晚期垃圾渗滤液短程硝化生物动力学研究.pdf

晚期垃圾渗滤液短程硝化生物动力学研究 白轩 1 胡筱敏 1 王翠艳 2 王艳秋 3 单明军 3 1. 东北大学资源与土木工程学院， 沈阳 110004;2. 鞍山师范学院化学系， 辽宁 鞍山 114007; 3. 辽宁科技大学化学工程学院， 辽宁 鞍山 114051 摘要 通过对亚硝化反应器中的氨氮、 亚硝酸盐氮变化趋势的试验研究， 认为渗滤液中存在着可以转化成氨氮的有机 氮， 但有机氮的转化不是在瞬时完成的。利用劳伦斯 － 麦卡蒂模式求得模型参数为氨氮 vmax 4. 67 mg/ mgd ，Ks 464. 4 mg/L，Y 0. 1966 mg/mg，Kd 0. 55384 /d， 通过模型得出了反应器内生物量浓度、 出流水质与污泥龄的关 系， 以期为实际工程中垃圾渗滤液生物脱氮提供借鉴。 关键词 晚期垃圾渗滤液; 短程硝化; 污泥龄;动力学模型 DYNAMICS STUDY ON BIO- REACTIONS IN SHORT- RANGE NITRIFICATION PROCESS FOR MATURE LANDFILL LEACHATE TREATMENT Bai Xuan1Hu Xiaomin1Wang Cuiyan2Wang Yanqiu3Shan Mingjun3 1. College of Resources and Civil Engineering of Northeastern University，Shenyang 110004，China; 2. Department of Chemistry of Anshan Normal University，Anshan 114007，China; 3. School of Chemical Engineering of Liaoning University of Science and Technology， Anshan 114051， China AbstractThrough the study on change in nitrogen of NH3-N and nitrite in nitrosation reactor，it is recognized that there was organic nitrogen in the leachate which can be transed into ammoniacal nitrogen and the whole transation can not occur instantaneously． The parameters obtained by dynamics study with Lawrence-Mc Carty model are as followsvmax 4. 67 mg/ mgd ，Ks 464. 4mg/L，Y 0. 1966 mg/mg，Kd 0. 55384 /d． The relations between bio-mass， effluent quality and sludge age are derived by Lawrence-Mc Carty model，which may provide reference for leachate biodenitrification of actual projects． Keywordsmature landfill leachate;short-range nitrification;sludge age;dynamic model 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量少等优点 ［1- 4］。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。 动力学研究有助于了解生物反应的过程和时限， 为优化设计提供科学的计算依据; 并可以通过了解各 相关参数的关系指导现场实际运行操作， 通过模拟实 际生物处理系统的生物与污染物的动态变化， 对系统 运行的工艺参数进行调整。生物反应动力学研究对 于指导科学实验和实际工程应用具有十分重要的意 义。 1试验部分 1. 1试验用水及装置 试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， 日处理生活垃圾 1 200 t， 目前， 渗滤液已明显表现出了晚期的系列特 征。试 验 装 置 见 图 1。反 应 柱 由 有 机 玻 璃 制 成， 200 mm 1 800 mm， 有效容积为35 L。 1. 2操作过程 当短程硝化系统成功启动并稳定运行后， 通过调 节进出水量实现所需的污泥龄， 之后保持进出水渗滤 液量不变， 维持一定天数， 监测进出水指标及 VSS 稳定 后， 记录进出水氨氮浓度、 有机氮浓度、 柱内 VSS、 反应 时间及污泥龄， 完成一周期的试验工作。调整进出水 渗滤液量， 执行新的污泥龄， 并进行下一周期试验。 34 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 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 1试验装置示意 2动力学分析 2. 1劳伦斯 － 麦卡蒂模式的动力学常数 亚硝酸菌和硝酸菌虽然在反应器中共存， 但其生 存条件是不同的， 环境因素对两种菌种的生长影响很 大。