膜生物反应器(MBR)处理垃圾渗滤液的脱氮研究

生态环境学报２０１１，２０（４）：７０６－７１０　Ｅｃｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｅｅｓｃｉ．ｃｏｒｎ　Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｄｉｔｏｒ＠ｊｅｅｓｃｉ．ｏｏｍ　

膜生物反应器（ＭＢＲ）处理垃圾渗滤液的脱氮研究　

欧阳科　，黎丽华　，陈媛。，谢珊　

１．广东省五邑大学化工与环境工程学院，广东江门５２９０２０；２．深圳市宗兴环保科技有限公司，广东深圳５１８１７２　

３．广东省江门市碧源污水治理有限公司，广东江门５２９０２０　

摘要：采用一体式ＭＢＲ处理垃圾渗滤液，系统考察ＭＢＲ对ＣＯＤ、ＮＩ－Ｉ４＋一Ｎ和ＴＮ的去除效果。结果表明：可将垃圾渗滤　液的ＣＯＤ降至６５０～１　５００　ｍｇ・Ｌ　范围；在ＨＲＴ为１．５　ｄ、ＤＯ为０．７５～１．２０　ｍｇ・Ｌ～、不排泥条件下运行时，对ＴＮ质量浓度低　于２　３００　ｍｇ・Ｌ～、容积负荷低于Ｏ．２５　ｋｇ・ｍ　・ｄ　（以Ｎ计）的渗滤液进行处理，ＭＢＲ对ＮＨ４＋－Ｎ与ＴＮ的去除率可分别达到８７％　和７２％以上。在ＭＢＲ处理垃圾渗滤液的运行中发现，膜的污染速度较快，并且呈现“两段性”的规律，采用碱＋氧化剂的清　洗方式可有效去除膜污染，降低过膜压力。　关键词：膜生物反应器；同步硝化反硝化；垃圾渗滤液；膜污染　

中图分类号：Ｘ７０５　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４．５９０６（２０１１）０４．０７０６．０５　

垃圾渗滤液是垃圾在填埋过程中产生的二次　

污染物，其中含有高浓度的有机污染物、氨氮　（ＮＨ４＋－Ｎ）和无机离子，如果收集或处理不当，将对　周围环境造成极大危害【１］。因此垃圾渗滤液的处理　

是影响填埋成功与否的关键因素之一。要提高垃圾　

渗滤液处理效果，脱氮是关键步骤。关于硝化．反硝　

化的理论已经很成熟，但对于垃圾渗滤液这种特殊　水质，ＴＮ去除仍然有待于深人研究。　

近年来，由于膜生物反应器（ＭＢＲ）具有去除效　能高、占地面积小的优点【２－４】，在垃渗滤液处理中受　

到广泛的关注【５　】，膜的高效截留作用，使反应器可　

以维持较高的污泥质量浓度，硝化菌不易流失，硝　

化能力和抗冲击负荷能力较强，在控制适宜ＤＯ的　情况下，理论上较易实现同步硝化和反硝化效应　（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＳＮＤ）　０］，　

同步硝化反硝化（ＳＮＤ）具有节省占地面积、运行费　

用低等优点，本试验采用一体式ＭＢＲ工艺，考察　

在曝气好氧条件下实现垃圾渗滤液的同步硝化反　硝化，同时考察了膜污染的状况，以期为膜生物反　

应器处理垃圾渗滤液提供参考依据。　

１　实验装置、材料与方法　

本试验采用的ＭＢＲ装置如图１所示。膜组件　为浙江大学生产的聚丙烯中空纤维膜（ＰＰ膜），膜　孔径为０．１　ｍ。反应器的有效体积均为６０　Ｌ，膜面　积为０．２　１ＴＩ２。膜组件的出水方式采用抽吸式，膜外　

部进水，内部间歇抽吸出　抽吸泵１０　ｍｉｎ开、３　ｒａｉｎ　

关），膜下方采用小孔鼓风曝气。水力停留时间　（ＨＲＴ）为１．５　ｄ左右，运行期间除了取样外反应器　

不排泥，接种污泥取自广东某污水厂，接种污泥浓　图１实验装置　Ｆｉｇ．１　ｔｈｅ　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆｔｈｅ　ＭＢＲ　馨　出漉　

