生物菌酶應用在垃圾滲濾液處置工程中的定性研究

于 凱

（青島華益環保科技有限公司，山東 青島 266073）

1 引言

（1）垃圾滲濾液主要來源于降水、地表水和地下水滲入以及垃圾本身的內含水[1]。在垃圾滲濾液中，其污染物成分復雜，水質波動較大，氨氮濃度較高，從而導致處置垃圾滲濾液的成本較高，且難以達到排放標準要求。當前，高標準的滲濾液處置公司投資較大，經營費用較高，但設施建成后卻難以有序運行，究其根本原因之一是垃圾滲濾液的可生化性較差，很難達到后續的深度處置要求。因此，在保護環境的前提下，必須要做好處理垃圾滲濾液的環保工程。但在實際的處置過程中，傳統的生物法和物理化學法都存在一定弊端，所以，急需研究一種高效、經濟的處置方法。

（2）酶是由活細胞產生的具有催化作用的有機物，其大部分為蛋白質，也有極少部分為RNA，是不可以繁殖的，只可以進行催化，能加快某個化學反應過程。因此，其具備一定的催化功能，主要特征包括：效率高、專一、反應條件低、能夠減弱生化反應的活化能。其中，生物酶是一種能力巨大的催化劑，會在促使微生物的數量呈指數級增長的同時，還可以相應提高生物降解有機物的反應速度，能對污染物中復雜的化學鏈產生破壞效果，使其分解為小分子的有機物或二氧化碳、水等無機物，并催化促進大分子（底物）轉化成容易吸收的小分子（營養源）。因此，在處理有機污染物時，主要是依靠酶發生的化學反應，生成游離基，而發生化學聚合反應的游離基會形成高分子的污染物，這樣就可以通過過濾去除污染物。此外，生物酶不僅能提高處理污染物的效率，還可以保障微生物自身的生長繁殖。因此，生物酶由于自身卓越的性能，有著極其廣泛的應用領域。

（3）菌是微生物的一種，具有繁殖能力，其在繁殖過程中會以有機物作為營養物質，從而起到凈化廢水的作用。但酶從作用上判斷只起到催化作用，其不能以有機物作為營養物質，不能凈化廢水，只能加快某化學反應，而菌是可以降解有機物的，從而實現凈化廢水的目的。

（4）酶+菌技術就是利用兩者的特性，即酶可以進行催化加快反應，促進微生物的生長，以及起到凈化的作用。在實際應用中，酶能夠提高催化效率、對反應條件要求不高、不會過多要求設備性能，具有反應迅速，投資成本較低、處理成本低、污泥量少、運行穩定等優點。在將來的發展中，可將生化處理工藝與環保科學理論相結合，再合理運用成套的理論體系，開發并應用生物酶技術，這樣就可以經濟、快速、便捷地處理垃圾滲濾液，從而為環保工作的順利開展奠定良好基礎。

2 垃圾滲濾液的特征

2.1 垃圾滲濾液的污染成分

通常，不同種類的垃圾會導致垃圾滲濾液的成分不同，所以，針對不同成分的垃圾滲濾液，需要采取不同的處理工藝，以有效去除各種垃圾滲濾液中所包含的不同污染物。如由廢棄物和有機物、能夠生物降解的廢物、廚余垃圾生成的垃圾滲濾液，其中的成分主要是COD、BOD5、NH3-N和大腸桿菌等。

2.2 垃圾滲濾液的特點

垃圾滲濾液有以下特點：COD和BOD濃度高；有機物種類多，水質復雜；污染物濃度高且變化較大；水質和水量差異大；含有高量的金屬；氨氮含量較高；營養元素比例失調[2]。

3 處理垃圾滲濾液的典型工藝

由于垃圾滲濾液處置的環保工程、運行成本都較高，且可生化性還比較弱，所以，要投入較多的環保設備，并且，當通常情況下要處置的垃圾滲濾液的量不大時，也會產生較高的設備折舊費用和維護費用。因此，在垃圾滲濾液的實際處理過程中，主要包括物理化學法和生物法[3]。其中，物理化學法主要包括吸附（活性炭法）、沉淀（化學法）、分離（密度法）、氧化還原法（化學法）、離子交換法等；而生物法主要包括好氧法、厭氧法和二者混合法。

