MICP修复重金属污染溶液及矿化垃圾土试验研究

大量非正规垃圾填埋场面临超负荷运营困境,衍生出系列亟待解决的环境问题。重金属含量较高的垃圾渗滤液易对填埋场周边水体造成污染,填埋场开采扩容产生的矿化垃圾土也存在Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)等重金属超标现象,在资源化利用过程中容易造成二次污染,因此,垃圾填埋场重金属污染问题亟待解决。近年来,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)固定重金属的能力被广泛探究,其中巴氏芽孢杆菌因环境适应性强、脲酶表达量高而备受关注。但相关研究中的修复对象主要为污染溶液和普通污染土壤,其与垃圾渗滤液以及矿化垃圾土在污染成因和化学成分等方面明显不同。鉴于此,开展巴氏芽孢杆菌修复重金属污染溶液和污染矿化垃圾土试验,探究巴氏芽孢杆菌生物修复重金属的可行性,分析生物修复前后矿化垃圾土中重金属形态变化以及修复机理。结果显示,巴氏芽孢杆菌对溶液中Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)修复率可分别达到95%、84%、5%和98%,对矿化垃圾土中可交换态Cd、Pb和Zn修复率亦可分别达到74%、84%和62%,可交换态Cr(Ⅲ)修复处理前含量几乎为0;经生物修复,矿化垃圾土中可交换态和碳酸盐结合态重金属含量降低,铁锰氧化物结合态和残渣态重金属含量增加;同时,矿化垃圾土中含Fe和Al成分以及MICP过程产生的碳酸钙沉淀共同促进重金属向更稳定形态转化。

填埋场开采及矿化垃圾资源化利用现状

垃圾填埋场开采和可回收土地资源的资源化利用、矿化垃圾的无害化、资源化,具有显著的经济社会效益。归纳了国内外垃圾填埋场管理过程中面对的痛点问题,并着重分析了典型填埋场治理工程案例,明确了原料回收潜力评估、经济效益评估和生命周期评价等开采前预调研工作的重要性;基于矿化垃圾综合资源化利用的思路,重点阐述了当前垃圾填埋场矿化垃圾物理特性、重金属含量、热值和营养元素等物化特性。总结了目前较为成熟的资源化利用方案,包括腐殖土再利用技术及可燃组分热处理技术,为大型垃圾填埋场的施工开采和资源化利用提供了思路。

塔式矿化垃圾生物反应床处理垃圾填埋场渗滤液的效能研究

通过正交试验研究了固液比、进水COD和运行周期对塔式矿化垃圾生物反应床处理垃圾渗滤液的性能影响。小试试验结果表明，在温度为10-37℃条件下，固液比是影响污染物去除性能的关键因素。现场中试研究表明，在水力负荷为0．267-0．444m^3／d（以每立方米矿化垃圾计）条件下，出水COD和出水氨氮基本满足国家二级排放标准。塔式矿化垃圾生物反应床是一种高效低耗的垃圾渗滤液处理工艺。

非正规填埋场矿化垃圾理化性质与资源化利用研究

为探索非正规垃圾填埋场矿化垃圾资源化利用问题,以广东省东莞市常平镇桥沥垃圾填埋场矿化垃圾为例,多点采集样品经人工分拣和不同粒径段筛分后,对其物理组成和化学性质进行了分析.结果表明：矿化垃圾中腐殖土主要在40mm粒径段以下,占47.3%,塑料、织物及木竹等可燃轻质垃圾主要在大于80mm粒径段,占40.1%；工程筛分粒径可选40mm,筛上物主要为可燃物,筛下物主要为腐殖土；按照有机肥堆肥腐熟标准,筛下物腐殖土基本可达到腐熟,营养物质含量达到《城市生活垃圾农用标准》（GB8172-1987）要求,但部分重金属含量超标；矿化垃圾经筛分后的轻质垃圾,热值约为6000kJ/kg,可直接进行焚烧处理,将其制备成垃圾衍生燃料（RDF）后,热值可达10000-24000kJ/kg.

矿化垃圾基本特性研究

在填埋场稳定化进程理论研究的基础上,提出了矿化垃圾的基本概念,比较系统地对填埋时间为13年和9年矿化垃圾的物理、化学、生物等特性进行表征,论述了可能的应用前景.认为通过对矿化垃圾的开采与利用,就可使填埋场成为生活垃圾的中转处理场所,而不是最终的归宿.结果表明,矿化垃圾在物理质地上表现出类似砂土的倾向,但在结构和化学特性上又完全有别于砂土,特别是有机质、总氮、总磷含量、阳离子交换量,均明显超过砂土.其中,有机质的质量分数高达10%左右,与肥沃的土壤相类似,总氮、总磷含量也高于常规土壤;每100 g干垃圾中,阳离子交换量更是高达0.068 mol以上,比普通的砂土高出数十倍,比肥沃的土壤也高出两三倍.矿化垃圾细料与一般土壤组分比较,其粒径分布具有两极分布的趋势.这些特性均表明矿化垃圾细料具有优良的理化性质,当用做污染物处理基质时,能提供极好的吸附交换条件和适宜的微生物生存环境.

