張后虎,田靜思,2,張毅敏,高月香,蔡金榜

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,南京 210042;2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇常州213164)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降[1-2]。近年來(lái)點(diǎn)源污染控制工程得到了有效實(shí)施,面源污染成為污染的主要貢獻(xiàn)者[3]。農(nóng)藥化肥、畜禽糞便以及農(nóng)村生活污水是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染物來(lái)源,研究表明,50%以上的非點(diǎn)源污染來(lái)自于農(nóng)村生活污水[4-6]。鑒于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和管理水平現(xiàn)狀,應(yīng)因地制宜的采用投資省、能耗低、管理簡(jiǎn)便的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)[7-11]。水體中氮磷傳統(tǒng)的去除途徑主要依靠生物法,而粘土、沸石和粉煤灰等礦物材料通過(guò)物理吸附、化學(xué)沉淀等作用同樣可高效去除水體中的氮磷[1,11-14]。

礦化垃圾是生活垃圾在垃圾填埋場(chǎng)相對(duì)封閉的環(huán)境條件下,經(jīng)過(guò)10 a以上的多階段物理、化學(xué)和生物穩(wěn)定化過(guò)程后,形成的性質(zhì)和組分相對(duì)穩(wěn)定的類土壤物質(zhì)[15]。礦化垃圾具有空隙率高和表面積大、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量高、微生物豐富等優(yōu)點(diǎn)[15-16]。前期研究主要集中于垃圾滲濾液的處理,著重探討了工藝條件參數(shù)的變化對(duì)滲濾液中氮磷的去除效率,而未能涉及對(duì)水體中氮磷的去除動(dòng)力學(xué)研究[17]。

為此,設(shè)計(jì)批式培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),研究礦化垃圾填料對(duì)水體中磷的吸附與解析、氮的硝化與反硝化的動(dòng)力學(xué)研究,旨在為礦化垃圾填料在中國(guó)農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水的凈化處理應(yīng)用中提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 礦化垃圾與粘土土樣

供試礦化垃圾取自南京城市生活垃圾填埋場(chǎng),填埋齡為10 a。場(chǎng)內(nèi)填埋的垃圾主要為60%廚余,20%塑料,15%其他物質(zhì)(竹木,紙張,織物和渣石等),每日填埋量為3 000～4 000 t。礦化垃圾開(kāi)挖后,去除玻璃、渣石等,過(guò)篩供使用。供試粘土樣取自宜興某農(nóng)田(N:31°29′,E:119°59′),其粒徑分布為:粘粒43.5%、壤粒32.1%和砂粒24.4%。礦化垃圾和粘土樣的基本理化性質(zhì)列于表l,樣品理化特性測(cè)試方法見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。

表1 礦化垃圾與粘土樣品基本理化特性比較

表1中,礦化垃圾的比表面積以及 Fe、Al和Ca含量均遠(yuǎn)高于粘土樣品,從而具備成為磷庫(kù)的條件[1,11,13]。

1.2 等溫吸附磷試驗(yàn)

稱取過(guò)2.00mm篩的風(fēng)干礦化垃圾/粘土樣5.00 g,按1:20的固液比各加入100.0mL含磷(磷酸氫二鉀,NaH 2 PO4)量為0～10 g?L-1的0.02mol?L-1KC1溶液,放入25℃恒溫培養(yǎng)箱連續(xù)振蕩24 h,取樣后以4 000 r?min-1轉(zhuǎn)速離心10min,測(cè)定平衡液中磷酸鹽濃度,由吸附前后溶液中磷酸鹽濃度差,計(jì)算吸附磷量[11,19]。

1.3 磷的解析實(shí)驗(yàn)

用95%的酒精多次反復(fù)洗滌等溫吸附離心后的礦化垃圾樣品,至上清液中無(wú)磷(鉬蘭法檢驗(yàn))后,加入100mL的 0.02mol?L-1KC1溶液,在25℃恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)振蕩約24 h,以4000 r?min-1的轉(zhuǎn)速離心10min,測(cè)定平衡液的磷酸鹽濃度,計(jì)算磷的解吸量[20]。

