郭克儉,何品晶,3,邵立明,3,呂 凡*

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應(yīng)用生物炭改善填埋場滲濾液的厭氧消化性能

郭克儉1,2,何品晶1,2,3,邵立明1,2,3,呂 凡1,2*

(1.同濟大學(xué),固體廢物處理與資源化研究所,上海 200092；2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092；3.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部村鎮(zhèn)建設(shè)司,農(nóng)村生活垃圾處理技術(shù)研究與培訓(xùn)中心上海 200092)

為了評估填埋場新鮮滲濾液的厭氧消化性能以及探索強化其厭氧消化性能的措施,采用了低、中、高三種食微比(分別為0.49,1.02,1.92g滲濾液COD/g污泥VS),并在高食微比時,比較了分別添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭以及75~150μm的竹炭對滲濾液厭氧消化過程的影響.結(jié)果表明,高食微比時滲濾液的甲烷化啟動嚴重滯后,且運行不穩(wěn)定.在高食微比時,與未添加生物炭的對照組相比,添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭組以及75~150μm的竹炭組,最大產(chǎn)甲烷速率分別提高了179%、93%、83%和64%,最終出水溶解性氮分別下降了21%、16%、16%和12%,NH4+-N分別下降了17%、12%、10%和8%;并且<5μm的木炭組的有機物和有機酸降解,尤其是正丁酸和乙酸的降解,顯著快于其他粒徑的木炭組.這些結(jié)果說明生物炭可以提高滲濾液的厭氧消化效率和工藝穩(wěn)定性,對于木炭,粒徑越小,效果越顯著.

食微比；生物炭；粒徑；滲濾液；厭氧消化；產(chǎn)甲烷潛力

填埋場新鮮滲濾液是指生活垃圾填埋場產(chǎn)生的填埋齡不足兩年的滲濾液,其主要特點是COD(3′104~6′104mg/L)和NH4+-N(0.5′103~ 1.5′103mg/L)濃度高[1-2].新鮮滲濾液可生化性能較好(BOD5/COD>0.5),適合生物處理[3].厭氧消化通常被認為是一種處理高濃度廢水的高效生物技術(shù),在去除有機物的同時還可以通過生成甲烷的方式回收能源[4].但厭氧消化技術(shù)在高負荷基質(zhì)、高食微比(/,厭氧消化體系中加入底物COD與接種物揮發(fā)性固體VS之比)、或者厭氧污泥活力不足的情況下存在運行過程不穩(wěn)定、COD降解速率低、甲烷產(chǎn)量低等問題[5].新鮮滲濾液含有高濃度的有機酸類物質(zhì)和氨氮,酸類物質(zhì)若不能及時降解會對產(chǎn)甲烷菌的生長產(chǎn)生抑制作用[5];氨氮能通過微生物細胞膜進入細胞內(nèi)部,導(dǎo)致質(zhì)子失衡、鉀離子缺乏[6],從而抑制產(chǎn)甲烷菌的生長.因此,通常需要控制在低食微比,即高微生物接種比條件,以保證此類廢水厭氧處理時產(chǎn)甲烷階段的運行效果和穩(wěn)定性[7],因而難以提高滲濾液處理有機負荷.

