and the technology was very efficient for the removal of ammonia nitrogen (98.68%) and COD (78.19%). There wereRotifera,Epistylissp. andoligochaetesin the reactor at the end of domestication. HRT, DO and temperature influenced removal efficiency of ammonia nitrogen significantly. The optimal conditions for HRT, DO and temperature were 5 d, 4.0 mg/L and 25～30 ℃ in the experiment. Under this condition, the concentrations of ammonia nitrogen and COD were 13.01～19.96 mg/L and 6.78～12.07 mg/L， respectively, which met the discharge limit in the Landfill Pollution Control Standard(GB 16889—2008).

Keywords：immobilized microorganism; leachate; effluent of DTRO; denitrification

收稿日期：2016-06-03

DOI：10.13205/j.hjgc.201701003

第一作者：冯晓娟(1990-)，女，硕士，主要从事水污染控制技术的研究工作。[e-mail]

通信作者：冼萍(1960-)，女，教授，博士生导师，主要研究方向为生物质能的热化学转化技术、城镇生活污水及工业废水的治理技术、传质与分离过程的技术开发与应用。[e-mail]

*广西南宁市科技开发产学研合作示范重大专项(20135035)。