代晋国，宋乾武，吴 琪，李 志

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

垃圾渗滤液中氨氮去除技术评价及应用

代晋国1、2，宋乾武2，吴 琪1、2，李 志2

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

垃圾卫生填埋过程中会产生有毒有害的垃圾渗滤液。垃圾渗滤液中的高氨氮对环境及后续生物处理过程造成了严重的影响。本文介绍了几种去除垃圾渗滤液氨氮的技术，并对这些技术进行了评估，分析了这些技术工程应用的特点，同时指出了垃圾渗滤液中氨氮去除技术工程应用的发展方向。

垃圾渗滤液;氨氮;应用

引言

垃圾填埋是城市生活垃圾的主要处理方式，全世界约有95%的生活垃圾采用填埋的方式处理[1]，我国约有90%的生活垃圾也是采用填埋的方式进行处理。垃圾渗滤液是垃圾在堆放和填埋过程中由于发酵和降水的淋滤、地表水和地下水浸泡而滤出的污水。垃圾渗滤液成分复杂，不仅含有大量的有机物质，还含有高浓度的氨氮和有毒有害的污染物。随着填埋场使用年限的延长，垃圾渗滤液中氨氮的浓度越来越高，有的甚至可达到5000mg/L。过高的氨氮浓度不仅增加了渗滤液生化处理系统的负荷，也导致C/N降低，造成营养比例的严重失调，而且产生的高浓度游离氨还会对微生物产生抑制作用，影响生化处理系统的稳定有效运行。因此，研究垃圾渗滤液中氨氮的脱除技术，对于保障垃圾渗滤液处理达标排放具有重要的意义。目前，垃圾渗滤液氨氮的处理技术主要有物化处理技术、生化处理技术以及高级氧化处理技术。

1 垃圾渗滤液氨氮物化处理技术

1.1 吹脱法

空气吹脱法是垃圾渗滤液预处理过程中去除氨氮的最常用的方法。通过加入石灰调节渗滤液的pH在10.0以上，然后通入空气。吹脱时一般采用吹脱塔。王文斌[2]通过对吹脱过程中的关键因素水温、气液比和pH值的研究得到：当水温在30℃以下时，随着水温的升高，去除率逐渐升高。在水温25℃时，氨吹脱的气液比控制在3000～3800之间，渗滤液pH值控制在10.5左右，可使氨吹脱的效率大于90%。吴方同[3]等人利用填料塔来吹脱氨氮含量在1500～2000mg/L的垃圾渗滤液时发现，在pH=10.8、水温为24℃、气液比为3100～3900时，吹脱效率可达95%以上。沈耀良[4]对不同条件下渗滤液中氨氮吹脱效果及其去除动力和机理的研究表明：在pH=11、T=22.5℃及供气量为10L/min的条件下，经5h的曝气吹脱，可获得68.7%～82.5%的氨氮去除率。吹脱设备的气-水自由接触表面积（FSA）及供气量（AFR）对吹脱效果有不同的影响。吹脱过程中NH3通过表面更新和向气泡的传质而从水中脱除。增大FSA可加速NH3通过自由表面的脱除；提高供气量则可加速NH3的传质。在实际工程设计应用中，增大FSA是提高处理效果经济有效的途径。

近年来，不少人在提高吹脱效率和改进工艺技术上进行了大量的探索。超声波吹脱是新型的水处理技术，对含有高浓度氨氮的垃圾渗滤液，采用超声波吹脱技术，可避免传统吹脱技术存在的问题。利用超声波作用于废水时，垃圾渗滤液中的氨氮会产生一种大的压缩力，使超声波急剧反射，形成无数细小的空气泡，加强了氨氮的挥发和传质效果，使其更易从液相转为气相，获得较高的去除率。王有乐等人[5]经过超声波吹脱技术处理高浓度氨氮废水试验后发现，废水采用超声波辐射后，氨氮去除率比传统吹脱技术提高16.4%～17.0%。