提高厭氧消化過程穩(wěn)定性的常用措施之一是往厭氧反應(yīng)器中投加輔助材料.黏土、沸石等具有較高的離子交換能力,可以降低溶液中總氨氮的濃度[8-9].石墨烯[10]、活性炭[11]等多孔材料可為厭氧微生物提供更多的吸附位點,保護微生物免受外界環(huán)境波動的影響,從而達到縮短反應(yīng)遲滯期,提高產(chǎn)甲烷速率的目的.石墨棒[12]、氧化鐵[13]、磁鐵礦[14-15]等導(dǎo)電材料也可以強化產(chǎn)甲烷過程.但是,上述材料的環(huán)境風(fēng)險和長期影響未知,成本也是制約這些材料廣泛應(yīng)用的因素.生物炭是新近被廣泛研究的一種材料,它是在低氧以及相對低溫條件下,通過熱解將木材、草、落葉、秸稈、動物糞便或其它農(nóng)業(yè)廢物碳化,產(chǎn)生的一類穩(wěn)定的、高度芳香化、富含有機碳的固態(tài)物質(zhì)[16].由于其制造成本低,環(huán)境兼容和功能多樣,生物炭有望在環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域替代高成本的活性炭和其它昂貴的碳材料[17].近五年來,越來越多的研究人員開始研究生物炭作為添加材料對厭氧消化過程的影響[18].Torri等[19]采用厭氧消化技術(shù)處理成分復(fù)雜的水溶性熱解液時,發(fā)現(xiàn)添加生物炭可以緩解含氧酸、酚類、呋喃等各類有機物對產(chǎn)甲烷過程的抑制,并且使甲烷產(chǎn)量增加一倍.Cai等[20]、Mumme等[21]和Shen等[22-23]將生物炭添加到污泥的厭氧消化過程,發(fā)現(xiàn)生物炭可以促進產(chǎn)甲烷菌的生長、緩解氨抑制,從而保證了厭氧消化過程的穩(wěn)定性.Wang等[24]和Sunyoto等[25]通過研究易酸化有機物厭氧消化過程中有機酸的變化,發(fā)現(xiàn)生物炭可以吸附有機酸,具有酸緩沖能力.有研究表明,生物炭可能還具有促進微生物直接種間電子傳遞的作用,這一功效可以加速有機酸類物質(zhì)的降解[26-27].此外,Luo等[28]還發(fā)現(xiàn)不同粒徑的木炭對葡萄糖厭氧消化的效果有一定的差異:75~150μm的木炭對產(chǎn)甲烷速率提高的更顯著,2~5mm的木炭則對縮短遲滯期效果更顯著.上述研究表明,生物炭在緩解厭氧消化酸抑制、氨抑制、提高產(chǎn)甲烷速率和縮短反應(yīng)遲滯期等方面呈現(xiàn)出不同程度的功效,但是這些研究所采用的生物炭粒徑差異甚大,甚至大多數(shù)都未提供粒徑信息.應(yīng)選用何種粒徑的生物炭用于有機物的厭氧消化尚無定論.

因此,本研究以填埋場新鮮滲濾液為研究對象,評估了高食微比時生物炭對填埋場新鮮滲濾液厭氧消化進程的影響.同時比較了生物炭粒徑(<5μm、75~150μm和2~5mm)以及不同生物質(zhì)來源制備的生物炭(木炭和竹炭)的作用效果.以期為滲濾液的生物處理和生物炭在廢水厭氧處理中的應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù).

1 材料與方法

1.1 厭氧污泥

采用厭氧污泥作為生化產(chǎn)甲烷潛力測試(Biochemical methane potential,BMP)實驗啟動甲烷化的接種物.該接種污泥取自上海某造紙廠中溫厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器.污泥接種前進行研磨破碎處理并過1mm篩,瀝干水分后通氮氣20min,密封保存于4℃冰箱,并在一周內(nèi)使用.接種污泥總固體(TS)含量為12.9%±0.3%(以濕基計), VS含量為79.0%±0.6%(以干基計),其產(chǎn)甲烷潛力為26.7mL-CH4/g-VS.

1.2 生物炭

實驗所用生物炭包括木炭和竹炭.木炭是果木在工業(yè)爐窯800~1000℃密閉加熱8h以上制得,竹炭是在工業(yè)爐窯600~800℃密閉加熱10d以上制得.使用前,將生物炭顆粒進行破碎過篩,獲得<5μm、75~150μm及2~5mm 3種粒徑的生物炭.以50:1的液固比,在120r/min的條件下用去離子水浸泡生物炭,24h后過0.22μm濾膜,并在105℃下烘干,保存于干燥器中[29].生物炭基本性質(zhì)如表1所示.

