CN107032503A - 一种处理垃圾渗滤液的生物反应墙及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理垃圾渗滤液的生物反应墙，顺着垃圾渗滤液流经方向依次设有进水疏导区、缓冲过渡区、生物反应区、出水区，生物反应区内混合填充有粒径为1‑2mm的活性炭和沸石、粒径为2‑3mm锰砂、粒径为4‑5mm的陶粒。本发明处理垃圾渗滤液的生物反应墙，具有以下特点：(1)反应墙所用填充材料无污染、易得、来源广泛，构建方法简便易行且使用寿命长；(2)处理效果优良：COD去除率都在92％以上，出水发光细菌抑制率基本都在30％以下，总抗氧化能力整体随着反应时间推移而逐渐增高，实现了高毒性垃圾渗滤液的弱毒化；(3)生物反应区内各处均能保持较高的生物群落代谢活性即污染物降解能力强。

Description

一种处理垃圾渗滤液的生物反应墙及其应用

技术领域

本发明属于垃圾渗滤液处理技术领域，具体涉及一种处理垃圾渗滤液的生物反应墙，本发明还涉及用该生物反应墙处理垃圾渗滤液的方法。

背景技术

垃圾渗滤液作为垃圾填埋过程中的“副产品”，是一种浓度较高的有机废水，其中不仅含有致癌物，还有二十种以上的有毒有害污染物被列入环境优先污染物的“黑名单”，成分复杂，包括多种有机污染物、重金属、高氨氮等，水质水量波动大；如果处理不当，将会严重污染大气、地表水和地下水，造成二次污染，严重影响环境和人类健康。

地下水污染具有复杂性、隐蔽性和难以恢复的特点，一旦含水层遭受了污染，恢复和净化的过程是相当漫长的；目前较典型的地下水修复技术约有十多种，而根据修复技术的原理，可分为四大类，即物理法、化学法、生物法和综合修复技术。按修复方式又可分为异位修复技术(Ex-Situ)和原位修复技术(In-Situ)。

渗透性反应墙是一种建于地下的地下水原位修复技术，简称PRB技术(PermeableReactive Barrier)。20世纪末出现，是目前地下水修复研究领域中的热点，具有应用范围广、处理效果好、反应介质消耗慢、费用低、节能环保等优点。生物反应墙作为PRB与强化生物修复方法的结合技术，以其修复过程绿色、经济、可减少污染物的暴露和对土地环境的扰动小等优点，已被广泛应用于国外的实验室和场地修复研究中，被认为是最具有发展潜力的新兴修复技术。

因地下水环境的低温(12～14℃)、寡营养以及污染物的毒性和复杂性，在实际修复中往往需要向生物反应墙内导入具有特殊新陈代谢能力的微生物，通过微生物对污染物的降解和代谢达到净化含水层的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种处理垃圾渗滤液的生物反应墙，该生物反应墙的抗氧化能力强且污染物降解能力强。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述生物反应墙处理垃圾渗滤液的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种处理垃圾渗滤液的生物反应墙，顺着垃圾渗滤液流经方向依次设有进水疏导区、缓冲过渡区、生物反应区、出水区。

本发明的特点还在于，

该生物反应墙墙体的材料为聚乙烯。

进水疏导区内设有多个挡板，多个挡板形成Z字型。

进水疏导区内填充有粒径为2-4mm的粗石英砂。

缓冲过渡区和出水区内填充有粒径为1-2mm的石英砂。

生物反应区内混合填充有粒径为1-2mm的活性炭和沸石、粒径为2-3mm锰砂、粒径为4-5mm的陶粒。

活性炭、沸石、锰砂和陶粒的体积比为1～2：1～2：1～2：1。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种采用上述生物反应墙处理垃圾渗滤液的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将生物反应墙垂直设置于垃圾渗滤液扩散的方向，生物反应墙宽度大于垃圾渗滤液羽流的扩散范围；

步骤2，确定水力停留时间；

步骤3，利用垃圾渗滤液进行墙外批量菌种驯化，菌种驯化完成后加入生物反应区，进行垃圾渗滤液的处理。

本发明的有益效果是，本发明处理垃圾渗滤液的生物反应墙，具有以下特点：(1)反应墙所用填充材料无污染、易得、来源广泛，构建方法简便易行且使用寿命长；(2)处理效果优良：COD去除率都在92％以上，出水发光细菌抑制率基本都在30％以下，总抗氧化能力整体随着反应时间推移而逐渐增高，实现了高毒性垃圾渗滤液的弱毒化；(3)生物反应区内各处均能保持较高的生物群落代谢活性即污染物降解能力强。

