生活垃圾快速降解并原位脱氮的生物反应器填埋技术及机理研究

论文摘要

回灌型、两相型和序批式生物反应器填埋场虽能促进填埋垃圾快速降解,但未能解决填埋场氮素污染问题。本论文旨在探索一种既能促进垃圾快速降解,又能同步原位脱氮的生物反应器填埋技术,为提高填埋场承载能力,增加填埋容量并控制填埋场氮素污染的生物反应器填埋实践提供理论基础和实践指导。鉴此,本文主要进行4个方面的研究:首先,在分析“陈垃圾”载体的理化性质和微生物分布特征的基础上构建陈垃圾生物反应器,研究陈垃圾生物反应器的产甲烷、反硝化和硝化功能特性及生物化学机理;其次,构建脱氮型生物反应器填埋场,研究了脱氮型生物反应器填埋场的垃圾降解特性、原位脱氮性能和原位脱氮机理;再次,对脱氮型生物反应器填埋场的后期运行进行优化,研究优化运行后“旧垃圾”的快速降解、原位脱氮特性和原位脱氮机理;最后结合传统微生物研究方法和分子生物学手段对生物反应器填埋场内亚硝化细菌在不同垃圾载体上的分布特性进行研究,对生物反应器填埋场内的亚硝化细菌进行分离、纯化和鉴定,对生物反应器填埋场运行过程中亚硝化细菌种群结构的演替规律进行探索。主要取得以下结果:（1）陈垃圾载体经过6-7 yr的填埋,理化性质已基本稳定,而且附着微生物量可达1012CFU g-1以上,可作为优良的生物载体。（2）陈垃圾生物反应器的有机物去除性能很好,其COD去除率可达98.9%。陈垃圾生物反应器的反硝化性能取决于进水有机物含量。当进水有机物浓度为零,NO3--N浓度为317.1 mg L-1时,陈垃圾生物反应器的NO3--N去除率仅为36.2%;而当进水COD约3400 mg L-1,NO3--N浓度为491.1mg L-1时,陈垃圾生物反应器的NO3--N、COD去除率分别稳定在99%和90%以上。（3）陈垃圾硝化生物反应器具有良好的氨氮去除效能、硝化效能、高氧利用率和有机物去除效能。当陈垃圾载体NH4+-N负荷为89.1 mg N（kg d）-1、供氧量8.5 mg O2（mg N d）-1,进水COD浓度3000 mg L-1时,反应器的NH4+-N去除率接近100%,硝化效率稳定在50%以上,TN去除率可达50%,有机物去除率可达98%以上。（4）陈垃圾载体对氨氮吸附非常迅速,0.5 h即可达到吸附平衡。陈垃圾载体对氨氮吸附符合Frendlich等温吸附方程,且其吸附量主要受固液比和吸附质氨氮浓度的影响,是陈垃圾生物反应器去除进水氨氮的首要机理。（5）脱氮型生物反应器填埋场（NBL）的脱氮效果比序批式生物反应器填埋场（BL）好,但会削减填埋场产气量,且长期运行会延缓填埋垃圾的降解和稳定。生物反应器填埋场经过200 d的运行,NBL的氮去除量为BL的1.6倍;但NBL的甲烷产量、垃圾沉降量和垃圾削减量分别为BL的0.58倍、0.85倍和0.76倍。（6）生物反应器填埋场优化运行时,上层曝气促进了BLF“旧垃圾”的进一步降解和稳定,有利于“旧垃圾”原位脱氮。优化阶段经过110 d的运行,试验结束时,BLF上层“旧垃圾”的BDM、NH4+-N、TN含量分别降至11.47%,26.79 mg kg-1和2159 mg kg-1,而NBLF“旧垃圾”中BDM、NH4+-N、TN含量分别为14.67%、181.1 mg kg-1和4213 mg kg-1。（7）从垃圾降解、能量利用及原位脱氮效能综合评价,复合型生物反应器填埋BL（即生活垃圾首先经过序批式厌氧填埋,再好氧曝气的厌氧、好氧相结合的运行方式）是生活垃圾快速降解并同时原位脱氮的较佳选择。试验结束时,BL和NBL渗滤液有机性COD浓度分别为114.6 mg L-1和244.1 mg L-1;BL渗滤液中NH4<sup>+-N、TN浓度分别降低到20.60 mg L-1和25.33 mg L-1,可达到《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889-2008）的排放标准;而NBL渗滤液中NH4+-N、TN浓度仍分别为49.70 mg L-1和53.00 mg L-1。（8）生物反应器填埋场200 d的运行过程中,在高有机物、低氧浓度的BLF和NBLF中,由于亚硝化细菌可在无机惰性垃圾载体上优先分布,因而BLF和NBLF内亚硝化、硝化和反硝化细菌共存,主要通过同步硝化-反硝化原位脱氮;而且,NBLF中亚硝化细菌种群比BLF稳定,从而有助于提高NBLF的原位脱氮效能。（9）生物反应器填埋场110 d的优化运行中,上层曝气促进了BLF“旧垃圾”内亚硝化细菌种类和数量的增长,从而提高了BLF的原位脱氮性能。（10）异养硝化细菌很可能对生物反应器填埋场内氮转化有重要贡献。从NBLF、BLF和NBLN共分离到2株异养硝化细菌HN1和HN2,经初步鉴定分别为产碱杆菌属（Alcaligenes sp.）和不动杆菌属（Acinetobacter sp.）;其中HN1菌株最适生长条件为:pH,7.0;温度,40℃;氨氮浓度,100 mg L-1;乙酸,2000 mgL（-1）,C/N,20;而且,HN1具有同步硝化-反硝化的功能,因此不能用菌株纯培养过程中亚硝态氮的积累来评价其在氮转化过程中的生态作用。

