摘 要：垃圾滲濾液反滲透濃縮液含鹽、高濃度有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)。該文開展單室空氣陰極式的微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）處理廣西某垃圾填埋場不同鹽度的垃圾滲濾液反滲透濃縮液的處理研究。結(jié)果表明，鹽度越低，處理效果越好，當(dāng)以低鹽度濃縮液混合乙酸鈉作為處理對(duì)象時(shí)，效果最佳，濃縮液中COD、NH3-N和TN的去除率分別達(dá)到90.91%、46.54%、64.89%。MFC處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液為高效低能耗處理提供新途徑。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池;垃圾滲濾液;反滲透濃縮液;鹽度;水質(zhì)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0076-04

Abstract： The reverse osmosis concentrate of garbage leachate contains salts， high concentrations of organic matter， and nutrients. A single-chamber air-cathode microbial fuel cell （MFC） treatment of landfill leachate with different salinity in a landfill site in Guangxi was carried out. The results show that the lower the salinity， the better the treatment effect. When low-salinity concentrate mixed with sodium acetate is used as the treatment object， the effect is the best， and the removal rates of COD， NH3-N and TN in the concentrate reach 90.91%， 46.54%， and 64.89%， respectively. MFC treatment of landfill leachate reverse osmosis concentrate provides a new approach for efficient and low energy consumption treatment.

Keywords： Microbial Fuel Cell （MFC）; landfill leachate; reverse osmosis concentrate; salinity; water quality indicators

我國城市垃圾量以每年9%～10%的速度增長，導(dǎo)致垃圾滲濾液產(chǎn)量巨大[1]。這些滲濾液一般需經(jīng)膜分離處理，處理后產(chǎn)生濃縮液。垃圾滲濾液反滲透濃縮液可以概括為一種含有一定鹽度（包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+離子和Zn、Pb等重金屬）、復(fù)雜的有機(jī)污染物和大量N、P等營養(yǎng)物質(zhì)[2]。濃縮液因其高濃度的COD、高濃度的NH3-N等，已成為一個(gè)技術(shù)難題。

現(xiàn)今處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液主要有回灌、蒸發(fā)和高級(jí)氧化三大類[3]?；毓嗉夹g(shù)通過將濃縮液重新灌入垃圾填埋場，利用微生物進(jìn)行降解[4]。此法能加快填埋場穩(wěn)定化，但對(duì)防滲條件要求高，且只能延緩而無法有效削減污染物排放[5]。蒸發(fā)法通過加熱使水分揮發(fā)來減少濃縮液體積[6]。此技術(shù)對(duì)設(shè)備要求較高，且能耗大，成本及安全問題都限制了其應(yīng)用[7]。高級(jí)氧化法包括Fenton氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、電化學(xué)氧化法等類型，主要通過強(qiáng)氧化物質(zhì)分解污染物，具有反應(yīng)迅速、徹底降解、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低COD濃度、NH3-N濃度和色度等，但同時(shí)由于存在利用效率低、電極材料貴、對(duì)水質(zhì)pH和光照等反應(yīng)條件有要求等原因使高級(jí)氧化技術(shù)成本上漲、效率低，從而限制了在濃縮液處理上的應(yīng)用[8-9]。

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）是一種電化學(xué)法耦合生物法的同步污水處理和資源回收新技術(shù)，其原理是利用電極附著產(chǎn)電微生物在厭氧環(huán)境下代謝有機(jī)物來產(chǎn)生電子和質(zhì)子，進(jìn)而通過外電路產(chǎn)生電流[10]。研究表明，MFC可以在耐受高鹽度下有效去除廢水中的有機(jī)物和氮，還能同時(shí)產(chǎn)生電能[11]。因此，針對(duì)垃圾滲濾液反滲透濃縮液的高鹽度、高COD、高NH3-N特性，MFC技術(shù)具有潛在的處理能力。本研究針對(duì)廣西某垃圾滲濾液反滲透濃縮液開展MFC處理效果研究，探究垃圾滲濾液反滲透濃縮液中的COD、TN和NH3-N去除效率。

