在城市生活垃圾填埋場中，隨著填埋時間的推移，填埋垃圾中的有機物逐漸被分解，整個填埋區的厭氧發酵作用逐漸轉入產甲烷階段，填埋區內大量揮發性脂肪酸（VFAs）轉化為CH4與CO2，同時在微生物作用下含氮有機物被分解氨化，導致垃圾滲濾液的氨氮濃度不斷提高。在這種情況下產生的老齡垃圾滲濾液具有氨氮濃度極高、可生化性較差、碳氮比失衡等特點。
粵西某市生活垃圾填埋場一期工程已運營5年，其垃圾滲濾液的氨氮濃度目前已升至3500mg/L，COD濃度降至6000mg/L，屬于典型的老齡垃圾滲濾液。一期工程原采用兩級A/O+MBR+RO工藝處理垃圾滲濾液，由于進水水質與建設初期相比變化較大，生化處理系統難以穩定運行，出水氨氮和總氮濃度達標壓力較大，并且外加碳源量不斷增多，大大增加了運營方的運維成本和難度。相比傳統硝化-反硝化脫氮工藝，部分亞硝化-厭氧氨氧化（Anammox）工藝能夠在無碳源投加的情況下，高效低碳去除氨氮和總氮污染物，同時降低能耗和減少剩余污泥產量。為了解決該垃圾填埋場存在的問題，運營方決定建設一套垃圾滲濾液厭氧氨氧化脫氮系統，用于減輕現有生化處理系統的脫氮壓力，降低運營成本。
1、工程項目概況
該垃圾滲濾液處理廠采用兩級A/O+MBR+RO工藝，原設計處理規模為250m3/d，由于設備老化、進水水質變化等原因，在實際運行中為確保系統穩定運行，降低了處理量，目前整套系統的實際處理量約為150m3/d。結合現有廠區情況與水質條件，新增的厭氧氨氧化脫氮系統決定采用前置反硝化部分亞硝化-厭氧氨氧化工藝，其中，前置反硝化的設置是為了去除垃圾滲濾液中含有的有機物和少量懸浮物，避免有機物對部分亞硝化和厭氧氨氧化反應器的運行造成影響。反應器采用搪瓷罐形式設計建設，反硝化反應器尺寸為Ø×H=4.2m×8.4m，有效容積約為100m3；亞硝化反應器尺寸為Ø×H=7.0m×8.4m，有效容積約為250m3；厭氧氨氧化反應器尺寸為Ø×H=7.0m×12m，有效容積約為440m3。厭氧氨氧化脫氮系統投產后可以增加廠區滲濾液處理能力，減輕現有生化處理系統的脫氮壓力，降低運營成本。
1.1 設計水質
厭氧氨氧化脫氮系統設計處理垃圾滲濾液原液132m3/d，設計進水水質如表1所示。
1.2 工藝流程
工藝流程如圖1所示。受限于場地布置，結合兩級A/O運行情況，將一級A/O出水與垃圾滲濾液原液按10∶1~5∶1的比例混合后，進入前置反硝化反應器進行脫氮除碳處理；混合進水經反硝化反應器去除垃圾滲濾液中的大部分BOD后，進入到沸石曝氣生物濾池（ZBAF）進行部分亞硝化處理，處理后ZBAF出水中亞硝態氮與氨氮之比為1.0~1.4；然后再進入到Anammox反應器進行脫氮處理，Anammox出水流入二級A/O池進行進一步的生化處理。ZBAF與Anammox反應器設置有內回流泵，ZBAF通過羅茨風機進行曝氣供氧，Anammox反應器單獨投加營養液。
1.3 分析項目與方法
NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；TN：堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法；COD：重鉻酸鉀滴定法；pH：便攜式pH計；溶解氧：哈希HQ-30d溶氧儀。
2、結果與分析
2.1 反硝化與亞硝化的啟動
