呂寶一,謝 冰,戴淑萍,崔玉雪,梁少博 (華東師范大學環(huán)境科學系,上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復重點實驗室,上海 200062)

不同載體生物濾池對滲濾液污染物的處理效果

呂寶一,謝 冰*,戴淑萍,崔玉雪,梁少博 (華東師范大學環(huán)境科學系,上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復重點實驗室,上海 200062)

以陳垃圾和煤渣作為生物濾池反應器填料,分別構建了單一陳垃圾、煤渣以及復合該 2種填料的生物反應器,對滲濾液中的污染物進行了去除效果實驗.結果表明,煤渣生物濾池對于滲濾液中COD和氨氮的去除效果高于陳垃圾濾池,但是總氮的去除率低于陳垃圾.復合填料濾池對于負荷和低溫變化具有較好的耐受能力.電鏡觀察和微生物計數(shù)結果表明,2種載體適合微生物掛膜生長.粒徑分析結果表明,2種載體的顆粒粒徑組成對于濾池通透性能以及污染物去除有重要影響.

滲濾液；生物濾池；陳垃圾；煤渣；顆粒粒徑

滲濾液是垃圾填埋過程中發(fā)生的物理化學和生物共同作用產生的復雜的混合液體.垃圾滲濾液成分復雜,有機物、氨氮和重金屬等有毒有害污染物種類繁多,不同填埋場或同一填埋場的不同時段垃圾滲濾液的成分有很大的不同,垃圾滲濾液的處理異常困難,工藝復雜、工程投資及維護遠遠大于一般的城市生活和工業(yè)廢水處理[1-2].

生物濾池對于垃圾滲濾液中污染物特別是氨氮的去除具有良好效果[3-5].生物濾池中載體的選擇非常重要,其不僅要滿足污染物處理的要求,不易堵塞,而且還要價廉.采用填埋數(shù)年已基本生物穩(wěn)定化的陳垃圾(又稱礦化垃圾)構建生物反應器進行滲濾液的處理,可以利用陳垃圾獨特的物理化學和微生物學特性,獲得較好的污染物去除效果,并在實際工程中得到應用[6-10].煉鋼廠或電廠生產過程中產生的固體廢物對水中存在的有機物有較好的吸附效果,有用于人工濕地系統(tǒng)處理污水的研究的報道[11-13],但是尚未見到其用于生物濾池進行滲濾液處理的研究報道.

本研究采用陳垃圾和煤渣這 2種廢棄物單獨和復合構建生物濾池,研究其對滲濾液污染物的去除效果,并對其表面生物掛膜情況和通透性能進行研究,以期為實際應用提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 反應器構建與運行

生物濾池反應器為圓柱體,直徑30cm,填充填料高度為 150cm,有效容積約 105L.本研究構建3組生物濾池反應器,B、C反應器分別裝陳垃圾和煤渣填料,A柱陳垃圾和煤渣填料各50%.所用陳垃圾和煤渣的主要性狀如表1.

表1 陳垃圾和煤渣的性狀Table 1 The characteristics of aged refuse and cinder

生物濾池反應器放置于保溫室內,由制冷和制熱機調控室內溫度.實驗用滲濾液采用上海老港垃圾填埋場和上海黎明垃圾填埋場調節(jié)池水配制而成,主要水質指標如表2所示.

反應器中的填料裝填進反應柱后,由自控裝置計量泵連續(xù)進水,待填料全部浸潤濕透后1周開始試驗.實驗分為3個階段:

第I階段為馴化階段,溫度30℃,進水COD濃度2000mg/L,水力負荷20L/m3填料,水力停留時間約為10～14d,持續(xù)時間9周.

第II階段為進水負荷提升階段,進水COD濃度提高至 6000mg/L左右,同時溫度降至在20℃.B、C反應柱水力負荷不變,A的水力負荷提高到40 L/m3填料.水力停留時間約為5～7d,此階段持續(xù)時間10周.

第 III階段為低溫運行,考察在 10℃溫度條件下的污染物去除效果,水力負荷同II階段.持續(xù)8周.

表2 反應器不同實驗階段進水的水質指標Table 2 Influent quality in this experiment at different stage

此外,本實驗對A反應器還進行了不同水力負荷(固液比)實驗,分別實驗了4～40L/m3填料水力負荷條件下,反應器A對污染物的去除效果.

