晚期垃圾渗滤液短程硝化氮平衡的研究.pdf

晚期垃圾渗滤液短程硝化氮平衡的研究 白轩 1 胡筱敏 1 王艳秋 2 王翠艳 3 单明军 2 1． 东北大学资源与土木工程学院， 沈阳 110004;2． 辽宁科技大学化学工程学院，辽宁 鞍山 114051; 3． 鞍山师范学院化学系，辽宁 鞍山 114005 摘要 为了更有效地控制晚期垃圾渗滤液短程硝化反应过程， 需了解反应器内氮素转化规律。通过氮平衡实验， 对亚 硝酸型硝化反应器反应前后氮素构成进行分析， 了解反应器内氮素转化规律。结果表明 进入反应柱的凯氏氮 包括 氨氮和有机氮 转化成亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 用于合成细胞进入污泥的凯氏氮、 未转化的凯氏氮、 出现的误差及微量 氨吹脱的影响所占的百分比分别为 1. 96 、 0. 83 、 1. 29 、 92. 1 、 3. 82 。同时得出该晚期垃圾渗滤液中氨氮占凯 氏氮比例约为 0. 898， 有机氮可转化成氨氮的比例为 89. 6 。 关键词 氮平衡; 短程硝化; 晚期垃圾渗滤液 STUDY ON NITROGEN BALANCE IN SHORT- CUT NITRIFICATION PROCESS FOR MATURE LANDFILL LEACHATE TREATMENT Bai Xuan1Hu Xiaomin1Wang Yanqiu2Wang Cuiyan3Shan Mingjun2 1． College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China; 2． School of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China; 3． Department of Chemistry，Anshan Normal University，Anshan 114005，China AbstractIn order to control short-cut nitrification process of mature landfill leachate，it is necessary to know the principle of nitrogen transation in reactor． Balance experiment of nitrogen showed the principle of nitrogen transation in reactor through analysis of nitrogen compositions before and after short-cut nitrification．The KN added into the reactor included ammonia and organic nitrogen． The percentages of nitrite，nitrate，KN which was used to synthesize cells in the sludge，KN without transing，and the others after reaction were respectively 1. 96 ，0. 83 ，1. 29 ，92. 1 ，and 3. 82 ． It’ s shown that the opposition of ammoniacal nitrogen to KN is 0. 898，and 89. 6 percentage of organic nitrogen can trans to ammoniacal nitrogen． Keywordsnitrogen balance;short-cut nitrification;mature landfill leachate 0引言 短程硝化是将氨氧化控制在亚硝酸盐阶段的硝 化过程。与全程硝化相比， 短程硝化具有能耗低、 反 应速率快和剩余污泥产量少等优点 ［1］。短程硝化反 硝化、 短程硝化厌氧氨氧化等新型脱氮工艺处理晚期 垃圾渗滤液在实验室以及工程实际中得到越来越广 泛的应用。 氮在水体中以多种形态存在， 一般分为无机氮和 有机氮 ［2］。无机氮包括氨态氮 简称氨氮 和硝态 氮。氨氮 包 括 游 离 态 氨 氮 NH3-N 和 离 子 态 铵 氮 NH 4 -N 两部分。硝态氮包括硝酸盐氮 NO － 3 -N 和亚 硝酸盐氮 NO － 2 -N。