度为３．０　ｇ・Ｌ～，试验开始前驯化一个月。　试验期间主要监￣Ｉ］ＣＯＤ、ＮＨ４　－Ｎ、ＭＬＳＳ、ＤＯ、　

ｐＨ值等，各项指标均采用《水和废水监测分析方法》　（第四版）　ｌＪ进行检测。试验所用垃圾渗滤液采自　

广东某垃圾填埋场的ＳＢＲ处理工艺调节池，已过格　

栅，渗滤液原液水样中ＣＯＤ质量浓度范围　４　０００～９　０００　ｍｇ・Ｌ一，ＮＨ４－Ｎ质量浓度范围９３０￣２　１　００　

ｍｇ・Ｌ～，ＴＮ质量浓度范围１　２００￣２　３００　ｍｇ・Ｌ一，ｐＨ值　

约为６．５～８左右。　２结果与讨论　

２．１　对ＣｏＤ的去除　

试验所用污泥取某渗滤液处理厂的ＳＢＲ池，该　

污泥具有较强的硝化能力。起始ＭＬＶＳＳ为３．０　

ｇ－Ｌ～。按生活污水：垃圾渗滤液为４：１、２：１、１：２　比例进行连续运行，每阶段２７　ｄ左右，最后进水为　

渗滤液原液，期间进出水的ＣＯＤ质量浓度变化如　

图２所示　

基金项目：国家自然科学基金项目（５０９７８２４６）；广东省高校优秀青年创新人才项目（ＬＹＭｌＯ１２９）　作者简介：欧阳科（１９７８年生），男，讲师，博士，主要从事固废资源化和水处理方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｙｕｃｈｅｍｏｙｋ＠１２６．ｃｏｒｎ　收稿日期：２０１１－０３．

２９　欧阳科等：膜生物反应器（ＭＢＲ）处理垃圾渗滤液的脱氮研究　７０７　

０　２０　４０　６０　８０　１００　１２０　１４０　ｆ（运行）坩　图２　ＣＯＤ的降解效果　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆＣＯＤ　●进水　

