我国的生活垃圾尚未实现分类收集，较多的厨余物导致垃圾含水率较高，因此垃圾在送入焚烧炉前需要在垃圾贮坑中堆酵3~7 d 以沥出水分、提高热值〔1- 2〕。堆酵过程中会产生大量垃圾沥滤液，其成分复杂、毒性大，有机污染物极高（COD 30 000~ 80 000 mg/L），还含有高浓度的氨氮（NH4+-N 300~ 1 800 mg/L），必须进行适当处理，否则会对环境造成严重污染〔3, 4〕。发达国家一般采用垃圾沥滤液回喷焚烧炉燃烧的方式处理，但是我国垃圾含水率高，沥滤液产量大，因此该种处理方式在国内并不适用〔5〕。目前我国尚无一种成熟的经济有效的垃圾沥滤液处理工艺，很多垃圾焚烧厂都采取将渗滤液送往城市污水厂合并处理的方式，成本高达80~100 元/t，且可能会对污水厂的稳定运行造成冲击。
前期研究发现，垃圾沥滤液可生化性良好（B/C>0.3），经厌氧生物处理可去除80%以上的 COD，而NH4+-N 却往往因为有机氮的降解而升高至 1 000 mg/L 以上〔6〕。因此，垃圾沥滤液经厌氧生物处理后必须进行脱氮处理。然而由于垃圾沥滤液水质复杂、有机物和NH4+-N 浓度高，因此传统的活性污泥法处理效果不理想〔7〕。移动床生物膜反应器（MBBR）是在生物接触氧化法和生物流化床基础上研发的，具有水头损失小、不堵塞、无需污泥回流和反冲洗等优点，除碳和脱氮效果良好〔8〕。Sheng Chen 等〔9〕采用厌氧—好氧MBBR 工艺处理垃圾填埋场渗滤液，当OLR 为4.08 kg/（m3·d），好氧MBBR 中的 HRT>1.25 d 时，系统对COD 和NH4+-N 的总去除率分别达到94%和97%以上，且具有很强的抗冲击负荷性能。膜生物反应器（MBR）将传统的生物处理工艺与膜分离技术结合，通过膜对微生物的截留作用延长了污泥龄，有利于增殖缓慢的硝化菌的生长富集，提高硝化效率。鉴于MBBR 和MBR 工艺具有上述优势，并考虑到采用前置反硝化工艺可以有效利用厌氧处理出水中剩余的有机碳源，笔者采用缺氧/ 两级好氧MBBR—MBR 组合工艺对垃圾焚烧厂沥滤液厌氧出水进行处理，考察该工艺的运行效能，为垃圾沥滤液处理工艺的选择提供新的依据。
1 材料和方法
1.1 实验装置和工艺流程
缺氧/两级好氧MBBR—MBR 组合工艺流程如 图 1 所示。MBBR 和MBR 反应器均为圆柱形，材质为有机玻璃。3 个MBBR 反应器的有效容积均为 2 L，高径比3∶1，填料的表观填充比为50%。所用填料为带有支架的空心圆柱体（D 10 mm×12 mm），材质为混有无机活性粒子的聚乙烯塑料（密度0.97~ 0.99 g/cm3）。MBR 反应器的有效容积为0.8 L，中空纤维超滤膜组件为自制，其中的膜丝购自海南立升净水科技实业有限公司，材质为聚偏氟乙烯（PVDF），膜孔径0.02 μm，膜丝的内外径分别为1、 1.8 mm，总膜面积0.055 m2。MBR 为间歇出水（抽吸 7 min，停3 min）。缺氧MBBR（AMBBR）配置搅拌器，而一级好氧MBBR （MBBR1）、二级好氧MBBR （MBBR2）、MBR 底部均设砂芯曝气头，由气泵曝气供给微生物所需要的溶解氧，曝气量由气体流量计控制。
图 1 组合工艺流程
该组合工艺共设置2 条硝化液回流管路，包括 MBR 出水回流和MBBR2 内硝化液回流。
1.2 实验用水水质
实验所用垃圾沥滤液取自北京市某垃圾焚烧厂的垃圾贮坑，取回后于4 ℃保存，1~2 个月取一次水样。采用实验室稳定运行的EGSB 厌氧反应器对取回的垃圾沥滤液进行处理，以其出水作为处理对象。实验期间，EGSB 出水pH 为7.9~8.5，碱度为7 000~ 10 000 mg/L，COD 为6 000 ~12 000 mg/L，NH4+-N、 TN 分别为1 500~1 800、1 800~2 200 mg/L，根据运行条件需要进行适当稀释。