废水中有机氮和氨氮的总量称为 总凯氏氮 Total Kieldahi Nitrogen ， 常用 KN 来表示。 渗滤液生物处理过程也是氮存在形态转变的过程， 包 括氮素在空气、 水体及污泥中的转移 ［3- 4］。因此， 通过 氮平衡实验中各氮素的迁移与转化研究， 掌握参与生 物反应的各氮素状况， 一方面为工艺分析及生物反应 动力学分析提供实验数据， 修正所建立动力学模式中 参数的误差， 另一方面也是检验工艺分析及所建立的 动力学模式准确性和可信性的重要手段。 1实验材料及方法 1. 1实验用水及装置 1 实验用水取自鞍山某城市生活垃圾填埋场渗 滤液调节池， 该场于 1998 年投入运行， 日处理生活垃 14 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 圾1 200 t， 垃圾渗滤液晚期特征明显。 表 1实验用水水质 ρ COD / mg L － 1 ρ NH3-N / mg L － 1 ρ 凯氏氮 / mg L － 1 ρ NO － 2 -N / mg L － 1 ρ NO － 3 -N / mg L － 1 pH 45529531034. 4未检出未检出8. 0 2 实验装置反应装置包括氮平衡实验装置 见 图 1 和曝气除氨实验装置 见图 2 。 图 1氮平衡实验装置 1进水;2温度计;3压缩空气; 4曝气头;5排泥管;6取样口 图 2曝气脱除氨氮实验装置 氮平衡实验装置反应柱由有机玻璃制成， 内径 200 mm， 高1 800 mm， 有效容积35 L。 1. 2分析方法 NH3-N 采用酸滴定法; NO － 2 -N 采用 N- 1-萘基 - 乙二胺分光光度法; NO － 3 -N 采用戴氏合金还原法; VSS 采用重量法; 凯氏氮采用蒸馏滴定法 ［5］。 1. 3实验方法 向稳 定 运 行 的 亚 硝 酸 型 硝 化 反 应 器 中 加 入 500 mL垃圾渗滤液， 5 min后， 进行氮素存在形态的测 定与计算， 测定指标包括氨氮、 亚硝酸盐氮、 硝酸盐 氮、 凯氏氮、 VSS。控制反应温度在 35 1℃ 、 DO 在 1. 5 mg/L左右， 反应24 h后， 静置， 出水500 mL， 测定 上述指标。再加入500 mL渗滤液， 进行下一周期生 化反应实验及指标测定。 为了考察实验温度下， 曝气对氨氮脱除产生的影 响。实验特设计模拟脱氮实验， 取原垃圾渗滤液与自 来水按照一定比例配制成氮平衡实验条件下的氨氮 浓度值。两个2 L量筒中各取1 500 mL所配溶液， 进 行平行实验， 并通入压缩空气， 通过水浴加热保持实 验水样温度分别为 34， 35， 36 ℃ ， 测定初始温度和氨 氮值， 第 2 天相同时刻再分别测定二者氨氮值， 考察 气体吹脱对实验水样中氨氮的去除情况。 2结果讨论 2. 1实验结果 2. 1. 1氮平衡的实验结果 稳定运行的亚硝酸型硝化反应器中， 每天处理 500 mL垃圾渗滤液。实验分别测定进水5 min后以及 反应24 h后出水中氮素存在形态及其浓度， 重复实验 3 组， 实验结果如表 2 所示。 由于实验条件所限， 实验中没有对有机污泥中氮 的含量进行直接测量， 而是依据活性污泥的理论组成 C5H7NO2来计算理论含氮量［3］ ， 即 TN泥 VSS 14 12 5 7 14 16 2 VSS 12. 38 1 水中总氮 TN水及 TN 由式 2 、 式 3 计算得出， TN水 凯氏氮 NO － 2-N NO － 3-N 2 TN TN水 TN泥 3 由表 2 可得 三组实验 24 h 反应器内总氮变化 率分别为 － 1. 94 、－ 0. 21 和 4. 45 。 2. 1. 2曝气对氨氮脱除的影响实验 模拟亚硝酸型硝化反应器中水质与曝气强度， 调 节水浴温度分别为 34， 35， 36℃ ， 考察实验温度下曝 气对氨氮脱除的影响， 并设计平行对照试验。曝气除 氨实验结果列于表 3。 从表 3 中可知 24 h 后 NH3-N 浓度略有减小， 但 变化率均小于 0. 5 。这是主要是因为在控制亚硝 酸盐氮的累积时保持了较低的曝气量， 不利于氨氮的 脱除; 同时由于在曝气除去氨氮的同时， 部分有机氮 转化又转化成了氨氮。因此， 在该实验条件下可以忽 略水中的氨因为曝气而逸出。 2. 2氮素转化分析 24 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 表 2氮平衡实验结果汇总表 mg/L 变化率除外 项目 ρ NH3-N ρ NO － 2 -Nρ NO － 3 -Nρ 凯氏氮ρ TN水ρ VSSρ TN泥ρ TN 第一组起始867. 