礦化垃圾反應床處理印染廢水系統馴化效果

李 麗，劉占孟，聶發輝

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

每年有大約1.54 億噸垃圾送到垃圾場，其中一半靠衛生填埋，填埋垃圾需要經過較長的時間穩定［1］。垃圾填埋場封場10年左右，垃圾中有機質含量小于10%，易降解有機物完全或接近完全降解，表面沉降量小于10 mm·a-1，垃圾自身不再產生滲濾液、填埋氣體和異味，達到穩定化狀態，此時稱為礦化垃圾［2-4］。礦化垃圾具有容重小、孔隙率高、陽離子含量高、微生物種類多、較強的生存及降解能力等優點而成為良好的生物介質，在難降解有機物方面有明顯的優勢［5-6］。其去除機理主要利用自身所具有的吸附和生物降解功能完成，其中以生物降解為主［7］。礦化垃圾作為微生物生存的載體又具有較強的吸附能力，可調節進水中污染物濃度，提高反應床抗沖擊負荷能力［8］，礦化垃圾的應用可以減少垃圾又可以為污染物的去除提供新的方向，研究［9］發現礦化垃圾反應床已經在垃圾滲濾液應用中凸顯其經濟優勢，進水COD，BOD，NH3-N分別為10 000，5 000，1 800 mg·L-1時可降解到小于300～400，10～20，5～15 mg·L-1，出水清澈無味。也有研究發現［10］兩段生物反應器可以去除64%COD，95.8%～99.8%的BOD5和96.9%～99.8%的NH3-N。

在對礦化垃圾進行資源化利用［11］研究，尋找一種廉價的吸附劑和生物載體，取代價格昂貴的活性炭、沸石等吸附材料。擬對印染廢水進行吸附—生物降解試驗研究，開發安全可靠、操作簡單、高效低耗的印染廢水處理新工藝，為礦化垃圾處理該類廢水工藝提供可靠的運行參數。

1 實驗材料及方法

1.1 礦化垃圾特性

實驗所用礦化垃圾取自南昌市麥園垃圾填埋場9年垃圾，實驗室經自然風干、簡單分選，剔除顆粒較大石子、碎玻璃、未完全降解的橡膠塑料以及木棒、紙類等雜物，過篩后粒徑小于10 mm的礦化垃圾。所選礦化垃圾具有以下特點［12］：①成分要均勻。礦化垃圾填入反應器前先進行干燥，使各組分不互相豁附，易于分離，然后通過一定孔徑篩子，經篩分將篩下物混和均勻填入反應器，使填料層更均勻，有效避免不均勻流發生。②需要壓實。吸水后礦化垃圾體積有所減少，如不壓實，可能由于填料體積收縮而在反應床中空間分布不均，布水一段時間后要添加一定礦化垃圾并再次壓實床體。③有裝填密度要求［13］。裝填礦化垃圾時各ARBBRs 均采用同樣的裝填量及初始裝填密度。垃圾壓實密度越大，孔隙度越小越不利于對污染物去除，實驗采用初始裝填密度為830 kg·m-3，大柱裝填量為38 kg，小柱裝填量為12 kg。

1.2 礦化垃圾反應床裝置

為避免形成死角和便于觀察處理過程中礦化垃圾變化情況，采用4組有機玻璃圓柱體結構反應床裝置（見圖1，2），其中1，2#反應床直徑185 mm，3，4#直徑104 mm，用UPVC材料焊接加工制成。床體分兩段連接，中部法蘭和底端墊有孔徑5 mm PVC板，底端裝填高100 mm碎石承托層，一是在反應床底部承托架空垃圾層，維持較高的滲濾速率，利于滲濾過程持續進行，起到出水導流及過濾作用，避免廢水中懸浮物堵塞出流管；二是通過濾液排出和排水口空氣進入，提高填料層內的DO 含量，促進垃圾介質層與外界氣體交換。為檢測不同高度出水水質和柱內氧供給，在反應床不同高度設置出水孔。反應床裝填礦化垃圾，頂部鋪設50 mm厚卵石層以均勻布水，防止廢水在礦化垃圾柱中形成溝流，減少停留和接觸時間。裝置底部末端安裝閥門用來放空及取樣。礦化垃圾反應柱進水量較小，采用體積為3 L，下部有孔并插有橡皮塞和吊瓶管的瓶子調節流量的進水方式。

圖1 礦化垃圾反應床實物圖Fig.1 Picture of actual ARBBRs

圖2 礦化垃圾反應床結構圖Fig.2 Structure graph of ARBBRs

1.3 馴化方法

由于現場無足夠糞便廢水，采用有機污染負荷和水力負荷漸增法對礦化垃圾反應柱進行馴化。礦化垃圾反應床經過36 d馴化，6個濃度梯度使最終存活下來的微生物能以高濃度滲濾液作為營養物質來源進行生長繁殖，并具有較強的適應性和抗性，從而降解染料廢水［9］。

