在城市生活垃圾填埋场中，随着填埋时间的推移，填埋垃圾中的有机物逐渐被分解，整个填埋区的厌氧发酵作用逐渐转入产甲烷阶段，填埋区内大量挥发性脂肪酸（VFAs）转化为CH4与CO2，同时在微生物作用下含氮有机物被分解氨化，导致垃圾渗滤液的氨氮浓度不断提高。在这种情况下产生的老龄垃圾渗滤液具有氨氮浓度极高、可生化性较差、碳氮比失衡等特点。
粤西某市生活垃圾填埋场一期工程已运营5年，其垃圾渗滤液的氨氮浓度目前已升至3500mg/L，COD浓度降至6000mg/L，属于典型的老龄垃圾渗滤液。一期工程原采用两级A/O+MBR+RO工艺处理垃圾渗滤液，由于进水水质与建设初期相比变化较大，生化处理系统难以稳定运行，出水氨氮和总氮浓度达标压力较大，并且外加碳源量不断增多，大大增加了运营方的运维成本和难度。相比传统硝化-反硝化脱氮工艺，部分亚硝化-厌氧氨氧化（Anammox）工艺能够在无碳源投加的情况下，高效低碳去除氨氮和总氮污染物，同时降低能耗和减少剩余污泥产量。为了解决该垃圾填埋场存在的问题，运营方决定建设一套垃圾渗滤液厌氧氨氧化脱氮系统，用于减轻现有生化处理系统的脱氮压力，降低运营成本。
1、工程项目概况
该垃圾渗滤液处理厂采用两级A/O+MBR+RO工艺，原设计处理规模为250m3/d，由于设备老化、进水水质变化等原因，在实际运行中为确保系统稳定运行，降低了处理量，目前整套系统的实际处理量约为150m3/d。结合现有厂区情况与水质条件，新增的厌氧氨氧化脱氮系统决定采用前置反硝化部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺，其中，前置反硝化的设置是为了去除垃圾渗滤液中含有的有机物和少量悬浮物，避免有机物对部分亚硝化和厌氧氨氧化反应器的运行造成影响。反应器采用搪瓷罐形式设计建设，反硝化反应器尺寸为Ø×H=4.2m×8.4m，有效容积约为100m3；亚硝化反应器尺寸为Ø×H=7.0m×8.4m，有效容积约为250m3；厌氧氨氧化反应器尺寸为Ø×H=7.0m×12m，有效容积约为440m3。厌氧氨氧化脱氮系统投产后可以增加厂区渗滤液处理能力，减轻现有生化处理系统的脱氮压力，降低运营成本。
1.1 设计水质
厌氧氨氧化脱氮系统设计处理垃圾渗滤液原液132m3/d，设计进水水质如表1所示。
1.2 工艺流程
工艺流程如图1所示。受限于场地布置，结合两级A/O运行情况，将一级A/O出水与垃圾渗滤液原液按10∶1~5∶1的比例混合后，进入前置反硝化反应器进行脱氮除碳处理；混合进水经反硝化反应器去除垃圾渗滤液中的大部分BOD后，进入到沸石曝气生物滤池（ZBAF）进行部分亚硝化处理，处理后ZBAF出水中亚硝态氮与氨氮之比为1.0~1.4；然后再进入到Anammox反应器进行脱氮处理，Anammox出水流入二级A/O池进行进一步的生化处理。ZBAF与Anammox反应器设置有内回流泵，ZBAF通过罗茨风机进行曝气供氧，Anammox反应器单独投加营养液。
1.3 分析项目与方法
NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；TN：碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法；COD：重铬酸钾滴定法；pH：便携式pH计；溶解氧：哈希HQ-30d溶氧仪。
2、结果与分析
2.1 反硝化与亚硝化的启动