附图说明

图1是本发明处理垃圾渗滤液的生物反应墙的结构示意图；

图2为预实验不同浓度渗滤液对功能微生物生长的抑制趋势图；

图3为出水样品发光细菌抑制率；

图4为出水样品总抗氧化能力随时间变化而变化的曲线图；

图5为生物反应区内微生物群落代谢活性随平板培养时间的变化图。

图中，1.进水疏导区，2.缓冲过渡区，3.生物反应区，4.出水区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明处理垃圾渗滤液的生物反应墙，结构如图1所示，顺着垃圾渗滤液流经方向依次设有进水疏导区1、缓冲过渡区2、生物反应区3、出水区4。

该生物反应墙墙体的材料为聚乙烯。

进水疏导区1内设有多个挡板，多个挡板形成Z字型以延长垃圾渗滤液在墙体中的停留时间。

进水疏导区1内填充有粒径为2-4mm的粗石英砂，其机械强度高、使用周期长。

缓冲过渡区2和出水区4内填充有粒径为1-2mm的石英砂。

生物反应区3内混合填充有粒径为1-2mm的活性炭和沸石、粒径为2-3mm锰砂、粒径为4-5mm的陶粒，其中活性炭、沸石、锰砂和陶粒的体积比为1～2：1～2：1～2：1。因陶粒是生物膜的理想载体，锰砂对砷等去除效果独特，沸石具有优良的吸附性、离子交换性，活性炭能有效地去除色度、臭味，必要时添加少量聚氨酯泡沫(内径约10mm的多孔立方体)以促进生物膜快速生成。

下面根据具体实施例对本发明生物反应墙的处理效果进行详细说明。

1.生物反应墙模型：首先根据本发明生物反应墙的结构设计总长、宽、高分别为700mm、50mm、60mm的生物反应墙模型；墙体固定材料选取聚乙烯；

2.生物反应区填料比例的确定：将活性炭、沸石、锰砂、陶粒按照体积比为：①1/1/1/1；②1/1/1/2；③1/1/2/1；④1/2/1/1；⑤2/1/1/1混合；取5个纯净水空瓶，削去瓶底，瓶盖钻孔(3个孔)；分别淘洗5种比例的填料(活性炭单独洗，因其质轻浮于水面)；依次按比例装入对应的空瓶，倒置(每瓶总容积200mL)；稀释10倍的垃圾渗滤液(取自江村沟垃圾渗滤液处理厂，COD约10000mg/L)分别倒入5个瓶子并收集滤液；测定原液及5组滤液COD，计算去除率依次为64.7％、57.6％、67％、83.5％、69.4％，选择最高者为最终填料配比，故确定为④即活性炭:沸石:锰砂:陶粒＝1：2：1：1。

3.反应墙生物毒理学耐受范围标定及进水浓度确定：取5mL土壤浸提液备用(欲加10uL)；配制20mL LB培养基备用(欲加160uL)；设置①～⑩10组稀释梯度(体积比分别为垃圾渗滤液/水＝1/1，1/2，1/3，1/4，1/5，1/6，1/7，1/8，1/9，1/10)、1组原液作对照(欲加20uL)、1组培养液+土壤浸提液作参比；按照布置好的96孔板位置依次用移液枪加样(所有用具提前灭菌并静置使之自然冷却)；加样完成用酶标仪(Multiskan FC型)读取0h数据，之后置于摇床上以70r/min、27℃条件恒温培养，每24h读取一次数据，直至超过1/3的(即32个孔)吸光度＞2停止读数；本试验通过BIOLOG微平板技术考察不同垃圾渗滤液浓度下作用菌种的生长抑制状况，确定生物反应墙耐受范围，综合选取生长好、抑制小的渗滤液浓度；图2为数据处理结果，由图2可以看出各稀释浓度的垃圾渗滤液原始吸光度相近，但随着培养时间的推移逐渐分化；培养48h后的原液吸光度高于培养液+浸提液，说明原液促进了土壤浸提液中功能微生物的生长，一倍稀释(垃圾渗滤液/水为1/1)的垃圾渗滤液中微生物也表现出相似的增长趋势，且吸光度除十倍稀释液(垃圾渗滤液/水为1/10)以外整体随着渗滤液浓度的降低而递减，即功能微生物的生长受抑制程度递增，说明反应墙内生物毒理学耐受范围为全浓度范围，且浓度越高功能微生物代谢活性越高，六倍稀释液(垃圾渗滤液/水为1/6)之后的实验组与其他组差异较大；故本试验进水浓度定为功能微生物生长相对最差的5倍稀释。