表1 生物炭基本性質(zhì)

1.3 滲濾液

所研究的滲濾液采自上海某生活垃圾填埋場調(diào)節(jié)池,為填埋齡小于1個月的新鮮滲濾液.采集后的水樣置于(4±1)℃下保存.其水質(zhì)特征如表2所示.

表2 新鮮滲濾液水質(zhì)特征

注: -為未檢驗;表中除pH值外,其余指標單位均為mg/L.

1.4 BMP測試實驗

采用全自動產(chǎn)甲烷潛力測試儀(AMPTS) (Bioprocess Control,Sweden)進行BMP測試實驗.實驗在總?cè)莘e為578mL的玻璃瓶(Duran, Germany)中進行.玻璃瓶由橡膠塞密封,橡膠塞配有兩根導(dǎo)管,一根導(dǎo)管伸至液面以下用于取液體樣品,另一根導(dǎo)管將生成的氣體導(dǎo)入AMPTS氣體測量單元進行氣體測試.反應(yīng)體系液相體積為500mL,由接種泥、滲濾液、營養(yǎng)液[31]和2mL/L維生素儲備液構(gòu)成.其中,營養(yǎng)液組成為:0.1g/L MgCl2·6H2O、0.53g/L NH4Cl、0.075g/L CaCl2?2H2O、0.1g/L Na2S·9H2O、2.77g/L K2HPO4、2.8g/L KH2PO4、0.1g/L酵母浸膏、10mL/L微量元素;微量元素組成為(g/L): 0.1CoCl2?6H2O、0.05MnCl2?4H2O、0.005ZnCl2、0.04AlCl3?6H2O、0.03NaWO4?2H2O、0.003CuCl2、0.01NiCl2?6H2O、0.005Na2SeO3、0.005H3BO3、0.001Na2MoO4?2H2O);維生素儲備液組成(g/L)為:0.01生物素、0.05鹽酸吡哆醇、0.025鹽酸硫胺素、0.025D-泛酸鈣、0.01葉酸、0.025核黃素、0.025煙酸、0.025 4-氨基苯甲酸、0.0005維生素B12.液相總的TS(質(zhì)量分數(shù))為4%.實驗工況設(shè)置見表3,每種工況設(shè)置2平行.生物炭添加量為16g/L.

1.5 測試指標與分析方法

1.5.1 生物炭性質(zhì)表征 生物炭比表面積用比表面積分析儀(ASAP2020,Micromeritics, Norcross, USA)測試,該儀器用N2作為吸附劑,采用Brunauer–Emmet–Teller(BET)方程計算比表面積;生物炭的平均孔徑也采用該儀器測定.采用Boehm滴定法[32]測定生物炭表面酸堿官能團含量.具體步驟如下:準確稱量0.50g生物炭樣品,分別加入50mL 0.05mol/L的NaOH和HCl溶液中,另設(shè)置一組空白,不添加生物炭樣品,其它條件保持一致.然后,混合液震蕩24h,再靜置48h,之后經(jīng)0.45 μm濾膜過濾去除生物炭顆粒.然后,再用相應(yīng)的的酸堿溶液通過自動電位滴定儀(800Dosino,Metrohm,Herisau,Switzerland)滴定濾液至終點. NaOH被認為可以中和羧基、內(nèi)酯基、酚醛基、羰基和其他酸性基團; HCl被認為可以中和包括酮、吡喃酮、苯并吡喃酮等堿性官能團[33].

1.5.2 TS和VS測試 TS和VS采用減重法,測試步驟:樣品在105℃烘箱烘24h至恒重后測定TS含量,然后在馬弗爐600℃灼燒2h后測定VS含量.

1.5.3 CH4產(chǎn)量 BMP反應(yīng)瓶反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣經(jīng)管道流過3mol/L NaOH溶液,以去除CO2,剩下的氣體進入AMPTS氣體流量測量單元(該單元會對氣體溫度和壓強依據(jù)標準狀況進行自動校核),所顯示的結(jié)果即為CH4產(chǎn)量.該方法無法排除沼氣中產(chǎn)生的H2的干擾.