由于有機物對亞硝化菌和厭氧氨氧化菌活性有很大影響，且亞硝化出水水質達到厭氧氨氧化進水水質要求才可以進行Anammox反應器調試，因此本次調試思路為先啟動反硝化與ZBAF，待具備Anammox反應器調試條件后再啟動Anammox反應器。具體做法如下：將反硝化反應器加滿A1反應池（一級A/O中的A池）內的泥水混合物，一級A/O出水與垃圾滲濾液原液按10∶1的比例混合后進入反硝化反應器開始啟動反硝化，啟動期內視出水情況提高進水流量與流量比；反硝化出水部分進入ZBAF啟動亞硝化，ZBAF在前3d以吸附狀態運行，隨后投加O1反應池（一級A/O中的O池）污泥悶曝5d進行掛膜，掛膜成功后按亞硝化負荷調控進水流量與曝氣量，使ZBAF出水的亞硝態氮與氨氮之比為1.0~1.4。
由于反硝化接種污泥為A1池污泥，進水后即觀察到反硝化現象(見圖2（a）)，隨著進水流量不斷提升，反硝化負荷亦不斷提高。由于反硝化出水總氮濃度遠高于氨氮濃度(見圖2（b）)，推斷限制反硝化效率的主要原因是進水BOD濃度低，因此在第8和15天將混合進水流量比分別調整為7∶1和5∶1，以提高反硝化混合進水BOD濃度。調整流量比后反硝化混合進水COD濃度升高，而出水COD濃度變化不大(見圖2（c）)，這表明反硝化去除的BOD量增多，同時反硝化的總氮去除率也從8.1%升高到13.0%。隨著進水流量的提高，反硝化脫氮除碳負荷也隨之增加，啟動21d后反硝化脫氮負荷達到0.71kg/（m3·d），滲濾液原液處理量達到132m3/d，達到了設計目標。
ZBAF的啟動情況如圖3所示。啟動前3dZBAF出水氨氮濃度較低，主要是因為沸石起到了吸附氨氮的作用。自第4天起ZBAF進行悶曝掛膜，出水中開始檢測到亞硝態氮，出水硝態氮濃度明顯升高，這表明污泥硝化活性較好，而亞硝酸鹽氧化菌（NOB）在游離氨（FA）抑制作用下活性減弱，ZBAF表現出亞硝化能力。由于沸石的吸附-解吸氨氮作用，在悶曝階段ZBAF出水氨氮濃度較低，出水亞硝態氮濃度則從5mg/L升高至79mg/L。隨著沸石表面逐漸形成生物膜，悶曝階段ZBAF的亞硝化負荷不斷升高。因此第9天開始連續進水，ZBAF出水氨氮濃度迅速升高，對NOB的抑制也進一步增強，出水硝態氮濃度顯著降低，亞硝化率升高。第12天，ZBAF出水亞硝態氮與氨氮之比達到1.16，這標志著ZBAF已成功實現對垃圾滲濾液的部分亞硝化處理。啟動階段后期ZBAF出水硝態氮濃度低于進水，這可能是因為滲濾液經過好氧處理后可生化性提高，在沸石層缺氧區出現反硝化反應。完成部分亞硝化啟動后，通過調控進水負荷與曝氣量，ZBAF出水亞硝態氮與氨氮之比能夠穩定保持在1.0~1.4之間，達到了啟動Aammox反應器的水質條件。
2.2 各反應器的長期運行情況
反硝化與ZBAF亞硝化啟動完成后，第22天向Anammox反應器投加厭氧氨氧化菌進行啟動，初始進水流量為2m3/h，停留時間為225h，根據出水濃度調整進水流量。反硝化總進水流量保持在33m3/h，ZBAF進水流量維持在12m3/h，第100天后ZBAF出水完全進入Anammox反應器。各反應器的進出水水質變化情況如圖4所示。
從圖4（a）和（b）可以看出，滲濾液原液與O1池出水混合后進入反硝化反應器，反硝化出水氨氮濃度降至500~700mg/L，總氮濃度則大約在550~750mg/L，這說明流量比為5∶1時能保障反硝化進水硝態氮充足，提高反硝化的碳源利用率。反硝化出水經ZBAF亞硝化處理后，氨氮濃度降至200~250mg/L，總氮降至500~600mg/L，COD亦從1100~1500mg/L降至900~1300mg/L(見圖4（c）)，這表明在長期運行過程中，ZBAF內已形成穩定的亞硝化-反硝化耦合體系。