口出水　

＿矗击隙率　

阶段Ｉ：第ｌ—第２７天，系统进水中生活污水：　垃圾渗滤液为４：１，平均进水质量浓度为１　８６５　

ｍｇ・Ｌ～。在该阶段，由于生活污水所占比例较高，　

可生化性好，因此ＣＯＤ的去除率较高，平均去除　率为８０％，出水质量浓度平均值为３５０　ｍｇ・Ｌ～。ＭＢＲ　

对有机物的去除效果来自两方面：一方面是生物反　

应器中的活性污泥对有机物的降解作用；另一方面　是膜对有机物的截留、吸附等作用。本试验进水中　

含有较多的可溶但难以生物降解的有机物，这类物　

质不能被微滤膜有效截留，出水ＣＯＤ质量浓度相　比运行生活污水阶段高（数据未列出），而且随着　

垃圾渗滤液比例的加大，进水中所含的这些物质质　量浓度也越高，因此导致了出水ＣＯＤ质量浓度也　

越来越高。　

阶段ＩＩ：第２７—第５４天，系统进水为生活污　水与渗滤液原液按２：１的比例混合后的水，其　

ＣＯＤ平均质量浓度为３　０３０　ｍｇ・Ｌ。左右，相比阶段　

Ｉ提高７０％，系统出水ＣＯＤ质量浓度有所上升，为　

４２０　ｍｇ・Ｌ　左右，提高２０％，一方面，由于进水ＣＯＤ　质量浓度升高，导致可溶性难生物降解有机物的浓　

度也提高了，另一方面说明该进水可生化性较好，　活性污泥对ＣＯＤ的降解能力很强。　

阶段ＩＩＩ：第５４—第７８天，系统进水中生活污　

水与渗滤液原液的比例提高到１：２，进水ＣＯＤ平　

均质量浓度为５　１００　ｍｇ・Ｌ　左右，由于垃圾渗滤液　

水质变化剧烈，而随着渗滤液比例提高，生活污水　对渗滤液的稀释作用逐渐减弱，因此该阶段的进水　

水质波动较大，从３　７９０。６　１９５　ｍｇ・　，系统出水　

ＣＯＤ平均为９５０　ｍｇ・Ｌ～。　阶段ＩＶ：第７８—第１２０天，进水为渗滤液原水，　

其ＣＯＤ平均质量浓度提高至６　２００　ｍｇ・Ｌ～，出水　ＣＯＤ质量浓度平均值为１　１００　ｍｇ・Ｌ一，同时进水　

ＮＨ４＿Ｎ质量浓度也大幅度增加，高浓度的ＮＨ４一Ｎ对　

微生物产生了毒害作用。总体而言，出水中的ＣＯＤ　

一直持续增加，一方面是由于进水中的难降解有机　

物的增加，同时高浓度的ＮＨ４一Ｎ导致微生物对ＣＯＤ　２。００　

００　军　毫　００　

５Ｏ０　

０　ｌＯＯ　１　●进水ＣＯＤ　

６０　口ｔＢ￣ＣＯＤ　

４０—　

０　０　２０　４０　６０　８０　ｌ００　ｌ２０　ｌ４０　Ｉ（运行），ｄ　

图３　ＮＨ．一Ｎ的降解效果　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆＮＨ４－Ｎ　

的降解能力下降。　

２．２对ＮＨ４一Ｎ的降解　图３是试验期间进、　出水氨氮质量浓度的变　

化图。在阶段ＩＩ，进水氨氮平均质量浓度提高到６００　

ｍｇ・Ｌ～，出水ＮＨ４一Ｎ质量浓度５５　ｍｇ・Ｌ～，对氨氮的　平均去除率超过９０％。阶段ＩＩＩ，第５４天，进水中　

的渗滤液与生活污水比例提升至２：１，此时进水氨　

氮质量浓度提高至１　０６６　ｍｇ・Ｌ　左右，出水ＮＨ４－Ｎ　

质量浓度急剧升高，达到４１２　ｍｇ・Ｌ～，去除率从第　５１天的９３％迅速下降至第５４天的６１％，然后逐步　

恢复，在阶段Ⅳ初始时也出现了相关的现象，而阶　段Ｉ到阶段ＩＩ没有出现这种现象，这表明，当提高　

ＮＨ４－Ｎ质量浓度超过１　０００　ｍｇ・Ｌ　后，高浓度ＮＨ４－Ｎ　会对硝化菌产生毒害作用，经过８—１０　ｄ左右的驯化　

后，系统硝化功能有所恢复，但平均去除率下降到　

８０％，这也和反应器内的溶解氧浓度有关，由于　

ＭＢＲ内的污泥浓度逐渐增加，而进水ＮＨ４一Ｎ质量　浓度也逐渐增加，导致反应器内的溶解氧持续下　

降，这抑制了硝化菌的硝化过程，导致出水Ｎ　－Ｎ　质量浓度增加，从而最终ＴＮ的去除率也下降了（见　

图４）。　

２．３　ＴＮ的去除　ＭＢＲ的膜具有高效截留作用，通常不排泥情　

况下，ＭＢＲ反应器污泥浓度比较高，本试验中，　

ＭＬＳＳ最高能达到８．１　ｇ－Ｌ～，为了防止膜污染，试　验中在膜组件的正下方微孔曝气冲刷膜表面，同时　

５０　１Ｏ０　ｆ（运行），ｄ　图４　ＴＮ的降解效果　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆＴＮ　ｍｒｇＬ　口　出水ＴＮ　ｍｒ，／Ｌ　—１　ＤＯ　舢　㈣　蛐　舢　螂　。　一一　．暑日）『《０ｏ０一

　７０８　生态环境学报第２Ｏ卷第４期（２０１１年４月）　

给污泥充氧，并对整个混合液体系进行搅拌，但在　

这么高污泥浓度条件下，ＭＢＲ混合液并不会处于　完全均匀混合的状态，经常产生局部缺氧区域，因　

此即使在曝气阶段也会出现反硝化现象。　

垃圾渗滤液的ＣＯＤ值相比生活污水要高的多，　

为反硝化菌提供了较充足的碳源，更有利于反硝化　反应的进行。试验期间，ＴＮ的去除率如图４所示，　

从图４可以看出，阶段Ｉ和阶段ＩＩ，ＴＮ的去除效　

果较好，平均去除率可达７８％，出水ＴＮ质量浓度　为１００ｍｇ・Ｌ　左右，出水中无ＮＯ２－Ｎ积累。进入阶　

段Ⅲ后，进一步提升进水中渗滤液的比例，ＴＮ去　除率明显下降，从第５１天的７２％降为第８７天的　

６２％。原因是这期间进水浓度和负荷升高很快，而　

曝气量没有增加，造成溶解氧快速下降，此时产生　了严重的ＮＯ２－Ｎ积累，质量浓度接近３００　ｍｇ・Ｌ　（见　

图５），在ＤＯ限制的情况下，亚硝化菌（ＡＯＢ）对　氧的争夺能力大于硝化菌（ＮＯＢ）［１２－１３］，这样亚硝　

化菌产生的ＮＯ２－Ｎ不能及时被硝化菌转化，从而导　致ＮＯ２＿Ｎ积累，而高浓度的ＮＯ２－Ｎ也抑制了反硝　

化异养菌的生长，使得反硝化过程进行得不完全，　最终导致反应器ＴＮ去除率下降。虽然排放标准没　有对ＮＯ２－Ｎ进行控制，但实际上ＮＯ２－Ｎ比ＮＨ４＋－Ｎ　

的毒性大的多【Ｊ　。　

为消除出水ＮＯ２－Ｎ积累的现象，第９２天时将　曝气强度从１．５　ｍｇ・Ｌｄ提高到５　ｍｇ・Ｌ～，如图５所示，　

其ＤＯ平均值也从０．４ｍｇ・Ｌ　提高到２．５　ｍｇ・Ｌ～，此　时ＮＯ２－Ｎ积累的现象迅速消失，出水质量浓度从第　

８７天的５２２　ｍｇ・Ｌ　下降至第９２天的２３　ｍｇ・Ｌ～，但　总氮的去除率进一步的下降，从第８７天的６２％下　

降到第１００天的５１％。这是因为当Ｄｏ大于２　ｍｇ・Ｌ　

时，氧的传递能力增强，污泥絮体的内部难以形成　局部缺氧状态，此时虽然有利于硝化反应，但是缺　

氧反硝化反应受到抑制，同时ＤＯ太高也会增加好　

氧异养菌竞争降解ＣＯＤ的能力，使得反硝化反应　因无碳源或碳源不足而难以完全进行，在阶段Ⅳ，　

进水中的Ｃ／Ｎ比约为４　ｌ　１，其碳源只能基本满足反　

６。。　５００　躲４０