不同载体生物滤池对渗滤液污染物的处理效果

吕宝一,谢 冰,戴淑萍,崔玉雪,梁少博 (华东师范大学环境科学系,上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海 200062)

不同载体生物滤池对渗滤液污染物的处理效果

吕宝一,谢 冰*,戴淑萍,崔玉雪,梁少博 (华东师范大学环境科学系,上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海 200062)

以陈垃圾和煤渣作为生物滤池反应器填料,分别构建了单一陈垃圾、煤渣以及复合该 2种填料的生物反应器,对渗滤液中的污染物进行了去除效果实验.结果表明,煤渣生物滤池对于渗滤液中COD和氨氮的去除效果高于陈垃圾滤池,但是总氮的去除率低于陈垃圾.复合填料滤池对于负荷和低温变化具有较好的耐受能力.电镜观察和微生物计数结果表明,2种载体适合微生物挂膜生长.粒径分析结果表明,2种载体的颗粒粒径组成对于滤池通透性能以及污染物去除有重要影响.

渗滤液；生物滤池；陈垃圾；煤渣；颗粒粒径

渗滤液是垃圾填埋过程中发生的物理化学和生物共同作用产生的复杂的混合液体.垃圾渗滤液成分复杂,有机物、氨氮和重金属等有毒有害污染物种类繁多,不同填埋场或同一填埋场的不同时段垃圾渗滤液的成分有很大的不同,垃圾渗滤液的处理异常困难,工艺复杂、工程投资及维护远远大于一般的城市生活和工业废水处理[1-2].

生物滤池对于垃圾渗滤液中污染物特别是氨氮的去除具有良好效果[3-5].生物滤池中载体的选择非常重要,其不仅要满足污染物处理的要求,不易堵塞,而且还要价廉.采用填埋数年已基本生物稳定化的陈垃圾(又称矿化垃圾)构建生物反应器进行渗滤液的处理,可以利用陈垃圾独特的物理化学和微生物学特性,获得较好的污染物去除效果,并在实际工程中得到应用[6-10].炼钢厂或电厂生产过程中产生的固体废物对水中存在的有机物有较好的吸附效果,有用于人工湿地系统处理污水的研究的报道[11-13],但是尚未见到其用于生物滤池进行渗滤液处理的研究报道.

本研究采用陈垃圾和煤渣这 2种废弃物单独和复合构建生物滤池,研究其对渗滤液污染物的去除效果,并对其表面生物挂膜情况和通透性能进行研究,以期为实际应用提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 反应器构建与运行

生物滤池反应器为圆柱体,直径30cm,填充填料高度为 150cm,有效容积约 105L.本研究构建3组生物滤池反应器,B、C反应器分别装陈垃圾和煤渣填料,A柱陈垃圾和煤渣填料各50%.所用陈垃圾和煤渣的主要性状如表1.

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

生物滤池反应器放置于保温室内,由制冷和制热机调控室内温度.实验用渗滤液采用上海老港垃圾填埋场和上海黎明垃圾填埋场调节池水配制而成,主要水质指标如表2所示.

反应器中的填料装填进反应柱后,由自控装置计量泵连续进水,待填料全部浸润湿透后1周开始试验.实验分为3个阶段:

第I阶段为驯化阶段,温度30℃,进水COD浓度2000mg/L,水力负荷20L/m3填料,水力停留时间约为10～14d,持续时间9周.

第II阶段为进水负荷提升阶段,进水COD浓度提高至 6000mg/L左右,同时温度降至在20℃.B、C反应柱水力负荷不变,A的水力负荷提高到40 L/m3填料.水力停留时间约为5～7d,此阶段持续时间10周.

第 III阶段为低温运行,考察在 10℃温度条件下的污染物去除效果,水力负荷同II阶段.持续8周.

表2 反应器不同实验阶段进水的水质指标Table 2 Influent quality in this experiment at different stage

此外,本实验对A反应器还进行了不同水力负荷(固液比)实验,分别实验了4～40L/m3填料水力负荷条件下,反应器A对污染物的去除效果.

1.2 指标检测方法

1.2.1 进出水水质指标监测 常规水质指标每周检测 1次.分析方法见文献[14],CODCr:重铬酸钾法;BOD5:稀释与接种法,TN:碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;NH3-N:纳氏试剂比色法;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:钼酸铵分光光度法.

1.2.2 主要微生物指标 取1g反应器填料样品,加入到灭过菌的装有 99mL生理盐水和玻璃珠的锥形瓶中,在漩涡振荡器上振荡 30min,然后在超声波振荡器上振荡2min,彻底分散生物膜样品.分析其中异养细菌、硝化细菌、放线菌和反硝化细菌的数量,分析方法见[15],结果以单位填料干重上的菌落数来表示, cfu/g.W.D.

