老齡垃圾滲濾液的氨氮濃度高、可生化性差，是一種典型的低C/N值廢水。某垃圾填埋場采用硝化-反硝化工藝對老齡滲濾液進行一級處理，實現氨氮和總氮的大幅削減后再進行深度處理，但該工藝在硝化階段曝氣能耗高，且反硝化階段需要投加大量的有機碳源，同時產生的剩余生化污泥還需要進行后續處理，這些問題導致運行成本居高不下。相比于硝化-反硝化工藝，部分亞硝化/厭氧氨氧化（PN/A）工藝的曝氣能耗可降低62.5%，且無需外加有機碳源，污泥產量低，可使處理成本大幅降低。然而，老齡垃圾滲濾液通常含有少量有機物，為避免其對PN/A工藝脫氮產生不利影響，往往需要在PN/A工藝前設置去除有機物的預處理工藝。筆者構建了前置亞硝化反硝化聯合PN/A工藝中試系統，以驗證PN/A工藝用于典型老齡垃圾滲濾液脫氮處理的技術及經濟可行性，旨在為該工藝在垃圾填埋場滲濾液脫氮處理工程中的應用提供參考。
1、中試項目概況
1.1 中試工藝流程
為避免進水中過量的有機物對厭氧氨氧化菌活性造成不利影響，本項目設計了中試規模的前置亞硝化反硝化-PN/A脫氮系統，對某垃圾填埋場老齡垃圾滲濾液進行脫氮處理。該中試系統包含前置亞硝化反硝化設備（前處理單元）和PN/A設備（后處理單元），兩個處理設備均為成套集裝箱形式，具體工藝流程見圖1。
老齡垃圾滲濾液與亞硝化處理出水按一定比例混合后進入前置反硝化反應器，反硝化細菌以滲濾液中的可生化有機物為碳源、以亞硝化出水中的亞硝態氮與硝態氮為氮源進行反硝化作用，達到去除進水中的可生化有機物并避免有機物影響后續厭氧氨氧化工藝的雙重目的。前置反硝化反應器處理出水分為兩路，一路進入亞硝化反應器，另一路進入沉淀池，通過泥水分離去除反硝化出水中的污泥，沉淀池上清液流入PN/A設備。PN/A設備中有亞硝化反應器和厭氧氨氧化反應器。廢水先進入亞硝化反應器，在氨氧化細菌的作用下將其中55%左右的氨氮轉化為亞硝態氮；再進入厭氧氨氧化反應器，在厭氧氨氧化細菌的作用下將滲濾液中的亞硝態氮與剩余的氨氮轉化為氮氣和少量硝態氮，完成對滲濾液的脫氮處理。最終出水一路通過外回流進入亞硝化反應器，可避免高氨氮對亞硝化過程的影響，同時可將厭氧氨氧化過程產生的硝態氮進一步脫除；另一路排入廠區深度處理系統。
1.2 中試設備參數及設計水質
該中試系統的設計氨氮去除能力為15kg/d，設備有效體積為45m³（前置亞硝化反硝化設備為15m³，PN/A設備為30m³），兩個設備尺寸均為6m×3m×3m，其中，前置亞硝化反硝化設備包括亞硝化反應器（8m³）、前置反硝化反應器（5m³）、沉淀池（2m³）及設備房（15m³）；PN/A設備通過中間隔板分為亞硝化反應器（15m³）與厭氧氨氧化反應器（15m³），僅有一處連通，控制亞硝化反應器內與厭氧氨氧化反應器較近區域低曝氣量，使得滲濾液進入厭氧氨氧化反應器時基本不含DO。所有反應器均采用聚氨酯類填料作為生物膜載體。亞硝化、前置反硝化和PN/A反應器的HRT分別為10h、5h、3d。
前置亞硝化反硝化設備中的亞硝化反應器主要通過游離氨控制亞硝化效果，為反硝化反應器提供適量的亞硝態氮和硝態氮作為反應基質，并通過反硝化出水仍然含有少量亞硝態氮和硝態氮判斷反硝化脫氮負荷充足情況，來反映滲濾液中的可生化COD完全去除程度。PN/A脫氮設備中的亞硝化反應器主要通過控制溶解氧<1.0mg/L來控制亞硝化效果，為厭氧氨氧化過程提供合適比例的氨氮和亞硝態氮，而亞硝化反應器與厭氧氨氧化反應器連通區域維持低曝氣量，控制溶解氧不超過0.2mg/L，使得滲濾液進入厭氧氨氧化反應器時基本不含有溶解氧，保證厭氧氨氧化反應器的正常運行。
設計進水水質如下：COD為3000~3500mg/L、氨氮為3000~3300mg/L、總氮為3100~3500mg/L、pH為7~8.5，設計出水水質如下：COD為1000~1500mg/L、氨氮≤200mg/L、總氮≤350mg/L、pH為7~8。
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、TN：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便攜式溶氧儀。
2、結果與分析
2.1 調試階段
