生物炭对准好氧矿化垃圾床渗滤液处理的影响

叶志成,宋曼娇,尹 威,胡 樾,赵贺芳

(1.马鞍山学院 建筑工程学院,安徽 马鞍山 243100;

2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院, 四川 成都 610031)

生活垃圾填埋若干年后即可稳定而形成矿化垃圾,矿化垃圾具有较强的吸附能力和较大的比表面积,用作污染物处理基质时,能提供极好的吸附交换条件和优良的微生物生存环境[1]。 准好氧矿化垃圾床渗滤液处理是一项“以废治废”的技术,因其对渗滤液处理效果较好、价格低廉而受到了广泛关注,但在处理过程中常伴随N2O 产生。N2O 被称为第三温室气体,对温室效应的贡献约占全球人为温室气体排放总量的7.9%[2-5]。 据估计,污水处理中N2O 的年排放量占全球排放量的2.5%～25%[6]。

高度多孔且具有强吸附性的生物炭近年来获得广泛关注[7-9]。 首先,生物炭能够为床内微生物繁殖提供有利的环境,使其成为微生物聚集生长的场所,并且对水中的有机物进行吸附[10-11];其次,生物炭还是一种性能优良的电子穿梭体,微生物胞外介导的电子传递作用能一定程度加速对污染物的生物降解[12-13];此外,生物炭中含有大量微生物,可以有效地利用渗滤液中的氮源,使渗滤液的碳氮比得到一定调节,减少N2O 的生成[14]。

但目前生物炭多用于土壤中N2O 减排的研究[14-17],将生物炭与准好氧矿化垃圾床处理渗滤液相结合的研究很少见。 鉴于此,本实验构建了准好氧矿化垃圾床模型,分析不同生物炭的添加量对准好氧矿化垃圾床处理垃圾渗滤液中N2O排放和出水水质的影响,以期为矿化垃圾处理渗滤液技术的完善拓宽思路,并为生物炭应用于N2O 的减排提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 渗滤液

渗滤液取自四川省成都市某垃圾填埋场,具体理化性质如表1 所示:

表1 渗滤液理化特性

1.1.2 矿化垃圾

矿化垃圾取自四川省宜宾市某垃圾填埋场,填埋龄为8 a,人工分选出其中的塑料、石头、玻璃等大颗粒物后过10 mm 筛,筛下物即为实验所用矿化垃圾。 矿化垃圾的基本理化性质见表2:

表2 矿化垃圾基本特性

1.1.3 生物炭

生物炭为购置的竹制生物炭,充分研磨后备用。

1.2 实验装置及材料装填

本实验采用内径300 mm,高1 100 mm 的PVC管模拟准好氧矿化垃圾床。 底部设置内径均为25 mm 的导液管和放空管,床内中心设置内径为15 mm 的穿孔导气管以形成准好氧环境。 床内装填材料由下至上依次为200 mm 厚的碎石层、滤布、900 mm 高的矿化垃圾体(装填密度850 kg·m-3)。实验装置的具体结构与尺寸如图1 所示。

图1 实验装置

本实验设置了四组准好氧矿化垃圾床模型,编号为1#、2#、3#、4#,床内生物炭含量分别为0%,0.25%,1.00%,3.00%,其余条件均相同。

1.3 运行操作方式

在实验进入稳态运行阶段之前,采取混合培养法对矿化垃圾进行驯化:将生活污水与渗滤液混合作为反应器进水对微生物进行培养,并分阶段提高渗滤液的体积分数[18],稳态运行阶段进水为纯渗滤液。

实验操作流程如图2 所示。 利用蠕动泵对准好氧矿化垃圾床进水进行回灌,实验前期回灌周期为12 h,回灌量为1 000 mL·次-1,回灌时间为30 min。 实验后期采取降低进水负荷的方式来保持渗滤液处理效果,回灌周期改为1 d,其余条件不变。 每天回灌前排空出水并取500 mL 样品测定液相指标,回灌6 h 后,从顶部采集气体测定N2O、N2浓度。