1 材料與方法

1.1 廢水來源與水質(zhì)

本研究中的垃圾滲濾液反滲透濃縮液取自廣西某生活垃圾填埋場的滲濾液處理站，根據(jù)取樣時(shí)間的不同得到3個(gè)含不同鹽度的濃縮液樣品，其主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.2 MFC構(gòu)建、啟動(dòng)和運(yùn)行

本研究中使用的MFC反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成。反應(yīng)器有效空間為長度4 cm，橫截面直徑為3 cm的圓柱體。反應(yīng)器陽極材料采用長度3 cm，直徑3 cm的碳纖維刷，陽極碳刷使用前放置于450 ℃的馬弗爐中燒結(jié)30 min。陰極材料采用以80目的不銹鋼網(wǎng)為基底，導(dǎo)電炭黑為擴(kuò)散層，活性炭為催化層制成的空氣陰極，有效面積為7 cm2 [12]。

MFC的接種液均取自廣西某污水處理廠的二沉池污泥，陽極液采用乙酸鈉基質(zhì)（1 g/L乙酸鈉、10.35 g/L 磷酸氫二鈉、3.31 g/L磷酸二氫鈉、0.13 g/L氯化鉀、0.31 g/L氯化銨、5 mL/L維生素、12.5 mL/L微量元素）[13]。以乙酸鈉基質(zhì)和接種液以體積比1∶1作為MFC的燃料進(jìn)行接種啟動(dòng)。MFC的陰陽極之間串聯(lián)一個(gè)1 000 Ω的電阻形成閉路，采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電阻兩端的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測，在輸出電壓呈現(xiàn)規(guī)律拋物線，于拋物線低點(diǎn)時(shí)更換接種液。當(dāng)外電阻兩端輸出電壓在500 mV以上并持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，即可認(rèn)為MFC接種啟動(dòng)成功。

MFC接種啟動(dòng)成功后，將進(jìn)水分別替換成3個(gè)垃圾滲濾液反滲透濃縮液（高鹽組、中鹽組、低鹽組），同時(shí)按照1 g/L的質(zhì)量濃度在各組分別投入乙酸鈉固體配制成共基質(zhì)，作為實(shí)驗(yàn)組MFC的進(jìn)水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)每個(gè)處理周期（24 h）的輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)最終出水的水質(zhì)情況進(jìn)行檢測。同時(shí)構(gòu)建相同的3組不添加乙酸鈉共基質(zhì)的MFC作為對(duì)照組。

1.3 分析方法

COD、NH3-N和TN分別按照國標(biāo)GB 11914—89《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》、GB 7479—87《水質(zhì) 銨的測定 納氏試劑比色法》和HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》，采用格林凱瑞儀器多參數(shù)水質(zhì)分析儀GL-900進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD的去除效果與機(jī)理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進(jìn)水時(shí)，經(jīng)1個(gè)處理周期（24 h）后出水水樣COD濃度的變化如圖1所示。其中低鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 232±44 mg/L逐漸降至112±3 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蔬_(dá)到90.91%，中鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 464±62 mg/L逐漸降至488±21 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?6.67%，而高鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 830±72 mg/L逐漸降至915±70 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕛H為50%。研究表明，低鹽度濃縮液有利于MFC對(duì)其中COD的去除。

MFC對(duì)濃縮液中的COD去除機(jī)制可以解釋為：在MFC的陽極，有機(jī)物（包括乙酸鈉和濃縮液中原有的難降解有機(jī)物，以R表示）在產(chǎn)電微生物的作用下被直接氧化成CO2，并釋放出e-和H+。這些e-隨后通過外部電路傳遞到陰極，而H+則通過濃縮液傳遞到陰極，從而參與到MFC的電流產(chǎn)生中。這個(gè)過程可以表示為以下反應(yīng)方程式