9865. 839. 3989. 41 894. 565080. 51 975. 0 24 h828. 6885. 247. 5910. 81 843. 575393. 21 936. 7 差值－ 39. 319. 48. 2－ 78. 6－ 5112. 73－ 38. 3 变化率－ 1. 94 第二组起始902. 41789. 245. 41001. 51836. 175393. 21929. 3 24 h870. 9855. 354. 1929. 01838. 470286. 91925. 3 差值－ 31. 566. 38. 7－ 72. 52. 3－ 6. 3－ 4. 0 变化率－ 0. 21 第三组起始926. 2822. 433. 61066. 11922. 170286. 91913. 0 24 h889. 1888. 530. 2989. 61908. 373789. 81998. 1 差值－ 37. 166. 1－ 3. 4－ 76. 5－ 13. 62. 985. 1 变化率4. 45 表 3曝气除氨实验结果 组别温度 /℃ 反应前ρ NH3-N / mg L － 1 24 h 后ρ NH3-N / mg L － 1 变化 率 / 第一组34885. 6883. 90. 192 34885. 6884. 30. 146 第二组35902. 6900. 10. 232 35902. 6899. 50. 343 第三组36892. 3887. 90. 493 36892. 3898. 30. 448 在亚硝酸型硝化反应柱内， 垃圾渗滤液各含氮物 质在微生物作用下发生一系列转化， 主要包括 1 水中和污泥中有机氮在氨化细菌作用下分解 成氨氮 C5H7NO2→   好氧菌 5CO2 2H2O NH3 2 氨氮也作为营养物质在酶和细菌的作用下合 成细胞， 使污泥增长 CαHβOγ NH3 O2 酶、 →   细菌 C5H7NO2 CO2 H2O 3 氨氮也可被氨氧化菌转化为亚硝酸盐氮 NH 4 1. 5O2→    氨氧化菌 NO － 2 H2O 2H 4 虽然实验中严格控制反应条件以利于亚硝酸 盐氮的累积， 但仍会有部分亚硝酸盐氮在亚硝酸氧化 菌的作用下进一步氧化成硝酸盐氮。 NO － 2 0. 5O2→     亚硝酸氧化菌 NO － 3 总反应式为， NH 4 2O2→NO － 3 H2O 2H 根据上述各反应式， 氮素间的这几种转化都是等 摩尔进行的。反应柱容积一定且远大于加垃圾渗滤 液量， 故以下均以氮素浓度值直接进行讨论。由于所 投加的垃圾渗滤液中基本不含亚硝酸盐氮和硝酸盐 氮， 加垃圾渗滤液的过程可以视为凯氏氮 包括氨氮 和有机氮 增加的过程。增加的凯氏氮在亚硝化反 应柱内的转化情况如下 1 转化成亚硝酸盐氮的百分率 885. 2 － 865. 8 989. 4 100 1. 96 ; 2 转化成硝酸盐氮的百分率 47. 5 － 39. 3 989. 4 100 0. 83 ; 3 用于合成细胞进入污泥的百分率 93. 2 － 80. 5 989. 4 100 1. 29 ; 4 未转化的百分率 910. 80 989. 4 100 92. 1 ; 凯氏氮变化的百分率之和为 1. 96 0. 83 1. 29 92. 1 96. 18 ; 5 出现的误差及微量氨吹脱的影响为 100 － 96. 18 3. 82 。 2. 3氨氮占凯氏氮比例分析 由于凯氏氮测量时间长， 步骤复杂， 且伴随有毒 有害气体产生， 在实验过程中往往希望减少其测量次 数。而对于来源一定的污水， 其氨氮在凯氏氮中所占 比例虽然不是固定不变的， 但也在某一固定值附近窄 幅波动， 在数值精度要求不是很高的情况下， 可以通 过测量氨氮并用下式推算凯氏氮和有机氮值。 NH3-N kKN 4 KN NH3-N N有机 5 其中 NH3-N， 氨氮值， mg/L; KN， 凯氏 氮 值， mg/L; N有机， 有机氮值， mg/L; k， 比例系数， 无量纲。 所用垃圾渗滤液反应前后 k 值计算见表 4。 由表 4 可看出 该垃圾渗滤液中氨氮占凯氏氮的 比例 k 随时间的延长略有提高， 但基本不变， 经计算 k 的总平均值为 0. 898。 34 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 表 4氨氮占凯氏氮比例系数推算表 项目 起始时24 h 后 第一组第二组第三组平均第一组第二组第三组平均 总平均 氨氮867. 