生物炭對準(zhǔn)好氧礦化垃圾床滲濾液處理的影響

葉志成,宋曼嬌,尹 威,胡 樾,趙賀芳

(1.馬鞍山學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243100;

2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

生活垃圾填埋若干年后即可穩(wěn)定而形成礦化垃圾,礦化垃圾具有較強(qiáng)的吸附能力和較大的比表面積,用作污染物處理基質(zhì)時,能提供極好的吸附交換條件和優(yōu)良的微生物生存環(huán)境[1]。 準(zhǔn)好氧礦化垃圾床滲濾液處理是一項(xiàng)“以廢治廢”的技術(shù),因其對滲濾液處理效果較好、價格低廉而受到了廣泛關(guān)注,但在處理過程中常伴隨N2O 產(chǎn)生。N2O 被稱為第三溫室氣體,對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約占全球人為溫室氣體排放總量的7.9%[2-5]。 據(jù)估計(jì),污水處理中N2O 的年排放量占全球排放量的2.5%～25%[6]。

高度多孔且具有強(qiáng)吸附性的生物炭近年來獲得廣泛關(guān)注[7-9]。 首先,生物炭能夠?yàn)榇矁?nèi)微生物繁殖提供有利的環(huán)境,使其成為微生物聚集生長的場所,并且對水中的有機(jī)物進(jìn)行吸附[10-11];其次,生物炭還是一種性能優(yōu)良的電子穿梭體,微生物胞外介導(dǎo)的電子傳遞作用能一定程度加速對污染物的生物降解[12-13];此外,生物炭中含有大量微生物,可以有效地利用滲濾液中的氮源,使?jié)B濾液的碳氮比得到一定調(diào)節(jié),減少N2O 的生成[14]。

但目前生物炭多用于土壤中N2O 減排的研究[14-17],將生物炭與準(zhǔn)好氧礦化垃圾床處理滲濾液相結(jié)合的研究很少見。 鑒于此,本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了準(zhǔn)好氧礦化垃圾床模型,分析不同生物炭的添加量對準(zhǔn)好氧礦化垃圾床處理垃圾滲濾液中N2O排放和出水水質(zhì)的影響,以期為礦化垃圾處理滲濾液技術(shù)的完善拓寬思路,并為生物炭應(yīng)用于N2O 的減排提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 滲濾液

滲濾液取自四川省成都市某垃圾填埋場,具體理化性質(zhì)如表1 所示:

表1 滲濾液理化特性

1.1.2 礦化垃圾

礦化垃圾取自四川省宜賓市某垃圾填埋場,填埋齡為8 a,人工分選出其中的塑料、石頭、玻璃等大顆粒物后過10 mm 篩,篩下物即為實(shí)驗(yàn)所用礦化垃圾。 礦化垃圾的基本理化性質(zhì)見表2:

表2 礦化垃圾基本特性

1.1.3 生物炭

生物炭為購置的竹制生物炭,充分研磨后備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及材料裝填

本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑300 mm,高1 100 mm 的PVC管模擬準(zhǔn)好氧礦化垃圾床。 底部設(shè)置內(nèi)徑均為25 mm 的導(dǎo)液管和放空管,床內(nèi)中心設(shè)置內(nèi)徑為15 mm 的穿孔導(dǎo)氣管以形成準(zhǔn)好氧環(huán)境。 床內(nèi)裝填材料由下至上依次為200 mm 厚的碎石層、濾布、900 mm 高的礦化垃圾體(裝填密度850 kg·m-3)。實(shí)驗(yàn)裝置的具體結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了四組準(zhǔn)好氧礦化垃圾床模型,編號為1#、2#、3#、4#,床內(nèi)生物炭含量分別為0%,0.25%,1.00%,3.00%,其余條件均相同。

1.3 運(yùn)行操作方式

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段之前,采取混合培養(yǎng)法對礦化垃圾進(jìn)行馴化:將生活污水與滲濾液混合作為反應(yīng)器進(jìn)水對微生物進(jìn)行培養(yǎng),并分階段提高滲濾液的體積分?jǐn)?shù)[18],穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段進(jìn)水為純滲濾液。

實(shí)驗(yàn)操作流程如圖2 所示。 利用蠕動泵對準(zhǔn)好氧礦化垃圾床進(jìn)水進(jìn)行回灌,實(shí)驗(yàn)前期回灌周期為12 h,回灌量為1 000 mL·次-1,回灌時間為30 min。 實(shí)驗(yàn)后期采取降低進(jìn)水負(fù)荷的方式來保持滲濾液處理效果,回灌周期改為1 d,其余條件不變。 每天回灌前排空出水并取500 mL 樣品測定液相指標(biāo),回灌6 h 后,從頂部采集氣體測定N2O、N2濃度。