1.2 化学沉淀法

化学沉淀法是去除氨氮的另外一种常见方法。这是一种通过铵离子在镁离子和磷酸根离子存在的条件下形成磷酸铵镁沉淀（MgNH4PO4·6H2O）而去除废水中氨氮的方法。磷酸铵镁沉淀是一种重要的复合肥料，实现了对渗滤液中氨氮的回收利用。磷酸铵镁沉淀法对氨氮的去除过程可通过下面的离子反应方程式来表示：

这种化学沉淀法对废水中氨氮的去除率很高。张道斌[6]采用MgCl2·6H2O和Na2HPO4·12H2O或MgSO4和Na2HPO4·12H2O使NH3-N生成磷酸铵镁的化学沉淀法，考察了pH值、反应时间、药剂选用、药剂配比以及分步沉淀工艺等对垃圾渗滤液中氨氮去除率的影响。结果表明：在pH值为9.0，反应时间为25min，采用分步沉淀工艺，当药剂配比n（N）∶n（Mg）∶n（P）=1.5∶1∶1.5时，垃圾渗滤液中氨氮沉淀浓度降低到28.54mg/L，去除率达98.10%。吕斌[7]采用磷酸铵镁（MAP）沉淀法对晚期垃圾渗滤液中NH4+-N进行了研究，研究结果表明：在pH=8.5～9.5，n（N）∶n（Mg）∶n（P）=1∶1∶1时，处理效果较好，在进水氨氮浓度为750～ 450mg/L，氨氮出水浓度为34.2mg/L，去除率大于96%。

1.3 沸石离子交换法

沸石对铵离子有很强的选择性，一般可作为离子交换树脂去除氨氮。沸石是一种骨架状硅铝酸盐，其内部硅铝氧基组成的骨架中有很多空腔和连接空腔的孔道，具有内表面积大、多孔穴的特征，可吸附各种污染物，释放出骨架上的金属阳离子，具有较强的吸附与离子交换能力。沸石吸附法通常在中性或偏酸性条件下进行，水中氨氮主要以NH4+的形式存在，有利于吸附和离子交换。吸附后的含铵沸石可作为复合肥的载体，在提高复合肥产品质量稳定性及农作物的生长方面都具有明显效果，并有助于提高土壤质量。沸石对NH4+具有较强的选择吸附性能，与人工合成的离子交换树脂相比，在有干扰阳离子特别是水中硬度（Ca2+、Mg2+）存在时，有更好的脱氨效果。目前，利用沸石吸附去除氨氮多用于工业废水，用于垃圾渗滤液的报道较少。蒋建国[8]等采用静态吸附法研究了沸石吸附法对垃圾渗滤液中的氨氮去除，小试结果表明：沸石对氨氮有较大的吸附量，每克沸石具有吸附15.5mg的极限潜力；当沸石粒度为16～30目时，氨氮去除率达78.5%。但由于沸石对氨氮的吸附速度较低，当沸石粒径较大时，吸附达到平衡的历时较长，其他条件一定时，进水氨氮浓度越大，吸附速率越大。

2 垃圾渗滤液氨氮生化处理技术

2.1 传统的生物脱氮

传统的生物脱氮方法是指通过微生物的硝化和反硝化作用来脱除水体中的氨氮污染。垃圾渗滤液的生物处理技术有活性污泥法及其变形（如氧化沟、氧化塘、SBR等），厌氧处理工艺（UASB、ABR、IC反应器等）以及厌氧与好氧法联合处理工艺。目前实际应用较多的是厌氧与好氧法联合处理工艺。李军[9]等对深圳市垃圾填埋场渗滤液采用A/O淹没式生物膜曝气池进行处理，HRT为22.1h（其中厌氧段6.5h，好氧段15.6h），混合液回流为3h，COD去除率为71.7%，氨氮去除率为90.8%。

