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生物反应器填埋场中生活垃圾快速降解及其生物脱氮的机理研究

何若  
【摘要】:针对填埋垃圾降解的限速步骤及渗滤液直接回灌型生物反应器填埋场(RL)中有机酸的积累和高浓度氨氮对垃圾降解微生物活性的抑制问题,本文将垃圾填埋场及其渗滤液的处理作为同一系统,进行了垃圾高效降解菌株(EMs)的筛选,并对EMs接种、填埋场生物环境及其生物反应器效应优化的生物反应器填埋场系统垃圾快速降解及其脱氮的机理进行了研究。取得以下结果: (1) 以酪蛋白、可溶性淀粉、羧甲基纤维素、橄榄油、柑橘果胶为唯一碳源和能源,基于微生物的比生长速率、生长滞留时间和酶活性,从填埋垃圾中筛选获得了12株垃圾高效降解菌,分别为:纤维素降解细菌(CB_2)、蛋白质降解细菌(PB_(15)和PA_5)、淀粉降解细菌(SB_(11))、橄榄油降解细菌(FB_4)、纤维素降解放线菌(CA_5)、淀粉降解放线菌(SA_8)、橄榄油降解放线菌(FA_9)、纤维素降解真菌(CF_4)、果胶降解真菌(PeF_5)、淀粉降解真菌(SF_2)和橄榄油降解真菌(FF_6)。系统鉴定分析表明,筛选的CB_2和FB_4菌株属于纤维单胞菌属(Cellulomonas sp.),SB_(11)菌株属于巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium),PB_(15)属于缺陷短波单胞菌(Brevundimonas diminuta)、PA_5菌株属于炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis);SA_8、CA_5和FA_9菌株属于链霉菌属(Streptomyces sp.);CF_4、PeF_5、SF_2和FF_6菌株属于毛霉属(Mucor sp.)。 (2) 水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌、硫酸盐还原细菌和硝酸盐还原细菌等填埋垃圾降解关键性微生物都存在于模拟垃圾中,其中水解发酵细菌和硝酸盐还原细菌是模拟垃圾的主要微生物,其次为硫酸盐还原细菌和产氢产乙酸细菌;产甲烷细菌数量最少。随着填埋时间的增长,水解发酵细菌增长较快,在试验期的前60d,水解发酵细菌是填埋垃圾层的优势菌群。 (3) 纤维素是填埋有机垃圾的主要成分,但在填埋垃圾稳定化过程中厌氧纤维素降解细菌数量较少(10~4~10~7个/g干垃圾),比水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌以及产甲烷细菌数分别少10~4、10~2和10倍。 (4) EMs接种有利于生物反应器填埋场厌氧生境的形成,促进垃圾厌氧降解关键性微生物(水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌、硫酸盐还原细菌和厌氧纤维素降解细菌)的生长,提高垃圾降解主要水解酶(淀粉酶、纤维素酶、蛋 浙江人学博t:学位论文 白酶、脂肪酶和果胶酶)的活性。在EMs接种的RL生物反应器填埋场(EML)中, 水解产酸细菌和产氢产乙酸细菌达到最大值所需的时间比RL生物反应器填埋场分 别早90d和30d左右,比普通的卫生填埋场(CL)和初始湿度调节填埋场(ML) 分别早Z10d和60d左右;并且EML生物反应器填埋场垃圾中硫酸盐还原细菌、厌 氧纤维素降解细菌以及产甲烷细菌的数量均显著高于其它类型的填埋场。 (5)上流式厌氧污泥床(UASB)产甲烷反应器对渗滤液CODcr去除效果比较 好,在低容积CODcr负荷运行时,进水渗滤液CODcr浓度是影响其去除率的主要因 子,UAsB产甲烷反应器处理卫生填埋场渗滤液的较适CODcr浓度应在2.5一3.0叭 以上。UASB产甲烷反应器所产生的沼气甲烷含量平均可达75%,比常规的填埋气 甲烷含量高20~30%。 (6)卫生填埋场一UASB产甲烷反应器型生物反应器填埋场系统(BL)有助 于填埋垃圾及其渗滤液中有机污染物进行分相降解,卫生填埋场是一个厌氧生物反 应器,有机物主要在其中发生水解、产酸作用;产甲烷作用主要集中在UASB反应 器中。这不仅解除了渗滤液直接回灌型生物反应器填埋场初期高浓度有机酸对垃圾 降解的反馈抑制,而且优化了主要垃圾降解微生物菌群(产酸细菌和产甲烷细菌) 的生长环境,在渗滤液的净化和填埋场垃圾的稳定化上明显优于CL填埋场和RL生 物反应器填埋场。 (7)根据BL生物反应器填埋场系统有机垃圾生物降解的特性,推导其有机垃 圾降解动力学模型:民(t)二班材切(l一。一”),建立BL生物反应器填埋场系统和EMs 接种的BL生物反应器填埋场系统(EMBL)有机垃圾降解动力学方程: ~,、八J,,,,,八,,_一0 .0130t、。,八_八,二八,、,,,n、,,,_一0.0212t、_ G。,。(r卜0 .4614xl.39x(l一e一V‘v‘Jv‘),G。。,。(t)=0.4502xl.39x(l一e一“’“““)o 并求得BL和EMBL生物反应器填埋场系统垃圾水解速率常数(0 .0130d一l和0.0212 u-l)。这表明EMs接种可以在一定程度上消除大分子有机垃圾水解限速步骤的影响, 为填埋垃圾的快速降解创造了前提条件。 (8)填埋垃圾上层间歇曝气充氧可营造好氧一缺氧一厌氧的填埋场生物空间 环境,促进填埋垃圾层硝化细菌和反硝化细菌的生长(垃圾层硝化细菌的数量可达 到1护个/g干垃圾,反硝化细菌可比普通的填埋垃圾层高4一13个数量级),强化填 埋场生物反应器的脱氮作用,有利于回流渗滤液N风气N和总氮(TN)的去除,降 低外排渗滤液的总氮量;并且填埋垃圾上层间歇曝气充氧有也利于垃圾降解微生物 亨 浙江大学博士学位论文 的生长,加快填埋场和渗滤液的稳定化进程。然而,该生物反应器填埋场系统硝化 性能的稳定性受到填埋垃圾层有机碳源的影响,过高的有机碳源将会抑制硝化细菌 的生长,降低填埋场生物反应器的硝化性能。 (9)在?


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