厌氧氨氧化相关工艺处理垃圾渗滤液的研究进展

李环宇 白玥萌

摘      要： 垃圾渗滤液具有氨氮浓度高、有机物浓度高和碳氮比低的特点。厌氧氨氧化工艺脱氮能力强、能耗低，适用于垃圾渗滤液脱氮处理。对比了传统硝化反硝化工艺、短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺和短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺，介绍了基于厌氧氨氧化技术处理垃圾渗滤液的相关工艺，为垃圾渗滤液处理和厌氧氨氧化工艺研究提出了思路。

关  键  词：垃圾渗滤液； 厌氧氨氧化； 短程硝化； 短程反硝化； CANON

中图分类号：X703     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2024）05-0738-04

根据2013 -2021年中国统计年鉴，城市生活垃圾清运量呈现逐年增加的趋势，2021年城市生活垃圾清运量更是达到最高值24 869万t^[1-3]。垃圾渗滤液产生量也随之增加，垃圾渗滤液的处理工艺逐渐成为各界的研究热点。

1  垃圾渗滤液来源及特点

我国的生活垃圾主要包括餐厨垃圾和普通垃圾。垃圾渗滤液主要来源于降水和地下水的渗透、地表径流的浸入、垃圾中自带的水分流入以及被分解时产生的水分流入等，产生大量的高污染污水^[4]。而且，根据国民的生活习惯，我国的生活垃圾含水量在50%以上^[5]。随着填埋时间的延长，伴随着垃圾中有机物分解逐渐释放产生大量氨氮^[6]。我国城市垃圾通过填埋方式处理的占总量的60%以上，每吨生活垃圾约产生20%的垃圾渗滤液。总的来说，垃圾渗滤液拥有氨氮含量高、水量大、水质水量季节性差异较大、组成成分复杂、色度高、含有大量重金属离子碳氮比失调等特点^[7]，一直以来都是污水处理领域的研究重点。同时，垃圾中还含有大量的致病菌和寄生虫卵等危害人类健康的微生物，严重影响人类身体和生活环境，造成较大危害^[8]。垃圾渗滤液由于具有以上特性，若不妥善处理，外渗的高浓度污水会对水资源造成严重污染，影响人类身体健康，对垃圾填埋场周边土壤和大气环境也产生很大的危害。

2  厌氧氨氧化技术

厌氧氨氧化技术是利用厌氧氨氧化菌在厌氧条件下，以NO₂^-为电子受体，将NH₄⁺直接氧化为N₂的工艺^[9]。其化学方程式如式（1）所示：

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→

1.02N₂+0.26NO₃^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O（1）

与传统技术相比，消耗能源少、不需要DO和外加碳源、脱氮效率高，是一种低成本的污水处理工艺，可广泛应用于处理氨氮含量高，C/N低的废水。厌氧氨氧化影响因素主要有温度、pH、DO、有机碳源、基质和盐度等。

3  厌氧氨氧化技术处理垃圾渗滤液相关工艺

垃圾渗滤液的处理方法主要有物理化学法和生物法^[10]。其中物理化学法包括高级氧化法^[11]、超滤^[12]、纳滤^[13]和反渗透^[14]等工艺。生物法主要包括传统硝化反硝化工艺及厌氧氨氧化的耦合工艺。传统的硝化反硝化工艺所需的C/N比一般要求在5以上，DO浓度一般要求维持在2 mg/L，由于垃圾渗滤液氨氮浓度较高，C/N严重不足，甚至可能低至2以下，使得总氮去除效果不理想，外加碳源可解决低C/N的问题但会增加处理成本。厌氧氨氧化工艺由于前述的优点，适用于垃圾渗滤液处理。厌氧氨氧化的耦合工艺主要分为短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PN/A）和短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PD/A）两类。传统硝化反硝化工艺、短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PN/A）和短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PD/A）的能耗比较见表2所示。

传统硝化反硝化工艺需外加O₂和碳源^[15]。短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PN/A）无需外加碳源，短程硝化过程消耗氧气，需要控制氨氮反应至NO₂^-，反应条件严格。短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PD/A）在氨氮转化为硝态氮过程中消耗O₂，O₂消耗量相比传统硝化反硝化过程减少45%，碳源需求量减少79%，剩余污泥量也有一定程度的降低，方便后续污泥处置又降低了污泥处置费用，PN/A工艺PD/A工艺相比反应条件更加容易，易于累积亚硝酸盐。PN/A工艺与传统硝化反硝化工艺及PD/A工艺相比分别减少了59%、24%的氧气消耗量。PD/A工艺和PN/A工艺有各自的优缺点和适应性。以下介绍几种厌氧氨氧化相关技术处理垃圾渗滤液的相关研究进展。