1.4 硝化實(shí)驗(yàn)

所有的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)均在容積250mL的具塞血清瓶?jī)?nèi)批式進(jìn)行,礦化垃圾(或粘土)樣品經(jīng)風(fēng)干、過(guò)2.00mm篩后,精確稱取50 g于瓶中。每種樣品共設(shè)置7組進(jìn)行培養(yǎng),分別對(duì)應(yīng)于投加(NH4)2SO4溶液后的第 1 d中第 2、6、12、24 h 以及在第 3、5和10 d,至規(guī)定時(shí)間取出樣品同時(shí)測(cè)定土樣受納(NH4)2SO4溶液后NH4+-N和 NO3--N含量,考察樣品中微生物對(duì)氨氮氧化和硝酸鹽氮生成的能力,投加的氮負(fù)荷為100mg?kg-1(基于礦化垃圾干基重,以下同)。加入礦化垃圾(或粘土)和(NH 4)2SO4溶液后,調(diào)節(jié)蒸餾水的量保持含水率為15%,換算成孔隙含水率約為47%(低于60%),此條件下,礦化垃圾(或粘土)內(nèi)部處于有氧條件,氮轉(zhuǎn)化主要以硝化過(guò)程為主[21]。培養(yǎng)瓶先在恒溫(25℃)搖床上振蕩1 h,使樣品與液體混合均勻,再放入生化培養(yǎng)箱中25℃下避光培養(yǎng),每組樣品均設(shè)置2個(gè)平行樣[21]。

1.5 反硝化實(shí)驗(yàn)

當(dāng)土壤樣品中含水率高于60%孔隙含水率時(shí),土壤內(nèi)部處于厭氧條件,氮轉(zhuǎn)化過(guò)程主要以反硝化過(guò)程為主[21]。與硝化實(shí)驗(yàn)流程相同,保持含水率為25%,換算成孔隙含水率為68%(高于60%)。密閉具塞血清瓶,投加的硝酸鹽氮負(fù)荷為200mg?kg-1,考察礦化垃圾樣品與粘土樣品中微生物對(duì)硝酸鹽氮的去除能力[21]。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM電鏡

礦化垃圾顆粒物微觀形態(tài)豐富(圖1),形狀多以不規(guī)則多面球體為主,顆粒表面層凹凸不平的層狀結(jié)構(gòu),比表面積大(表1)。且顆粒間空隙較大,利于自然通風(fēng)復(fù)氧和好氧微域的存在。

2.2 磷吸附能力

礦化垃圾顆粒(過(guò)2.00mm篩)對(duì)磷吸附吸附能力如圖2所示。不難發(fā)現(xiàn),礦化垃圾對(duì)磷的吸附能力遠(yuǎn)高于粘土,僅礦化垃圾填料吸附行為可采用Freundlich等溫吸附式來(lái)模擬,計(jì)算所得飽和吸附量為2 914mg?kg-1,比文獻(xiàn)中報(bào)道的粉煤灰(Coal slag)高出1倍左右[11]。

圖1 礦化垃圾的SEM電鏡掃描

圖2 礦化垃圾與稻田土壤吸附磷的比較

礦化垃圾顆粒與粘土顆粒吸附行為均可采用Langmuir等溫吸附方程式來(lái)模擬(圖2(b)),按照方程式計(jì)算所得礦化垃圾最大吸附量為2 073mg?kg-1,為粘土吸附最大量的3倍多。

2.3 吸附速率的對(duì)比

吸附速率常數(shù)K值反映了礦化垃圾對(duì)水體中磷的吸附能級(jí),K值越大,反應(yīng)的自發(fā)程度愈強(qiáng),生成物愈穩(wěn)定。為了進(jìn)一步比較研究礦化垃圾與粘土顆粒對(duì)磷的吸收能力,對(duì)過(guò)0.15mm篩的礦化垃圾與粘土在磷溶液濃度4 g?L-1下進(jìn)行吸附速率對(duì)比試驗(yàn)(圖3)。結(jié)果表明:礦化垃圾與粘土顆粒對(duì)磷的吸附均符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,礦化垃圾顆粒的吸附速率常數(shù)約為粘土顆粒的3.3倍。