圖2 實(shí)驗(yàn)操作流程

1.4 指標(biāo)測定及分析方法

1.4.1 測定方法

出水樣品和氣體測定周期為1 d,N2O 和N2的測定采用GC 7900 氣相色譜儀分析,具體操作參數(shù)如表3 所示:

表3 氣相指標(biāo)測定參數(shù)

液相指標(biāo)測定方法見表4:

表4 液相指標(biāo)及測定方法

1.4.2 分析方法

采用Origin 9.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭對滲濾液處理效果的影響

2.1.1 生物炭對 CODCr及UV254去除影響穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間不同生物炭含量反應(yīng)器出水CODCr處理效果如圖3 所示。 1#～4#反應(yīng)器的滲濾液尾水CODCr濃度分別為952.59 mg·L-1、775. 23 mg·L-1、552.69 mg·L-1、356.80 mg·L-1,

圖3 CODCr 處理效果

對應(yīng)的CODCr平均去除率分別為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質(zhì)。 已有研究表明[19-20],礦化垃圾床對滲濾液中的有機(jī)物處理機(jī)理為先吸附再降解,在回灌過程中有機(jī)物通過吸附作用在床內(nèi)累積,而有機(jī)物的去除主要是在落干期通過以好氧生物為主導(dǎo)的生物降解作用完成。 生物炭較大的比表面積、豐富的孔隙和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)有機(jī)物的吸附,同時疏松多孔的結(jié)構(gòu)為微生物提供了良好的生長繁殖場所。 在本來已經(jīng)具有良好吸附交換條件和微生物生長環(huán)境的礦化垃圾中混合一定量的生物炭,是對其理化性質(zhì)的進(jìn)一步改善,為垃圾滲濾液水質(zhì)的凈化起到了積極的作用。在床內(nèi)添加生物炭,一方面吸附了更多的有機(jī)物,另一方面增加了床內(nèi)好氧微生物的數(shù)量及豐富度,使得CODCr去除率得到提高。

UV254是水中吸收254 nm 紫外線的含有芳香烴和雙鍵或羥基的共軛體系的有機(jī)化合物[21-22],在垃圾滲濾液中主要是腐殖質(zhì)、腐殖酸類大分子有機(jī)物質(zhì)。 如圖4,運(yùn)行期1#～4#反應(yīng)器的平均UV254去除率分別為76.32%,79.79%,86.08%和89.07% ,可見各個反應(yīng)器對UV254的處理效果隨生物炭添加量的升高而出現(xiàn)較為明顯的提升,規(guī)律與CODCr相似。 而黃進(jìn)剛等[22]對滲濾液中UV254和CODCr的相關(guān)性研究表明,老齡滲濾液中CODCr與UV254的相關(guān)性可達(dá)到0.968 1,因?yàn)槔淆g化填埋體堆場中垃圾腐熟化程度較高,滲濾液中富含難降解的大分子腐殖酸類,而低分子量的低鏈脂肪酸含量低,故UV254值較高,與CODCr相關(guān)性好。 故可以推測生物炭的添加對UV254的去除效果的影響與 CODCr去除率得到提高的原因類似。

圖4 UV254 處理效果

2.1.2 生物炭對TN 及NH4+-N 去除影響

各反應(yīng)柱的TN 和NH4+-N 去除效果如圖5、圖6 所示,隨著運(yùn)行時間的增加,TN 去除率出現(xiàn)了升高的趨勢;而NH4+-N 去除率都能達(dá)到94%以上。 由圖5、圖6 可以看到,隨著生物炭含量的增加,各反應(yīng)器TN 和NH4+-N 去除率也有所提高。 已有研究表明[23],準(zhǔn)好氧礦化垃圾床對于滲濾液的脫氮機(jī)制主要是系統(tǒng)內(nèi)廣泛存在并大量增殖的亞硝化菌、硝化菌與反硝化菌所進(jìn)行的同步硝化反硝化作用。 未填充生物炭的1# TN 平均去除率僅有30.99%,而生物炭含量最高的4#去除率達(dá)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,這表明生物炭的添加對于垃圾床內(nèi)的硝化、反硝化菌群的適應(yīng)與增殖有很好的促進(jìn)作用。 研究表明[24-26]這種促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在:生物炭疏松多孔的物理特征為微生物提供了更加適宜的生存環(huán)境,同時混合于礦化垃圾中的生物炭顆粒會吸附滲濾液中的游離NH4+-N,這樣就相當(dāng)于將硝化作用底料NH4+-N 聚集在生物炭孔隙之中的菌群附近,以此加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)的硝化反硝化作用,從而影響TN 與NH4+ -N 的去除效果。