3.1  短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺

3.1.1  短程硝化-厌氧氨氧化工艺

短程硝化-厌氧氨氧化工艺是氨氧化菌（AOB）将部分氨氮转化成亚硝酸氮，然后厌氧氨氧化菌（AnAOB）进行微生物反应直接生成N₂。该工艺较完全硝化反硝化工艺相比，有很大的优势：降低氧气的消耗，减少曝气的能耗，降低运行成本；可减少外加碳源的投加量，降低运行成本；短程硝化可以为厌氧氨氧化提供NO₂^-，进一步降低运行成本。

NH₄⁺+2O₂—→NO₃^-+2H⁺+H₂O

（全程硝化）            （2）

NH₄⁺+3/2O₂—→NO₂^-+2H⁺+H₂O

（短程硝化）            （3）

6NO₃^-+5CH₄O+CO₂—→3N₂+6HCO₃^-+7H₂O

（全程反硝化）           （4）

根据式（2）和（3），短程硝化较完全硝化降低25%的曝气量，减少的曝气量降低了对后续处理单元的影响；根据式（3）和（4），100%减少外加碳源；比传统生物脱氮工艺相比，剩余污泥量减半。在短程硝化-厌氧氨氧化工艺中NO₂^-转化率大约55%，其余NH₄⁺在缺氧情况下直接与NO₂^-反应被去除，降低曝气所需的能量消耗，同时厌氧氨氧化工艺中没有产生氧化亚氧，避免产生温室气体。

吴莉娜等^[16]为解决垃圾渗滤液中高浓度污染物对微生物的毒性抑制、生物处理出水有机物或氮不达标及投加碳源成本高的问题，采用短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理实际垃圾渗滤液与生活污水的混和液，在不外加碳源的情况下，有机物、NH₄⁺-N和TN的去除率达到88%、95%和91%，在中间反应器内NO₂^--N积累率达到96.7%（短程硝化效率很高）。黄奕亮等^[17]以短程硝化+厌氧氨氧化工艺处理实际垃圾渗滤液。常温条件下，稳定运行后NH₄⁺-N、NO₂^--N去除率可以维持在98%以上，NH₄⁺-N、总氮去除负荷分别为1.04 kg/（m³·d）、0.325 kg/（m³·d），NO₂^--N积累率、总氮去除率分别为96.7%，93%，实现了对氮的深度处理。初永宝等^[18]成功地应用短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理中国西南地区某垃圾填埋场的渗滤液，设计日处理量为200 t，TN、氨氮和COD去除率分别达到80%、98%和65%。

3.1.2  一体化部分亚硝化厌氧氨氧化工艺

在短程硝化-厌氧氨氧化工艺中，短程硝化阶段的氨氧化菌的最佳生长pH是（7.5～8.5），而且短程硝化阶段需要消耗碱度，随着反应的进行，短程硝化阶段的pH不断降低；而厌氧氨氧化阶段产生碱度，厌氧氨氧化菌的最佳生长pH（7.0～8.0），随着反应的进行，pH不断升高。研究发现一体化部分亚硝化厌氧氨氧化工艺（CANON）工艺可以有效解决上述矛盾。

CANON工艺是指在同一个反应器内同时完成短程硝化和厌氧氨氧化反应，通过AOB和AnAOB的共同作用达到处理污水的作用^[19]。在CANON工艺中，厌氧氨氧化反应产生的碱度可以及时补充给短程硝化反应消耗的碱度，不需要人工调控碱度，达到减少药剂使用的目的，且反应器减少，降低基建费用和运行维护问题。

张方斋等^[20]采用CANON工艺处理晚期垃圾渗滤液，反应器经过曝气/缺氧交替循环方式，经过130 d的驯化，成功启动CANON工艺。实验证明其具有较强的稳定性，在进水COD、NH₄⁺-N、TN浓度分别为2 050±250、1 625±75和2 005±352 mg/L且未投加碳源情况下，出水COD、NH₄⁺-N、TN浓度稳定在407±14、8±4和19±4 mg/L，总氮去除率达到了98.76%。耿忠轩等^[21]采用CANON工艺处理老龄垃圾渗滤液，在进水NH₄⁺-N和TN浓度分别为190 mg/L、203 mg/L的条件下，NH₄⁺-N、TN去除率分别可达到98.18%和86.45%。

3.1.3  限氧自养硝化-厌氧反硝化工艺

限氧自养硝化-厌氧反硝化工艺（OLAND工艺）是在硝化过程中，通过控制溶解氧浓度在0.1～0.3 mg/L条件下抑制NO₂^-生成NO₃^-反应，使得硝化阶段只从NH₄⁺生成NO₂^-[22]。之后再经过厌氧氨氧化工艺将NH₄⁺和NO₂^-生成N₂，完成处理全过程。其与传统硝化反硝化工艺相比，同样是没有外加碳源、减少曝气和污泥产量降低。目前，应用OLAND工艺处理垃圾渗滤液的相关应用较少，但应用其处理高氨氮废水有很好的前景。