据文献报道， 两菌种的世代周期不同， 亚硝酸菌 世代周期较短而硝酸菌世代周期较长， 人们可以将污 泥龄控制在两菌种的世代周期之间， 保证亚硝酸菌的 生命活动周期， 破坏硝酸菌的正常繁殖代谢条件， 从 而淘汰硝酸菌， 以达到富集亚硝酸菌的目的 ［5］。因 此， 污泥龄成为控制亚硝酸盐氮积累的重要条件之 一。而劳伦斯 － 麦卡蒂模式的突出点是强调了污泥 龄的重要性及其在设计、 运行中的意义， 并且该模式 与污水水质无关， 因此， 劳伦斯 － 麦卡蒂模式可以较 好地反映该工艺处理晚期垃圾渗滤液中氨氮亚硝酸 硝化过程 ［6- 7］。试验结果及计算数据见表 1， 反应柱 总水量为30 L， Q 为进、 出水量， S0值已经考虑了有机 氮的影响。 表 1劳伦斯 － 麦卡蒂模式试验结果及计算数据 组别 Q / m3d － 1 θ/ d xa/ mg L － 1 S0/ mg L － 1 Se/ mg L － 1 S0－ Se / t S0－ Se / xat q/ mg mg d－ 1 1 /q 13105633 0121 1451 8673. 3161633. 3161630. 301553 21. 5206863 001877. 42 123. 63. 0956273. 0956270. 323036 31307533 074831. 62 242. 42. 9779552. 9779550. 335801 40. 75407492 998797. 12 200. 92. 9384512. 9384510. 340315 50. 6507683 021789. 82 231. 22. 9052082. 9052080. 344209 60. 5608093 110751. 62 358. 42. 9152042. 9152040. 343029 NH 4 -N 氧化速率可用式 q － dS dt 来表示。 在稳定条件下，q S0－ Se xat ， 即 1 θ YS 0 － Se xat － Kd 1 式中 q 为氨氮的利用速率， mg/ mg d ; xa为污泥浓 度，mg/L。 dS dt 为 单 位 时 间 内 氨 氮 的 变 化 量， mg/ L d ;S0－ Se为可以发生硝化反应的氨氮， mg/ L;Y 为产率 m VSS m 氨氮 ;Kd为微生物自身 氧化率， /d;θ 为泥龄， d;t 为曝气时间， d。 以 1 θ 对 q 作图 见图 2 ， 用最小二乘法进行线 性回归， 得到的斜率为 Y ， 截距为 Kd。由图 2， 可得 1 θ 0. 1966q － 0. 55384 R2 0. 99546， 线性关系 良好 ， 即 Y 0. 1966，Kd 0. 55384d － 1， 即微生物利 用每毫克氨氮产生 合成 的活性污泥量 以 VSS 表 示 为0. 1966 mg。 图 2 q 与 1 /θ 关系曲线 本试验是在完全混合的条件下进行的， 微生物周 围的氨氮浓度为 Se， 即 q v vmax Se Ks Se，整理得 1 v Ks vmax 1 Se 1 vmax 2 式中v 为氨氮的降解速率， mg/ mgd ;vmax为氨氮 的最大降解速率， mg/ mgd ;Ks为饱和常数， 即为 44 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 v 1 2 vmax时氨氮的浓度， mg/L。 以 1 /v 对 1 /Se做图， 用最小二乘法进行线性回 归 见图 3 ， 截距为 0. 21417， 斜率为 99. 46797。 由 此 可 求 得vmax 1 截距， K s 斜率 截距， 即 vmax 4. 67 mg/mgd ， K s 464. 4 mg/L。 图 3 1 /S 与 1 /v 关系 综上可以得到， 在 35 0. 5℃ 时， 根据劳伦斯 － 麦卡蒂模式所求得的晚期垃圾垃圾渗滤液发生亚 硝化反应的动力学参数见表 2。 表 2晚期垃圾渗滤液的各动力学参数 35 ℃ vmax/ mg mg d－ 1 Ks/ mg L － 1 YKd/d － 1 4. 67464. 40. 19660. 55384 2. 2污泥龄的影响分析 在实际生产中， 污泥龄是一个可以人为控制的参 数， 如果能找到污泥龄与生物量浓度、 出水水质等生 产运行参数之间的数量关系， 将对实际生产运行具有 重要意义。这也是劳伦斯-麦卡蒂模式引入污泥龄概 念对水处理界的真正贡献所在 ［8］。下面讨论在晚期 垃圾渗滤液亚硝酸型硝化处理工艺中污泥龄与生物 量浓度、 出水水质及回流比之间的关系。 对亚硝酸型硝化反应器中的氨氮进行物料衡算， 依照亚硝酸型硝化反应器内氨氮净变化率 氨氮进 入反应器的速率-氨氮从反应器消失的速率， 即V dS d t n Q S0 0. 896n0 RQSe－ V dS d t u － 1 R QSe 3 在稳态条件下， 可认为 dS d t n 0， 则有 dS d t u Q S0 0. 896n0－ Se V 4 代入 1 θ Y dS/dt u xa － Kd得 xa Qθ V Y S 0 0. 896n0－ Se 1 Kd θ θ t Y S 0 0. 896n0－ Se 1 Kd θ 5 式中S0为进水氨氮浓度， mg/L;n0 为进水有机氮浓 度， mg/L; V 为 反 应 器 有 效 容 积， L; R 为 回 流 比; dS d t u 为底物利用率， mg/ L d 。 由式 3 式 5 可以看出 亚硝酸型硝化反应 器中的生物量浓度是可以发生硝化反应的氨氮量、 生 物固体平均停留时间 θ 和曝气时间 t 的函数。