1.3 工艺运行条件
缺氧/两级好氧MBBR 系统和MBR 反应器在组合前已各自实现稳定运行，并具有良好的硝化效果。其中，缺氧/两级好氧MBBR 系统在进水流量为1.6 L/d 和回流比为300%的条件下对NH4+-N 约为800 mg/L 的垃圾沥滤液厌氧出水进行处理，NH4+-N 去除率>80%，TN 去除率为71%左右。MBR 在HRT 为 24 h、进水NH4+-N 为250 mg/L 左右的条件下运行， NH4+-N 去除率>90%。实验期间，根据缺氧/两级好氧MBBR—MBR 组合工艺运行条件的不同，分为“A~E”5 个运行阶段，见表 1。MBBR2 和MBR 的回流量均设为200%，即系统总回流比为400%。MBBR1 中的DO 为3~4 mg/L，MBBR2 和MBR 中的DO 为3.5~4.5 mg/L。系统在室温条件（22~28 ℃）下运行。
1.4 分析项目和方法
NH4+-N 采用纳氏试剂光度法测定；NO2--N 采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定；NO3--N 采用紫外分光光度法测定；COD 采用快速消解法测定；碱度采用电位滴定法测定；pH 以Orion 3Star pH 计（美国Thermo 公司）测定；DO 以Oxi315i 便携式溶解氧测定仪（德国WTW 公司）测定；亚硝酸菌和硝酸菌的数量采用最大可能计数法（MPN）〔10〕测定。
2 结果与讨论
2.1 氮的处理效果及影响因素分析
缺氧/两级好氧MBBR—MBR 组合工艺对NH4+-N 和TN 的处理效果如图 2、图 3 所示。
图 2 组合工艺对NH4+-N 的处理效果
图 3 组合工艺对TN 的处理效果
由图 2 可以看出，实验期间缺氧MBBR 出水中的NH4+-N 大幅降低，这主要归因于回流水的稀释作用。缺氧MBBR 出水经两级好氧MBBR 和MBR 进一步处理后，NH4+-N 依次降低，并主要发生在 MBBR2 和MBR 处理段，MBBR1 中NH4+-N 浓度降幅很小。由图 3 可以看出，TN 主要在缺氧MBBR 中被去除，仅有少量在MBBR1、MBBR2 和MBR 中被去除。这是由于缺氧MBBR 中的反硝化菌利用垃圾沥滤液厌氧出水中的有机碳源作为电子供体，将进水及回流液中的NOx-N 最终还原成气态产物N2 〔11〕。
好氧反应器中TN 的降低可能是因为微生物的同化作用，还可能是因为发生了同步硝化反硝化〔12〕。
2.1.1 进水pH 的影响
A、B 阶段的进水流量为1.26 L/d，进水NH4+-N 约为1 000 mg/L，碳氮比为5~6。改变进水的pH，考察其对氨氮去除效果的影响，即A 阶段进水pH 用稀H2SO4 调节至7.0 左右，B 阶段进水不调节pH， pH 为8.5 左右。图 2 表明，进水pH 的变化对NH4+-N 总去除率影响不明显，均能达到99%左右。但通过测定各反应器内的pH 发现，MBBR1、MBBR2 和 MBR 反应器中的pH 已分别由A 阶段的8.5、8.35 和8.5 左右升高至B 阶段的8.75、8.65 和8.7 左右。与此同时，MBBR2 出水中的NH4+-N 平均质量浓度也由A 阶段的18.5 mg/L 升高至42.0 mg/L。由于 MBBR2 出水NH4+-N 比较低，MBR 硝化效果基本未受影响。一般亚硝酸菌适宜的pH 为7.0~8.5，硝酸菌适宜的pH 为6.0~7.5〔13〕。而B 阶段各反应器内pH 升高至8.5 以上，对硝化过程不利。因此，在后续实验中系统进水pH 预先调节至中性。