（1）當前，國內應用較好的生物法主要是好氧法+厭氧法的綜合處理工藝。而綜合處理工藝基本是針對濃度較高的垃圾滲濾液。如果待處置的垃圾滲濾液中有較高的氨氮，首先要應用氨吹脫，然后是生物法。在實際處理過程中，綜合處理工藝技術穩定，經濟可行，能保證較好的污泥沉淀，因此，得到了廣泛認可，不過針對生化性能低，不容易降解的有機物和高毒性的廢水，往往達不到預期效果。

（2）反滲透技術具有高效截留污水中溶解態的無機污染物和有機污染物的特性，所以，成為了處理垃圾滲濾液的主要方法。但在實際應用過程中，反滲透技術逐漸顯現出弊端，基本體現在可操作性差、高耗能、設備損耗及運維成本較高。

（3）當前，雖然膜生物反應器能降解垃圾滲濾液中的有機物，但單純采用膜生物反應器工藝，處理后的水質往往不能達標排放，還需要結合納濾（濃縮）水處理設備、反滲透水處理系統、活性炭等綜合處置工藝，才能滿足排放要求。

4 試驗內容

4.1 試驗目的

本試驗的目的，一是在實驗室小試成熟地處理工藝，以確定最合理的處理工藝及設計參數，使之服務于實際工程需要；二是在實驗室驗證、模仿、創新目前環保領域新興的工藝技術、設備等，以增強企業的競爭力。在實驗過程中，小試系統的待處理對象主要是垃圾滲濾液，主要是為了更好地選擇垃圾滲濾液處理系統尤其是生化系統的參數，以提供更加準確的設計依據，同時，也是對垃圾滲濾液工藝進行進一步探索。

4.2 試驗設備

主要包括：反應池、生物強化工序裝置、氧化工序裝置、電凝聚裝置等設備，并輔以生物菌、酶等耗材。

（1）反應池：均采用PVC板，池體與池體相互獨立，采用法蘭及鋼絲軟管連接。

（2）生物強化工序裝置：工藝原理是指污染物被微生物分解成CO2和H2O。該裝置通過對含有有機物的垃圾滲濾液進行曝氣，并使之保持曝氣狀態，且pH值調試到6.5～7.8之間較佳；同時，保證溫度和pH值等參數的系統平衡。

（3）氧化工序裝置：該裝置能對苯胺以及苯環類物質進行一定程度的氧化破解；在改善后續生化進水條件時，能提高整個廢水的可生化性。本系統采用等離子體放電、高級氧化技術，以電化學方法為核心。

（4）電凝聚裝置：該裝置是借助外電源，依靠陽極生成較多的金屬陽離子，且參加水解反應生成混凝劑，以形成能容易去掉的較大物質，進而達到凈化效果。本系統采用鐵電極，優化了電極配置和電參數設計，使COD最大程度地降低，并減少了電耗和極板損耗。

（5）生物菌：菌種是通過富集、分離、篩選等步驟從自然界中找到，通過擴培養后再應用到需要處置的污染水體中；或者把污染水體中得到的常見菌種通過各種方式和新技術制成通用菌種，并經過分離和篩選獲取有效菌株，擴培后再投放到受污染水體中，實現最終的環境治理。在實驗過程，運用生物菌群中各類細菌的自身功效，可針對垃圾滲濾液中的有機污染物，投入特定配比的微生物菌群，再利用微生物本身產生的各種酶系，使有機物和菌種間構成生物鏈且形成循環高分解鏈系統，可將有機污染物分解成CO2、H2O和CH4等無害的最終產物。

（6）垃圾滲濾液選自山東省某垃圾處置園區內的，此垃圾滲濾液沒有被處理，其水質的基本情況詳見表1。

表1 垃圾滲濾液的水質情況

4.3 試驗原理

（1）由于垃圾滲濾液成分復雜，含有大量的難降解物、可生化性較差，所以，工藝系統中采用電解法。該方法對于小水量含高鹽有機物廢水的處理效率較高，并且提高了對COD、氨氮的降解程度，提高了可生化性，有利于微生物的培養繁殖。