1.2 指標檢測方法

1.2.1 進出水水質指標監(jiān)測 常規(guī)水質指標每周檢測 1次.分析方法見文獻[14],CODCr:重鉻酸鉀法;BOD5:稀釋與接種法,TN:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;NH3-N:納氏試劑比色法;NO3-N:酚二磺酸分光光度法;NO2-N: N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;TP:鉬酸銨分光光度法.

1.2.2 主要微生物指標 取1g反應器填料樣品,加入到滅過菌的裝有 99mL生理鹽水和玻璃珠的錐形瓶中,在漩渦振蕩器上振蕩 30min,然后在超聲波振蕩器上振蕩2min,徹底分散生物膜樣品.分析其中異養(yǎng)細菌、硝化細菌、放線菌和反硝化細菌的數(shù)量,分析方法見[15],結果以單位填料干重上的菌落數(shù)來表示, cfu/g.W.D.

1.2.3 電鏡分析 取掛膜前和運行12周后的陳垃圾和廢棄多孔濾料樣品少許,放入 3%戊二醛中,4℃保存,樣品經(jīng)過25nm厚鍍金鈀混合物處理后用 JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(日本電子公司)觀察并拍照.

1.2.4 填料載體粒徑分析 取陳垃圾和煤渣樣品 60℃烘干,取烘干后樣品 100g,分別過10,6,2mm篩,稱量各階段樣品重量,計算各部分組分.取少量小于 2mm樣品,采用激光粒度儀(LS13320,Beckman Coulter公司,美國)測定粒徑分布.

2 結果與分析

2.1 不同填料生物濾池對滲濾液污染物的去除效果

如圖1所示,在第I階段的運行中,A、B反應器出水的COD呈下降趨勢,C在升高5周后也開始下降,由于這一階段微生物處于掛膜馴化期,COD的去除以吸附作用為主導,可能由于陳垃圾具有強的吸附能力[16-17],含有陳垃圾的反應器A和B表現(xiàn)出出水COD持續(xù)下降的現(xiàn)象,而單一煤渣的反應器 C則很快就達到了吸附飽和狀態(tài).在第II階段開始降低溫度至20℃,提高進水COD濃度后,各反應器出水COD也逐漸升高,A和B的出水分別在第15周和17周達到峰值,超過4000mg/L,雖然A同時也提高了進水的水力負荷,達到B或C的2倍,但是A在2周內快速回到低于2000mg/L,COD的去除率在60%左右,而B則用了 5周的時間恢復,而且 COD在 2500～3000mg/L;相比較A和B,反應器C的出水要穩(wěn)定得多,最大值在 2000mg/L,其余都在 1500～1900mg/L之間變化,表現(xiàn)出較好的抗沖擊能力,同樣混有煤渣的反應器 A也表現(xiàn)出快速恢復的能力,單一陳垃圾反應器則恢復較慢.進入第 III階段10℃低溫運行后,3個反應器的出水COD數(shù)值趨向2200mg/L,去除率在45%～50%.

圖1 各反應器運行不同階段進出水COD的變化Fig.1 Influent and effluent COD in reactors at different stages

無論進水BOD濃度是第I階段的300mg/L還是第II階段2200mg/L,溫度從30℃到10℃變化中,出水的 BOD略有升高,但總體上小于25mg/L,平均去除率在98%以上,與其他采用陳垃圾的生物反應器出水 BOD結果一致[6,8],表明實驗條件下滲濾液的BOD5負荷處于較低水平,反應器中的可生物降解有機物被微生物降解充分.

由圖2可見,反應器運行第I階段各反應器出水的氨氮呈下降趨勢,第II階段提高負荷和降低溫度后,A、B出水氨氮顯著升高,其中A的出水氨氮濃度高于B;相比較A、B反應器,C反應器的出水氨氮變化要平緩得多,基本在 100～200mg/L濃度范圍變化.到第III階段溫度從20℃到10℃降低的過程中,各反應器出水的氨氮都急劇升高,但C的濃度還是遠遠低于A和B.以上結果顯示,煤渣反應器對氨氮去除效果較好,這可能與煤渣良好的吸附和通透性,有利于氨氮的去除有關[18].復合A反應器雖然第2階段水力負荷提高到B、C的2倍后,出水氨氮濃度有所升高,但5周后回落到B之下,其平均氨氮的去除介于B、C之間,說明復合反應器有較好的抗水力負荷和溫度變化的能力.氨氮的去除受溫度影響較大,溫度降低是硝化作用減弱的一個重要原因[19].