1.2.3 电镜分析 取挂膜前和运行12周后的陈垃圾和废弃多孔滤料样品少许,放入 3%戊二醛中,4℃保存,样品经过25nm厚镀金钯混合物处理后用 JSM-5610LV扫描电子显微镜(日本电子公司)观察并拍照.

1.2.4 填料载体粒径分析 取陈垃圾和煤渣样品 60℃烘干,取烘干后样品 100g,分别过10,6,2mm筛,称量各阶段样品重量,计算各部分组分.取少量小于 2mm样品,采用激光粒度仪(LS13320,Beckman Coulter公司,美国)测定粒径分布.

2 结果与分析

2.1 不同填料生物滤池对渗滤液污染物的去除效果

如图1所示,在第I阶段的运行中,A、B反应器出水的COD呈下降趋势,C在升高5周后也开始下降,由于这一阶段微生物处于挂膜驯化期,COD的去除以吸附作用为主导,可能由于陈垃圾具有强的吸附能力[16-17],含有陈垃圾的反应器A和B表现出出水COD持续下降的现象,而单一煤渣的反应器 C则很快就达到了吸附饱和状态.在第II阶段开始降低温度至20℃,提高进水COD浓度后,各反应器出水COD也逐渐升高,A和B的出水分别在第15周和17周达到峰值,超过4000mg/L,虽然A同时也提高了进水的水力负荷,达到B或C的2倍,但是A在2周内快速回到低于2000mg/L,COD的去除率在60%左右,而B则用了 5周的时间恢复,而且 COD在 2500～3000mg/L;相比较A和B,反应器C的出水要稳定得多,最大值在 2000mg/L,其余都在 1500～1900mg/L之间变化,表现出较好的抗冲击能力,同样混有煤渣的反应器 A也表现出快速恢复的能力,单一陈垃圾反应器则恢复较慢.进入第 III阶段10℃低温运行后,3个反应器的出水COD数值趋向2200mg/L,去除率在45%～50%.

图1 各反应器运行不同阶段进出水COD的变化Fig.1 Influent and effluent COD in reactors at different stages

无论进水BOD浓度是第I阶段的300mg/L还是第II阶段2200mg/L,温度从30℃到10℃变化中,出水的 BOD略有升高,但总体上小于25mg/L,平均去除率在98%以上,与其他采用陈垃圾的生物反应器出水 BOD结果一致[6,8],表明实验条件下渗滤液的BOD5负荷处于较低水平,反应器中的可生物降解有机物被微生物降解充分.

由图2可见,反应器运行第I阶段各反应器出水的氨氮呈下降趋势,第II阶段提高负荷和降低温度后,A、B出水氨氮显著升高,其中A的出水氨氮浓度高于B;相比较A、B反应器,C反应器的出水氨氮变化要平缓得多,基本在 100～200mg/L浓度范围变化.到第III阶段温度从20℃到10℃降低的过程中,各反应器出水的氨氮都急剧升高,但C的浓度还是远远低于A和B.以上结果显示,煤渣反应器对氨氮去除效果较好,这可能与煤渣良好的吸附和通透性,有利于氨氮的去除有关[18].复合A反应器虽然第2阶段水力负荷提高到B、C的2倍后,出水氨氮浓度有所升高,但5周后回落到B之下,其平均氨氮的去除介于B、C之间,说明复合反应器有较好的抗水力负荷和温度变化的能力.氨氮的去除受温度影响较大,温度降低是硝化作用减弱的一个重要原因[19].

图2 各反应器运行不同阶段进出水氨氮的变化Fig.2 Influent and effluent NH3-N in reactors at different stages

如图3所示,第I阶段,反应器A、B对TN去除效果在20%～30%左右,第II阶段虽然温度降低,但是 TN去除效果开始提高,去除率在50%～70%,其中B比A的去除效果略好,随温度的进一步降低,A、B的TN去除效果急剧下降;C反应器对TN的去除表现出与A、B截然不同,第I阶段初期总氮去除率在50%,然后出水总氮迅速升高,一直到第II阶段结束,C反应器的出水总氮和进水总氮几乎相等(某些点的出水比进水高是由于进水调整,前一阶段进水中较高的 TN造成的),到第III阶段才表现出一定的差距.从C出水的氧化还原电位(ORP)和硝氮浓度远高于A、B(数据未列)推测C柱呈好氧状态,厌氧脱氮条件较差.以上结果说明,单一陈垃圾和混有煤渣的陈垃圾反应器的厌氧效果要好于纯煤渣反应器,较好的厌氧环境导致了 A、B反应器的生物脱氮效果较好;煤渣反应器虽然初期由于吸附作用会去除一部分的氮,但是其较好的通透性使得反应器不利于反硝化脱氮,故总氮的去除效果远远不及有陈垃圾的 A和 B,这也是反应器 C中COD和氨氮的去除效果比A和B好的原因.第II阶段开始,虽然A反应器的水力负荷比B高2倍,但A反应器和B的脱氮效果不相上下,说明复合反应器A具有较好的抗水力负荷变化能力.