（2）在高壓等離子體放電方法中，可采用介質阻擋放電形式，是利用高頻電源產生的高壓對垃圾滲濾液負載進行放電，且放電布滿整個反應器，而放電產生的等離子體由于溫度較高、壓力較高，導致大量有機分子被高溫熱解并發生高級氧化而化學降解。在這些過程和反應的協同作用下，有機物被降解，從而達到有效分解處理高濃度有機物垃圾滲濾液的目的。

（3）本系統采用的電化學方法主要為高級氧化，但如何提高氧化劑的效果以及降低成本是氧化法處理的關鍵。這主要是因為，具有強氧化性的羥基自由基（OH·）是一種極佳的氧化劑，與臭氧相比，其可以無選擇性地氧化有機物，且反應高效迅速。但OH·的壽命極短，因此，如何充分利用其進行氧化也是一個難題。本系統針對現有電解氧化裝置的OH·產生率低，利用效率低下的問題進行了研究和改進，主要采用堿性的電解液以及石墨電極，進行連續電解，使OH·能連續源源不斷地產生，同時提高了OH·利用效率以及垃圾滲濾液中的COD去除率。

（4）采用金屬電極進行電解，即采用電凝聚方法處理廢水，是借助外電源的力量，應用可溶性陽極生成較多的金屬陽離子，且參加水解反應生成混凝劑。此處理技術的作用是為了使原水中的膠體、SS、TDS、細菌、病毒和其他微生物等的物理性質發生改變，最后形成能容易去掉的較大物質，進而達到凈化效果。

電凝聚方法的工藝原理如圖1所示。陽極金屬借助外電源外力，產生了氧化反應，形成了金屬陽離子，但發生水解時形成了陰離子，所以，Mn+和OH-絡合生成了M（OH）n這種混凝劑，此混凝劑能夠和垃圾滲濾液中的雜質、SS和膠體等不同的成分進行混合，并慢慢沉降和溶液開始分離；與此同時，因發生水解反應而形成的氫氣，在溢出液面的時候，有些污染物也會跟著上浮。

圖1 電凝聚方法的工藝原理

電凝聚工藝過程中產生了一連串的物理和化學反應，主要包括：溶解的陽極金屬、電場作用下電解產物的分解和電解產物及水解產物與廢水中物質發生物理化學反應等。不過，在這些反應中，主要是以電極反應為主。以鐵電極為例，每當電極之間通過直流電或脈沖電的時候，就會發生下面的電極反應：

當Fe2+進入水中后，會迅速發生水解反應，形成多種單核絡合物；而當Fe2+經歷多種水解和縮聚反應后，能夠生成各種復雜的聚合離子，此聚合離子又能夠和廢水中的有機物質發生多種不同的物理化學反應。

由以上過程可以看出，應用電凝聚方法凈化垃圾滲濾液，主要是借助外電源的外力，應用可溶性陽極（鐵）產生大量的金屬陽離子，再應用可溶性得陽極生成較多的金屬陽離子，且參加水解反應生成混凝劑。此處理技術的作用是為了使原水中的膠體、SS、TDS、細菌、病毒和其他微生物等的物理性質發生改變，以形成能容易去掉的較大物質，進而達到凈化效果。

針對電解過程中的陽極鈍化現象和電極腐蝕較嚴重，損耗快的問題，進行了一系列優化，采用換向電源，使系統的陰極、陽極在反應一段時間后進行轉換，有效抑制了陽極鈍化現象的產生；同時，從材料方面入手，改進了傳統的鐵電極，從而使電極損耗降低，有效延長了電極壽命。

區別于傳統的高效生物菌種需要反復投加、成本昂貴等特點，使用該技術可以有針對性的擴培特效微生物菌團，且在日常運行中無需重復投加，降低了處理成本。該技術比傳統生物處理系統的調試時間縮短很多，并且，利用快速啟動劑在短時間內激活菌種后，就可以實現滿負荷正常運行。