由于有机物对亚硝化菌和厌氧氨氧化菌活性有很大影响，且亚硝化出水水质达到厌氧氨氧化进水水质要求才可以进行Anammox反应器调试，因此本次调试思路为先启动反硝化与ZBAF，待具备Anammox反应器调试条件后再启动Anammox反应器。具体做法如下：将反硝化反应器加满A1反应池（一级A/O中的A池）内的泥水混合物，一级A/O出水与垃圾渗滤液原液按10∶1的比例混合后进入反硝化反应器开始启动反硝化，启动期内视出水情况提高进水流量与流量比；反硝化出水部分进入ZBAF启动亚硝化，ZBAF在前3d以吸附状态运行，随后投加O1反应池（一级A/O中的O池）污泥闷曝5d进行挂膜，挂膜成功后按亚硝化负荷调控进水流量与曝气量，使ZBAF出水的亚硝态氮与氨氮之比为1.0~1.4。
由于反硝化接种污泥为A1池污泥，进水后即观察到反硝化现象(见图2（a）)，随着进水流量不断提升，反硝化负荷亦不断提高。由于反硝化出水总氮浓度远高于氨氮浓度(见图2（b）)，推断限制反硝化效率的主要原因是进水BOD浓度低，因此在第8和15天将混合进水流量比分别调整为7∶1和5∶1，以提高反硝化混合进水BOD浓度。调整流量比后反硝化混合进水COD浓度升高，而出水COD浓度变化不大(见图2（c）)，这表明反硝化去除的BOD量增多，同时反硝化的总氮去除率也从8.1%升高到13.0%。随着进水流量的提高，反硝化脱氮除碳负荷也随之增加，启动21d后反硝化脱氮负荷达到0.71kg/（m3·d），渗滤液原液处理量达到132m3/d，达到了设计目标。
ZBAF的启动情况如图3所示。启动前3dZBAF出水氨氮浓度较低，主要是因为沸石起到了吸附氨氮的作用。自第4天起ZBAF进行闷曝挂膜，出水中开始检测到亚硝态氮，出水硝态氮浓度明显升高，这表明污泥硝化活性较好，而亚硝酸盐氧化菌（NOB）在游离氨（FA）抑制作用下活性减弱，ZBAF表现出亚硝化能力。由于沸石的吸附-解吸氨氮作用，在闷曝阶段ZBAF出水氨氮浓度较低，出水亚硝态氮浓度则从5mg/L升高至79mg/L。随着沸石表面逐渐形成生物膜，闷曝阶段ZBAF的亚硝化负荷不断升高。因此第9天开始连续进水，ZBAF出水氨氮浓度迅速升高，对NOB的抑制也进一步增强，出水硝态氮浓度显著降低，亚硝化率升高。第12天，ZBAF出水亚硝态氮与氨氮之比达到1.16，这标志着ZBAF已成功实现对垃圾渗滤液的部分亚硝化处理。启动阶段后期ZBAF出水硝态氮浓度低于进水，这可能是因为渗滤液经过好氧处理后可生化性提高，在沸石层缺氧区出现反硝化反应。完成部分亚硝化启动后，通过调控进水负荷与曝气量，ZBAF出水亚硝态氮与氨氮之比能够稳定保持在1.0~1.4之间，达到了启动Aammox反应器的水质条件。
2.2 各反应器的长期运行情况
反硝化与ZBAF亚硝化启动完成后，第22天向Anammox反应器投加厌氧氨氧化菌进行启动，初始进水流量为2m3/h，停留时间为225h，根据出水浓度调整进水流量。反硝化总进水流量保持在33m3/h，ZBAF进水流量维持在12m3/h，第100天后ZBAF出水完全进入Anammox反应器。各反应器的进出水水质变化情况如图4所示。
从图4（a）和（b）可以看出，渗滤液原液与O1池出水混合后进入反硝化反应器，反硝化出水氨氮浓度降至500~700mg/L，总氮浓度则大约在550~750mg/L，这说明流量比为5∶1时能保障反硝化进水硝态氮充足，提高反硝化的碳源利用率。反硝化出水经ZBAF亚硝化处理后，氨氮浓度降至200~250mg/L，总氮降至500~600mg/L，COD亦从1100~1500mg/L降至900~1300mg/L(见图4（c）)，这表明在长期运行过程中，ZBAF内已形成稳定的亚硝化-反硝化耦合体系。
