某垃圾填埋場(chǎng)滲濾液反滲透濃縮液的MFC處理研究

摘 要：垃圾滲濾液反滲透濃縮液含鹽、高濃度有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。該文開(kāi)展單室空氣陰極式的微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）處理廣西某垃圾填埋場(chǎng)不同鹽度的垃圾滲濾液反滲透濃縮液的處理研究。結(jié)果表明，鹽度越低，處理效果越好，當(dāng)以低鹽度濃縮液混合乙酸鈉作為處理對(duì)象時(shí)，效果最佳，濃縮液中COD、NH3-N和TN的去除率分別達(dá)到90.91%、46.54%、64.89%。MFC處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液為高效低能耗處理提供新途徑。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池;垃圾滲濾液;反滲透濃縮液;鹽度;水質(zhì)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0076-04

Abstract： The reverse osmosis concentrate of garbage leachate contains salts， high concentrations of organic matter， and nutrients. A single-chamber air-cathode microbial fuel cell （MFC） treatment of landfill leachate with different salinity in a landfill site in Guangxi was carried out. The results show that the lower the salinity， the better the treatment effect. When low-salinity concentrate mixed with sodium acetate is used as the treatment object， the effect is the best， and the removal rates of COD， NH3-N and TN in the concentrate reach 90.91%， 46.54%， and 64.89%， respectively. MFC treatment of landfill leachate reverse osmosis concentrate provides a new approach for efficient and low energy consumption treatment.

Keywords： Microbial Fuel Cell （MFC）; landfill leachate; reverse osmosis concentrate; salinity; water quality indicators

我國(guó)城市垃圾量以每年9%～10%的速度增長(zhǎng)，導(dǎo)致垃圾滲濾液產(chǎn)量巨大[1]。這些滲濾液一般需經(jīng)膜分離處理，處理后產(chǎn)生濃縮液。垃圾滲濾液反滲透濃縮液可以概括為一種含有一定鹽度（包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+離子和Zn、Pb等重金屬）、復(fù)雜的有機(jī)污染物和大量N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2]。濃縮液因其高濃度的COD、高濃度的NH3-N等，已成為一個(gè)技術(shù)難題。

現(xiàn)今處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液主要有回灌、蒸發(fā)和高級(jí)氧化三大類[3]。回灌技術(shù)通過(guò)將濃縮液重新灌入垃圾填埋場(chǎng)，利用微生物進(jìn)行降解[4]。此法能加快填埋場(chǎng)穩(wěn)定化，但對(duì)防滲條件要求高，且只能延緩而無(wú)法有效削減污染物排放[5]。蒸發(fā)法通過(guò)加熱使水分揮發(fā)來(lái)減少濃縮液體積[6]。此技術(shù)對(duì)設(shè)備要求較高，且能耗大，成本及安全問(wèn)題都限制了其應(yīng)用[7]。高級(jí)氧化法包括Fenton氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、電化學(xué)氧化法等類型，主要通過(guò)強(qiáng)氧化物質(zhì)分解污染物，具有反應(yīng)迅速、徹底降解、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低COD濃度、NH3-N濃度和色度等，但同時(shí)由于存在利用效率低、電極材料貴、對(duì)水質(zhì)pH和光照等反應(yīng)條件有要求等原因使高級(jí)氧化技術(shù)成本上漲、效率低，從而限制了在濃縮液處理上的應(yīng)用[8-9]。

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）是一種電化學(xué)法耦合生物法的同步污水處理和資源回收新技術(shù)，其原理是利用電極附著產(chǎn)電微生物在厭氧環(huán)境下代謝有機(jī)物來(lái)產(chǎn)生電子和質(zhì)子，進(jìn)而通過(guò)外電路產(chǎn)生電流[10]。研究表明，MFC可以在耐受高鹽度下有效去除廢水中的有機(jī)物和氮，還能同時(shí)產(chǎn)生電能[11]。因此，針對(duì)垃圾滲濾液反滲透濃縮液的高鹽度、高COD、高NH3-N特性，MFC技術(shù)具有潛在的處理能力。本研究針對(duì)廣西某垃圾滲濾液反滲透濃縮液開(kāi)展MFC處理效果研究，探究垃圾滲濾液反滲透濃縮液中的COD、TN和NH3-N去除效率。

1 材料與方法

1.1 廢水來(lái)源與水質(zhì)

本研究中的垃圾滲濾液反滲透濃縮液取自廣西某生活垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液處理站，根據(jù)取樣時(shí)間的不同得到3個(gè)含不同鹽度的濃縮液樣品，其主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 MFC構(gòu)建、啟動(dòng)和運(yùn)行

