矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液工艺优化及运行机制研究

论文摘要

为了提高矿化垃圾反应床对渗滤液的处理能力,同时阐明其对污染物的降解转化机制,本课题主要从工艺优化和降解机制两个方面进行了研究,包括塔式矿化垃圾反应床小试、中试和实际工程运行的工艺参数优化;废铁屑、钢渣、蘑菇渣、秸秆分别作为改性剂的工艺强化;废铁屑固定床耦合矿化垃圾反应床的工艺组合优化;强化混凝处理渗滤液尾水的可行性;反应床体系中氨氮和磷的转化机制以及反应床体系中微生物种群的分子水平分析。通过正交试验研究了固液比、进水COD浓度和运行周期对塔式矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的效能影响。在温度为10-37℃条件下,固液比是影响体系污染物去除性能的关键因素,最佳的工艺运行参数为:固液比大于50∶1,进水COD小于8000 mg/L,运行周期小于3h。现场中试研究表明,在温度为10-37℃,水力负荷为0.267-0.444 m3/m3矿化垃圾·d条件下,出水COD和氨氮基本上满足国家二级排放标准。实际工程系统对填埋场渗滤液中的污染物去除效果相对较差,分析认为主要和床体填充的矿化垃圾性质以及处理渗滤液的可生化性有关。在固液比为10∶1,运行周期为3h,水力负荷为0.08 m3/m3矿化垃圾·d条件下,分别采用废铁屑、钢渣、蘑菇渣、秸秆作为改性剂进行矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的工艺强化研究。从工程实际应用角度出发,认为废铁屑是相对较为理想的一种改性剂。铁屑固定床耦合塔式反应床处理填埋场渗滤液的工艺组合优化研究表明,前置铁屑固定床和间歇曝气沉淀具有明显强化反应床体系去除COD和氨氮的能力,出水COD小于150mg/L,氨氮小于5mg/L。后置铁屑固定床和间歇曝气沉淀不能有效强化去除塔式反应床出水中的COD。随着铁屑内电解反应器的不断完善,前置铁屑固定床和间歇曝气沉淀可作为强化矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的有效途径。聚合氯化铝、氯化铁和硫酸铝强化混凝处理渗滤液尾水的研究表明,氯化铁强化混凝的效果最佳,硫酸铝的效果最差。氯化铁的最佳混凝条件为:pH4.5、FeCl3 1500 mg/L、PAM 15mg/L、磺酸类化合物5 mg/L和硅藻土1500 mg/L,其COD去除率为60.9%;聚合氯化铝和硫酸铝的最佳COD去除率分别为50%-53%和34.4%。强化混凝不能实现对渗滤液尾水的有效处理。矿化垃圾对氨氮具有“易吸附、难解吸”的特点,矿化垃圾反应床对氨氮的吸附是在瞬间（<10min）完成的,且难以解吸。可用Freundlich方程比较准确地描述矿化垃圾对氨氮吸附的整个过程,其中n值在0.1-0.5之间,表示氨氮吸附容易进行。矿化垃圾反应床对氨氮的转化研究可知,床体中的阳离子交换位点仅仅起暂时贮存氨氮作用,随即主要通过硝化作用实现其氨氮吸附活性的生物再生。通过配水期和落干期的交替循环,反应床完成对氨氮的吸附和生物转化再生。因此,分析认为矿化垃圾反应床的氨氮去除性能与其运行年限无关。低的总氮去除率是由于其反硝化和厌氧氨氧化效果差所致。采用修正的Hedley磷素分级方法对矿化垃圾中磷的赋存形态特征进行研究。以NaOH-P和Dil.acid-P构成的中度活性磷为矿化垃圾中磷的主要赋存形态,占TP的74.9%,说明矿化垃圾中磷的可利用率相对较高。塔式反应床体中不同磷素形态的时空动态变化表明,矿化垃圾反应床对填埋场渗滤液中磷的去除过程也是其自身富集磷的过程,增加的磷素主要以Dil.acid-P和NaOH-P形态存在,而且主要集中在塔式反应床的上层床体中。据此推断矿化垃圾反应床对填埋场渗滤液中磷的转化主要是通过吸附和生成以多羟基磷灰石为主要形式的化合物而固定。鸡粪（含磷较高）和稻草（含磷较低）两种典型有机物料均能显著活化矿化垃圾中的磷,而且鸡粪的磷活化效果优于稻草;NaOH-P、Dil.acid-P和Conc.acid-P是矿化垃圾活化磷的主要来源。建立了一种适合于矿化垃圾基因组DNA提取的方法,即TENP buffer/PBSbuffer-Bead beating/Proteinase K/SDS-Sephadex G-200 spin column的组合。矿化垃圾反应床体系的微生物分子水平分析发现,矿化垃圾是极端环境微生物的载体,包括嗜盐、嗜碱、嗜热和嗜冷微生物,说明正是由于矿化垃圾反应床中含有这些具有特殊代谢系统的极端微生物才使其具有强的污染物降解能力,证实了矿化垃圾是一种性能优越的生物介质。