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填埋场中铁的迁移转化对脱氮的影响和机理

李文兵  
【摘要】:由于填埋场能够适应不同的垃圾类型和数量的波动并且经济有效,因此成为了大多数国家生活垃圾处理的主要方式。然而,如何解决填埋场处理垃圾过程中氮的二次污染问题一直是人们关注的热点。为了保护填埋场周边的土壤、地下水及地表水环境,亟待解决填埋场中原位脱氮的理论和技术难题,实现源头消减填埋场氮排放的目的,从而降低渗滤液的处理费用和难度。鉴于此,本文以生活垃圾填埋场和渗滤液中含量最高的变价金属元素铁作为研究对象,展开了以下几个方面的研究。首先,针对总量无法准确评价铁的环境行为的问题,借鉴土壤、海底沉积物、污水处理厂活性污泥的研究方法,研究了盐酸和草酸-草酸铵对垃圾中不同价态铁的提取效果及影响因素,并对提取条件进行了初步优化。在此基础上,研究了不同填埋龄垃圾中不同价态铁的含量。其次,以生物反应器填埋场为模型系统,构建了两种不同运行模式的模拟填埋场反应器,深入系统的研究了两种运行模式下填埋场中铁的总量释放及氧化还原变化规律,揭示了铁的不同价态与不同形态之间的关系。最后,通过研究氮素的去除效果和铁的价态变化规律,初步揭示了铁的氧化还原循环与氮素去除的潜在关系。论文获得如下主要研究成果: (1)正交试验结果表明,当盐酸浓度为1 mo1·L-1、液固比为100:1、提取时间为60min、转速为200 rpm和提取温度为35℃,盐酸对垃圾中的亚铁、三价铁和总铁的提取效果较好。当液固比为100:1、提取时间为12 h、转速为175 rpm和提取温度为30℃, Tamm's试剂对垃圾中的亚铁、三价铁和总铁的提取效果较好。在正交试验所确定的最佳提取条件,盐酸和Tamm's试剂二种方法对填埋龄为0-8年的垃圾中亚铁和三价铁均具有较好的提取效果。 (2)不同填埋龄垃圾的基本理化性质存在较大差异,垃圾的含水率、有机质和BDM的含量随着填埋时间的增加而呈现逐渐下降的趋势。垃圾经过8年的填埋后,垃圾中的有机质和BDM由最初的72.40±1.28%和54.90±0.17%分别下降至15.20±2.93%和3.34±0.74%。盐酸和Tamm's试剂提取态亚铁和总铁均呈现出随着垃圾填埋龄的增加而逐渐增加的趋势,除新鲜垃圾外,四个陈垃圾样品中盐酸提取态和Tamm's试剂提取态亚铁含量之间却存在着明显的差异。 (3)不同垃圾组分中的含铁量存在显著性差异,灰土和砖瓦类的含铁量最高(30000mg kg-1),厨余类、纸类垃圾次之(10000-30000 mg kg-1),纺织物、木制品和塑料最低(10000mg kg-1)。厨余类垃圾占填埋总质量的比例较高,是模拟填埋场反应器中铁的主要来源,对总铁的贡献率达到了45.5%。 (4)不同运行模式的模拟填埋场反应器渗滤液中总铁浓度变化趋势及累积释放量存在巨大的差异,传统卫生填埋场反应器(CL)渗滤液中总铁的浓度呈现先降低后升高的趋势,而渗滤液回灌型填埋场反应器(RL)渗滤液中总铁的浓度则呈现逐渐下降的趋势。CL中总铁的释放率为1.00%,而RL中总铁的释放率则仅为0.14%。 (5)两个模拟填埋场反应器渗滤液中总铁与常见的理化指标之间并无显著相关性。两个模拟填埋场反应器渗滤液中亚铁占总铁的百分比均随着反应器的运行而呈现逐渐升高的趋势,反应器RL渗滤液样品中亚铁的比例在63.0%-92.7%内变化(平均值为81.0%),反应器CL渗滤液样品中亚铁的比例在76.0%-98.8%内变化(平均值为90.0%)。两个模拟填埋场反应器渗滤液中溶解态与颗粒态铁占总铁的变化趋势与平均值基本相同,渗滤液中的三价铁与颗粒态铁均呈显著正相关(R2=0.748,RL;R2=0.833,CL)。 (6)陈垃圾接种并同时加入有机碳源和硝态氮的反应体系中,加入亚铁之后发生了铁的氧化还原循环,并同时伴随着硝态氮的还原过程,还原产物为氮气和铵态氮。未加入任何有机碳源的陈垃圾接种的反应体系中,发生了无机自养型的亚铁厌氧氧化-反硝化过程。然而,由于该体系中缺少有机碳源,因此三价铁无法通过异化铁还原过程再次转化为亚铁,未发现铁的氧化还原循环过程。


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