生活垃圾填埋场矿化垃圾分选研究

对上海市老港生活垃圾填埋场填埋龄为1～14年的矿化垃圾进行了分选研究。结果表明,填埋龄在8年以上矿化垃圾细料(粒径<50mm)的百分比约占60%,而填埋龄低于5年的矿化垃圾细料比例低于40%。开采出来的垃圾经分选后的产品可得到有效的资源化利用。

矿化垃圾湿地处理畜禽养殖废水的研究

采用序批式进水方式,在m(固)∶V(液)=1∶20及水力负荷1.25 m3.m-2.d-1条件下,研究种植旱伞草(Cyperus alternifolius)、芦苇(Phragmites australis)、美人蕉(Canna indica)和菖蒲(Acorus calamus)4种植物的矿化垃圾填料湿地对畜禽养殖废水的处理效果。持续运行90 d的结果表明,矿化垃圾填料湿地床对CODCr、SS、NH4+-N和TP的平均去除率分别为41.3%～52.5%、55.2%～72.1%4、4.2%～76.7%和40.1%～68.0%。不同植物种类对去除率的影响小,与无植物空白相比约有10百分点的变化,主要被矿化垃圾填料自身特性所掩盖。矿化垃圾填料硝化能力强,导致硝酸盐氮(NO3--N)的累积高达数十mg.L-1,并导致TN去除率偏低,仅为41.6%～45.9%。构建了150 cm高的矿化垃圾填料柱进行反硝化脱氮,在水力负荷0.30 m3.m-2.d-1条件下运行90 d期间内,距柱面120 cm处NO3--N去除率在ρ(NO3--N)约为20和40 mg.L-1的水质条件下均可达97%以上。

矿化垃圾固定床吸附过程和穿透曲线预测

以轴向扩散模型和恒定图式假设为基础,推导出了适用于预测固定床穿透曲线的积分模型.通过动态循环法对苯酚和对氯苯酚在矿化垃圾中的吸附行为进行了研究,采用Freundlich等温吸附方程描述穿透曲线,并得到了便于应用的代数模型.通过不同条件下固定床实验来确认模型,结果证实模型可以很好地描述穿透曲线.同时讨论了操作参数和矿化垃圾特性对穿透曲线的影响,结果表明,较低的进料浓度和进料流量以及内扩散和轴向扩散的影响都会造成实际穿透曲线与预测穿透曲线之间的偏差.

矿化垃圾中金黄杆菌甲烷亲和氧化动力学

从填埋了10年的矿化垃圾中分离得到一株能以甲烷为碳源生长的金黄杆菌（Chryseobacteriumsp.JT03）。基于均衡生长假设,以Monod方程为基础,推导了金黄杆菌JT03的底物消耗模型并用以表征菌株的甲烷亲和氧化能力。在低密度的菌体培养条件下（菌液OD=0.362±0.012）,考察了甲烷含量1%~40%（体积）的甲烷消耗速率。拟合结果符合Monod方程假设,并推演出半饱和常数KS为7.097 mmol.L-1（R2=0.9801）,说明金黄杆菌JT03对甲烷有较强的亲和氧化能力,可以高效降解甲烷。

矿化垃圾生物反应床处理渗滤液技术

针对矿化垃圾筛分后<15mm组分性质进行研究,并以该组分为填料设计制造矿化垃圾生物反应床处理渗滤液,研究表明,矿化垃圾具有较大的吸附比表面积,较强的离子交换容量,较高的有机质含量,含有种类和数量可观的微生物种群可供生物降解作用,是很好的污水处理生物介质。工程应用表明:渗滤液经过三级矿化垃圾生物反应床串联处理后,CODCr和NH4+-N的总去除率达到90%和95%以上,可稳定达到国家二、三级渗滤液排放标准。