论文目录

• 文中缩略说明
• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 城市生活垃圾处理现状及存在问题
• 1.2 填埋垃圾的稳定化过程及其影响因素
• 1.2.1 填埋垃圾的降解和稳定化过程
• 1.2.2 不同稳定化阶段的污染物释放特征
• 1.2.3 填埋垃圾稳定化的影响因素
• 1.3 生物反应器填埋技术
• 1.3.1 生物反应器填埋技术的主要类型
• 1.3.2 生物反应器填埋技术的研究重点
• 1.4 生物反应器填埋场原位脱氮的基本原理
• 1.4.1 填埋场内氮的来源
• 1.4.2 渗滤液中氨氮排放特征及其生物毒性
• 1.4.3 填埋场内氮转化
• 1.5 生物反应器填埋场原位脱氮研究现状
• 1.5.1 脱氮型生物反应器填埋场构建
• 1.5.2 生物反应器填埋场中的原位脱氮形式
• 1.5.3 垃圾性质与原位脱氮的关系
• 1.5.4 填埋场内微生物分子生态学的研究
• 1.6 论文的研究目的、意义与内容
• 1.6.1 研究目的、意义
• 1.6.2 研究思路
• 1.6.3 研究内容
• 第2章 陈垃圾生物反应器的功能特性及机理研究
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 陈垃圾生物反应器的载体特征试验
• 2.2.2 陈垃圾产甲烷生物反应器的有机物去除特性试验
• 2.2.3 陈垃圾反硝化生物反应器的反硝化功能特性试验
• 2.2.4 陈垃圾硝化生物反应器的硝化功能特性试验
• 2.2.5 氨氮在陈垃圾载体上的吸附试验
• 2.2.6 氨氮在陈垃圾载体上的解吸试验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 陈垃圾生物反应器的载体特征
• 2.3.2 陈垃圾产甲烷生物反应器的有机物去除功能特性
• 2.3.3 陈垃圾反硝化生物反应器的反硝化功能特性
• 2.3.4 陈垃圾硝化生物反应器的硝化功能特性
• 2.3.5 氨氮在陈垃圾载体上的吸附
• 2.3.6 陈垃圾载体中的氨氮解吸特征
• 2.4 本章小结
• 第3章 脱氮型生物反应器填埋场垃圾降解、脱氮特性和脱氮机理研究
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.2.3 分析项目与方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 脱氮型生物反应器填埋场的垃圾降解特性
• 3.3.2 脱氮型生物反应器的脱氮性能
• 3.3.3 生物反应器填埋场脱氮机理
• 3.4 本章小结
• 第4章 脱氮型生物反应器填埋场优化运行后垃圾降解、脱氮特性及脱氮机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验方法
• 4.2.3 分析项目与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 优化运行的生物反应器填埋场的垃圾稳定化特征
• 4.3.2 优化运行的生物反应器填埋场的原位脱氮特征
• 4.3.3 优化运行后的生物反应器填埋场脱氮机理
• 4.4 本章小结
• 第5章 生物反应器填埋场亚硝化细菌与原位脱氮关系
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 亚硝化细菌在不同垃圾载体上的分布特征试验
• 5.2.2 生物反应器填埋场亚硝化细菌种群结构演替特征试验
• 5.2.3 生物反应器填埋场中亚硝化细菌的分离与鉴定
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 亚硝化细菌在生物反应器填埋场不同垃圾载体上的分布特征
• 5.3.2 生物反应器填埋场运行阶段亚硝化细菌的种群结构演替特征
• 5.3.3 生物反应器填埋场优化运行阶段亚硝化细菌的种群结构演替特征
• 5.3.4 生物反应器填埋场中亚硝化细菌的分离与鉴定
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 陈垃圾生物反应器的功能特性及机理
• 6.1.2 脱氮型生物反应器填埋场垃圾降解、脱氮特性和脱氮机理
• 6.1.3 脱氮型生物反应器填埋场优化运行后垃圾降解、脱氮特性及脱氮机理
• 6.1.4 生物反应器填埋场亚硝化细菌与原位脱氮的关系
• 6.2 研究的创新之处
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果
• 致谢