容積負荷漸增法：對微生物進行培養，分階段提高進水濃度，進水4.5 L·d-1，進水頻率為1次·d-1，進水水力負荷為100 L·m-3·d-1，落干比為1∶5，初始進水濃度為135 mg·L-1情況下，逐漸提高進水濃度，每階段運行6 d，1，2#兩個反應器同時運行取均值。

水力負荷漸增法：對微生物進行培養，分階段提高進水量。在進水COD濃度為（2873±166）mg·L-1，進水0.5 L·d-1，進水頻率為1次·d-1，水力負荷分別為75，150，200，250，300 L·m-3·d-1，落干比為1∶5，逐步提高進水水力負荷，每階段運行6 d，3，4#兩個反應器同時運行取均值。

1.4 馴化用水

試驗所用廢水為人工模擬印染廢水，染料采用亞甲基藍，濃度范圍為100～150 mg·L-1。礦化垃圾中氮和磷不能滿足生物生長繁殖需要，為保證生物反應床穩定高效運行，根據亞甲基藍濃度按一定比例向實驗用水中投加氮和磷，使COD∶N∶P為100∶5∶1，pH=7.5～8.0，其中COD用葡萄糖補充，氯化銨補充氮，磷酸二氫鉀補充磷。其它營養物和微量元素的組成如下：50 mg·L-1NaHCO3，20 mg·L-1CaCl2，10 mg·L-1FeCl3，20 mg·L-1MgSO4，0.3 mg·L-1MnSO4。馴化初期，原水采用學校孔目湖水補充微生物生長繁殖的微量元素并添加其它營養物質，馴化結束后，采用自來水配水配置。

1.5 實驗分析方法

根據《水和廢水測試分析方法（第4版）》化學需氧量CODcr采用重鉻酸鉀法（快速CODcr測定法）；NH3-N采用鈉氏試劑分光光度法；總磷（TP）采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法；MB（亞甲基藍）采用分光光度法測定。

2 實驗結果與討論

2.1 容積負荷漸增法馴化

從圖3看出礦化垃圾反應床在處理印染廢水時，能適應COD，NH3-N，TP的濃度變化，出水水質穩定，具有較好的抗沖擊負荷能力［14］，馴化效果良好。

隨馴化時間增長及進水COD濃度增加，難降解高濃度有機物降低［15］，出水濃度低于50 mg·L-1，達到紡織染整工業水污染物排放標準（GB4287-2012）（80 mg·L-1）。在第一污染物濃度梯度下，去除率先升后降再升，開始去除以吸附為主直至飽和，而后以生物降解為主進一步提高去除率。進水濃度達到（382±15）mg·L-1濃度梯度以上，去除率高于95%直至結束去除率達到98%以上，出水濃度小于50 mg·L-1，達到理想的馴化效果。

整個馴化階段出水NH3-N穩定，低于10 mg·L-1。馴化初期去除率先升后降再升，實驗所用礦化垃圾為類土壤物質，對NH3-N有一定吸附作用，而NH4+帶正電，易被表面帶負電的礦化垃圾所吸附。整個作用過程短暫，很快達到平衡，如果沒進一步去除作用，吸附對NH3-N去除很快因飽和而失效，吸附轉變為生物降解。在繼續馴化過程中，隨馴化時間及容積負荷增大出水穩定，達到直接排放標準（10 mg·L-1）。

TP去除效果在整個過程中均較好，污染物變化對出水影響較小，去除率接近100%，具有較好的抗沖擊負荷能力，說明礦化垃圾反應床對TP去除效果明顯，出水達直接排放標準（0.5 mg·L-1）。

染料（MB）濃度在100～150 mg·L-1時出水MB幾乎為零，去除率接近100%，出水清澈，色度完全達標。礦化垃圾具有較強的吸附性能，實驗采用的礦化垃圾柱在濃度較低時很難被穿透，MB完全靠吸附、生物作用能完全去除。

圖3 容積負荷漸增法馴化反應床效果Fig.3 Acclimation of volume loading incremental method

2.2 水力負荷漸增法馴化

圖4反映了不同水力負荷下礦化垃圾床的馴化效果。

水力負荷為75 L·m-3·d-1時，COD 去除率在99%以上，出水濃度低于50 mg·L-1，達到直接排放標準（80 mg·L-1）。水力負荷為150 L·m-3·d-1時，去除率逐漸下降較第一梯度效果差［16］，去除率維持在80%以上。主要因為垃圾層在低水力負荷條件下未達到飽和含水率，水力負荷增大到一定值后，較多的水量及流速引起對垃圾層中微生物的沖刷，不利于微生物附著，參與降解廢水中有機物微生物減少，處理效果降低。