矿化垃圾生物反应床在废水处理中的应用及其存在的问题

综述了矿化垃圾生物反应床对城市污水、填埋场渗滤液、畜禽废水以及离子交换树脂再生废水处理的工况条件及其处理效果 ,并对其存在的主要问题进行了分析。

准好氧矿化垃圾去除渗滤液中有机物的试验研究

用室内埋龄为3 a的准好氧矿化垃圾填充生物反应床,分别在自然通风和封闭填埋条件下对渗滤液进行灌注处理,以探讨准好氧矿化垃圾对渗滤液中有机物的去除特性和效果.结果表明：准好氧矿化垃圾去除最多的是渗滤液中含量最多的分子量小于2×10^3的有机物.当水力负荷为40 L/（m^3.d）时,在自然通风和封闭填埋条件下总溶解性有机物的去除率分别为92%和87%;当水力负荷为50 L/（m^3.d）时,总溶解性难降解有机物的去除率分别为34%和21%.在自然通风条件下,当水力负荷从50 L/（m^3.d）减小到25 L/（m^3.d）时,相应的容积负荷从600 g/（m^3.d）减小到300 g/（m^3.d）,化学需氧量（COD）去除率从85%提高到93%以上.经过40 d连续运行,生物反应床出水中的COD质量浓度稳定在400-900 mg/L之间.

矿化垃圾和绿色植物废弃物对盐碱土的改良效果

利用矿化垃圾和绿色植物废弃物在上海临港新城进行盐碱土现场改良试验,并监测不同处理土壤溶液中重金属元素浓度。结果表明:(1)在盐碱土中分别加入矿化垃圾、绿色植物废弃物或2者混合加入能明显降低盐碱土的盐分,提高土壤的肥力,达到改良盐碱土的目的。(2)各处理土壤溶液中重金属变化趋势基本一致:Cu浓度低于《地下水质量标准》(GB/T14848—93)中Ⅲ类标准,Cr浓度均在GB/T14848—93中Ⅳ类标准内,不存在Cu和Cr污染可能;个别点土壤溶液中偶尔出现Zn和Pb浓度超过GB/T14848—93中Ⅴ类标准,大部分基本在GB/T14848—93中Ⅳ类标准内;Cd、Fe和Mn浓度相对较高,是造成地下水潜在污染的原因,要注意合理控制。(3)不同处理会影响矿化垃圾中重金属的溢出,会使一部分重金属向下迁移,但总体对地下水质影响不大,且100cm处各种重金属元素的平均浓度均没有超过GB/T14848—93中Ⅳ类标准。(4)矿化垃圾中加入绿色植物废弃物处理的污染综合指数较小,主要是由于绿色植物废弃物重金属元素浓度相对较低、有机质含量高,和矿化垃圾混合使用能降低矿化垃圾潜在污染的风险。

矿化垃圾生物覆盖层减少垃圾填埋场CH_4、N_2O和CO_2释放的效应研究

对利用矿化垃圾构建生物覆盖层以削减填埋场温室气体的释放问题进行了深入研究,分析了环境因素对CH4释放的作用,考察了作为生物覆盖层材料的矿化垃圾的厚度变化对CH4氧化的影响.结果表明,温度为5～45℃时,矿化垃圾对CH4的氧化速率平均值分别约为黏性土和砂性土的2.35和4.71倍,CH4氧化速率随温度的升高而增加,并在35℃时达到最大值.当含水率w为16％ ～ 24％时,纯矿化垃圾覆盖层、半矿化垃圾覆盖层和砂性土覆盖层CH4氧化能力均达到最大.砂性土覆盖层和半矿化垃圾覆盖层CH4释放通量平均值分别为纯矿化垃圾覆盖层的329.8倍（P＜0.05）和91.7倍（P＜0.05）,添加矿化垃圾填料会增加覆盖层N2O释放通量,纯矿化垃圾覆盖层N2O（以N计）释放通量平均值分别为半矿化垃圾覆盖层和砂性土覆盖层的2.1倍（P＜0.05）和3.5倍（P＜0.05）.

准好氧矿化垃圾床处理渗滤液的脱氮菌群研究

为探明准好氧矿化垃圾床处理渗滤液的生物脱氮机理,采用最大或然数计数法以及一系列的生化试验和镜检照片,研究了床层不同高度脱氮菌的数量和菌群结构.结果表明:床内亚硝化菌、硝化菌、厌氧反硝化菌和好氧反硝化菌的平均数量分别为5.3×106,7.5×106,6.9×103和2.5×105 g-1,亚硝化菌、硝化菌和好氧反硝化菌主要富集于反应床的表层和底部,厌氧反硝化菌主要富集于反应床的中部;从床内共分离出3株亚硝化菌,6株硝化菌,5株厌氧反硝化菌和6株好氧反硝化菌.准好氧矿化垃圾床处理渗滤液的生物脱氮机理为同步硝化反硝化,主要发生在反应床的表层和底部.

