某垃圾填埋场渗滤液反渗透浓缩液的MFC处理研究

摘 要：垃圾渗滤液反渗透浓缩液含盐、高浓度有机物和营养物质。该文开展单室空气阴极式的微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell， MFC）处理广西某垃圾填埋场不同盐度的垃圾渗滤液反渗透浓缩液的处理研究。结果表明，盐度越低，处理效果越好，当以低盐度浓缩液混合乙酸钠作为处理对象时，效果最佳，浓缩液中COD、NH3-N和TN的去除率分别达到90.91%、46.54%、64.89%。MFC处理垃圾渗滤液反渗透浓缩液为高效低能耗处理提供新途径。

关键词：微生物燃料电池;垃圾渗滤液;反渗透浓缩液;盐度;水质指标

中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：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

我国城市垃圾量以每年9%～10%的速度增长，导致垃圾渗滤液产量巨大[1]。这些渗滤液一般需经膜分离处理，处理后产生浓缩液。垃圾渗滤液反渗透浓缩液可以概括为一种含有一定盐度（包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+离子和Zn、Pb等重金属）、复杂的有机污染物和大量N、P等营养物质[2]。浓缩液因其高浓度的COD、高浓度的NH3-N等，已成为一个技术难题。

现今处理垃圾渗滤液反渗透浓缩液主要有回灌、蒸发和高级氧化三大类[3]。回灌技术通过将浓缩液重新灌入垃圾填埋场，利用微生物进行降解[4]。此法能加快填埋场稳定化，但对防渗条件要求高，且只能延缓而无法有效削减污染物排放[5]。蒸发法通过加热使水分挥发来减少浓缩液体积[6]。此技术对设备要求较高，且能耗大，成本及安全问题都限制了其应用[7]。高级氧化法包括Fenton氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、电化学氧化法等类型，主要通过强氧化物质分解污染物，具有反应迅速、彻底降解、不产生二次污染等优点，能够有效降低COD浓度、NH3-N浓度和色度等，但同时由于存在利用效率低、电极材料贵、对水质pH和光照等反应条件有要求等原因使高级氧化技术成本上涨、效率低，从而限制了在浓缩液处理上的应用[8-9]。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell， MFC）是一种电化学法耦合生物法的同步污水处理和资源回收新技术，其原理是利用电极附着产电微生物在厌氧环境下代谢有机物来产生电子和质子，进而通过外电路产生电流[10]。研究表明，MFC可以在耐受高盐度下有效去除废水中的有机物和氮，还能同时产生电能[11]。因此，针对垃圾渗滤液反渗透浓缩液的高盐度、高COD、高NH3-N特性，MFC技术具有潜在的处理能力。本研究针对广西某垃圾渗滤液反渗透浓缩液开展MFC处理效果研究，探究垃圾渗滤液反渗透浓缩液中的COD、TN和NH3-N去除效率。

1 材料与方法

1.1 废水来源与水质

本研究中的垃圾渗滤液反渗透浓缩液取自广西某生活垃圾填埋场的渗滤液处理站，根据取样时间的不同得到3个含不同盐度的浓缩液样品，其主要水质指标见表1。

1.2 MFC构建、启动和运行

本研究中使用的MFC反应器采用有机玻璃制成。反应器有效空间为长度4 cm，横截面直径为3 cm的圆柱体。反应器阳极材料采用长度3 cm，直径3 cm的碳纤维刷，阳极碳刷使用前放置于450 ℃的马弗炉中烧结30 min。阴极材料采用以80目的不锈钢网为基底，导电炭黑为扩散层，活性炭为催化层制成的空气阴极，有效面积为7 cm2 [12]。

MFC的接种液均取自广西某污水处理厂的二沉池污泥，阳极液采用乙酸钠基质（1 g/L乙酸钠、10.35 g/L 磷酸氢二钠、3.31 g/L磷酸二氢钠、0.13 g/L氯化钾、0.31 g/L氯化铵、5 mL/L维生素、12.5 mL/L微量元素）[13]。以乙酸钠基质和接种液以体积比1∶1作为MFC的燃料进行接种启动。MFC的阴阳极之间串联一个1 000 Ω的电阻形成闭路，采用数据采集卡对电阻两端的输出电压进行监测，在输出电压呈现规律抛物线，于抛物线低点时更换接种液。当外电阻两端输出电压在500 mV以上并持续稳定运行时，即可认为MFC接种启动成功。

MFC接种启动成功后，将进水分别替换成3个垃圾渗滤液反渗透浓缩液（高盐组、中盐组、低盐组），同时按照1 g/L的质量浓度在各组分别投入乙酸钠固体配制成共基质，作为实验组MFC的进水进行实验，同时对每个处理周期（24 h）的输出电压进行实时监测，对最终出水的水质情况进行检测。同时构建相同的3组不添加乙酸钠共基质的MFC作为对照组。

1.3 分析方法

COD、NH3-N和TN分别按照国标GB 11914—89《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》、GB 7479—87《水质 铵的测定 纳氏试剂比色法》和HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》，采用格林凯瑞仪器多参数水质分析仪GL-900进行测定。

2 结果与讨论

2.1 COD的去除效果与机理

采用高盐、中盐和低盐组的浓缩液分别添加1 g/L乙酸钠作为MFC进水时，经1个处理周期（24 h）后出水水样COD浓度的变化如图1所示。其中低盐组经处理后COD浓度从1 232±44 mg/L逐渐降至112±3 mg/L，周期内的总去除率达到90.91%，中盐组经处理后COD浓度从1 464±62 mg/L逐渐降至488±21 mg/L，周期内的总去除率为66.67%，而高盐组经处理后COD浓度从1 830±72 mg/L逐渐降至915±70 mg/L，周期内的总去除率仅为50%。研究表明，低盐度浓缩液有利于MFC对其中COD的去除。