9902. 41926. 2828. 6870. 9889. 1 凯氏氮989. 41 001. 51 066. 1910. 8929. 0989. 6 比例系数 k0. 8770. 901 0. 8690. 8800. 9100. 9370. 8980. 9150. 898 2. 4有机氮中可转化成氨氮的比例分析 晚期垃圾渗滤液中含有大量的有机氮， 在曝气条 件下可转化成氨氮。在亚硝酸型硝化反应器中， 氨氮 硝化的动力学研究， 必须分析有机氮可以转化成氨氮 的比例。实验中， 反应前后有机氮的转化情况如表 5 所示。 表 5反应前后有机氮变化 组别 反应前有机氮 / mg L － 1 反应后有机氮 / mg L － 1 n 1651. 366. 30. 898 2589. 258. 10. 901 3831. 489. 20. 889 平均0. 896 由表 5 可得 到在亚硝酸型硝化反应器内， 三组 有机氮转化为氨氮的比例 r 分别为 0. 898、 0. 901 和 0. 889。根据多组实验数据对比， r 值基本都在这一范 围内波动。因此， 可以认为该废水中有机氮可转化成 氨氮的平均比例 r 可取所测三组数据的平均数， 即有 机氮转化成氨氮的平均比例为 0. 896。 3结论 1 进入反应柱的凯氏氮转化成亚硝酸盐氮、 硝 酸盐氮、 用于合成细胞进入污泥的凯氏氮、 没有转化 的凯氏氮、 出现的误差及微量氨吹脱的影响所占的百 分比分别为 1. 96 、 0. 83 、 1. 29 、 92. 1 、 3. 82 。 2 在实验控制的温度和曝气量下由于曝气而导 致的氨氮逸出率小于 0. 5 ， 计算时可以忽略水中的 氨的逸出。 3 垃圾渗滤液中氨氮占凯氏氮的比例 k 随时间 的延长稍微有点提高， 但基本不变， 经计算 k 的平均 值为 0. 898。 4 垃圾渗滤液中有机氮中可转化成氨氮的比例 基本不变， 经测定约为 0. 896。 参考文献 ［1］刘秀红， 王淑莹， 高大文， 等． 短程硝化的实现、 维持与过程控制 的研究现状［J］． 环境污染治理技术与设备． 2004， 12 5 7- 10． ［2］单明军． 焦化污水的生物脱氮处理［D］． 哈尔滨 哈尔滨建筑工 程学院， 1989． ［3］徐冬梅， 聂梅生， 金承基． 亚硝酸型硝化的试验研究［J］． 给水 排水， 1999， 25 7 37- 39． ［4］Abeling U， Seyfrid C F． Anaerobic-aerobic treatment of high strengh ammonium wastewater nitrogen removal via nitrite［J］．Wat Sci Tech， 1992， 26 5 1007- 1015． ［5］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］． 4 版． 北京 环境科学出版社， 2002． 作者通信处白轩110819辽宁省鞍山市千山路 280 号鞍山市科 技局 E- mailb999x sina． com 2011 － 03 － 14 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 20 页 类、 金属离子和约 5 的悬浮物， 完全可用作冲渣水 池的补水使用。 5结论 莱钢银前 265 m2烧结机脱硫废水处理运行以 来， 每年利用废水 6. 8 万 t， 降低烧结成本 34 万元。 处理工艺废水的同时实现了废水再利用， 为湿法烧结 烟气脱硫废水处理开辟了一条新途径。 参考文献 ［1］冷廷双， 时朝昆， 廖洪强， 等． 氨法脱硫技术在烧结烟气治理领 域应用研究［J］． 环境工程， 2009， 27 3 87- 89． ［2］李奇勇． 烧结烟气半干法选择性脱硫新技术应用［J］． 环境工 程， 2008， 26 2 7- 9． ［3］郝继锋， 汪莉， 宋存义． 钢铁厂烧结烟气脱硫技术的探讨［J］． 太原理工大学学报， 2005 4 491- 494． 作者通信处李鹏271104山东省莱芜市钢城区健康街 30 号莱芜 钢铁股份公司炼铁厂除尘一车间 电话 0634 6824426 E- mailleepeng101 sina． com 2011 － 03 － 10 收稿 44 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期