圖5 TN 去除率變化規(guī)律

圖6 NH4+-N 去除率變化規(guī)律

2.2 生物炭對滲濾液處理N2O 和N2 的排放影響

2.2.1 生物炭對N2排放影響

4 個反應(yīng)器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期時的N2排放規(guī)律如圖7 所示。 由圖7 可以看到,4 個反應(yīng)器的氮?dú)馀欧帕看篌w趨勢上都是逐漸減少的,說明硝化作用在運(yùn)行后期逐漸減弱,可能原因是硝化、反硝化所需碳源減少,以及混合在反應(yīng)器內(nèi)的生物炭吸附飽和。 各柱N2累積排放量高達(dá)87.01 g(2#)、106.42 g(3#)和127.56 g(4#),與1#柱69.57 g 的N2排放量相比,分別提高了25.06%,52.97%和83.35%,這說明生物炭可以促進(jìn)反應(yīng)器的硝化與反硝化作用,進(jìn)而提高N2的排放量,這種促進(jìn)作用與生物炭添加量正相關(guān)。 在陳晨等[33]的研究中,生物炭的添加可以增加amoA (氨單加氧酶)基因豐度,促進(jìn)硝化作用,與此同時還會刺激nirK 和nirS(亞硝酸鹽還原酶)型反硝化微生物大量增殖,促進(jìn)NO2-還原為NO,進(jìn)而間接刺激反硝化過程中N2O 的產(chǎn)生,但添加生物炭含量引起的nosZ (氧化亞氮還原酶)基因豐度增加能促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)N2O 還原為N2釋放出去。 這也與本研究中添加生物炭能實(shí)現(xiàn)N2O 減排的結(jié)果一致。

圖7 N2 排放規(guī)律

2.2.2 生物炭對N2O 排放影響

4 個反應(yīng)器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期的N2O 排放規(guī)律如圖8 所示。 由圖8 可知,各反應(yīng)器N2O 排放通量在運(yùn)行期逐漸減少。 在整個穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期中,1#～4#的N2O 排放通量依次為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,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間1#～4# N2O 累積排放量分別為 4 521.65 mg、3 938. 33 mg、3 560.37 mg、2 980.48 mg,與1#相比,2#、3#、4#N2O 累積排放量分別減少了12.90%,21.26%,34.08%。 表明隨著礦化垃圾床中生物炭添加量的增加,N2O 排放量呈現(xiàn)出遞減的趨勢。

圖8 N2O 排放規(guī)律

2#～4#柱N2O 排放相對較少,原因可能是生物炭中的堿性物質(zhì)提高了整體反應(yīng)環(huán)境的pH值,從而對N2O 還原酶(nosZ)產(chǎn)生了刺激,使得N2O 向N2方向發(fā)生轉(zhuǎn)變[19-25]。 同時還有研究表明[26-32],生物炭可以抑制NO3--N 和NO2--N 轉(zhuǎn)化為N2O 還原酶的活性,位于生物炭顆粒表面的金屬氧化物能將反應(yīng)器內(nèi)微生物硝化反硝化過程產(chǎn)生的N2O 催化還原為N2。 也有研究表明[28-33],生物炭可以直接吸附產(chǎn)生的N2O,從而達(dá)到N2O減排的效果。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)行期間1#、2#、3#和4#尾水對應(yīng)的CODCr去除率分別為85.11%,87.82%,91.34%和94.48%; UV254去除率分別為76.32%,79.79%,86.08% 和89.07%;去除率均表現(xiàn)為:1#＜2#＜3#＜4#,表明添加生物炭能提高準(zhǔn)好氧礦化垃圾床對滲濾液中各類有機(jī)污染物的去除,生物炭添加量越多,去除率越高。

(2)運(yùn)行期間1#、2#、3#和4#對應(yīng)的NH4+-N,平均去除率分別為97.24%,98.53%,98.71% 和98.83%,對TN 的去除率平均為30.99%,39.11%,43.78% 和50.85%;去除率均表現(xiàn)為:1#＜2#＜3#＜4#,表明添加生物炭能提高滲濾液脫氮效果。

(3)運(yùn)行期間1#、2#、3# 和4# N2累積排放量分別為69.57 g 、87.01 g、106.42 g 和127.56 g;N2O累積排放量分別為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進(jìn)N2O 轉(zhuǎn)化為N2,實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排。