1.5.4液相指標測試 液體樣品由10mL注射器通過與反應(yīng)器連接的導(dǎo)管抽出.液體樣品取出后,采用數(shù)字pH計(pHs-2F,上海精密科學(xué)儀器有限公司)測試pH.采用標準的分析測試方法測試CODCr(重鉻酸鉀法),BOD5(壓差法),SS(重量法)和NH4+-N(Kjeltiec8400A凱式定氮儀,丹麥FOSS公司).取液體樣,在16000r/min、4℃條件下離心10min,取上清液用于測試溶解性有機碳(DOC)、溶解性氮(DN)、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、溶解性NH4+-N和溶解性COD.采用TOC/TN分析儀(TOC-V CPH,Shimadzu,Japan)測試DOC和DN,其測試原理為680℃催化燃燒氧化/非色散紅外光譜.采用高效液相色譜(LC-20AD, Shimadzu, Japan),測試包括甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸、己酸和庚酸在內(nèi)的VFAs.該液相色譜配有COD-10Avp電導(dǎo)檢測器、CTO-10ASvp柱溫箱、SCL-10Avp系統(tǒng)控制器、Shim-pack SPR-H分析柱和Shim- pack SPR-H(G)保護柱,柱溫控制在45℃.實驗選用的流動相為4mmol/L對甲苯磺酸溶液,緩沖相為4mmol/L對甲苯磺酸、16mmol/L Bis-Tris和100μmol/L EDTA溶液,流動相和緩沖相流速均設(shè)定為0.8mL/min.采用凱式定氮儀(Kjeltiec8400A凱式定氮儀,丹麥FOSS公司)測試NH4+-N.重鉻酸鉀法測定溶解性COD.

1.5.5 動力學(xué)分析 為了定量地比較各組別厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的差異,本研究采用修正的Gompertz方程來擬合各工況的累計產(chǎn)甲烷曲線,比較產(chǎn)甲烷潛力的測試參數(shù)[34].

式中:代表時間d;()代表時刻累計甲烷產(chǎn)量(mL-CH4/g-基質(zhì));代表甲烷最終產(chǎn)量(mL- CH4/g-基質(zhì));max代表最大產(chǎn)甲烷速率(mL- CH4/g-基質(zhì)/d);代表產(chǎn)甲烷遲滯期d;e為常數(shù)2.71828.

表3 新鮮滲濾液BMP實驗工況設(shè)置

注: -為未添加.

2 結(jié)果與討論

2.1 CH4產(chǎn)生過程

圖1為不同食微比下滲濾液的累計產(chǎn)甲烷曲線圖.由Gompertz三參數(shù)方程的曲線擬合結(jié)果(表4)可知,除高食微比(食微比為1.92g- COD/g-VS)對照組中一反應(yīng)器出現(xiàn)了明顯的遲滯現(xiàn)象(遲滯期為38d),其他組別的遲滯期都在6d以內(nèi).可見低食微比和中食微比(分別為0.49、1.02g-COD/g-VS)均能較快、較穩(wěn)定地啟動甲烷化,而高食微比啟動效果則不太穩(wěn)定.在高食微比下,滲濾液中含有的酸、氨氮以及一些其他的有毒有害物質(zhì)的負荷較前兩種食微比高,它們對產(chǎn)甲烷菌的抑制作用更強,從而影響厭氧甲烷化過程初期的穩(wěn)定性[5].Hao等[35]和Lü等[36]均觀察到氨氮濃度或碳酸根濃度增加時,厭氧系統(tǒng)的平行性會顯著變差.