本研究中使用的MFC反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成。反應(yīng)器有效空間為長(zhǎng)度4 cm，橫截面直徑為3 cm的圓柱體。反應(yīng)器陽(yáng)極材料采用長(zhǎng)度3 cm，直徑3 cm的碳纖維刷，陽(yáng)極碳刷使用前放置于450 ℃的馬弗爐中燒結(jié)30 min。陰極材料采用以80目的不銹鋼網(wǎng)為基底，導(dǎo)電炭黑為擴(kuò)散層，活性炭為催化層制成的空氣陰極，有效面積為7 cm2 [12]。

MFC的接種液均取自廣西某污水處理廠的二沉池污泥，陽(yáng)極液采用乙酸鈉基質(zhì)（1 g/L乙酸鈉、10.35 g/L 磷酸氫二鈉、3.31 g/L磷酸二氫鈉、0.13 g/L氯化鉀、0.31 g/L氯化銨、5 mL/L維生素、12.5 mL/L微量元素）[13]。以乙酸鈉基質(zhì)和接種液以體積比1∶1作為MFC的燃料進(jìn)行接種啟動(dòng)。MFC的陰陽(yáng)極之間串聯(lián)一個(gè)1 000 Ω的電阻形成閉路，采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電阻兩端的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在輸出電壓呈現(xiàn)規(guī)律拋物線，于拋物線低點(diǎn)時(shí)更換接種液。當(dāng)外電阻兩端輸出電壓在500 mV以上并持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，即可認(rèn)為MFC接種啟動(dòng)成功。

MFC接種啟動(dòng)成功后，將進(jìn)水分別替換成3個(gè)垃圾滲濾液反滲透濃縮液（高鹽組、中鹽組、低鹽組），同時(shí)按照1 g/L的質(zhì)量濃度在各組分別投入乙酸鈉固體配制成共基質(zhì)，作為實(shí)驗(yàn)組MFC的進(jìn)水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)每個(gè)處理周期（24 h）的輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)最終出水的水質(zhì)情況進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)構(gòu)建相同的3組不添加乙酸鈉共基質(zhì)的MFC作為對(duì)照組。

1.3 分析方法

COD、NH3-N和TN分別按照國(guó)標(biāo)GB 11914—89《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》、GB 7479—87《水質(zhì) 銨的測(cè)定 納氏試劑比色法》和HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》，采用格林凱瑞儀器多參數(shù)水質(zhì)分析儀GL-900進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD的去除效果與機(jī)理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進(jìn)水時(shí)，經(jīng)1個(gè)處理周期（24 h）后出水水樣COD濃度的變化如圖1所示。其中低鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 232±44 mg/L逐漸降至112±3 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蔬_(dá)到90.91%，中鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 464±62 mg/L逐漸降至488±21 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?6.67%，而高鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 830±72 mg/L逐漸降至915±70 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕛H為50%。研究表明，低鹽度濃縮液有利于MFC對(duì)其中COD的去除。

MFC對(duì)濃縮液中的COD去除機(jī)制可以解釋為：在MFC的陽(yáng)極，有機(jī)物（包括乙酸鈉和濃縮液中原有的難降解有機(jī)物，以R表示）在產(chǎn)電微生物的作用下被直接氧化成CO2，并釋放出e-和H+。這些e-隨后通過(guò)外部電路傳遞到陰極，而H+則通過(guò)濃縮液傳遞到陰極，從而參與到MFC的電流產(chǎn)生中。這個(gè)過(guò)程可以表示為以下反應(yīng)方程式

R+nH2O→CO2+nH++ne-。

由此可見(jiàn)，這個(gè)過(guò)程不僅有助于垃圾滲濾液反滲透濃縮液中有機(jī)污染物的去除，還能同時(shí)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了廢水處理與能源回收的雙重目標(biāo)。

2.2 氨氮的去除效果與機(jī)理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進(jìn)水時(shí)，NH3-N濃度的變化如圖2所示。從圖中可看出，低鹽組經(jīng)過(guò)MFC的1個(gè)24 h周期處理后，NH3-N濃度從260±5 mg/L逐漸下降至139±2 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?6.54%;中鹽組NH3-N濃度從412±17 mg/L逐漸下降至270±9 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?4.47%;高鹽組NH3-N濃度從662±9 mg/L略微下降至530±18 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?9.94%。低鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)經(jīng)MFC處理后雖然去除率僅有46.54%，但均比中鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)和高鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)的去除率要高，說(shuō)明利用MFC對(duì)低鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)進(jìn)行處理，能夠更有效地降低NH3-N濃度。