图 3 各反应器运行不同阶段进出水总氮的变化Fig.3 Influent and effluent TN in reactors at different stages

图4 水力负荷对主要污染物去除效果的影响Fig.4 Effect of hydralic loading on pollutants removal rate

2.2 水力负荷对污染物去除效率的影响

由图 4可见,随水力负荷减小,即固液比增加,COD和氨氮的去除率明显提高,COD和氨氮的最大去除率分别可以达到98%和90%,总氮的去除率随水力负荷的变化较平缓.而达到比较经济合理的固液比[6]时的 COD、氨氮和总氮的去除率分别约为80%,92%和55%.

2.3 不同运行时期微生物数量分析

图5为各个运行时期反应柱中部填料的异养细菌、放线菌、硝化细菌和反硝化细菌计数结果,可以看到,各反应器中填料上异养细菌数量在 106cfu/g.D.W 数量级,放线菌为 105cfu/g.D.W数量级,硝化和反硝化细菌在102～105cfu/g.D.W 数量级.各反应器中的微生物数量在初期均低于运行后的第II、III阶段,表明随着反应器的运行,微生物数量均有所增加.第 II阶段,反应器A反硝化细菌增加幅度最大,而反应柱C的放线菌增加最多;到第III阶段,反应柱B的异养细菌增加幅度最大.3个反应柱中C的硝化细菌数量最大,这可能和其透气性能好有利于硝化细菌生长有关,这个结果与氨氮的去除有较好的对应关系,即通气有利于氨氮的去除[20];B反应柱在温度降低到 10℃以后,异养细菌和放线菌的数量还有所升高,对照图1中B的COD变化,似乎有一定的相关性,但是 B柱低温下异养细菌数量突然升高,原因可能与进水水质变化有关.C的反硝化细菌数量和 B相差不多(图5),但2个反应器总氮去除效率差别较大,反硝化细菌和总氮的去除没有对应关系,原因还有待进一步分析.

2.4 扫描电镜(SEM)分析

扫描电镜照片反映了反应器填料挂膜前后表面结构和微生物生长情况.图6a、图6b为未挂膜前填料表面,陈垃圾的较为光滑,而煤渣表面多为孔隙为0.5～5μm的蜂窝孔状结构.图6c、图6d为陈垃圾和煤渣反应器运行 12周后的表面性状,2种填料的表面均生长有一定厚度的生物膜,其上球菌、杆菌等各种形态的微生物种类丰富,通过丝状物连接聚集成团或块,表现出较高的生物多样性和良好的挂膜效果.说明经过驯化阶段的运行,无论陈垃圾或煤渣填料,都适于微生物的 生长,可以作为生物滤池挂膜载体.

图5 反应器不同运行阶段的细菌数量Fig.5 The amount of bacteria in biofilter at different stages

图6 挂膜陈垃圾和煤渣SEM照片Fig.6 SEM figures of aged refuse and cinder before and after operation

2.5 填料粒径分析结果

粒径分析结果表明(图7),陈垃圾中颗粒主要由小于0.05mm、0.05～2mm、2～6mm的颗粒组成,其中＜0.05mm的颗粒占到总颗粒的27%.煤渣的粒径分布表明,67%的颗粒都是由 0.05～2mm的颗粒组成,其次为占17%的2～6mm颗粒组成,＜0.05mm的极小颗粒比例只有 8%.对填埋场附近的黏土颗粒分析结果表明,黏土中含有颗粒粒径＜0.05mm的比例在87%左右,而＜0.01mm的颗粒被认为是黏土[21],黏土的比例高会导致填埋层堵塞以及通透性下降,影响反应器的通气性能和污染物的去除效果.本研究中煤渣中极小颗粒所占比例最小,其构建反应器对 COD和氨氮较好的处理效果充分说明了这一点.

图7 陈垃圾和煤渣填料的粒径分布Fig.7 Particle size distribution of aged refuse and cinder

反应器 A复合了 2种填料,陈垃圾和煤渣,其中陈垃圾提供了丰富的微生物菌种源,煤渣的加入又保持滤池的通透性,不至于经常堵塞;在保证污染物有效去除的同时又可使反应器长期稳定运行.

3 结论

3.1 煤渣反应器COD和NH3-N的去除效果较陈垃圾反应器高,但是 TN的去除率低于陈垃圾反应器;复合陈垃圾和煤渣的反应器对主要污染物的去除介于两者之间,但较单一填料反应器表现出较好的负荷和低温的耐受性.

