改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究

改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究3

何　岩1,2　赵由才1　卓桂华1　周恭明1　黄民生2

(1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海　200092;2.华东师范大学资源与环境学院,上海200062)在固液比(矿化垃圾与废水的质量比)为100∶1,运行周期为3h,水力负荷为0.08m3/(m3・d)条件下,分别采用废铁　　摘要　屑、钢渣、蘑菇渣、秸秆作为改性材料进行矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的工艺强化研究。结果表明,废铁屑对COD、色度、总氮和总磷的去除有显著的强化作用,COD、总氮和总磷去除率平均提高9.3%、17%和7.7%;钢渣不利于氨氮和总氮的去除,且需定期置换钢渣以维持其去除COD和总磷的强化作用;蘑菇渣和秸秆均需先进行合适的驯化降解处理,才能实现其去除COD、色度、氨氮和总氮的强化作用。从工程应用角度看,废铁屑是相对理想的一种改性材料。

　　关键词　改性材料　矿化垃圾反应床　填埋场渗滤液

Enhancementoftheaged2refuse2basedreactorintreatinglandfillleachatesbyinducingmaterials　HeYan1,2,ZhaoYou2cai1,ZhuoGuihua1,ZhouGongming1,HuangMinsheng2.(1.StateLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092;2.SchoolofResourceandEnvironmentalSciences,EastChinaNor2malUniversity,Shanghai200062)

Abstract:　Theimprovementofaged2refuse2basedreactorintreatinglandfillleachatewasinvestigatedbyaddi2tionofinducingmaterialssuchaswasteironscraps,steelslag,mushroomresidualandstrawindividually.Theexper2imentswereconductedwiththevolumeratiooftheagedrefuseandtheinfluentof100,theoperatingcycleof3handthehydraulicloadof0.08m3/(m3・d).Theresultsindicatedthatwasteironscrapscouldnotablyimprovethere2movalperformanceoftheaged2refuse2basedreactorintermsofCOD,color,totalnitrogenandtotalphosphorus,andtheaveragedremovalofCOD,totalnitrogenandtotalphosphoruswereincreasedto9.3%,17%and7.7%,respec2tively.TheadditionofthesteelslagcouldfacilitatetheremovalofCOD,colorandtotalphosphrous,whilelowertheremovalcapacityofthereactorinammoniumandtotalnitrogen.TheenhancedremovalofCODandcolorbythemushroomresidualcouldnotbeattaineduntillongtimeenrichmentofthereactor.Likewise,theincreasedremovalofCOD,color,ammonium,totalnitrogenandtotalphosphorusbystrawcouldnotbeachieveduntilitsterminationofself2degradation.Therefore,wasteironscrapwasconsideredakindofproperinducingmaterialintermsofengineer2ingapplication.

Keywords:　inducingmaterials;aged2refuse2basedreactor;landfillleachate

　　矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液具有流程简单、维护方便、抗冲击负荷性能强、无需曝气和固液分离装置、无污泥产生、运行成本低等显著优势[123],但目前该工艺还存在处理能力较低,系统占地面积较大等问题[4]。鉴于废铁屑、钢渣具有作用机制多、协同效应强、去除效果好、适用范围广、脱色效率高等特点[5],[6]1,[7,8],以及蘑菇渣和秸秆适宜作为白腐真菌类微生物的生长介质和载体[9],有利于填埋场渗滤液中主要难降解有机物(类腐殖质和腐殖质)的去除等优势[10,11]。废铁屑、钢渣、蘑菇渣和秸秆分别为机械加工、钢铁、各种食用菌和农作物生产的伴生废物,投资成本低且“以废治废”,分别采用这4种废

料作为改性材料进行强化矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究,旨在寻求一种技术经济可行的改性材料,为填埋场渗滤液的高效低耗处理提供指导。1　材料与方法1.1　试验装置

试验装置均采用内径为10cm、高度为1.0m的PVC柱。其中每个反应床体均由5cm高的碎石承托层、主体层和5cm超高组成;反应床体每隔20cm对称开两个内径约为3cm的小孔,用于通风和

取样。矿化垃圾对照反应床(以下简称对照床)主体层完全由矿化垃圾组成,改性反应床主体层从上至

第一作者:何　岩,女,1978年生,博士,主要从事水污染控制技术研究。

3国家“863”高新技术创新性项目(No.2007AA06Z349);上海市科委重大专项(No.2005DZ12003)。

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何　岩等　改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究

表1　进水水质特征

Table1　Characteristicsoftheinfluent

指标均值

COD

(/mg・L-1)

1502

BOD

(/mg・L-1)

255

色度

/倍

1000

pH7.6

氨氮

/(mg・L-1)

509

总氮

/(mg・L-1)

554

总磷

/(mg・L-1)

2.91

表2　矿化垃圾的主要理化性质

Table2　Typicalphysico2chemicalpropertiesofagedrefuse

饱和水力渗透系数/(cm・min-1)

0.994

含水率

/%30.5

有机质1)

/%10.25

pH7.6

总氮

/(g・kg-1)