2.1.2 碳氮比的影响
D、E 阶段进水为未经稀释的垃圾沥滤液厌氧处理出水，碳氮比分别为5.1~6.8、3.2~4.2。由图 2可见，D 阶段NH4+-N 处理效果呈下降趋势，第53天系统的NH4+-N 总去除率降至89.9%，这可能是因为D 阶段进水COD 过高（约10 000 mg/L），对两级好氧 MBBR 的硝化过程产生不利影响〔14〕。当E阶段降低碳氮比（即COD 降至6 500 mg/L左右）后，系统的处理效果逐渐恢复，NH4+-N 总去除率约为99%。因此，垃圾沥滤液高浓度的NH4+-N决定了该系统应在较低碳氮比下运行。由图 3可知，E阶段系统的TN总去除率约为81%，其中缺氧MBBR出水中NO2--N接近 0，NO3--N 约为5 mg/L，说明尽管碳氮比较低，但碳源对于反硝化作用而言仍比较充足。一般认为，每完全反硝化1 g 硝氮需消耗3.7~6.6 g COD，反硝化1 g 亚硝氮则仅需消耗1.8 ~ 2.5 g COD 〔15〕。E 阶段 MBBR2 和MBR 中的亚硝氮积累率分别达到90%、 80%左右（见图 4），这是系统在较低碳氮比下获得较高TN 去除率的重要原因。
2.1.3 进水NH4+-N 的影响
比较A、C、E 3 个运行阶段的NH4+-N 处理效果可以发现（ 见图 2），在实验条件下，进水NH4+-N 对系统处理效果的影响较小，稳定运行时出水NH4+-N＜15 mg/L。C 阶段中第31~34 天出现NH4+-N 去除率突然下降的情况，这是由于当时MBR 的曝气泵出现故障，曝气量降低导致反应器中的DO 降低至1~2 mg/L。当DO 恢复至>3.5 mg/L 后，NH4+-N 总去除率迅速回升至99%以上。
图 4 MBBR2 和MBR 中游离氨及亚硝氮积累率的变化
由图 4 可见，不同进水NH4+-N 浓度下，MBBR2 在A 阶段的亚硝氮平均积累率为73.3%，C 阶段和E 阶段>90%；MBR 中的亚硝氮积累率由A 阶段的＜10%逐渐上升至E 阶段的80%左右。据报道，硝酸菌和亚硝酸菌的最适宜pH 分别为6.0~7.5、7.0~ 8.5 〔13〕，其受抑制的游离氨（FA） 质量浓度分别为 0.1~1.0、10~150 mg/L〔16〕。因此认为两个反应器中亚硝酸盐积累越来越明显是因为长期在pH>8.0、FA> 1 mg/L 的环境下运行。第31~34 天，MBR 积累率突然升高是由前述DO 变化造成的。因为亚硝酸菌和硝酸菌的溶解氧饱和常数一般分别为0.2~0.4、1.2~ 1.5 mg/L，在低DO 下亚硝酸菌的生长速率大于硝酸菌的生长速率，亚硝化过程占优〔17〕。此外，MBBR2 接入系统前亚硝氮积累率为85%左右，这是MBBR2 在运行初期就有明显亚硝酸积累的主要原因之一。 MBR 在A 运行阶段亚硝氮积累率较低可能是因为该阶段进水NH4+-N 相对较低，MBBR2 出水NH4+-N 平均已降至16.5 mg/L，导致MBR 中可利用的亚硝化过程的底物（NH4+-N）很少，主要发生NO2--N 氧化为NO3--N 的反应，而且MBR 接入系统前亚硝氮积累率仅为15%左右。随着进水NH4+-N 增加， MBBR2 出水中NH4+-N 也相应升高，这是运行后期 MBR 实现短程硝化的必要条件之一。
综上，在进水流量为1.0 L/d，pH 约为7.0，COD 约为6 500 mg/L，好氧MBBR、MBR 中DO 为3~4.5 mg/L 的条件下，即使进水NH4+-N 高达1 650 mg/L左右，组合工艺对NH4+-N 和TN 的去除率仍能达到约99%和81%，出水NH4+-N 质量浓度低于15 mg/L，缺氧/两级好氧MBBR—MBR 组合工艺能够有效去除垃圾沥滤液厌氧处理出水中的高浓度NH4+- N。而且在MBBR2 和MBR 中实现了短程硝化，降低了反硝化对碳源的需求量，系统无需外加碳源。