而與高食微比對照組相比,添加生物炭的實驗組的甲烷化啟動效果則很穩(wěn)定,并且遲滯期時間都有一定程度的縮短.可見,生物炭的添加能提高高基質(zhì)有機負荷條件厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性,縮短反應(yīng)的遲滯期,與Luo等[28]和Cai等[20]結(jié)果一致.此外,由表4可以看出食微比越高,最大產(chǎn)甲烷速率越低.而在高食微比下,與對照組相比,添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭組以及75~150μm的竹炭組,最大產(chǎn)甲烷速率分別提高了179%、93%、83%和64%.可見小粒徑的生物炭對產(chǎn)甲烷速率的提高更顯著,并且在同一粒徑(75~150μm)下,木炭的效果優(yōu)于竹炭.生物炭粒徑越小,單位質(zhì)量的比表面積越大,能夠為反應(yīng)器中的微生物提供更多的吸附位點,增加反應(yīng)器中的生物量,從而提高反應(yīng)速率[37];而木炭相較于竹炭擁有更豐富的官能團(表1),酸堿官能團被認為可能促進有機物質(zhì)的降解并改善微生物活性.

圖1 累計產(chǎn)甲烷曲線

結(jié)果為2次結(jié)果的平均,誤差棒為兩平行極差

表4 不同條件下Gompertz模型擬合累計產(chǎn)甲烷曲線計算結(jié)果

2.2 液相中DOC和COD的變化

DOC和COD的變化均能反映出滲濾液有機物的降解速率.由圖2可見,所有工況的DOC和COD的值呈現(xiàn)了一致的變化趨勢:初期快速下降末期趨于平穩(wěn).滲濾液中有機物種類復(fù)雜,包括易降解的有機酸類物質(zhì)以及一些難降解的有機物[38].初期,短鏈脂肪酸類物質(zhì)快速降解(圖3),DOC和COD快速下降,而到了后期,DOC主要源于難降解物質(zhì),這時DOC和COD值基本不再變化,趨向于平穩(wěn),這一趨勢與累計甲烷產(chǎn)量圖(圖1)所顯示結(jié)果一致.并且這一變化趨勢因食微比的不同以及有無添加生物炭呈現(xiàn)一定的差異.在低食微比時,DOC和COD降解程度都達80%以上需要近9d,而在中食微比時,達到這一目標則需要14d,在高食微比時,需要14~72d.

在高食微比時,添加了生物炭的所有實驗組COD和DOC降解速率顯著高于未添加生物炭的對照組,并且這一促進效果因生物炭粒徑、生物炭類別而不同.由圖2結(jié)果可知,在第14d,<5μm木炭組COD降解程度就已達90%,DOC則達80%,顯著高于其他添加大粒徑生物炭組.第23d,幾乎所有添加木炭的實驗組COD,DOC降解程度均達90%以上,高于添加竹炭的實驗組.可以看出,小粒徑生物炭促進有機物降解的效果強于大粒徑的生物炭.Luo等[28]的研究結(jié)果表明生物炭可以通過富集功能菌來加速有機酸類物質(zhì)的降解,并且粒徑越小的生物炭(研究粒徑最低為75~150μm),富集效果越顯著.Xu等[11]比較了兩種粒徑的活性炭對乙醇和葡萄糖混合基質(zhì)的降解效果,結(jié)果也發(fā)現(xiàn)粉末活性炭(75~177μm)在富集產(chǎn)甲烷菌和共代謝的酸類氧化菌方面要強于顆?；钚蕴?0.84~2mm),在高負荷基質(zhì)條件下表現(xiàn)的更穩(wěn)定.他們的研究結(jié)果與本實驗基本一致.而本研究還進一步發(fā)現(xiàn)更低的粒徑(<5μm)的促進效果更為顯著.而在同一粒徑下(75~150μm),木炭比竹炭更有利于促進溶解性有機物降解[29].