近年来，因SBR的工艺优势，国内外许多研究者都采用SBR来处理垃圾渗滤液。高峰[10]采用厌氧SBR与SBR串联对城市生活垃圾渗滤液脱氮进行了研究，当进水氨氮在280～370mg/L时，出水氨氮含量稳定在11mg/L左右。陈石[11]等对氨吹脱→厌氧生物滤池→SBR的研究表明：当进水氨氮在150～250mg/L时，出水基本维持在10mg/L左右，去除率在90%以上。王小虎[12]等研究表明：对新渗滤液用SBR法处理时，控制污泥负荷为0.0558kgCOD/kgMLSS·d；对老渗滤液控制污泥负荷为0.0352kgCOD/kgMLSS·d，出水中氨氮浓度小于25mg/L。

传统的生物脱氮工艺在处理高浓度氨氮废水时，高的游离氨抑制了硝化细菌的活性，导致出水难以达标排放，而对于低C/N比废水，则常需添加碳源物质。此外，传统的生物脱氮工艺还有耗氧多、速率慢、易引起二次污染等缺点。因此近年来，许多研究者开始探索将生物脱氮新技术应用于垃圾填埋场渗滤液脱氮处理中。

2.2 短程硝化反硝化脱氮

短程硝化反硝化是指NH4+（NH3）在氧化为NO-

2之后，直接进行反亚硝化脱氮而不经历传统的NO-3阶段。可以节约25%的耗氧量，且可以节约40%的碳源，在较低的C/N比下实现完全脱氮目的。此外，这一途径不存在硝酸还原酶对亚硝酸还原酶的竞争性抑制，从而加快了脱氮速率。张树军[13]采用两级UASB+A/O系统与一级UASB+A/O系统处理晚期渗滤液进行了短程硝化反硝化研究，原水氨氮浓度为1200～1800mg/L，出水氨氮浓度〈15mg/L，氨氮的去除率在99%左右。在不经吹脱等物化预处理、不投加药剂的条件下，实现了氨氮几乎全部去除、总无机氮去除率为70%～80%的处理效果。孙洪伟[14]采用SBR工艺对垃圾渗滤液进行了短程硝化反硝化研究，经过95d的运行，成功实现短程脱氮，获得了91.7%的总氮去除率，出水总氮小于20mg/L，实现了氮的深度去除。

2.3 厌氧氨氧化脱氮

厌氧氨氧化是在厌氧条件下，自养的厌氧氨氧化细菌以氨氮为电子供体，以NO-2和NO-

3为电子受体将NH3-N与NOx-N转化为N2等气态物质的过程。反应方程式如下：

与传统脱氮工艺相比，厌氧氨氧化具有不需要氧气，不需要外加碳源，产污泥量低等优点。与短程硝化反硝化相比，厌氧氨氧化过程不需任何外加有机质，即不受废水C/N比的限制。该工艺存在的缺点是因生物产率低而造成系统停留时间长，因而所需反应器的容积较大。郭勇[15]采用厌氧流化床反应器（AFB）作为厌氧氨氧化反应器，对垃圾渗滤液厌氧氨氧化脱氮的影响因素进行了研究，取得了较好的脱氮效果。何岩[16]采用亚硝酸型硝化-厌氧氨氧化联合工艺处理“中老龄”垃圾渗滤液，结果表明，在氨氮负荷率（ALR）为0.069～0.1284gNH3-N/gVSS.d的条件下，前置亚硝酸型硝化反应器（SBR）能实现稳定的亚硝酸氮积累，出水NO2-N/NH3-N值在1145左右，NO2-N/NOx-N大于90%。接种前置SBR中具有硝化活性的污泥用作厌氧氨氧化反应器（UASB）的接种污泥，可以加快反应器的成功启动，在进水氨氮和亚硝酸氮浓度不超过250mg/L的条件下，厌氧氨氧化反应器稳定运行时NH3-N和NO2-N的去除率分别可达到80%和90%左右。