圖2 各反應器運行不同階段進出水氨氮的變化Fig.2 Influent and effluent NH3-N in reactors at different stages

如圖3所示,第I階段,反應器A、B對TN去除效果在20%～30%左右,第II階段雖然溫度降低,但是 TN去除效果開始提高,去除率在50%～70%,其中B比A的去除效果略好,隨溫度的進一步降低,A、B的TN去除效果急劇下降;C反應器對TN的去除表現(xiàn)出與A、B截然不同,第I階段初期總氮去除率在50%,然后出水總氮迅速升高,一直到第II階段結束,C反應器的出水總氮和進水總氮幾乎相等(某些點的出水比進水高是由于進水調整,前一階段進水中較高的 TN造成的),到第III階段才表現(xiàn)出一定的差距.從C出水的氧化還原電位(ORP)和硝氮濃度遠高于A、B(數(shù)據(jù)未列)推測C柱呈好氧狀態(tài),厭氧脫氮條件較差.以上結果說明,單一陳垃圾和混有煤渣的陳垃圾反應器的厭氧效果要好于純煤渣反應器,較好的厭氧環(huán)境導致了 A、B反應器的生物脫氮效果較好;煤渣反應器雖然初期由于吸附作用會去除一部分的氮,但是其較好的通透性使得反應器不利于反硝化脫氮,故總氮的去除效果遠遠不及有陳垃圾的 A和 B,這也是反應器 C中COD和氨氮的去除效果比A和B好的原因.第II階段開始,雖然A反應器的水力負荷比B高2倍,但A反應器和B的脫氮效果不相上下,說明復合反應器A具有較好的抗水力負荷變化能力.

圖 3 各反應器運行不同階段進出水總氮的變化Fig.3 Influent and effluent TN in reactors at different stages

圖4 水力負荷對主要污染物去除效果的影響Fig.4 Effect of hydralic loading on pollutants removal rate

2.2 水力負荷對污染物去除效率的影響

由圖 4可見,隨水力負荷減小,即固液比增加,COD和氨氮的去除率明顯提高,COD和氨氮的最大去除率分別可以達到98%和90%,總氮的去除率隨水力負荷的變化較平緩.而達到比較經(jīng)濟合理的固液比[6]時的 COD、氨氮和總氮的去除率分別約為80%,92%和55%.

2.3 不同運行時期微生物數(shù)量分析

圖5為各個運行時期反應柱中部填料的異養(yǎng)細菌、放線菌、硝化細菌和反硝化細菌計數(shù)結果,可以看到,各反應器中填料上異養(yǎng)細菌數(shù)量在 106cfu/g.D.W 數(shù)量級,放線菌為 105cfu/g.D.W數(shù)量級,硝化和反硝化細菌在102～105cfu/g.D.W 數(shù)量級.各反應器中的微生物數(shù)量在初期均低于運行后的第II、III階段,表明隨著反應器的運行,微生物數(shù)量均有所增加.第 II階段,反應器A反硝化細菌增加幅度最大,而反應柱C的放線菌增加最多;到第III階段,反應柱B的異養(yǎng)細菌增加幅度最大.3個反應柱中C的硝化細菌數(shù)量最大,這可能和其透氣性能好有利于硝化細菌生長有關,這個結果與氨氮的去除有較好的對應關系,即通氣有利于氨氮的去除[20];B反應柱在溫度降低到 10℃以后,異養(yǎng)細菌和放線菌的數(shù)量還有所升高,對照圖1中B的COD變化,似乎有一定的相關性,但是 B柱低溫下異養(yǎng)細菌數(shù)量突然升高,原因可能與進水水質變化有關.C的反硝化細菌數(shù)量和 B相差不多(圖5),但2個反應器總氮去除效率差別較大,反硝化細菌和總氮的去除沒有對應關系,原因還有待進一步分析.

2.4 掃描電鏡(SEM)分析

掃描電鏡照片反映了反應器填料掛膜前后表面結構和微生物生長情況.圖6a、圖6b為未掛膜前填料表面,陳垃圾的較為光滑,而煤渣表面多為孔隙為0.5～5μm的蜂窩孔狀結構.圖6c、圖6d為陳垃圾和煤渣反應器運行 12周后的表面性狀,2種填料的表面均生長有一定厚度的生物膜,其上球菌、桿菌等各種形態(tài)的微生物種類豐富,通過絲狀物連接聚集成團或塊,表現(xiàn)出較高的生物多樣性和良好的掛膜效果.說明經(jīng)過馴化階段的運行,無論陳垃圾或煤渣填料,都適于微生物的 生長,可以作為生物濾池掛膜載體.