圖3 礦化垃圾與粘土樣對(duì)磷吸附速率的對(duì)比

2.4 磷的解析

吸附態(tài)磷的解吸是吸附的逆過(guò)程,也是描述礦化垃圾吸附磷特性的重要指標(biāo),涉及到實(shí)際應(yīng)用中篩選礦化垃圾填料作為磷庫(kù)的安全性。圖4給出列磷的吸附與解析結(jié)果,磷的解析率僅在30%左右波動(dòng),比文獻(xiàn)中報(bào)道土壤的磷解析率低50%左右[20],表明礦化垃圾填埋表現(xiàn)出良好的吸附性能。

圖4 礦化垃圾對(duì)磷解析行為分析

2.5 硝化能力

礦化垃圾與粘土土樣硝化能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加,樣品中氨氮濃度迅速下降,而硝酸鹽氮的濃度迅速上升,但礦化垃圾樣品中上升和下降的幅度均高于粘土樣品。

圖5 礦化垃圾顆粒中硝化能力實(shí)驗(yàn)

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi),礦化垃圾樣品中氨氮的濃度從129mg N?kg-1下降到 83.0mg N?kg-1;與此同時(shí),硝酸鹽氮含量從137mg N?kg-1上升到170mg N?kg-1(圖5(a))。而同期內(nèi),粘土樣品中氨氮的濃度下降和硝酸鹽氮含量的上升幅度分別為礦化垃圾樣品的1/2和1/6(圖5(b))。

2.6 反硝化能力

投加200mg N?kg-1的硝酸鹽后,礦化垃圾樣品和粘土樣品中硝酸鹽氮均出現(xiàn)下降趨勢(shì),其中,礦化垃圾填料對(duì)硝酸鹽氮的反硝化能力明顯高于粘土樣品(圖6)。采用零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可較好的模擬樣品中硝酸鹽氮的降解行為,礦化垃圾樣品降解速率常數(shù)K值為粘土樣品7.5倍。礦化垃圾硝化反硝化能力強(qiáng)的結(jié)果與前期研究中礦化垃圾自身存在大量的氨氧化菌和硝化菌的現(xiàn)象相吻合[17,22]。

圖6 礦化垃圾與粘土樣反硝化能力的對(duì)比

3 結(jié)論

1)礦化垃圾吸附磷的速率和飽和吸附能力均為粘土的3倍多,礦化垃圾飽和吸附能力比文獻(xiàn)報(bào)道粉煤灰高出1倍,磷解析率僅約為30%,表明礦化垃圾填料具備良好的磷庫(kù)性能;礦化垃圾磷吸附行為可采用 Langmuir方程和 Freundlich方程來(lái)描述。

2)礦化垃圾對(duì)投加的氨氮和硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力強(qiáng),批式試驗(yàn)研究結(jié)果顯示,硝化試驗(yàn)中對(duì)氨氮轉(zhuǎn)化能力和反硝化試驗(yàn)中硝酸鹽氮的去除能力分別為粘土的2倍和7.5倍。

3)基于礦化垃圾具有磷吸附容量大、磷解吸率低和氮轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)的特點(diǎn),綜合考慮礦化垃圾的表面積大和微生物豐富的優(yōu)點(diǎn),因此可篩選礦化垃圾作為濾池和人工濕地等填料去除污水中的氮磷。

[1]LI Xm,GUO L,YANG Q,et al.Removal of carbon and nutrients from low strength domestic wastewater by expanded granular sludgEbed-zeolitEbed filtration(EGSB-ZBF)integrated treatment concept[J].Process Biochemistry,2007,42:1173-1179.

[2]ZHANG J,CAO X S,MENG X Z.SustainablEurban seweragEsystem and its application in China[J].Resources,Conservation and Recycling,2007,51(2):284-293.

[3]國(guó)家環(huán)?？偩?中國(guó)環(huán)境狀況[M].北京:中國(guó)環(huán)境出版社,2000.