圖2 不同工況下COD和DOC濃度變化曲線

結(jié)果為2次結(jié)果的平均,誤差棒為兩平行極差

2.3 VFAs濃度的變化

VFAs是本文所用滲濾液的DOC主要物質(zhì),占比達80%以上,主要是乙酸、丙酸、正丁酸、戊酸和庚酸.如圖3所示,VFAs變化趨勢與DOC趨勢總體一致,與累計產(chǎn)甲烷曲線反映出的規(guī)律相互映照,基本一致,但不同的酸又表現(xiàn)出特有的規(guī)律.低食微比和中食微比時的VFAs濃度最高為(4600±60),(6400±100) mg-C/L,且戊酸和庚酸的快速降解都在3d后開始,顯著慢于其他酸.而高食微比時,VFAs最高為10400± 800mg-C/L,戊酸和庚酸的快速降解則延遲至9d以后,但從圖中可以看出,生物炭的添加促進了戊酸和庚酸降解.第14d,所有添加生物炭的工況的戊酸和庚酸濃度均低于10mg-C/L,而未添加生物炭的對照組則高達1000mg-C/L以上,但這種促進效果并未因生物炭類別和粒徑大小而呈現(xiàn)顯著差異.生物炭的類別和粒徑顯著影響的主要是乙酸和丁酸的降解.在高食微比,丙酸、戊酸和庚酸濃度沒有明顯變化的情況下,對照組,添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭組以及75~150μm的竹炭組,正丁酸濃度分別由第3d的(2600±240),(2230±40),(2230±80), (2200±80),(2240±50) mg-C/L降至第9d的(1900±500),(1354±6),(310±70),(1100±100),(1140 ±70) mg-C/L.可以看出,<5μm的木炭對正丁酸的促降解效果遠優(yōu)于其他粒徑木炭;而同一粒徑的木炭對正丁酸的促降解效果略優(yōu)于竹炭.乙酸作為厭氧消化乙酸化階段的主要液相產(chǎn)物,其濃度受滲濾液中有機聚合物降解、長鏈酸降解以及甲烷化利用影響.所以僅根據(jù)濃度變化較難判斷乙酸的降解快慢.但從最終檢測不到乙酸所需要的反應(yīng)時間來看,添加生物炭的所需時間更少,并且<5μm的木炭組仍是效果最佳的.

圖3 不同工況下VFAs濃度變化曲線

(a) 低食微比對照、(b) 中食微比對照、(c) 高食微比對照、(d) 高食微比竹炭75~150μm、(e) 高食微比木炭<5μm、(f) 高食微比木炭75~150μm、(g) 高食微比木炭2~5mm

2.4 液相中DN和NH4+-N的變化

液相中DN和NH4+-N濃度變化主要受微生物增殖利用和以蛋白質(zhì)為主的含氮有機物降解的影響.

圖4 不同工況下溶解性氮和氨氮濃度變化曲線

如圖4所示,所有工況的NH4+-N含量整體均呈緩慢上升趨勢,而DN含量則因食微比的不同以及有無添加生物炭呈現(xiàn)一定的差異.試驗初期(0~9d),空白組中DN緩慢上升;而在有添加滲濾液的實驗組中,DN則是明顯的下降.接種泥自身所含有的有機物在消化過程溶出會使得DN和NH4+-N濃度有一定的增長;而在有添加滲濾液的實驗組里,微生物初期處在富營養(yǎng)的環(huán)境下,由圖1這一階段的高速產(chǎn)甲烷趨勢可以看出該階段微生物處在快速增長期,而微生物的自我增殖過程會消耗一定的有機氮源,因而導(dǎo)致了DN濃度降低,并且這一下降趨勢一直保持到了快速產(chǎn)甲烷期結(jié)束(<13d).13d后,空白組以及三組對照組這四種工況下的DN均呈逐步上升趨勢;而添加了生物炭的所有工況,DN一致呈現(xiàn)了先增后減的趨勢.有研究表明,生物炭可以促進污泥中有機物的溶出,從而使得DN含量上升[39].也有研究認為生物炭本身具有一定的吸附作用,DN被吸附固定在生物炭上,從而減少了液相中DN的含量[40],同時生物炭的存在也加速了DN的轉(zhuǎn)化從而使得剩余含量降低[39].本研究顯示,在高食微比時,與對照組相比,添加了<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭組以及75~150μm的竹炭組,最終出水DN分別下降了21%、16%、16%和12%; NH4+-N分別下降了17%、12%、10%和8%.這一結(jié)果說明生物炭的添加可以降低液相出水中DN和NH4+-N的最終濃度.