3.2  短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺

短程反硝化耦合厌氧氨氧化（PD/A）工艺是通过控制NO₃^--N还原成NO₂^--N，再通过厌氧氨氧化工艺完成脱氮反应。短程硝化耦合厌氧氨氧化（PN/A）虽然有前述各项优点，但在硝酸盐废水、ANAMMOX工艺出水中，PD/A有更好的处理效果。PD/A工艺化学反应方程式如下：

NO₃+0.519CH₃COO+1.026NH₄⁺→0.926N₂+0.56HCO₃+0.06H⁺+0.083C₅H₇NO₂+

0.062CH₂O_0.5N_0.15+2.164H₂O

王众^[23]针对PN/A出水中含过量NO₃^-的问题，采用PD/A工艺处理晚期垃圾渗滤液。通过控制ORP和pH，可以维持反应的运行稳定性，反应器出水TN小于20 mg/L时，TN的去除率能够达到84.8%。Hao等^[24]研究了ANAMMOX工艺处理成熟垃圾渗滤液出水的深度处理方法，向出水投加污泥发酵液，发酵液中的CH?COOH可诱导短程反硝化反应的发生，提高了处理效果，脱氮率能够达到99%。

3.3  PN/A和PD/A组合工艺

鉴于前述两类工艺的优缺点，PN/A和PD/A组合工艺逐渐显示出很大的潜力。王众^[12]采用PN/A+ PD/A组合工艺处理晚期垃圾渗滤液，稳定阶段TN去除率达到98.8%，实现深度脱氮。其以晚期垃圾渗滤液处理规模为500 m³/d为例，PN/A+PD/A组合工艺运行成本为47元/m³，对比组合工艺与传统硝化反硝化工艺运行成本，在能耗、药剂、外部处置费用和综合成本方面降低费用46%、78%、33%和42%。即便与成都渗滤液处理厂^[12，25]相比，综合运行成本仍降低22%。

3.4  其他工艺与厌氧氨氧化组合工艺

陆天友^[26]采用生物处理/Anammox/物化处理组合工艺处理贵阳市高雁城市生活垃圾卫生填埋场老龄垃圾渗滤液，组合工艺对COD、NH₃-N、TN、TP的平均去除率为94.97%、98.53%、98.23%和69.82%，出水COD、NH₃-N、TN、TP质量浓度平均为47.5 mg/L、14.62 mg/L、21.3 mg/L和2.22 mg/L，其各项出水指标浓度均满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）的一级标准。吴莉娜等^[27]采用UASB-A/O-ASBR工艺处理晚期垃圾渗滤液，试验结果表明：当进水COD、NH₄⁺-N和TN分别为2 220 mg/L、1 400～1 450 mg/L和1 450～1 500 mg/L时，出水分别为98 mg/L、7 mg/L、25 mg/L，去除率分别达到95.6%、98.3%和99.5%。

4  结束语

随着垃圾清运量快速增多，垃圾渗滤液的排放标准日益严格，传统的硝化反硝化技术在能耗和处理能力方面均很难满足要求，采用基于厌氧氨氧化技术的相关工艺是一种很有潜力的解决办法，关于短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺、短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺及相关改良和组合工艺已有大量的研究。未来研究可考虑高级氧化法、纳滤、反渗透等物化法耦合厌氧氨氧化工艺，以及厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液的工程化推广。

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Research Progress of Anaerobic Ammonia Oxidation

Related Process for Treating Landfill Leachate

LI Huanyu¹， BAI Yuemeng ²

（1. Daling River Scenic Area Management Office， Chaoyang Liaoning 122000， China;

2. Liaoning Beifang Environmental Protection Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract：  Landfill leachate has characteristics of high ammonia nitrogen concentration， high organic matter concentration and low carbon-nitrogen ratio. Anaerobic ammonia oxidation process has strong nitrogen removal capacity and low energy consumption， it is suitable for nitrogen removal treatment of landfill leachate. In this paper， the traditional nitrification and denitrification process， PN/A coupled anaerobic ammonia oxidation process and PD/A coupled anaerobic ammonia oxidation process were compared， the related processes for treating landfill leachate based on anaerobe oxidation technology were introduced， the idea for landfill leachate treatment and anaerobic ammonia oxidation process was put forward.

Key words：  Landfill leachate; Anaerobic ammonia oxidation; PN/A; PD/A; CANON

收稿日期： 2023-07-30

作者简介： 李环宇（1991-），女，辽宁凌源人，中级工程师，硕士学位，2016年毕业于沈阳建筑大学环境科学与工程专业，研究方向：水污染控制理论与技术。

通信作者： 白玥萌（1991-），女，中级工程师，硕士学位，研究方向：水污染控制理论与技术。