R+nH2O→CO2+nH++ne-。

由此可見，這個(gè)過程不僅有助于垃圾滲濾液反滲透濃縮液中有機(jī)污染物的去除，還能同時(shí)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了廢水處理與能源回收的雙重目標(biāo)。

2.2 氨氮的去除效果與機(jī)理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進(jìn)水時(shí)，NH3-N濃度的變化如圖2所示。從圖中可看出，低鹽組經(jīng)過MFC的1個(gè)24 h周期處理后，NH3-N濃度從260±5 mg/L逐漸下降至139±2 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?6.54%;中鹽組NH3-N濃度從412±17 mg/L逐漸下降至270±9 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?4.47%;高鹽組NH3-N濃度從662±9 mg/L略微下降至530±18 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?9.94%。低鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)經(jīng)MFC處理后雖然去除率僅有46.54%，但均比中鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)和高鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)的去除率要高，說明利用MFC對(duì)低鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)進(jìn)行處理，能夠更有效地降低NH3-N濃度。

MFC能夠有效去除濃縮液中NH3-N的原因可以解釋為：由于MFC反應(yīng)器中采用了不銹鋼網(wǎng)為基底，導(dǎo)電炭黑為擴(kuò)散層，活性炭為催化層的空氣陰極，使得大氣中的氧氣能夠透過空氣陰極進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，在接近陰極處形成了一個(gè)空氣-濃縮液-陰極（氣-水-固）界面，長期培養(yǎng)后滋生了大量硝化細(xì)菌，讓濃縮液中的NH3-N在O2催化下發(fā)生硝化反應(yīng)（2NH4++3O2+4e-→2NO3-+H2O），從而以轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的形式去除[12]。

2.3 總氮的去除效果與機(jī)理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進(jìn)水時(shí)，TN隨時(shí)間的變化如圖3所示。從圖中可看出，在MFC處理低鹽組1個(gè)周期（24 h）后，TN濃度從393±12 mg/L逐漸降至138±6 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?4.89%;中鹽組經(jīng)處理1個(gè)周期后，TN濃度從624±20 mg/L逐漸降至390±6 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?7.50%;高鹽組經(jīng)處理1個(gè)周期后，TN濃度從1 042±15 mg/L略微降到848±24 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕛H為18.62%。實(shí)驗(yàn)表明，低鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)經(jīng)MFC處理后，能夠進(jìn)一步降低TN的濃度。MFC對(duì)濃縮液中TN的去除機(jī)制為：在遠(yuǎn)離陰極處的反應(yīng)器內(nèi)濃縮液呈缺氧狀態(tài)，可通過陽極生物膜上附著的反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)（2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O），將濃縮液中的硝態(tài)氮還原生成的氮?dú)膺M(jìn)入空氣中，從而實(shí)現(xiàn)MFC對(duì)濃縮液的脫氮效果。另外，MFC對(duì)TN的去除率均高于相同條件的對(duì)NH3-N的去除率（圖2），這是由于MFC反應(yīng)器內(nèi)部大部分位置呈現(xiàn)厭氧/缺氧狀態(tài)，僅僅在陰極表面部分能夠呈現(xiàn)適應(yīng)于硝化細(xì)菌生存的好氧狀態(tài)，使得MFC中的反硝化作用強(qiáng)于硝化作用[14]。

采用低鹽組出水+乙酸鈉共基質(zhì)作為MFC進(jìn)水時(shí)，TN的去除效果較好，去除率達(dá)64.89%，這是由于垃圾滲濾液RO濃縮液中存在大部分腐殖酸等微生物無法降解的污染物，而投加乙酸鈉能夠使產(chǎn)電微生物活性增強(qiáng)，產(chǎn)電性能的提高能夠促進(jìn)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，所以在低鹽組出水中投加乙酸鈉固體配制成共基質(zhì)更有利于TN的去除。