即曝 气时间一定， 在已知氨氮的进水、 出水浓度及污泥龄 的条件下， 亚硝酸型硝化反应器的生物量平衡浓度可 以由式 5 计算出。 将求得的各动力学参数代入式 5 ， 晚期垃圾渗 滤液亚硝酸型硝化反应器内的生物量浓度 xa θ t 0. 1966 S o 0. 896no－ Se 1 0. 55384θ 6 2. 3出流水质与污泥龄的关系分析 由劳伦斯－麦卡蒂方程知 Se Ks 1 Kdθ θ Yvmax－ Kd－ 1，将 2. 1 所求得的动力学 常数带入得 Se 464. 4 257. 2033θ 0. 3643θ － 1 7 由于劳伦斯 － 麦卡蒂方程模式是以污泥龄作为 控制参数， 这表明控制了污泥龄， 就控制了生物量的 增长速度， 进而控制了系统中微生物的代谢状态。因 而本研究所建立的亚硝化动力学模型对于调控实际 工程中垃圾渗滤液生物脱氮的运行， 具有指导意义。 3结论 1 利用劳伦斯 － 麦卡蒂模式对亚硝酸型硝化反 应进行动力学分析， 求得温度为 35 0. 5℃ 时模型 参数为 vmax 4. 67 mg/ mg d ，Ks 464. 4 mg/L，Y 0. 1966，Kd 0. 55384 /d。 2 根据劳伦斯 － 麦卡蒂模式， 找出了晚期垃圾 渗滤液在亚硝酸型硝化反应器内生物量浓度、 亚硝酸 型硝化反应器出流水质与污泥龄的关系， 分别可表述 为xa θ t 0. 1966 So 0. 896no－ Se 1 0. 55384θ 和 se 464. 4 257. 2033θ 0. 3643θ － 1 。 下转第 57 页 54 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 术，2010，29 6 5- 8，89． ［ 19］Mikutta R， Kleber M，Kaiser K，et al．ReviewOrganic matter removal from soils using hydrogen peroxide，sodium hypochlorite， and disodium peroxodisulfate［J］． Soil Science Society of America， 2005， 69 120- 135． ［ 20］Liang C，Bruell C J，Marley M C，et al． Persulfate oxidation for in situ remediation of TCE．I．Activated by ferrous ion with and without a persulfate-thiosulfate redox couple［J］． Chmosphere， 2004， 55 9 1213- 1223． ［ 21］Liang C，Liang C P，Chen C C．pH dependence of persulfate activation by EDTA /Fe IIIfor degradation of trichloroethylene ［J］． J Contaminant Hydrology，2009，106 3 /4 173- 182． ［ 22］Malato S，Blanco J，Richter C，et al． Enhancement of the rate of solar photocatalytic mineralization of organic pollutants by inorganic oxidizing species［J］． Applied Catalysis B Environmental， 1988， 17 14 347- 356． ［ 23］Kronholm J，Jyske P，Riekkola M L．Oxidation efficiencies of potassium persulfate and hydrogen peroxide in pressurized hot water with andwithoutpreheating ［J］． IndustrialandEngineering Chemistry Research，2000，39 7 2207- 2213． ［ 24］Hadasch Anke． Oxidation of dichloroanilines and related anilides catalyzed by iron IIItetrasulfonatophthalocyanine［J］． European Journal of Inorganic Chemistry，1999 12 2319- 2325． ［ 25］Meunier B， Sorokin A．Oxidation of pollutants catalyzed by metallophthalocyanines ［J］． AccountsofChemicalResearch， 1997，30 11 470- 476． ［ 26］张乃东， 张曼霞， 彭永臻． S2O82 －派生氧化法催化降解水中的 甲基橙［J］． 