图5为Anammox反应器启动过程的氮负荷和氮浓度变化。从图5（a）可以看出，厌氧氨氧化前期进水总氮负荷增长速度较慢，为了加速启动度过前期低负荷期，在第37和58天分别投加厌氧氨氧化菌。由于厌氧氨氧化菌的低增长速度特性，启动期过半时Anammox反应器的总氮去除负荷只有0.22kg/（m3·d），如何快速度过厌氧氨氧化低负荷阶段将是未来厌氧氨氧化工程化应用的研究重点。启动期负荷提升策略较为保守，前100d总氮平均去除率为81.26%，出水氨氮与亚硝态氮浓度均低于50mg/L，有效避免了启动阶段出现基质浓度过高而导致厌氧氨氧化菌活性受到抑制，如图5（b）所示。
满负荷运行阶段（115~130d），Anammox反应器进水和出水总氮平均浓度分别为587、156mg/L，总氮平均去除率为73.3%，平均总氮去除负荷为0.74kg/（m3·d），实现了高效节能去除垃圾渗滤液中氮污染物的目标。整个启动期Anammox反应器出水硝态氮平均浓度只比进水高30.15mg/L，低于理论应产生的硝态氮值（53.68mg/L），表明在Anammox系统中依然存在较微弱的反硝化作用，这与图4（c）中Anammox反应器出水COD浓度低于ZBAF出水COD浓度相对应。
2.3 成本分析
该厌氧氨氧化脱氮系统的运行费用主要由营养液消耗与电耗构成。取以设计流量运行的15d数据进行成本核算。该厌氧氨氧化脱氮系统全天运行的设备有：污水提升泵4台、总功率为8.8kW，回流泵2台、总功率为18.7kW，罗茨风机1台、功率为30kW，日均耗电量为1380kW·h，电价按0.7元/（kW·h）计。Anammox反应器需要投加专属营养液，日均消耗量为100kg，单价按15元/kg计。计算得到整套厌氧氨氧化脱氮系统日均运行费用为2466元，日处理垃圾渗滤液原液132m3、去除总氮444kg，则去除单位TN的成本为5.55元/kg。原生化系统日处理垃圾渗滤液150m3、去除总氮523kg，生化系统工艺段全天运行的设备总功率为118.7kW，日均耗电量为2848.8kW·h，药剂乙酸钠日均消耗4.3t、单价按3500元/t计，则原生化系统日均运行费用为16694元，去除单位TN的成本为31.92元/kg。由于厌氧氨氧化系统无需投加外碳源，处理垃圾渗滤液这类高氨氮低碳氮比废水可以节约大量药剂费用，与原生化处理系统相比，厌氧氨氧化系统可节约54.0%的能耗和82.6%的处理费用。
3、结论
①将一级A/O出水与垃圾渗滤液原液按比例混合，可以通过反硝化去除垃圾渗滤液中的BOD，满足后续亚硝化和厌氧氨氧化反应器的进水水质要求。
②采用沸石-曝气生物滤池可以快速启动亚硝化，通过调控进水负荷与曝气量可以实现亚硝化出水满足厌氧氨氧化反应器的进水水质要求。
③经过反硝化处理后的垃圾渗滤液，在亚硝化与厌氧氨氧化反应器中会有少部分COD被转化为BOD，导致亚硝化与厌氧氨氧化反应器内存在微弱的反硝化作用。
④通过多次投加厌氧氨氧化菌和控制出水浓度的策略，可以较快启动厌氧氨氧化反应器；经过前置反硝化-亚硝化处理后的垃圾渗滤液，可以通过厌氧氨氧化作用实现高效低碳脱氮的目的。
⑤对于该工程中的高氨氮低碳氮比老龄垃圾渗滤液，相比传统的硝化-反硝化工艺，厌氧氨氧化工艺可节约54.0%的能耗和82.6%的处理费用，去除单位TN的成本仅为5.55元/kg。（来源：广州市华绿环保科技有限公司，佛山市化尔铵生物科技有限公司，华南理工大学环境与能源学院）