圖5 不同工況下pH變化曲線

2.5 pH值的變化趨勢

BMP實驗的最適pH值在6.5~7.8.超出此范圍,產(chǎn)甲烷菌的活性會受到抑制.如圖5所示,所有工況的pH整體均呈上升趨勢.這主要歸因于酸類物質(zhì)的大量降解(圖3)以及NH4+-N含量的累積(圖4).而當反應(yīng)進行到第23天時,除高食微比的對照組含碳有機物降解程度不足50%,其他實驗組液相中的DOC和COD降解程度均達90%以上,反應(yīng)體系的pH此時也達到峰值并趨于穩(wěn)定.在高食微比時,添加生物炭的實驗組pH均高于對照組的,這一結(jié)果也從側(cè)面反映了生物炭的添加加速了酸類物質(zhì)的降解.

3 結(jié)論

3.1 與高食微比相比,低食微比和中食微比能縮短填埋場新鮮滲濾液厭氧消化過程的遲滯期.

3.2 在高食微比時,生物炭的添加可以縮短厭氧反應(yīng)的遲滯期,提高厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高最大產(chǎn)甲烷速率,加速溶解性有機物、有機酸的降解以及減少最終出水的DN和NH4+-N濃度.與對照組相比,添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭組以及75~150μm的竹炭組,最大產(chǎn)甲烷速率分別提高了179%、93%、83%和64%,最終出水DN分別下降了21%、16%、16%和12%,NH4+-N分別下降了17%、12%、10%和8%.

3.3 生物炭粒徑大小和類別影響其作用效果.<5μm的生物炭促進有機物降解和甲烷轉(zhuǎn)化的效果優(yōu)于其它粒徑,而這一優(yōu)勢主要表現(xiàn)在促進了微生物對正丁酸和乙酸的降解.

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Application of biochar to improve anaerobic degradation of landfill leachate.

GUO Ke-jian1,2, HE Pin-jing1,2,3, SHAO Li-ming1,2,3, Lü Fan1,2*

(1.Institute of Waste Treatment and Reclamation, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China；3.Centre for the Technology Research and Training on Household Waste in Small Towns & Rural Area, Ministry of Housing Urban-Rural Development, Shanghai 200092, China)., 2008,38(5)：1801~1810

In order to evaluate the treatment efficiency of fresh landfill leachate by anaerobic digestion, and to explore the measures to improve the efficiency and process stability, the present study assessed the effect of low, medium and high food to microorganism ratio (F/M) (i.e., 0.49, 1.02 and 1.92g-leachate COD/g-sludge VS). Meanwhile, wood chars of <5μm, 75~150μm and 2~5mm, and bamboo biochar of 75~150μm were added at high F/M, and compared for their effects on the anaerobic digestion of leachate. The results showed that the leachate methanation was seriously delayed and the operation was unstable at high F/M. Compared with the control group without biochar addition at high F/M, the maximum methane production rate was increased by 179%, 93%, 83% and 64%, the total effluent dissolved nitrogen was decreased by 21%, 16%, 16% and 12%, and the NH4+-N of the total effluent was decreased by 17%, 16%, 16% and 12%, respectively, for the scenarios of adding wood char of <5μm, 75~150μm, 2~5mm and bamboo biochar of 75~150μm. The degradation of organic matters and organic acids, especially the degradation of n-butyric acid and acetic acid in the <5μm wood biochar group, was significantly faster than that of other biochar groups. These results show that biochar can improve the efficiency and process stability of leachate anaerobic degradation. For wood biochar, the smaller the particle size was, the better performance was.

food to microorganism ratio；biochar；particle size；landfill leachate；anaerobic digestion；biochemical methane potential

X705

A

1000-6923(2018)05-1801-10

2017-10-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(51622809);國家環(huán)境保護標準項目(2015-4)

郭克儉(1993-),男,湖北黃岡人,同濟大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為固體廢物處理與資源化.

* 責任作者, 研究員, lvfan.rhodea@#edu.cn