5.19

总磷

/(g・kg-1)

7.42

阳离子交换量(CEC)2)

/(cmol・kg-1)

66.7

　　注:1)以质量分数计;2)以干垃圾计。

下由对应改性材料和矿化垃圾按高度比1∶8组成。反应床顶层均布设有环形配水系统,以配水/落干交替循环的工作方式运行,通过时间控制器来实现。1.2　进水水质、矿化垃圾和改性材料好于对照床,去除率平均提高9.3%,出水COD为101.2～201.5mg/L,且经观察出水色度也远远低于对照床,这主要是由于金属铁与填埋场渗滤液中的一些污染物发生还原作用,破坏发色、助色基团的结构,提高了其可生化性。后期效果变差是铁屑在床体内长期腐蚀氧化,使其反应活性降低所致。钢渣改性床在前69天相比对照床COD去除率平均提高4.6%,同时经观察出水色度也较低。随后其COD去除效果逐渐差于对照床,114d时钢渣改性

进水为上海市废弃物老港填埋场垃圾渗滤液厌氧调节池出水,其主要水质特征见表1。矿化垃圾取自上海市废弃物老港填埋场填埋龄为8年以上粒径小于40mm的细料,其主要理化性质见表2。　　所用废铁屑取自金属机械加工厂加工合金钢零件时车床切削出的碎铁片,铁屑宽约4mm,厚约1

mm,呈卷曲状,使用前用1%(质量分数)的盐酸浸泡12h,洗去表面氧化物质,再用清水反复冲洗干净。钢渣取自上海宝钢股份有限公司炼钢过程产生的废弃物,外观呈黑色块状,其化学成分主要包括CaO、TiO2、V2O5和Fe2O3,经粉碎后过5mm筛。

床和对照床出水COD分别为402.7、243.6mg/L。由于钢渣的强化作用主要是通过吸附来实现的,当钢渣达到吸附饱和后,即会出现污染物的穿透现象。

蘑菇渣取自上海曲阳菜市场,外观呈白色块状,经剪刀剪碎后过5mm筛。秸秆为麦子秸秆,用剪刀剪成约3cm长的碎屑。1.3　分析方法

所有分析指标均采用国家标准分析方法[12]。2　结果与讨论

基于课题组已有的研究成果,本试验在固液比(矿化垃圾与废水的质量比)为100∶1,运行周期为3h,水力负荷为0.08m3/(m3・d),温度为15～37

℃条件下进行对照床、废铁屑改性反应床(以下简称废铁屑改性床)、钢渣改性反应床(以下简称钢渣改性床)、蘑菇渣改性反应床(以下简称蘑菇渣改性床)和秸秆改性反应床(以下简称秸秆改性床)处理填埋场渗滤液的对比研究。

2.1　不同改性矿化垃圾反应床对COD的去除

图1　不同改性矿化垃圾反应床去除COD的效果对比

Fig.1　ComparisonofCODremovalenhancementofaged2refuse2basedreactorbyinducingmaterialsincludingironscraps,steelslag,mushroomresidualandstraw

图1比较了不同改性矿化垃圾反应床对COD的去除效果。在进水COD为1276.1～1952.6mg/L条件下,废铁屑改性床的COD去除效果显著

　　蘑菇渣改性床的COD去除效果好于对照床,

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　环境污染与防治　第31卷　第3期　2009年3月

去除率平均提高2.9%,而且其对COD去除的强化是逐渐增强的,114d时出水COD为186.2mg/L,说明蘑菇渣的强化作用是通过生物强化机制来实现的,推测是白腐真菌类微生物的作用。秸秆改性床由于秸秆自身分解贡献的COD不能有效转化,前81天内COD去除效果总体差于对照床。随后由于秸秆经过长期驯化降解,体系中白腐真菌类微生物和土著微生物实现了微生态平衡,使其COD去除效果好于对照床,114d时出水COD为192.6mg/L。2.2　不同改性矿化垃圾反应床对氨氮的去除

照床;75d后蘑菇渣改性床的氨氮去除率较稳定,114d时蘑菇渣改性床和对照床的出水氨氮分别为4.8、8.5mg/L。秸秆改性床的氨氮去除效果在前15天好于对照床;在15～81d,由于秸秆自身分解

物的氨化作用,使其氨氮去除效果差于对照床;随后其对氨氮去除的强化性能逐渐增强,114d时秸秆改性床的出水氨氮为6.1mg/L。

2.3　不同改性矿化垃圾反应床对总氮的去除

不同改性矿化垃圾反应床对总氮的去除效果见图3。废铁屑改性床的总氮去除效果明显好于对照床,总氮去除率平均提高17%;114d时废铁屑改性床和对照床的出水总氮分别为272.6、352.9mg/L。这是由于金属铁不仅是直接还原剂,而且可

图2比较了不同改性矿化垃圾反应床对氨氮的去除效果。废铁屑改性床运行前24天内,其氨氮去除效果差于对照床,推断是由于前期铁的还原活性强,使得部分硝态氮还原为氨氮;随后由于铁的腐蚀氧化不断增强,少量氨氮可能直接被氧化为氮气而去除,使其氨氮去除率逐渐提高,具体见式(1)[13]:

6Fe3++2NH4+→6Fe2++N2+8H+

(1)

通过原电池作用在阴极产生氢气作为供氢源,促使硝态氮进行生物自养反硝化反应。总反应方程可用

式(2)[6]15表示:

5Fe0+2NO3-+6H2O→5Fe2++N2+12OH-(2)

图2　不同改性矿化垃圾反应床去除氨氮的效果对比

Fig.2　Comparisonofammoniumremovalenhancementofaged2refuse2basedreactorbyinducingmaterialsincludingironscraps,steelslag,mushroomresidualandstraw

　　钢渣改性床氨氮去除效果比对照床差,说明钢渣的加入不利于矿化垃圾反应床对氨氮的去除。在进水氨氮为340.6～642.8mg/L,稳定运行时对照床出水氨氮基本上小于10mg/L,钢渣改性床出水氨氮小于15mg/L。蘑菇渣改性床的氨氮去除效果在前20天稍好于对照床;在20～56d,由于蘑菇渣自身分解物的氨化作用,使其氨氮去除效果差于对・26・

图3　不同改性矿化垃圾反应床去除总氮的效果对比

Fig.3　Comparisonoftotalnitrogenremovalenhancementofaged2refuse2basedreactorbyinducingmaterialsincludingironscraps,steelslag,mushroomresidualandstraw

　　钢渣改性床的总氮去除效果仅在前15天稍好于对照床,随后其总氮去除效果逐渐变差,114d时其出水总氮为375.9mg/L。前期钢渣的微量强化作用可能是由于其中含有的少量还原性金属作用所致,后期随着钢渣中还原性金属活性的失去,其中含有的大量金属氧化物使反应床体系氧化还原电位偏

何　岩等　改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究

高,不利于反硝化脱氮。

　　蘑菇渣改性床的总氮去除效果在前43天明显好于对照床,总氮去除率平均提高6.5%。其对总氮去除的强化是通过吸附和生物降解协同完成的。随后由于其吸附和自身降解贡献的总氮不能有效转化,导致后期对总氮去除的强化作用减弱,114d时出水总氮为326.6mg/L。前期秸秆对总氮去除的强化作用不明显,36d后其强化作用逐渐增强,114d时总氮去除率比对照床提高7.4%。秸秆对总氮

除效果逐渐变差。　　蘑菇渣改性床的总磷去除效果差于对照床,这说明蘑菇渣的加入不利于矿化垃圾反应床对总磷的去除,蘑菇渣改性床和对照床的总磷去除率分别为73.8%～90.5%和86.2%～94.8%。在前69天秸秆改性床的总磷去除效果和对照床接近,随后其总磷去除效果逐渐好于对照床,114d时秸秆改性床和对照床的出水总磷分别为0.26、0.35mg/L,表明秸秆可以强化矿化垃圾反应床对总磷的去除。3　结　语

去除的强化是通过提高C/N比改善反应体系的反硝化性能来实现的,前期强化效果差主要是其自身降解贡献的总氮不能有效转化所致。2.4　不同改性矿化垃圾反应床对总磷的去除不同改性矿化垃圾反应床对总磷的去除效果见图4。与对照床相比,废铁屑改性床表现出显著的总磷去除强化性能,总磷去除率平均提高7.7%,这

-是由于铁屑腐蚀产生的Fe2+和Fe3+均能与PO34生-成沉淀,同时Fe3+和OH-及PO34之间的强亲和力,

可能会生成Fe2.5PO4(OH)4.5及Fe1.5H2PO4(OH)3.8等

难溶络合物[14],且生成的络合物表面有很强的吸附作用,从而强化了反应床对总磷的去除。钢渣改性床的总磷去除效果在前75天好于对照床,钢渣对反应床总磷去除的强化是通过吸附和沉淀协同作用来实现的,随后由于钢渣对磷的吸附饱和,导致总磷去

通过对废铁屑、钢渣、蘑菇渣和秸秆强化矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的研究表明,废铁屑对COD、色度、总氮和总磷去除有显著的强化作用,无需驯化培养且见效快;钢渣不利于反应体系对氨氮和总氮的去除,且需定期置换钢渣以维持其对COD和总磷的强化作用;蘑菇渣和秸秆均需要先进行合适的驯化降解处理,启动周期长。因此,从工程应用角度出发,废铁屑是相对理想的一种改性材料。根据目前的研究和应用情况,仍需进一步研究废铁屑改性床处理填埋场渗滤液的作用机制,以优化工艺设计,构建合理的废铁屑和矿化垃圾反应床耦合工艺,为填埋场渗滤液高效低耗处理提供一种新颖的思路。参考文献:

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图4　不同改性矿化垃圾反应床去除总磷的效果对比Fig.4　Comparisonoftotalphosphorusremovalenhancementofaged2refuse2basedreactorbyinducingmaterialsincludingironscraps,steelslag,mushroomresidualandstraw

责任编辑:陈泽军　(修改稿收到日期:2008212222)

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