整個馴化階段，NH3-N去除率保持在90%以上，馴化結束時達到97%，整個過程出水濃度低于5 mg·L-1，可直接排放（10 mg·L-1）。馴化過程中，去除率先升后降再升，是由于礦化垃圾吸附變為微生物降解作用。最后兩個梯度下，去除率隨水力負荷增加而降低，水力負荷大吸附截留于礦化垃圾上的NH3-N未被微生物降解而隨廢水流出，去除率下降。水力負荷增大到250 L·m-3·d-1，下面閥門未打開時，廢水在柱子上部開始累積淹沒礦化垃圾柱，未淹沒前靠礦化垃圾縫隙，進水和落干時空氣復氧使柱子上部DO濃度較高，淹沒后減少。

圖4 水力負荷漸增法馴化反應床效果Fig.4 Acclimation of hydraulic loading incremental method

TP的去除率隨水力負荷及馴化時間變化穩定，去除效果好，整個馴化過程去除率大于99%，出水濃度低，達到直接排放標準（0.5 mg·L-1），逐步增大水力負荷條件下礦化垃圾反應床馴化效果明顯。

MB去除穩定，整個過程去除率大于99%，出水濃度低，利用水力負荷漸增法對礦化垃圾反應床進行馴化，對MB去除效果比較明顯。

2.3 兩種馴化方式的對比分析

1）不同馴化方式COD去除效果分析。馴化第一段，進水有機污染物總量高時，3，4#優于1，2#反應床，進水量（0.5 L）較小的3，4#反應床出水時間比進水量大（4.5 L）的1，2#反應床要長，說明進水量小時，廢水在反應器中停留時間長，提高了反應床對進入床體廢水中有機物截留和吸附效率。水力負荷大于75 L·m-3·d-1時，3，4#反應床去除率下降。水力負荷沖擊對反應床中微生物增值造成負面影響，1，2#反應床隨馴化梯度變化去除率逐漸升高。馴化結束時，容積負荷漸增法優于水力負荷漸增法。

當微生物連續培養時，微生物比增長速率（μ）與菌液的稀釋率（D）關系決定培養器內微生物濃度變化［17］，μ＜D時濃度不斷減少。3，4#反應床間歇進水，進水前反應床中培養液體積視為恒定，隨水力負荷增大，滲濾液流速增大，稀釋率D增大。同一水力負荷運行時，微生物比增長速率視為不變，突然增大的水力負荷使μ＜D，反應床中微生物濃度減少，3，4#反應床隨水力負荷增高去除率降低。有機負荷漸增法馴化時，進水濃度發生變化，一次進水量不變，濃度變化增加反應床中微生物營養物質來源，微生物持續增長，去除率上升。

2）不同馴化方式NH3-N去除率對比分析。馴化前期，水力負荷漸增法優于污染負荷漸增法。反應床結構相似時，礦化垃圾反應床由上而下分好氧、兼氧、厭氧作用［18］。流經礦化垃圾反應床過程中，在物理過濾與吸附、化學分解與沉淀、離子交換與螯合等非生物作用下，首先被截留在床體淺層生物填料表面，在落干期良好的好氧條件下，經生物氧化和降解，獲得微生物生理生化活動所需能量。

馴化后期直至結束，兩種方法馴化效果相似。當3，4#柱水力負荷超過200 L·m-2·d-1，去除率下降，對應1，2#柱在污染負荷為500 mg·L-1時，去除率上升。礦化垃圾反應柱對NH3-N 的脫除主要發生在上層好氧區，較小的水力負荷使滲濾液在床中停留時間延長，利于NH3-N氧化，效果好。采用容積負荷漸增法水力負荷較高，滲濾液快速滲入到床體中層及下層的兼氧和厭氧區，NH3-N氧化效率降低。馴化中后期，兩種方式去除率均高于90%。

3）不同馴化方式總磷、MB 去除率對比分析。兩種方式均對TP、MB 有較好的去除效果，去除率高于99%。研究表明［46］礦化垃圾具有磷吸附容量大和吸附態磷的解吸率低等特點。從實驗結果明顯得出礦化垃圾反應柱能對磷、MB有效進行吸附處理。綜合礦化垃圾表面積大及豐富的微生物相，再經過廢水馴化作用，對磷及MB去除作用更加明顯。

3 結論

1）采用有機污染負荷逐增法馴化，1，2#柱出水COD在每個馴化梯度平均值均低于50 mg·L-1，達到直接排放標準（80 mg·L-1），出水氨氮低于10 mg·L-1，可直接排放。

2）采用水力負荷逐增法馴化，出水COD在100 L·m-3·d-1時平均值為10.08 mg·L-1，達到直接排放標準（80 mg·L-1），其它梯度下不能達標排放。出水氨氮在各個梯度下均低于10 mg·L-1，達到直接排放標準（10 mg·L-1），去除率高于96%。

3）采用污染負荷逐增法馴化效果優于水力負荷逐增法，歷經一個月左右時間的馴化，COD、氨氮、總磷去除率高于97%，取得很好的馴化效果。

4）馴化過程中，當水力負荷增大到250 L·m-3·d-1，進水開始在柱體上部累積，出現進水速率大于下滲速率而導致處理床頂部出水溢出，柱體發生堵塞。停止進水2～3個周期，現象即好轉再繼續實驗。

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