2.2 COD 的去除效果
实验期间，缺氧/两级好氧MBBR—MBR 组合工艺对COD 的去除效果见图 5。
图 5 组合工艺对COD 的去除效果
图 5 表明，实验期间系统对COD 的总去除率较稳定，在77%~89%。在A、B、C、E 运行阶段，COD 主要在缺氧MBBR 中通过反硝化作用被去除。系统进水COD 为4 700~7 800 mg/L 时，缺氧MBBR 实际进水COD（考虑回流）经计算可知约为1 500~2 500 mg/L，缺氧段出水COD 为800~1 600 mg/L，仅剩余少量可降解COD 在好氧MBBR1 中被异养菌消耗。而在D 运行阶段，由于该阶段进水COD 已升至约 10 000 mg/L，因此缺氧段出水中可降解COD 增多， MBBR1 对COD 的去除作用明显增加。可见MBBR1 的设置减小了进水COD 波动对系统去除效果的影响。MBBR2 和MBR 对COD 去除作用不明显，有时甚至出现出水COD 升高的现象，原因可能是其出水中含有更高浓度的亚硝氮，然而实验所采用的COD 测定方法无法消除亚硝氮对测定的影响。
2.3 生物膜和污泥中的硝化细菌特性分析
为深入分析反应器运行状态间的差异及反应器中短程硝化的实现机制，在E 阶段系统稳定运行时，采用MPN 计数法对MBBR1、MBBR2 和MBR内的微生物进行亚硝酸菌、硝酸菌数量测定，见 表 2。
查表可得〔10〕，MBBR1 中每颗填料生物膜上的亚硝酸菌和硝酸菌最大可能数分别为4.5×104 和90； MBBR2 中每颗填料生物膜上的亚硝酸菌和硝酸菌最大可能数分别为4.5×106 和4.5×103；MBR 反应器污泥混合液中所含的亚硝酸菌和硝酸菌最大可能数分别为1.1×106 mL-1 和4.5×104 mL-1。与MBBR2 相比，MBBR1 中的亚硝酸菌和硝酸菌均小2 个数量级，这是MBBR1 硝化效果相对较差的根本原因。且由上述计算结果可见，MBBR1 中的硝酸菌数量很少，亚硝酸菌为优势菌，因此MBBR1 中主要发生的是亚硝化过程，其出水中硝酸盐几乎为0。 MBBR2 和MBR 中的亚硝氮平均积累率分别约为90%、80%，由MPN 计数结果可知2 个反应器中都是亚硝酸菌相对更占优势，其中MBBR2 中亚硝酸菌与硝酸菌的数量比为1 000∶1，MBR 中为24.4∶1，这是这两个反应器都能实现短程硝化的原因之一。但由于2 个反应器中也大量存在硝酸菌，因此在较高pH 条件下，反应器中高浓度的FA 对硝酸菌活性的抑制作用也是实现短程硝化的重要因素。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
（1）缺氧/两级好氧MBBR—MBR 组合工艺对垃圾焚烧厂沥滤液厌氧处理出水具有良好的处理效果，尤其能有效去除沥滤液中高浓度的NH4+-N。在进水pH 约为7、进水流量1.0 L/d、总回流比400%的条件下，即使沥滤液中NH4+-N 约为1 650 mg/L， COD 约为6 500 mg/L 时，系统对COD、NH4+-N、TN 的去除率仍分别达到80%、99%、81%左右，系统无需外加碳源，出水NH4+-N＜15 mg/L。
（2）系统稳定运行时，MBBR2、MBR 中的亚硝酸盐平均积累率分别约90%、80%，实现了短程硝化。较高的pH 和FA 是反应器亚硝酸积累的重要原因。
（3）MPN 计数法测定结果表明，MBBR2 和MBR 中都大量存在亚硝酸菌和硝酸菌，其中MBBR2 中亚硝酸菌与硝酸菌数量比为1 000 ∶1，MBR 中为 24.4∶1，亚硝酸菌的数量占优势。