3 垃圾渗滤液氨氮高级氧化技术

3.1 电化学氧化法

电化学氧化除氨是指在电场的作用下，溶液中的·OH基团直接将氨氧化成N2等含氮物质，以及利用水中Cl-转化成ClO-的氧化作用达到去除氨氮的目的。李小明[17]等采用电解氧化法对广州大田山渗滤液进行深度处理的研究表明：电解氧化过程中，氨氮优先于COD被氧化去除，在pH值为4.0左右、Cl-浓度为5000mg/L、电流密度10A/dm2、用SPR三元电极为阳极、电解时间4h、氨氮浓度为263mg/L、COD为693mg/L时，去除率分别为100%和90.6%；并且发现，SPR三元电极明显优于DSA二元电极和石墨电极。王鹏[18]等在对香港某填埋场渗滤液处理的研究中发现，外加Cl-2000mg/L、pH值为9.0、电流密度32.3mA/cm2、水样循环流速为0.100m/s，经6h的电解间接氧化，氨氮去除率达到100%，COD去除率达到87%。台湾Li-CHoung chang[19]采用电氧化处理垃圾渗滤液采用锡-铂-钌合金电极，电解电流密度为15A/dm2，投加氯离子，电解240min，可将COD为4500mg/L、氨氮为2500mg/L的垃圾渗滤液降解COD为364mg/L，氨氮完全被去除。

3.2 超声波处理技术

近年来，超声辐照作为一种高级氧化技术应用于治理水污染方面的研究，尤其是在治理废水中有毒难降解污染物的研究方面取得了很大进展。水在超声辐照作用下，水中的微小气泡核经历振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程，产生瞬时的高温高压，同时生成氧化性极强的羟基自由基，使得水中的污染物在高温高压或羟基自由基的作用下降解。王松林等[20]利用超声辐照去除渗滤液中的氨氮，在初始pH值为11.0、超声电功率200W、历时180min、空气曝气和超声辐照联用时，氨氮去除率可以达到96%。

3.3 高压脉冲放电技术

高压脉冲放电技术可在常温常压下，利用渗滤液中放电形成的等离子体通道，产生高温、高压、高密度活性粒子，强烈紫外光和超声波是一种降解能力高、无二次污染、适用范围广的处理技术。林正等[21]采用高压脉冲放电技术研究了投加铁屑、改变pH值和曝气对去除垃圾渗滤液中NH3-N的影响，结果表明：投加铁屑可提高NH3-N的去除；碱性条件下NH3-N的去除率远高于酸性条件，在pH=14、氨氮浓度为1100mg/L、dr=6mm、da=36kV时，曝气与放电同时进行180min，氨氮去除率可达到83.6%。

高压脉冲放电等离子体技术与多种高级氧化技术的协同效应，不但对目前污水中存在的各类有机物的降解具有广泛的适用性，而且因其利用能源的清洁、高效，使其更具有广阔的工业应用前景，目前，应用这一技术治理水环境尚处于探索阶段，要实现其在废水处理中的产业化，需要继续努力。

4 不同氨氮去除技术评价

4.1 吹脱技术

吹脱法去除氨氮技术目前已有应用于实际工程（如深圳下坪渗滤液处理厂）。垃圾渗滤液氨吹脱过程中首先需要加入大量的碱进行pH的调整，工程上常采用的是通过投加大量Ca(OH)2的方式，很容易造成设备的结垢。在吹脱后进行生化处理前还必须通过投加酸进行回调到中性。对于吹脱出来的气态NH3，如果不进行回收，势必造成严重的二次污染，因此必须对NH3通过氨回收装置进行回收，从而导致整个工艺过程投资加大，并且运行成本较高。以上这些缺点严重限制了该技术在垃圾渗滤液脱氮过程中的应用。目前虽实现了工程化应用，但仍存在二次污染以及高能耗的问题。

4.2 化学沉淀技术

化学沉淀技术理论上可以完全除去垃圾渗滤液中的氨氮，根据化学方程式可以得出，去除1mol氨氮需要1molMgCl2·6H2O和1molNa2HPO4·12H2O，同时产生1mol MgNH4PO4·6H2O，由于MgNH4PO4·6H2O的分子量为245，即去除1mol氨氮要产生245g化学污泥。假设每吨垃圾渗滤液氨氮浓度从1000mg/L降到200mg/L，即产生11kg MgNH4PO4·6H2O，同时需要消耗0.9kgMgCl2·6H2O以及16kgNa2HPO4·12H2O。按照目前市场价MgCl2·6H2O为1000元/t、Na2HPO4·12H2O为3000元/t，则处理每吨垃圾渗滤液药剂费用约高达49元，如此高的运行费用，限制了该技术的推广应用。