催化学报，2006，27 5 445- 448． ［ 27］Rismayani S，Fukushima M，Ichikawa H，et al． Decolorization of orange II by catalytic oxidation using iron IIIphthalocyanine- tetrasulonic acid［J］． Journal of Hazardous Materials， 2004， 114 1- 3 175- 181． ［ 28］Hori H，Yamamoto A，Hayakawa E，et al． Efficient decomposition of environmentally persistent perfluorocarboxylic acids by use of persulfate as a photochemical oxidant［J］． Environmental Science and Technology，2005，39 7 2383- 2388． ［ 29］Javier Rivas F，Fernando J Beltran，Fatima Carvalho，et al． Oxone-promoted wet air oxidation of landfill leachates［J］． Ind Eng Chem Res，2005，44749- 758． ［ 30］Betterton E A．Oxidation of Aqueous SO2by peroxymonosulfate ［J］． The Journal of Physical Chemistry， 1988， 92 21 5962- 5965． ［ 31］Betteton E A，Hoffmann M R．Kinetics and mechanism of the oxidation of aqueous hydrogen sulfide by peroxymonosulfate［J］． Environ Sci Technol，1990，24 1819- 1824． ［ 32］EricA， Betterton．Oxidationofakylsulfidesbyaqueous peroxymonosulfate［J］． Environ Sci Technol，1992，26 3 527- 532． ［ 33］Yusuf G Adewuyi，Sammuel O Owusu．Aqueous absorption and oxidation of nitric oxide with oxone for the treatment of tail gases processfeasibility， stoichiometry， reactionpathways， and absorption rate［J］． Ind Eng Chem Res，2003，42 17 4084- 4100． ［ 34］Nymul E，Khan and Yusuf G，Adewuyi． Absorption and oxidation of nitric oxide NOby aqueous solutions of sodium persulfate in a bubble column reactor［J］． Ind Eng Chem Res，2010，498749- 8760． ［ 35］赵进英． 零价铁 /过硫酸钠体系产生硫酸根自由基降解氯酚的 研究［D］． 大连 大连理工大学，2010． ［ 36］杨世迎， 杨鑫， 王萍， 等． 过硫酸盐高级氧化技术的活化方法研 究进展［J］． 现代化工， 2009，29 4 13- 19. 作者通信处王兵610500四川省成都市新都区新都大道 8 号西 南石油大学化学化工学院 E- mailhjgcswpu yahoo． cn 2011 － 12 － 05 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 45 页 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， 胡筱敏， 王旭， 等． SH-A 工艺处理焦化污水的工业应用 ［J］． 环境工程， 2008， 26 1 30- 32． ［3］史欣， 倪晋仁． 晚期垃圾渗滤液短程硝化影响因素研究［J］． 环 境工程学报， 2007， 1 7 110- 114． ［4］李军， 彭锋， 何建平， 等． 短程硝化反硝化工艺处理低 C /N 垃圾 渗滤液［J］． 环境工程， 2007， 25 2 15- 18． ［5］U Van Dongen，Jetten M S M，van Loosdrecht M C M．The SHARON-anammoxprocessfortreatmentofammoniumrich wastewater［J］． Wat Sci Tech，2001，44 1 153- 160． ［6］秦麟源． 污水生物处理［M］． 上海 同济大学出版社， 1989 123- 129． ［7］宋和平， 沈玉梅． 造纸与化工混合污水处理生化动力学研究 ［J］． 化学反应工程与工艺， 1996， 12 1 56- 62． ［8］Koch G，Egli K，Van der Meer J R，et al． Mathematical modeling of autotrophic denitrification in a nitrifying biofilm of a rotating biological contactor［J］． Wat Sci Tech， 2000， 41 4 /5 191- 198. 作者通信处白轩110051辽宁鞍山市千山中路 280 号 E- mailb999x sina． com 2011 － 11 － 05 收稿 75 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期