MFC对浓缩液中的COD去除机制可以解释为：在MFC的阳极，有机物（包括乙酸钠和浓缩液中原有的难降解有机物，以R表示）在产电微生物的作用下被直接氧化成CO2，并释放出e-和H+。这些e-随后通过外部电路传递到阴极，而H+则通过浓缩液传递到阴极，从而参与到MFC的电流产生中。这个过程可以表示为以下反应方程式

R+nH2O→CO2+nH++ne-。

由此可见，这个过程不仅有助于垃圾渗滤液反渗透浓缩液中有机污染物的去除，还能同时产生电能，实现了废水处理与能源回收的双重目标。

2.2 氨氮的去除效果与机理

采用高盐、中盐和低盐组的浓缩液分别添加1 g/L乙酸钠作为MFC进水时，NH3-N浓度的变化如图2所示。从图中可看出，低盐组经过MFC的1个24 h周期处理后，NH3-N浓度从260±5 mg/L逐渐下降至139±2 mg/L，周期内的总去除率为46.54%;中盐组NH3-N浓度从412±17 mg/L逐渐下降至270±9 mg/L，周期内的总去除率为34.47%;高盐组NH3-N浓度从662±9 mg/L略微下降至530±18 mg/L，周期内的总去除率为19.94%。低盐组+乙酸钠共基质经MFC处理后虽然去除率仅有46.54%，但均比中盐组+乙酸钠共基质和高盐组+乙酸钠共基质的去除率要高，说明利用MFC对低盐组+乙酸钠共基质进行处理，能够更有效地降低NH3-N浓度。

MFC能够有效去除浓缩液中NH3-N的原因可以解释为：由于MFC反应器中采用了不锈钢网为基底，导电炭黑为扩散层，活性炭为催化层的空气阴极，使得大气中的氧气能够透过空气阴极进入反应器内，在接近阴极处形成了一个空气-浓缩液-阴极（气-水-固）界面，长期培养后滋生了大量硝化细菌，让浓缩液中的NH3-N在O2催化下发生硝化反应（2NH4++3O2+4e-→2NO3-+H2O），从而以转化为硝态氮的形式去除[12]。

2.3 总氮的去除效果与机理

采用高盐、中盐和低盐组的浓缩液分别添加1 g/L乙酸钠作为MFC进水时，TN随时间的变化如图3所示。从图中可看出，在MFC处理低盐组1个周期（24 h）后，TN浓度从393±12 mg/L逐渐降至138±6 mg/L，周期内的总去除率为64.89%;中盐组经处理1个周期后，TN浓度从624±20 mg/L逐渐降至390±6 mg/L，周期内的总去除率为37.50%;高盐组经处理1个周期后，TN浓度从1 042±15 mg/L略微降到848±24 mg/L，周期内的总去除率仅为18.62%。实验表明，低盐组+乙酸钠共基质经MFC处理后，能够进一步降低TN的浓度。MFC对浓缩液中TN的去除机制为：在远离阴极处的反应器内浓缩液呈缺氧状态，可通过阳极生物膜上附着的反硝化细菌进行反硝化反应（2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O），将浓缩液中的硝态氮还原生成的氮气进入空气中，从而实现MFC对浓缩液的脱氮效果。另外，MFC对TN的去除率均高于相同条件的对NH3-N的去除率（图2），这是由于MFC反应器内部大部分位置呈现厌氧/缺氧状态，仅仅在阴极表面部分能够呈现适应于硝化细菌生存的好氧状态，使得MFC中的反硝化作用强于硝化作用[14]。

采用低盐组出水+乙酸钠共基质作为MFC进水时，TN的去除效果较好，去除率达64.89%，这是由于垃圾渗滤液RO浓缩液中存在大部分腐殖酸等微生物无法降解的污染物，而投加乙酸钠能够使产电微生物活性增强，产电性能的提高能够促进硝化反应和反硝化反应，所以在低盐组出水中投加乙酸钠固体配制成共基质更有利于TN的去除。

3 结论

1）随着垃圾渗滤液反渗透浓缩液中盐度的增加，MFC处理的效果逐渐降低。以投加乙酸钠作为共基质处理低盐度的浓缩液效果最佳。

2）MFC对低盐度浓缩液中的COD去除率最高，达到90.91%，且采用乙酸钠作为共基质运行更加有利于COD的去除。这一过程不仅去除了有机污染物，还能同时产生电能，实现了废水处理与能源回收的双重目标。

3）在脱氮方面，MFC对低盐度浓缩液中的NH3-N和TN去除效果较好。NH3-N的去除主要得益于MFC反应器中硝化细菌的作用，而TN的去除则主要通过反硝化反应实现。中、高盐环境会对MFC的脱氮效果造成抑制。

综上所述，MFC在处理低盐度的垃圾渗滤液反渗透浓缩液时表现出最佳的污染物去除效果，为高效处理垃圾渗滤液反渗透浓缩液提供了新的思路。

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基金项目：中国有色桂林矿产地质研究院有限公司创新基金项目（KDYCXJJ202104）

第一作者简介：农泽喜（1986-），男，硕士，高级工程师。研究方向为环境污染防治控制技术与工程。

*通信作者：郭尚其（1984-），男，硕士，高级工程师。研究方向为环境污染防治控制技术与工程。