3.2 微生物计数和电镜观察结果表明,经过驯化和运行,陈垃圾和煤渣填料2种介质都较适合微生物的挂膜生长;各反应器中填料上异养细菌数量在 106cfu/g.D.W 数量级,放线菌为 105cfu/g.D.W 数量级,其中陈垃圾反应器具有较高的异养细菌数量,而煤渣反应器具有较高的硝化细菌数量.复合滤池填料上的异养细菌和放线菌数量居两者之间.

3.3 粒径分析结果表明,煤渣中颗粒＜0.05mm的小颗粒物组成比例比陈垃圾中的少,这可能是煤渣床反应器具有较好的通透性能的原因;陈垃圾和煤渣2种载体有机复合,既能有效去除渗滤液中的污染物,同时又可提高该反应器的抗堵塞性能.

[1] Peter K, Morton A, Barlaz A P, et al. Present and long-term composition of MSW landfill leachate: a review [J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2002,32(4): 297-336.

[2] Renou S, Givaudan J G, Poulain S, et al. Landfill leachate treatment: review and opportunity [J]. Journal of Hazardous Materials, 2008,150:468-493.

[3] Jokela J P Y, Kettunen R H, Sormunen K M, et al. Biological nitrogen removal from municipal landfill leachate: low-cost nitrification in biofilters and laboratory scale in-situ denitrification [J]. Water Res., 2002,36:4079-4087.

[4] Knox K, Jones P H. Complexation characteristics of sanitary landfill leachates [J].Water Res., 1979,13:839-846.

[5] He P J, Shao L M, Guo H D, et al. Nitrogen removal from recycled landfill leachate by ex situ nitrification and in situ denitrification [J]. Waste Manage, 2006,26:838-845.

[6] Zhao Y, Li H, Wu J, et al. Treatment of leachate by aged refuse-based biofilter [J]. J. of Environ. Engi., ASCE, 2002,128: 662–668.

[7] Lei Y M, Shen Z M, Huang R H, et al. Treatment of landfill leachate by combined aged-refuse bioreactor and electrooxidation [J]. Water Res., 2007,41:2417-2426.

[8] Zhao Y C, Song L Y, Huang R H, et al. Recycling of aged refuse from a closed landfill [J]. Waste Manage Res., 2007,25:130-138.

[9] 龙 焰,沈东升,劳慧敏,等.生活垃圾填埋场不同粒径陈垃圾中微生物的分布特征 [J]. 环境科学学报, 2007,27(9):1485-1490.

[10] Jiang J G, Yang G D, Deng Z, et al. Pilot-scale experiment on anaerobic bioreactor landfills in China [J]. Waste Manage., 2007, 27:893-901.

[11] 刘精今,李小明,杨 麒.煤渣的吸附性能及在废水处理中的应用 [J]. 工业用水与废水, 2003,34(1):12-15.

[12] 孙洪伟,彭永臻,时晓宁,等.UASB-A/O 工艺处理垃圾渗滤液短程脱氮的实现 [J]. 中国环境科学, 2009,29(10):1059-1064.

[13] 张志勇,冯明雷,杨林章,等.人工模拟污水净化系统去除生活污水氮、磷效果的比较研究 [J]. 土壤学报, 2008,45(3):466-475.

[14] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M]. 4版.北京:中国环境科学出版社, 2002.

[15] 谢 冰,米文秀,梁少博,等.石化废水臭气的生物滤池处理 [J].武汉大学学报(理学版), 2008,54(2):249-254.

[16] 赵由才,柴晓利,牛冬杰.矿化垃圾基本特性研究 [J]. 同济大学学报(自然科学版), 2006,34(10):1360-1364.

[17] 柴晓利,郭 强,赵由才.酚类化合物在矿化垃圾中的吸附性能与结构相关性研究 [J]. 环境科学学报, 2007,27(2):247-251.

[18] 刘超翔,董春宏,李峰民,等.潜流式人工湿地污水处理系统硝化能力研究 [J]. 环境科学, 2003,24(1):80-83.

[19] 谢 冰,徐亚同.废水生物处理原理和方法 [M]. 北京:中国轻工业出版社, 2007.

[20] 邵立明,谷惠丽,何品晶.通风填埋层原位脱氮:回灌渗滤液和垃圾组成的影响 [J]. 环境科学学报, 2009,29(1):151-155.

[21] 朱鹤健,何宜庚.土壤地理学 [M]. 北京:高等教育出版社, 2000.

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

国家自然科学基金资助项目(20977031);上海市自然科学基金资助项目(09ZR1409000)

* 责任作者, 副教授, bxie@des.ecnu.edu.cn

X703

A

1000-6923(2010)06-0763-07

吕宝一(1986-),男,山东临沂人,华东师范大学环境科学系硕士研究生,研究方向为污染控制工程.发表论文4篇.