图2 实验操作流程

1.4 指标测定及分析方法

1.4.1 测定方法

出水样品和气体测定周期为1 d,N2O 和N2的测定采用GC 7900 气相色谱仪分析,具体操作参数如表3 所示:

表3 气相指标测定参数

液相指标测定方法见表4:

表4 液相指标及测定方法

1.4.2 分析方法

采用Origin 9.0 软件进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1 生物炭对渗滤液处理效果的影响

2.1.1 生物炭对 CODCr及UV254去除影响稳态运行期间不同生物炭含量反应器出水CODCr处理效果如图3 所示。 1#～4#反应器的渗滤液尾水CODCr浓度分别为952.59 mg·L-1、775. 23 mg·L-1、552.69 mg·L-1、356.80 mg·L-1,

图3 CODCr 处理效果

对应的CODCr平均去除率分别为85.11%,87.82%,91.34%和94.48%,可以看出,添加生物炭可以提高尾水水质。 已有研究表明[19-20],矿化垃圾床对渗滤液中的有机物处理机理为先吸附再降解,在回灌过程中有机物通过吸附作用在床内累积,而有机物的去除主要是在落干期通过以好氧生物为主导的生物降解作用完成。 生物炭较大的比表面积、丰富的孔隙和稳定的结构可以加强有机物的吸附,同时疏松多孔的结构为微生物提供了良好的生长繁殖场所。 在本来已经具有良好吸附交换条件和微生物生长环境的矿化垃圾中混合一定量的生物炭,是对其理化性质的进一步改善,为垃圾渗滤液水质的净化起到了积极的作用。在床内添加生物炭,一方面吸附了更多的有机物,另一方面增加了床内好氧微生物的数量及丰富度,使得CODCr去除率得到提高。

UV254是水中吸收254 nm 紫外线的含有芳香烃和双键或羟基的共轭体系的有机化合物[21-22],在垃圾渗滤液中主要是腐殖质、腐殖酸类大分子有机物质。 如图4,运行期1#～4#反应器的平均UV254去除率分别为76.32%,79.79%,86.08%和89.07% ,可见各个反应器对UV254的处理效果随生物炭添加量的升高而出现较为明显的提升,规律与CODCr相似。 而黄进刚等[22]对渗滤液中UV254和CODCr的相关性研究表明,老龄渗滤液中CODCr与UV254的相关性可达到0.968 1,因为老龄化填埋体堆场中垃圾腐熟化程度较高,渗滤液中富含难降解的大分子腐殖酸类,而低分子量的低链脂肪酸含量低,故UV254值较高,与CODCr相关性好。 故可以推测生物炭的添加对UV254的去除效果的影响与 CODCr去除率得到提高的原因类似。

图4 UV254 处理效果

2.1.2 生物炭对TN 及NH4+-N 去除影响

各反应柱的TN 和NH4+-N 去除效果如图5、图6 所示,随着运行时间的增加,TN 去除率出现了升高的趋势;而NH4+-N 去除率都能达到94%以上。 由图5、图6 可以看到,随着生物炭含量的增加,各反应器TN 和NH4+-N 去除率也有所提高。 已有研究表明[23],准好氧矿化垃圾床对于渗滤液的脱氮机制主要是系统内广泛存在并大量增殖的亚硝化菌、硝化菌与反硝化菌所进行的同步硝化反硝化作用。 未填充生物炭的1# TN 平均去除率仅有30.99%,而生物炭含量最高的4#去除率达到了50.85%,在NH4+-N 的去除效果方面,1#的去除率(97.24%)也低于4#(98.83%)的,这表明生物炭的添加对于垃圾床内的硝化、反硝化菌群的适应与增殖有很好的促进作用。 研究表明[24-26]这种促进作用主要体现在:生物炭疏松多孔的物理特征为微生物提供了更加适宜的生存环境,同时混合于矿化垃圾中的生物炭颗粒会吸附渗滤液中的游离NH4+-N,这样就相当于将硝化作用底料NH4+-N 聚集在生物炭孔隙之中的菌群附近,以此加强反应器内的硝化反硝化作用,从而影响TN 与NH4+ -N 的去除效果。