3 結(jié)論

1）隨著垃圾滲濾液反滲透濃縮液中鹽度的增加，MFC處理的效果逐漸降低。以投加乙酸鈉作為共基質(zhì)處理低鹽度的濃縮液效果最佳。

2）MFC對(duì)低鹽度濃縮液中的COD去除率最高，達(dá)到90.91%，且采用乙酸鈉作為共基質(zhì)運(yùn)行更加有利于COD的去除。這一過程不僅去除了有機(jī)污染物，還能同時(shí)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了廢水處理與能源回收的雙重目標(biāo)。

3）在脫氮方面，MFC對(duì)低鹽度濃縮液中的NH3-N和TN去除效果較好。NH3-N的去除主要得益于MFC反應(yīng)器中硝化細(xì)菌的作用，而TN的去除則主要通過反硝化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。中、高鹽環(huán)境會(huì)對(duì)MFC的脫氮效果造成抑制。

綜上所述，MFC在處理低鹽度的垃圾滲濾液反滲透濃縮液時(shí)表現(xiàn)出最佳的污染物去除效果，為高效處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史謙，張學(xué)敏.中國城市生活垃圾處理方法現(xiàn)狀分析研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38（9）：41-44.

[2] 陳靜霞.簡析垃圾滲濾液反滲透濃縮液處理技術(shù)[J].廣州化工，2021，49（14）：18-19.

[3] 孫雨清， 趙俊. 垃圾滲濾液反滲透濃縮液處理技術(shù)綜述[J]. 山西建筑， 2013，39（11）：194-196.

[4] ROBINSON H D. The treatment of leachate from domestic wastes in landfill aerobic biological treatment of a medium-strength leachate[J].Water Research，1983，17（7）：1573-1548.

[5] 李青松，金春姬，喬志香，等.滲濾液回灌在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題[J].四川環(huán)境，2004（4）：78-80，84.

[6] 許玉東，聶永豐，岳東北.垃圾填埋場滲濾液的蒸發(fā)處理工藝[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005（1）：68-72.

[7] 楊一清，白皓，儲(chǔ)振國，等.廣州興豐生活垃圾填埋場老齡化滲濾液資源化協(xié)同處理工程實(shí)例[J].廣東化工，2022，49（4）：153-154.

[8] FENTON H J H. Oxidation of tartaric acid in the presence of iron[J]. J. Chem. Soc，1894，65：899-510.

[9] 肖羽堂，吳曉慧，王冠平，等.垃圾滲濾液高級(jí)氧化及其組合工藝深度處理研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)，2020LzZq0CbTCCc6wlSOilgG/Q==，46（2）：8-12.

[10] 黃彥琦，趙少宏，周亞，等.微生物燃料電池運(yùn)用于廢水脫氮的研究進(jìn)展[J].能源與環(huán)境，2021（6）：70-71，74.

[11] LUO H P， LIUA G L， ZHANGA R D， et al. Phenol degradation in microbial fuel cells[J]. Chemical Engineering Journal， 2009，147：259-264.

[12] YE B， LUO H P， LU Y B， et al. Improved performance of the microbial electrolysis desalination and chemical-production cell with anode and high applied voltages[J]. Bioresource Technology， 2017，244：913-919.

[13] LAN J， REN Y X， LUO H P， et al. High current density with spatial distribution of geobacter in anodic biofilm of the microbial electrolysis desalination and chemical-production cell with enlarged volumetric anode[J]. Science of the Total Environment，2022，831：154798.

[14] LIANG J L， ZHONG F， LIN H， et al. High-performance nanofiltration concentrate treatment by a five-chamber bioelectrochemical system[J].Journal of Environmental Management，2023，344：118432.

基金項(xiàng)目：中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司創(chuàng)新基金項(xiàng)目（KDYCXJJ202104）

第一作者簡介：農(nóng)澤喜（1986-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榄h(huán)境污染防治控制技術(shù)與工程。

*通信作者：郭尚其（1984-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榄h(huán)境污染防治控制技術(shù)與工程。