MFC能夠有效去除濃縮液中NH3-N的原因可以解釋為：由于MFC反應(yīng)器中采用了不銹鋼網(wǎng)為基底，導(dǎo)電炭黑為擴(kuò)散層，活性炭為催化層的空氣陰極，使得大氣中的氧氣能夠透過(guò)空氣陰極進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，在接近陰極處形成了一個(gè)空氣-濃縮液-陰極（氣-水-固）界面，長(zhǎng)期培養(yǎng)后滋生了大量硝化細(xì)菌，讓濃縮液中的NH3-N在O2催化下發(fā)生硝化反應(yīng)（2NH4++3O2+4e-→2NO3-+H2O），從而以轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的形式去除[12]。

2.3 總氮的去除效果與機(jī)理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進(jìn)水時(shí)，TN隨時(shí)間的變化如圖3所示。從圖中可看出，在MFC處理低鹽組1個(gè)周期（24 h）后，TN濃度從393±12 mg/L逐漸降至138±6 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?4.89%;中鹽組經(jīng)處理1個(gè)周期后，TN濃度從624±20 mg/L逐漸降至390±6 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕿?7.50%;高鹽組經(jīng)處理1個(gè)周期后，TN濃度從1 042±15 mg/L略微降到848±24 mg/L，周期內(nèi)的總?cè)コ蕛H為18.62%。實(shí)驗(yàn)表明，低鹽組+乙酸鈉共基質(zhì)經(jīng)MFC處理后，能夠進(jìn)一步降低TN的濃度。MFC對(duì)濃縮液中TN的去除機(jī)制為：在遠(yuǎn)離陰極處的反應(yīng)器內(nèi)濃縮液呈缺氧狀態(tài)，可通過(guò)陽(yáng)極生物膜上附著的反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)（2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O），將濃縮液中的硝態(tài)氮還原生成的氮?dú)膺M(jìn)入空氣中，從而實(shí)現(xiàn)MFC對(duì)濃縮液的脫氮效果。另外，MFC對(duì)TN的去除率均高于相同條件的對(duì)NH3-N的去除率（圖2），這是由于MFC反應(yīng)器內(nèi)部大部分位置呈現(xiàn)厭氧/缺氧狀態(tài)，僅僅在陰極表面部分能夠呈現(xiàn)適應(yīng)于硝化細(xì)菌生存的好氧狀態(tài)，使得MFC中的反硝化作用強(qiáng)于硝化作用[14]。

采用低鹽組出水+乙酸鈉共基質(zhì)作為MFC進(jìn)水時(shí)，TN的去除效果較好，去除率達(dá)64.89%，這是由于垃圾滲濾液RO濃縮液中存在大部分腐殖酸等微生物無(wú)法降解的污染物，而投加乙酸鈉能夠使產(chǎn)電微生物活性增強(qiáng)，產(chǎn)電性能的提高能夠促進(jìn)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，所以在低鹽組出水中投加乙酸鈉固體配制成共基質(zhì)更有利于TN的去除。

3 結(jié)論

1）隨著垃圾滲濾液反滲透濃縮液中鹽度的增加，MFC處理的效果逐漸降低。以投加乙酸鈉作為共基質(zhì)處理低鹽度的濃縮液效果最佳。

2）MFC對(duì)低鹽度濃縮液中的COD去除率最高，達(dá)到90.91%，且采用乙酸鈉作為共基質(zhì)運(yùn)行更加有利于COD的去除。這一過(guò)程不僅去除了有機(jī)污染物，還能同時(shí)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了廢水處理與能源回收的雙重目標(biāo)。

3）在脫氮方面，MFC對(duì)低鹽度濃縮液中的NH3-N和TN去除效果較好。NH3-N的去除主要得益于MFC反應(yīng)器中硝化細(xì)菌的作用，而TN的去除則主要通過(guò)反硝化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。中、高鹽環(huán)境會(huì)對(duì)MFC的脫氮效果造成抑制。

綜上所述，MFC在處理低鹽度的垃圾滲濾液反滲透濃縮液時(shí)表現(xiàn)出最佳的污染物去除效果，為高效處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液提供了新的思路。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司創(chuàng)新基金項(xiàng)目（KDYCXJJ202104）

第一作者簡(jiǎn)介：農(nóng)澤喜（1986-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榄h(huán)境污染防治控制技術(shù)與工程。

*通信作者：郭尚其（1984-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榄h(huán)境污染防治控制技術(shù)與工程。