圖5 反應器不同運行階段的細菌數(shù)量Fig.5 The amount of bacteria in biofilter at different stages

圖6 掛膜陳垃圾和煤渣SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM figures of aged refuse and cinder before and after operation

2.5 填料粒徑分析結果

粒徑分析結果表明(圖7),陳垃圾中顆粒主要由小于0.05mm、0.05～2mm、2～6mm的顆粒組成,其中＜0.05mm的顆粒占到總顆粒的27%.煤渣的粒徑分布表明,67%的顆粒都是由 0.05～2mm的顆粒組成,其次為占17%的2～6mm顆粒組成,＜0.05mm的極小顆粒比例只有 8%.對填埋場附近的黏土顆粒分析結果表明,黏土中含有顆粒粒徑＜0.05mm的比例在87%左右,而＜0.01mm的顆粒被認為是黏土[21],黏土的比例高會導致填埋層堵塞以及通透性下降,影響反應器的通氣性能和污染物的去除效果.本研究中煤渣中極小顆粒所占比例最小,其構建反應器對 COD和氨氮較好的處理效果充分說明了這一點.

圖7 陳垃圾和煤渣填料的粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of aged refuse and cinder

反應器 A復合了 2種填料,陳垃圾和煤渣,其中陳垃圾提供了豐富的微生物菌種源,煤渣的加入又保持濾池的通透性,不至于經(jīng)常堵塞;在保證污染物有效去除的同時又可使反應器長期穩(wěn)定運行.

3 結論

3.1 煤渣反應器COD和NH3-N的去除效果較陳垃圾反應器高,但是 TN的去除率低于陳垃圾反應器;復合陳垃圾和煤渣的反應器對主要污染物的去除介于兩者之間,但較單一填料反應器表現(xiàn)出較好的負荷和低溫的耐受性.

3.2 微生物計數(shù)和電鏡觀察結果表明,經(jīng)過馴化和運行,陳垃圾和煤渣填料2種介質都較適合微生物的掛膜生長;各反應器中填料上異養(yǎng)細菌數(shù)量在 106cfu/g.D.W 數(shù)量級,放線菌為 105cfu/g.D.W 數(shù)量級,其中陳垃圾反應器具有較高的異養(yǎng)細菌數(shù)量,而煤渣反應器具有較高的硝化細菌數(shù)量.復合濾池填料上的異養(yǎng)細菌和放線菌數(shù)量居兩者之間.

3.3 粒徑分析結果表明,煤渣中顆粒＜0.05mm的小顆粒物組成比例比陳垃圾中的少,這可能是煤渣床反應器具有較好的通透性能的原因;陳垃圾和煤渣2種載體有機復合,既能有效去除滲濾液中的污染物,同時又可提高該反應器的抗堵塞性能.

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Leachate pollutants removed by biofilter with different media.

Lü Bao-yi, XIE Bing*, DAI Shu-ping, CUI Yu-xue, LIANG Shao-bo (Key Laboratory of Urbanization and Ecological Restoration of Shanghai, Department of Environment Science, East China Normal University, Shanghai 200062). China Environmental Science, 2010,30(6)：763～769

Two different media, aged refuse and cinder were used to construct three biofilters, aged refuse biofilter, cinder biofilter and complex biofilter, and their treatment efficiency on landfill leachate pollutants were investigated. Cinder biofilter had higher COD and NH3-N removal rates than that of the aged refuse biofilter, while lower removal rate of total nitrogen. Complex biofilter had better resistance to shock loading and lower temperature. SEM observation and microbial counting found that two media were hospitable for bacterial attachment and growth. The particle composition of two media may have important effects on biofilter’s permeability and pollutants removal.

landfill leachate；biofilter；aged refuse；cinder；particle diameter

2009-10-12

國家自然科學基金資助項目(20977031);上海市自然科學基金資助項目(09ZR1409000)

* 責任作者, 副教授, bxie@des.ecnu.edu.cn

X703

A

1000-6923(2010)06-0763-07

呂寶一(1986-),男,山東臨沂人,華東師范大學環(huán)境科學系碩士研究生,研究方向為污染控制工程.發(fā)表論文4篇.