反应床体系中的细菌以芽孢杆菌属、变形菌属和动球菌属为优势菌属,古菌以甲烷八叠球菌属和甲烷嗜热菌属为优势菌属。运行良好的反应床体系中的细菌主要包括芽孢杆菌属、微杆菌属、放线菌属、动球菌属、γ-变性菌属以及未分类的氮转化细菌;古菌包括euryarchaeote、methanomicrobia、产甲烷archaea、Crenarchaeote和一种未知菌。最后,关于进一步工作的方向包括高效生物反应器的开发、总氮去除率的提高和矿化垃圾微生物分子水平的深入研究进行了简要的讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外填埋场渗滤液处理现状评述
• 1.2 矿化垃圾反应床废水处理研究进展
• 1.2.1 矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 1.2.2 矿化垃圾反应床处理生活污水
• 1.2.3 矿化垃圾反应床处理畜禽废水
• 1.2.4 矿化垃圾反应床处理难降解工业有机废水
• 1.2.5 矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的展望
• 1.3 基于PCR的分子生物学技术在环境工程领域中的应用
• 1.3.1 环境样品总DNA的提取
• 1.3.2 聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）
• 1.3.3 变性梯度凝胶电泳 （Denatured Gradient Gel Electrophoresis, DGGE）
• 1.3.4 16S rDNA文库的构建与组成分析
• 1.3.5 系统发育树分析
• 1.3.6 PCR-GGE技术在环境工程微生物研究中的应用
• 第2章 课题研究背景、研究内容及方法
• 2.1 课题研究背景
• 2.2 主要研究内容和技术路线
• 2.2.1 主要研究内容
• 2.2.2 技术路线
• 2.3 试验材料与方法
• 2.3.1 试验装置
• 2.3.2 处理水质和矿化垃圾
• 2.3.3 改性材料
• 2.3.4 强化混凝药剂与方法
• 2.3.5 矿化垃圾磷素分析的样品处理及方法
• 2.3.6 水质测试指标及方法
• 2.3.7 矿化垃圾测试指标及方法
• 2.4 课题的创新点
• 第3章 塔式矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究
• 3.1 小试塔式矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 3.1.1 固液比的影响
• 3.1.2 进水COD浓度的影响
• 3.1.3 运行周期（配水次数）的影响
• 3.1.4 污染物去除效果研究
• 3.2 中试塔式矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 3.2.1 中试系统对COD的去除
• 3.2.2 中试系统对氨氮的去除
• 3.3 实际工程塔式矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 3.3.1 实际工程系统对COD的去除
• 3.3.2 实际工程系统对氨氮的去除
• 3.3.3 实际工程系统对总氮的去除
• 3.3.4 实际工程系统的硝化性能
• 3.4 工艺技术经济分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究
• 4.1 废铁屑改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 4.1.1 废铁屑改性矿化垃圾反应床对COD的去除
• 4.1.2 废铁屑改性矿化垃圾反应床对氨氮的去除
• 4.1.3 废铁屑改性矿化垃圾反应床对总氮的去除
• 4.1.4 废铁屑改性矿化垃圾反应床对总磷的去除
• 4.1.5 废铁屑改性矿化垃圾反应床体系的总铁变化
• 4.2 钢渣改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 4.2.1 钢渣改性矿化垃圾反应床对COD的去除
• 4.2.2 钢渣改性矿化垃圾反应床对氨氮的去除
• 4.2.3 钢渣改性矿化垃圾反应床对总氮的去除
• 4.2.4 钢渣改性矿化垃圾反应床对总磷的去除
• 4.3 蘑菇渣改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 4.3.1 蘑菇渣改性矿化垃圾反应床对COD的去除