4.4 試驗方法

（1）本試驗采用一種綜合處理方法：預處理+高壓等離子處理+高級氧化+生化，實現了降解大分子有機物，降低水體中的COD和氨氮，最終達到排放標準。在一系列的物化法、高級氧化和生化處理等方法中，以等離子體放電及電化學方法為核心，以物理混凝、微電解、生化降解為輔助，綜合考慮了各種方法的優劣，優化了各方法的先后順序、內部操作流程，同時，是在各處理方法優化的基礎上，進行有機結合。

（2）該系統的主要工藝流程如圖2所示：

圖2 工藝流程圖

本系統采用等離子體放電、高級氧化技術，以電化學方法為核心。

（3）本次小試試驗運用的等離子體放電技術克服了現有技術中的不足，其工藝過程是，采用介質阻擋放電形式，利用高頻開關電源產生脈沖電壓，經變壓器諧振產生高壓后，對垃圾滲濾液負載進行放電；由于介質阻擋放電布滿了整個反應器的空間，使有機分子在等離子體通道內被高溫進行熱解，并在自由基的作用下發生高級氧化而化學降解。應用該技術處理垃圾滲濾液時，不需要添加化學試劑，處理過程簡單，無廢棄物和二次污染，且在提高水處理效率的同時，最大程度地減少了能耗。

（4）但由于廢水含有較高難降解有機物和氨氮，生物處理段采用缺氧-好氧處理工藝。好氧（硝化）和缺氧（反硝化）進行生物處理可有效去除COD、BOD和NH3-N。其中，前置反硝化可以降低需氧量和碳用量，通過水解酸化后廢水BOD/COD值提高；而硝化池內通過高活性的好氧微生物作用，使垃圾滲濾液中的大部分有機物污染物在硝化池內得到降解，同時氨氮和有機氮氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽。經過硝化-反硝化過程，垃圾滲濾液廢水中的有機物和氨氮大部分被轉化為無機物（CO2、H2O、N2）可從水中去除，一小部分則轉化為細胞物質，通過定期排泥被排出系統。

5 試驗結果與分析

分別取20 L垃圾滲濾液各一份分成三組，一組當空白對照，二組處理工藝不加生物菌酶，三組按照完整的工藝流程加入20 g的生物菌酶，48 h后觀察結果：二組的垃圾滲濾液有明顯的懸浮物，三組的垃圾滲濾液底部有分層，底部由濁變清。分別取第二組和第三組的上清液檢測，其處理效果詳見表2。由上述試驗結果可以看出，生物菌酶可以快速去除垃圾滲濾液中的污染物。

表2 垃圾滲濾液出水水質

6 討論

（1）通常情況下，垃圾滲濾液水質復雜，有機物濃度高且多為有毒、有害、難生物降解有機物，氨氮濃度也很高，由以上定性試驗可以看出，投加相應的高強活性生物菌，可顯著提升垃圾滲濾液的處理效果；可快速降解入侵的高濃度有機物、降低系統負荷、逐步修復受損菌落、改善污泥形狀、從而建立更強更優的生化系統；而生物菌會加速將大分子變為好吸收的小分子，這不僅提高了污染物的處置效率，而且也為微生物的生長繁殖提供了支撐，促進了生化反應。

（2）生物菌酶除具有破雜環、斷長鏈、耐鹽、除氮、脫臭、降COD等能力外，還有如下特性：

①菌種本身無毒性，無致病性，不會造成二次危害；

②消除污染物速度快且強，脫氮效果好；

③采用生物菌酶技術處理垃圾滲濾液，降解1 kg BOD5只產生約0.25 kg的干污泥，而采用常規的活性污泥法降解1 kg BOD5則產生0.5～0.7 kg的干污泥，產生的污泥量較少。因此，該處理工藝產生的污泥量比常規處理工藝要少。

7 結論

本次定性試驗，驗證了生物菌酶對垃圾滲濾液有凈化作用。因此，在垃圾滲濾液的實際處理過程中，生物菌酶作為一種純天然綠色環保產品，會隨著污染物的降低而逐漸減少，不會造成二次污染，這樣既提高了垃圾滲濾液的可生化性，增強了處置效率，又減少了反應時間，降低了處理成本。所以，該處理工藝在垃圾滲濾液處理行業具有廣闊的市場前景，也會帶來巨大的經濟效益和社會效益。