图5 TN 去除率变化规律

图6 NH4+-N 去除率变化规律

2.2 生物炭对渗滤液处理N2O 和N2 的排放影响

2.2.1 生物炭对N2排放影响

4 个反应器在稳态运行期时的N2排放规律如图7 所示。 由图7 可以看到,4 个反应器的氮气排放量大体趋势上都是逐渐减少的,说明硝化作用在运行后期逐渐减弱,可能原因是硝化、反硝化所需碳源减少,以及混合在反应器内的生物炭吸附饱和。 各柱N2累积排放量高达87.01 g(2#)、106.42 g(3#)和127.56 g(4#),与1#柱69.57 g 的N2排放量相比,分别提高了25.06%,52.97%和83.35%,这说明生物炭可以促进反应器的硝化与反硝化作用,进而提高N2的排放量,这种促进作用与生物炭添加量正相关。 在陈晨等[33]的研究中,生物炭的添加可以增加amoA (氨单加氧酶)基因丰度,促进硝化作用,与此同时还会刺激nirK 和nirS(亚硝酸盐还原酶)型反硝化微生物大量增殖,促进NO2-还原为NO,进而间接刺激反硝化过程中N2O 的产生,但添加生物炭含量引起的nosZ (氧化亚氮还原酶)基因丰度增加能促进反应器内N2O 还原为N2释放出去。 这也与本研究中添加生物炭能实现N2O 减排的结果一致。

图7 N2 排放规律

2.2.2 生物炭对N2O 排放影响

4 个反应器在稳态运行期的N2O 排放规律如图8 所示。 由图8 可知,各反应器N2O 排放通量在运行期逐渐减少。 在整个稳态运行期中,1#～4#的N2O 排放通量依次为76.73～268.54 mg·m-2·h-1、47.28～252.28 mg·m-2·h-1、55.19～226.22 mg·m-2·h-1及36.36～196.95 mg·m-2·h-1,稳态运行期间1#～4# N2O 累积排放量分别为 4 521.65 mg、3 938. 33 mg、3 560.37 mg、2 980.48 mg,与1#相比,2#、3#、4#N2O 累积排放量分别减少了12.90%,21.26%,34.08%。 表明随着矿化垃圾床中生物炭添加量的增加,N2O 排放量呈现出递减的趋势。

图8 N2O 排放规律

2#～4#柱N2O 排放相对较少,原因可能是生物炭中的碱性物质提高了整体反应环境的pH值,从而对N2O 还原酶(nosZ)产生了刺激,使得N2O 向N2方向发生转变[19-25]。 同时还有研究表明[26-32],生物炭可以抑制NO3--N 和NO2--N 转化为N2O 还原酶的活性,位于生物炭颗粒表面的金属氧化物能将反应器内微生物硝化反硝化过程产生的N2O 催化还原为N2。 也有研究表明[28-33],生物炭可以直接吸附产生的N2O,从而达到N2O减排的效果。

3 结论

(1)运行期间1#、2#、3#和4#尾水对应的CODCr去除率分别为85.11%,87.82%,91.34%和94.48%; UV254去除率分别为76.32%,79.79%,86.08% 和89.07%;去除率均表现为:1#＜2#＜3#＜4#,表明添加生物炭能提高准好氧矿化垃圾床对渗滤液中各类有机污染物的去除,生物炭添加量越多,去除率越高。

(2)运行期间1#、2#、3#和4#对应的NH4+-N,平均去除率分别为97.24%,98.53%,98.71% 和98.83%,对TN 的去除率平均为30.99%,39.11%,43.78% 和50.85%;去除率均表现为:1#＜2#＜3#＜4#,表明添加生物炭能提高渗滤液脱氮效果。

(3)运行期间1#、2#、3# 和4# N2累积排放量分别为69.57 g 、87.01 g、106.42 g 和127.56 g;N2O累积排放量分别为4 521.65 mg、3 938.33 mg、3 560. 37 mg、2 980.48 mg;表明添加生物炭能促进N2O 转化为N2,实现温室气体的减排。