• 4.3.2 蘑菇渣改性矿化垃圾反应床对氨氮的去除
• 4.3.3 蘑菇渣改性矿化垃圾反应床对总氮的去除
• 4.3.4 蘑菇渣改性矿化垃圾反应床对总磷的去除
• 4.4 秸秆改性矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 4.4.1 秸秆改性矿化垃圾反应床对COD的去除
• 4.4.2 秸秆改性矿化垃圾反应床对氨氮的去除
• 4.4.3 秸秆改性矿化垃圾反应床对总氮的去除
• 4.4.4 秸秆改性矿化垃圾反应床对总磷的去除
• 4.5 四种改性剂的工艺强化性能评价
• 4.6 本章小结
• 第5章 废铁屑耦合矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液研究
• 5.1 前置铁屑固定床耦合塔式矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 5.1.1 停留时间对铁屑处理填埋场渗滤液的影响
• 5.1.2 前置铁屑固定床耦合塔式矿化垃圾反应床的效能研究
• 5.2 后置铁屑固定床耦合矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液
• 5.2.1 停留时间对铁屑处理塔式矿化垃圾反应床出水的影响
• 5.2.2 后置铁屑固定床耦合塔式矿化垃圾反应床的效能研究
• 5.3 铁屑固定床耦合矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液组合工艺评价
• 5.4 本章小结
• 第6章 强化混凝深度处理尾水的探索性研究
• 6.1 聚合氯化铝强化混凝处理渗滤液尾水
• 6.1.1 PAC强化混凝正交试验
• 6.1.2 PAC强化混凝pH优化试验
• 6.1.3 PAC强化混凝极限浓度试验
• 6.2 氯化铁强化混凝处理渗滤液尾水
• 3强化混凝正交试验'>6.2.1 FeCl₃强化混凝正交试验
• 3强化混凝pH优化试验'>6.2.2 FeCl₃强化混凝pH优化试验
• 3强化混凝极限浓度试验'>6.2.3 FeCl₃强化混凝极限浓度试验
• 6.3 硫酸铝强化混凝处理渗滤液尾水
• 6.3.1 硫酸铝强化混凝正交试验
• 6.3.2 硫酸铝强化混凝pH优化试验
• 6.3.3 硫酸铝强化混凝极限浓度试验
• 6.4 聚合氯化铝、氯化铁和硫酸铝强化混凝处理尾水评价
• 6.4.1 去除效能分析比较
• 6.4.2 经济性分析比较
• 6.5 本章小结
• 第7章 矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的氨氮转化机制
• 7.1 矿化垃圾对氨氮的吸附和解吸动力学试验
• 7.1.1 矿化垃圾对氨氮的吸附动力学试验
• 7.1.2 矿化垃圾对氨氮的解吸动力学试验
• 7.2 矿化垃圾对氨氮的吸附热力学试验
• 7.3 矿化垃圾反应床对氨氮的转化
• 7.3.1 矿化垃圾反应床对氨氮的转化途径
• 7.3.2 矿化垃圾反应床对氨氮吸附和转化的协同过程
• 7.3.3 矿化垃圾反应床的氨氮解吸试验
• 7.4 本章小结
• 第8章 矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的磷转化机制
• 8.1 矿化垃圾中磷素赋存形态特征
• 8.2 塔式矿化垃圾反应床中不同形态磷素的时空动态变化
• 8.2.1 反应床体中不同形态磷素的时空动态分布特征
• 8.2.2 反应床体中磷素活性的时空动态分布特征
• 8.3 矿化垃圾中磷素活化研究
• 8.4 本章小结
• 第9章 矿化垃圾反应床处理填埋场渗滤液的生物降解机制
• 9.1 矿化垃圾总DNA提取方法的研究
• 9.1.1 试验方法设计
• 9.1.2 DNA产量和片断大小
• 9.1.3 DNA纯度和腐殖质含量
• 9.1.4 PCR检测灵敏度
• 9.1.5 DGGE分析
• 9.2 矿化垃圾反应床的生物降解机制研究
• 9.2.1 不同工况下矿化垃圾样品DNA提取和PCR扩增
• 9.2.2 不同工况下DGGE分析
• 9.2.3 不同工况下矿化垃圾反应床体系中细菌种群变化分析
• 9.2.4 不同工况下矿化垃圾反应床体系中古菌种群变化分析
• 9.2.5 不同工况下矿化垃圾反应床体系中微生物种群的系统发育树
• 9.3 本章小结
• 第10章 结论与建议
• 10.1 结论
• 10.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历 博士期间发表的学术论文