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摘要
为了提高矿化垃圾反应床对渗滤液的处理能力,同时阐明其对污染物的降解转化机制,本课题主要从工艺优化和降解机制两个方面进行了研究,包括塔式矿化垃圾反应床小试、中试和实际工程运行的工艺参数优化;废铁屑、钢渣、蘑菇渣、秸秆分别作为改性剂的工艺强化;废铁屑固定床耦合矿化垃圾反应床的工艺组合优化;强化混凝处理渗滤液尾水的可行性;反应床体系中氨氮和磷的转化机制以及反应床体系中微生物种群的分子水平分析。 通过正交试验研究了固液比、进水COD浓度和运行周期对塔式矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的效能影响。在温度为10-37℃条件下,固液比是影响体系污染物去除性能的关键因素,最佳的工艺运行参数为:固液比大于50∶1,进水COD小于8000 mg/L,运行周期小于3h。现场中试研究表明,在温度为10-37℃,水力负荷为0.267-0.444 m~3/m~3_(矿化垃圾)·d条件下,出水COD和氨氮基本上满足国家二级排放标准。实际工程系统对填埋场渗滤液中的污染物去除效果相对较差,分析认为主要和床体填充的矿化垃圾性质以及处理渗滤液的可生化性有关。 在固液比为10∶1,运行周期为3h,水力负荷为0.08 m~3/m~3_(矿化垃圾)·d条件下,分别采用废铁屑、钢渣、蘑菇渣、秸秆作为改性剂进行矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的工艺强化研究。从工程实际应用角度出发,认为废铁屑是相对较为理想的一种改性剂。铁屑固定床耦合塔式反应床处理填埋场渗滤液的工艺组合优化研究表明,前置铁屑固定床和间歇曝气沉淀具有明显强化反应床体系去除COD和氨氮的能力,出水COD小于150mg/L,氨氮小于5mg/L。后置铁屑固定床和间歇曝气沉淀不能有效强化去除塔式反应床出水中的COD。随着铁屑内电解反应器的不断完善,前置铁屑固定床和间歇曝气沉淀可作为强化矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的有效途径。 聚合氯化铝、氯化铁和硫酸铝强化混凝处理渗滤液尾水的研究表明,氯化铁强化混凝的效果最佳,硫酸铝的效果最差。氯化铁的最佳混凝条件为:pH4.5、FeCl_3 1500 mg/L、PAM 15mg/L、磺酸类化合物5 mg/L和硅藻土1500 mg/L,其COD去除率为60.9%;聚合氯化铝和硫酸铝的最佳COD去除率分别为50%-53%和34.4%。强化混凝不能实现对渗滤液尾水的有效处理。 矿化垃圾对氨氮具有“易吸附、难解吸”的特点,矿化垃圾反应床对氨氮的吸附是在瞬间(<10min)完成的,且难以解吸。可用Freundlich方程比较准确地描述矿化垃圾对氨氮吸附的整个过程,其中n值在0.1-0.5之间,表示氨氮吸附容易进行。矿化垃圾反应床对氨氮的转化研究可知,床体中的阳离子交换位点仅仅起暂时贮存氨氮作用,随即主要通过硝化作用实现其氨氮吸附活性的生物再生。通过配水期和落干期的交替循环,反应床完成对氨氮的吸附和生物转化再生。因此,分析认为矿化垃圾反应床的氨氮去除性能与其运行年限无关。低的总氮去除率是由于其反硝化和厌氧氨氧化效果差所致。 采用修正的Hedley磷素分级方法对矿化垃圾中磷的赋存形态特征进行研究。以NaOH-P和Dil.acid-P构成的中度活性磷为矿化垃圾中磷的主要赋存形态,占TP的74.9%,说明矿化垃圾中磷的可利用率相对较高。塔式反应床体中不同磷素形态的时空动态变化表明,矿化垃圾反应床对填埋场渗滤液中磷的去除过程也是其自身富集磷的过程,增加的磷素主要以Dil.acid-P和NaOH-P形态存在,而且主要集中在塔式反应床的上层床体中。据此推断矿化垃圾反应床对填埋场渗滤液中磷的转化主要是通过吸附和生成以多羟基磷灰石为主要形式的化合物而固定。鸡粪(含磷较高)和稻草(含磷较低)两种典型有机物料均能显著活化矿化垃圾中的磷,而且鸡粪的磷活化效果优于稻草;NaOH-P、Dil.acid-P和Conc.acid-P是矿化垃圾活化磷的主要来源。 建立了一种适合于矿化垃圾基因组DNA提取的方法,即TENP buffer/PBSbuffer-Bead beating/Proteinase K/SDS-Sephadex G-200 spin column的组合。矿化垃圾反应床体系的微生物分子水平分析发现,矿化垃圾是极端环境微生物的载体,包括嗜盐、嗜碱、嗜热和嗜冷微生物,说明正是由于矿化垃圾反应床中含有这些具有特殊代谢系统的极端微生物才使其具有强的污染物降解能力,证实了矿化垃圾是一种性能优越的生物介质。反应床体系中的细菌以芽孢杆菌属、变形菌属和动球菌属为优势菌属,古菌以甲烷八叠球菌属和甲烷嗜热菌属为优势菌属。运行良好的反应床体系中的细菌主要包括芽孢杆菌属、微杆菌属、放线菌属、动球菌属、γ-变性菌属以及未分类的氮转化细菌;古菌包括euryarchaeote、methanomicrobia、产甲烷archaea、Crenarchaeote和一种未知菌。 最后,关于进一步工作的方向包括高效生物反应器的开发、总氮去除率的提高和矿化垃圾微生物分子水平的深入研究进行了简要的讨论。
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