圖5為Anammox反應器啟動過程的氮負荷和氮濃度變化。從圖5（a）可以看出，厭氧氨氧化前期進水總氮負荷增長速度較慢，為了加速啟動度過前期低負荷期，在第37和58天分別投加厭氧氨氧化菌。由于厭氧氨氧化菌的低增長速度特性，啟動期過半時Anammox反應器的總氮去除負荷只有0.22kg/（m3·d），如何快速度過厭氧氨氧化低負荷階段將是未來厭氧氨氧化工程化應用的研究重點。啟動期負荷提升策略較為保守，前100d總氮平均去除率為81.26%，出水氨氮與亞硝態氮濃度均低于50mg/L，有效避免了啟動階段出現基質濃度過高而導致厭氧氨氧化菌活性受到抑制，如圖5（b）所示。
滿負荷運行階段（115~130d），Anammox反應器進水和出水總氮平均濃度分別為587、156mg/L，總氮平均去除率為73.3%，平均總氮去除負荷為0.74kg/（m3·d），實現了高效節能去除垃圾滲濾液中氮污染物的目標。整個啟動期Anammox反應器出水硝態氮平均濃度只比進水高30.15mg/L，低于理論應產生的硝態氮值（53.68mg/L），表明在Anammox系統中依然存在較微弱的反硝化作用，這與圖4（c）中Anammox反應器出水COD濃度低于ZBAF出水COD濃度相對應。
2.3 成本分析
該厭氧氨氧化脫氮系統的運行費用主要由營養液消耗與電耗構成。取以設計流量運行的15d數據進行成本核算。該厭氧氨氧化脫氮系統全天運行的設備有：污水提升泵4臺、總功率為8.8kW，回流泵2臺、總功率為18.7kW，羅茨風機1臺、功率為30kW，日均耗電量為1380kW·h，電價按0.7元/（kW·h）計。Anammox反應器需要投加專屬營養液，日均消耗量為100kg，單價按15元/kg計。計算得到整套厭氧氨氧化脫氮系統日均運行費用為2466元，日處理垃圾滲濾液原液132m3、去除總氮444kg，則去除單位TN的成本為5.55元/kg。原生化系統日處理垃圾滲濾液150m3、去除總氮523kg，生化系統工藝段全天運行的設備總功率為118.7kW，日均耗電量為2848.8kW·h，藥劑乙酸鈉日均消耗4.3t、單價按3500元/t計，則原生化系統日均運行費用為16694元，去除單位TN的成本為31.92元/kg。由于厭氧氨氧化系統無需投加外碳源，處理垃圾滲濾液這類高氨氮低碳氮比廢水可以節約大量藥劑費用，與原生化處理系統相比，厭氧氨氧化系統可節約54.0%的能耗和82.6%的處理費用。
3、結論
①將一級A/O出水與垃圾滲濾液原液按比例混合，可以通過反硝化去除垃圾滲濾液中的BOD，滿足后續亞硝化和厭氧氨氧化反應器的進水水質要求。
②采用沸石-曝氣生物濾池可以快速啟動亞硝化，通過調控進水負荷與曝氣量可以實現亞硝化出水滿足厭氧氨氧化反應器的進水水質要求。
③經過反硝化處理后的垃圾滲濾液，在亞硝化與厭氧氨氧化反應器中會有少部分COD被轉化為BOD，導致亞硝化與厭氧氨氧化反應器內存在微弱的反硝化作用。
④通過多次投加厭氧氨氧化菌和控制出水濃度的策略，可以較快啟動厭氧氨氧化反應器；經過前置反硝化-亞硝化處理后的垃圾滲濾液，可以通過厭氧氨氧化作用實現高效低碳脫氮的目的。
⑤對于該工程中的高氨氮低碳氮比老齡垃圾滲濾液，相比傳統的硝化-反硝化工藝，厭氧氨氧化工藝可節約54.0%的能耗和82.6%的處理費用，去除單位TN的成本僅為5.55元/kg。（來源：廣州市華綠環保科技有限公司，佛山市化爾銨生物科技有限公司，華南理工大學環境與能源學院）