矿化垃圾和绿化植物废弃物在盐碱土上利用的效果

通过矿化垃圾和绿化植物废弃物在盐碱土上的现场应用试验,研究了土壤性质的变化。结果表明,盐碱土上利用矿化垃圾和绿化植物废弃物后pH和盐分降低,土壤肥力提高;但矿化垃圾中有机质相对稳定,而绿化植物废弃物易分解,其土壤微生物量碳、土壤脲酶和土壤磷酸酶增加效果更明显;而且以矿化垃圾、绿化植物废弃物和原土混合后土地利用的效果最好,其次为矿化垃圾和绿化植物废弃物混合,以矿化垃圾和5%原土处理的利用效果最差;而不同废弃物用量中以30%的绿化植物废弃物添加量改良效果最好;不同处理间土壤微生物量碳、土壤脲酶和土壤磷酸酶的变化趋势基本一致,并与有机质存在显著或极显著相关关系,适合评价有机废弃物土地利用的效果。

矿化垃圾反应床处理渗滤液的微生物学特性

研究了矿化垃圾生物反应床处理渗滤液时,不同床层高度、气温状况和水力负荷下矿化垃圾微生物学特性的变化规律.结果表明：床体浅层（0-20 cm）通透性好,细菌总数是床体厌氧区的数十倍,生理生化过程强烈,酶活性高,是污染物降解的最佳区域;气温的日变化对细菌总数影响不大,但在25-30℃时有利于维持微生物数量及其重要酶的活性;反应床对水力负荷有一定的耐冲击能力,但当矿化垃圾与渗滤液的体积比小于20（水力负荷超过16 cm.d^-1）时,床层微生物及酶面临胁迫环境,出水水质急剧变差.

矿化垃圾填料对污水中氮磷去除能力的动力学研究

矿化垃圾填料具备良好的粒径级配,表面为不规则的多面体,Fe、Al和Ca成分含量高,具备成为优良磷库的条件。培养实验结果可采用Langmuir吸附等温线模拟,计算所得矿化垃圾磷的饱和吸附量为2 914 mg.kg-1。矿化垃圾吸附磷的饱和吸附量和吸附速率均为粘土的3倍多,磷的解析率仅约为30%。硝化培养实验前24 h内,矿化垃圾中氨氮的浓度从129 mg N.kg-1下降到83.0 mgN.kg-1;硝酸盐氮含量相应地从137 mg N.kg-1上升到170 mg N.kg-1。而同期内粘土中氨氮的浓度下降和硝酸盐氮含量的上升幅度分别为矿化垃圾的1/2和1/6。反硝化培养过程中,矿化垃圾中硝酸盐氮零级动力学降解速率常数K值为粘土7.5倍。

准好氧矿化垃圾生物反应床的最佳工况研究

准好氧矿化垃圾生物反应床是一种新型、高效的渗滤液处理技术,为了确定准好氧矿化垃圾生物反应床处理渗滤液的最佳运行工况,设计了按L(934)运行的正交实验。研究表明,温度(A)、回灌频率(B)、水力负荷(C)、进水COD浓度(D)4个因素对COD、氨氮和总氮去除率3个指标项的影响程度各有不同,其中对COD的影响由大到小依次为C→D→A→B,氨氮为D→B→A→C,总氮为B→D→C→A。运用"综合平衡法"分析得其最佳运行工况为:温度30℃、回灌频率3 d/次、回灌量2 L/次、进水COD浓度50 000 mg/L,其水力负荷为30 L(/m3.次)、有机负荷约550 g(/m3.d)。结果表明,该技术不但操作运行简单,而且能有效去除渗滤液中的污染物,尤其是对TN的去除优势十分明显,是一种具有良好应用前景的渗滤液处理技术。

矿化垃圾中植物大量营养元素含量的剖面分布特征

对经长期填埋后已稳定化的垃圾进行开采和资源化利用,能增加现有填埋场库容,对解决城市生活垃圾填埋场紧张的现状具有重要意义。以一个已运行10a以上的垃圾填埋场为研究对象,对已填埋6、8、10a的矿化垃圾中一些植物大量营养元素的剖面分布进行了测定。结果表明:(1)矿化垃圾中氮、磷、钾养分的浓度总和已达到国家有机肥养分含量标准,有机质含量也明显高于土壤的有机质含量,从植物养分供应的角度看,矿化垃圾可具有资源化利用的价值;(2)矿化垃圾中养分主要以氮素为主,磷、钾营养元素的总量较低,但速效态含量相对较高;(3)不同填埋深度的矿化垃圾中,主要营养元素的含量大部分在填埋8～10a后达到相对稳定的状态,但受矿化垃圾组成成分复杂性的影响,部分形态营养元素的变化规律不明显。