調試階段主要分為兩個過程，即啟動過程和負荷提升過程。在啟動過程中，將滲濾液與自來水混合后間歇泵入中試系統內，同時啟動前置亞硝化反硝化設備與PN/A設備，當系統對氨氮的去除率>80%時視作啟動成功。在負荷提升過程中，通過各反應器出水水質變化情況調整進水量與曝氣量，不斷提高進水氨氮負荷，以匹配各反應器內微生物生長所帶來的氨氮去除能力的提升。整個調試階段各反應器的運行效果如圖2所示。可以看出，僅運行2d的系統就已經具有5kg/d的氨氮去除能力，主要原因：①系統接種的反硝化與硝化污泥取自該填埋場長期運營的A/O反應池，污泥中的微生物仍保持著一定活性，且能很快地適應所處理滲濾液的水質條件；②在厭氧氨氧化反應器投加厭氧氨氧化污泥，并投加堿和微量元素為厭氧氨氧化細菌提供所需的營養元素，提高其活性。
第2~16天，厭氧氨氧化系統的氨氮去除能力處于快速提升狀態，并且氨氮去除能力在第12天時就已經達到15kg/d。第17~19天，由于項目現場施工需要降低滲濾液處理量，因此將中試系統進水氨氮負荷逐漸降低至5.7kg/d；第20天直接將進水氨氮負荷提高至14.5kg/d，后續持續穩定在15kg/d。從以上過程可以看出，控制穩定的進水氮負荷，結合投加堿和微量元素，可為厭氧氨氧化細菌提供適量營養元素，能使厭氧氨氧化細菌快速生長和繁殖，使得反應器的脫氮能力快速提升；在進水氨氮負荷大幅調整時，反應器仍然保持良好的運行狀況，表明該系統具有較高的抗負荷沖擊能力。
整個調試階段中試系統的進水氨氮平均濃度為2737mg/L、出水氨氮平均濃度為150mg/L，氨氮平均去除率達到94.5%，體現了該系統的高效脫氮性能；通過控制反硝化反應器的進出水亞硝態氮與硝態氮濃度，使得滲濾液中的可生化有機物在反硝化反應器中基本被完全去除，整個中試系統對滲濾液中COD的去除率達到67.9%，通過計算得出反硝化反應器的COD去除貢獻率達到89.0%，實現了有效去除滲濾液中的可生化有機物以避免其對后續厭氧氨氧化細菌造成不利影響的目的，為該脫氮系統的快速啟動提供了保障。
2.2 穩定運行階段
中試系統從第24天進入穩定運行階段，通過調控相關參數將系統的氨氮進水量和處理量均控制在15kg/d以上，觀察系統運行情況并評估系統的穩定性，結果見圖3。
在穩定運行階段的20d內，中試系統的進水氨氮濃度范圍為1930~3374mg/L（平均濃度為2632mg/L），出水氨氮濃度范圍為51~222mg/L（平均濃度為128mg/L），氨氮平均去除率為95.1%；出水總氮濃度范圍為62~228mg/L（平均濃度為151mg/L），總氮平均去除率為94.3%；每天氨氮去除量均達到15kg以上，氨氮平均去除量為15.8kg/d，均達到了設計要求。同時，通過計算發現，厭氧氨氧化反應器的總氮平均去除貢獻率達到89.7%，而反硝化反應器的總氮平均去除貢獻率為10.3%，表明本系統主要依靠厭氧氨氧化過程實現對滲濾液的脫氮處理，成功實現在無額外碳源投加條件下去除老齡垃圾滲濾液中絕大部分氮污染物的目的。
2.3 成本核算
中試系統的運行費用主要包括化學藥劑（堿度與微量元素等）消耗及電耗費用。取穩定運行階段的20d進行成本核算，具體如表1所示。各項費用合計2940.8元，系統對老齡垃圾滲濾液中NH4+-N的實際去除量為316kg（以N質量計），則系統處理老齡垃圾滲濾液的費用（以去除氨氮計）為9.3元/kg，相比于廠區目前使用的硝化-反硝化工藝（成本為36.3元/kg）可節省74.4%的運行成本，具有顯著的節能降耗效益。
3、結論
①本研究構建了中試規模的前置亞硝化反硝化-PN/A工藝，用于某典型老齡垃圾滲濾液的脫氮處理，僅耗時23d就成功啟動，并達到設計氨氮處理量（15kg/d）。
②前置亞硝化反硝化設備實現了對可生化有機物的大幅去除，有效避免了有機物對后續厭氧氨氧化反應器的不利影響，有助于PN/A工藝的快速啟動與穩定運行。
③中試系統穩定運行時，對老齡垃圾滲濾液的氨氮、總氮平均去除率分別可以達到95.1%和94.3%。
④中試系統工藝適用于老齡垃圾滲濾液的高效節能脫氮，處理成本（以去除NH4+-N計）僅為9.3元/kg，相比傳統的硝化-反硝化工藝可以節約74.4%的運行成本。（來源：武漢環投固廢運營有限公司，華南師范大學環境學院，華南理工大學環境與能源學院）