[4]WANG J,HUANG Y,ZHAO X.Perf ormancEand characteristics of an anaerobic baff led reactor[J].BioresourcETechnology,2004,93(2):205-208.

[5]柴世偉,裴曉梅,張亞雷,等,農(nóng)業(yè)面源污染及其控制技術(shù)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(6),192-195.CHAI SHI-WEI,PEI XIAO-MEI,ZHANG YA-LEI,et al.Research on agricultural diffusEpollution and controlling technology[J].Journal of Soil and Water Conservation,2006,20(6),192-195.

[6]BEHLING E,DIAZ A,COLINA G,et al.Domestic wastewater treatment using a UASB reactor[J].BioresourcETechnology,1997,61(3):239-245.

[7]AIYUkS,AMOAKO J,RASKIN L,et al.Removal of carbon and nutrients f rom domestic wastewater using a low investment,integrated treatment concept[J].Water Research,2004,38(13):3031-3042.

[8]LIEW ABDULLAH AG,IDRIS A,AHMADUN FR,et al.A kinetic study of amembranEanaerobic reactor(MAR)for treatment of sewagEsludge[J].Desalination,2005,183(1/2/3):439-445.

[9]SAKTAYWIN W,TSUNO H,NAGAREH,et al.Advanced sewagEtreatment process with excess sludgEreduction and phosphorus recovery [J].Water Research,2005,39(5):902-910.

[10]SATO N,OKUBO T,ONODERA T,et al.Economic evaluation of sewagEtreatment processes in India[J].Journal of Environmentalmanagement,2007,84(4):447-460.

[11]CHAN S Y,TSANG Y F,CHU H,et al.PerformancEstudy of vegetated sequencing batch coal slag bed treating domestic wastewater in suburban area[J].BioresourcETechnology,2008,99:3774-3781.

[12]CUI L H,ZHU X Z,LUO Sm,et al.Purification efficiency of vertical-flow wetland system constructed by coal slag and turf Adsorbingmedium onmunicipal wastewater[J].China Journal of Applied Ecology,2003,14(4):597-600.

[13]JUNG JY,CHUNG Y C,SHIN H S,et al.Enhanced ammonia nitrogen removal using consistent biological regeneration and ammonium exchangEof zeolitEinmodified SBR process[J].Water Research,2004,38,347-354.

[14]OBAJA D,MACES,MATA-ALVAREZ J.Biological nutrient removal by a sequencing batch reactor(SBR)using an internal organic carbon sourcEin digested piggery wastewater[J].BioresourcETechnology,2005,96:7-14.

[15]ZHAO Y,CHEN Z,SHI Q,et al.Monitoring and long-term prediction for thErefusEcompositions and settlement in large-scalElandfill[J]. Wastemanagement and Research,2001,19(2),160-168.

[16]ZHAO Y,LI H,WU J,et al.Treatment of leachatEby aged refuse-based biofilter [J].Journal of Environmentalmanagement,2002,128(7):662-668.

[17]ZHAO Y C,LOU Z Y,GUO Y L,et al.Treatment of sewagEusing an aged-refuse-based bioreactor[J].Journal of Environmentalmanagement,2007,82:32-38.

[18]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,2000:62-141.

[19]BRIX H,ARIAS CA,BUBBAm.Media selection for sustainablEphosphorous removal in subsurfacEflow constructed wetlands [J].Water SciencEand Technology,2001(44):47-54.

[20]王旭東,楊雪芹.聚丙烯酰胺對(duì)磷素在土壤中吸附-解析與遷移的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(2):300-305.WANG XU-DONG,YANG XUE-QIN.Effect of polyacrylamidEon phosphorus adsorption,desorption and translocation[J].Acta ScientiaECircumstantiae,2006,26(2):300-305.

[21]ZHANG H H,HEPJ,SHAO Lm.Ammonia volatilization,N2O and CO2emissions from landfill leachate-irrigated soils[J].Wastemanagement,2010(30):119-124.

[22]BARLAZm A,SCHARFER Dm,HAM R K.Bacterial population development and chemical characteristics of refusEdecomposition in a simulated sanitary landfill[J].Applied and Environmentalmicrobiology,1989,55:55-65.