4.3 离子交换技术

目前对该法用于渗滤液处理的研究还不太多，且多为实验室规模，并且该技术的应用主要是对垃圾渗滤液的深度处理，对于高浓度氨氮的垃圾渗滤液的预处理目前还未见报道，因此研究该技术作为预处理技术以降低高氨氮对后续生物处理的影响是该技术的研究方向。同时研究对沸石改性以提高其对氨氮的离子交换容量和对铵离子的选择性系数也是研究的重点。沸石在许多国家都存在，并且成本低廉，因此用沸石离子交换法脱除垃圾渗滤液中的氨氮是可行的。该技术用于实际生产还有待进一步研究。对沸石进行改性处理，提高吸附速率和交换容量是今后的研究方向。

4.4 生化处理技术

生化处理脱氮技术目前研究较多，也有很多的工程化应用，适合于“年轻”的垃圾填埋场渗滤液处理。随着垃圾渗滤液中氨氮的不断提高，该技术已经不能有效去除垃圾渗滤液中的氨氮。我国很多垃圾渗滤液处理工程目前都存在生化处理氨氮不达标的情况，因此，完全依靠生化处理来脱氮是不可行的。对于高氨氮浓度的垃圾渗滤液，还必须依靠其他技术进行脱氮。

4.5 高级氧化技术

高级氧化技术中，电化学氧化对氨氮的去除率可达100%，对COD的去除率也在80%以上，处理过程快，效果好。此种方法被认为是可能被工业化应用的高级氧化技术之一，被称为“环境友好技术”。缺点是处理过程中消耗电能，从而增加了运行成本。该技术在产业化的过程中还存在很多技术环节需要突破。如高效反应器的设计、电极材料的选择以及提高电流效率，降低能耗等。

高级氧化技术脱氮是垃圾渗滤液脱氮技术的发展方向，但是该技术目前基本处于实验室研究阶段，并且处理成本也很高，工程化应用的工程实例还没有，技术产业化的道路还很漫长。

5 技术应用前景分析

下表为不同技术的工程化应用分析。表中内容显示，从目前脱氮技术的产业化发展来看，还没有一种经济实用的技术。就目前工业化应用来看，垃圾渗滤液处理技术仍然停留在一些常规的技术上，如氨吹脱、氨氮的生物处理技术等。我国《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）中氨氮的排放标准为25mg/L。国内很多垃圾渗滤液处理都难以达到这个排放标准。因此对高氨氮垃圾渗滤液的处理已成为我国垃圾渗滤液处理面临的一个重要问题，开发实用可行的氨氮去除技术是解决垃圾渗滤液问题的一个关键。在目前还没有一项成熟的技术可作为工程化应用的情况下，研究开发经济可行的垃圾渗滤液脱氮技术已成为目前的一项重要工作，开发高效低耗、能实现氨氮回收利用的处理技术是今后处理高氨氮垃圾渗滤液的发展方向。

不同脱氮技术的工业化应用分析表

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Technology Assessment of Removal Ammonia-nitrogen in Landfill Leachate and Application Analysis

DAI Jin-guo1、2, SONG Qian-wu2, WU Qi1、2, LI Zhi2
(1.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875;2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

Landfill leachate is generated in the process of sanitary landfill,which is toxic and harmful. The high ammonianitrogen of landfill leachate causes severe environmental pollution and has serious impact on subsequent biological treatment process. This article describes several techniques to remove ammonia landfill leachate, and the evaluation of these technologies,analyzes the characteristics of the engineering application of these technologies, also pointed out the engineering development trends of the treatment technologies of ammonium-nitrogen in landfill leachate.

landfill leachate; ammonia-nitrogen; application

X703

A

1006-5377（2011）08-0021-05

注：本文为国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07211-006）。