4.流量确定：用蠕动泵以1r/min的转速向生物反应墙中通水，从流入第一滴水开始计时到流出第一滴水结束，该时间为水力停留时间，约为1.8h(墙体内水容积约300mL)。在动态条件下，PRB中试***中COD去除率随水力停留时间(HRT)的延长而增加，HRT的延长使难生物降解的有机物也得到部分降解；查阅文献知多数工程实例HRT＝6h，故改变蠕动泵转速为0.1r/min，此时，出水100mL用时约6h，拟定为该流速，后续工作检验处理效果。

5.菌种驯化及固定方法：分别取5倍和10倍稀释的垃圾渗滤液200mL加入到250mL三角瓶(已灭菌)中，各加入10g强化生物菌剂(商购)，棉花封口，置于摇床上以70r/min、27℃条件恒温培养至瓶中液体颜色由黑变黄(约2-3天)。进一步扩繁：吸取100mL驯化状况好的菌液(5倍稀释)加入定量5倍稀释的垃圾渗滤液至总体积500mL，同上条件培养2-3天。将上述完成扩繁的500mL菌液缓慢倒入生物反应区，静置1天，期间每6h补充10mL的5倍稀释垃圾渗滤液，之后拔去生物反应区两端的挡流板。

6.反应墙效果评估：下面从出水COD去除效果、微生物毒性、抗氧化性、及墙体内生物代谢活性对该生物反应墙处理效果进行评估。

1)COD去除效果。接通蠕动泵运行，调节转速为0.1r/min；定取样时间为每天9：00，15：00，21：00，并按取样顺序依次编号1、2、3…；每天采用重铬酸钾法测定样品COD并记录，若波动较大，则向生物反应区添加少量驯化菌种。如附表1所示：COD去除率稳定且都大于92％，知反应墙在处理期内(5天)COD去除效果优良。

表1出水样品COD去除率变化情况

2)毒性水平测试。发光细菌在正常条件下能发出一定波长的光，许多有毒物质可抑制其发光强度，通过测定发光强度变化可以实现水质的急性毒性检测；本试验采用该方法检测出水生物毒性：准备发光菌液(发光弧菌)；对收集到的出水样按时间顺序进行编号，每个样取7mL(调节样品pH在7.5-8.5之间)并加入一药匙(专用)NaCl混匀，分别移取0.5mL样入测定管，以等量2％NaCl液做空白；每个样加0.5mL发光菌液混匀，静置15min，读数记录，计算发光抑制率并比较。如附图3：发光细菌抑制率除12号样32.3％的抑制率都在30％以下。

3)抗氧化性。抗氧化性就是能有效抑制自由基氧化反应的能力，其作用机理是抗氧化物质直接作用在自由基或是间接消耗掉容易生成自由基的物质，防止发生进一步反应。本试验采用血清总抗氧化能力测定法评估出水抗氧化性：选取9个出水样，配制300mLLB培养基备用(每个样欲加18mL)；准备灭菌：培养基，枪头(1000uL，200uL)若干，15mL塑料离心管(30个)，50mL三角瓶(10个)；扩繁菌种：从培养基用接种环(酒精灯灭菌)挑取少量某特定菌落，接种入已灭菌的50mL培养基，放置在摇床上以70r/min，27℃条件恒温培养约36h(观察培养基浑浊即可)；依次向三角瓶中加入水样﹑培养好的菌液1mL，培养基18mL并编号，放置在摇床上以70r/min，27℃条件恒温培养约16h；从上述液体中吸取3mL加至离心管，漩涡混合器震荡3min，之后以37℃恒温水浴20min(随时注意温度变化并调整)；严格按试剂盒加药及说明书操作；按照布置好的96孔板位置依次用移液枪加样(所有用具提前灭菌并静置使之自然冷却)，每个孔加样150uL，完成后读取吸光度(紫外分光，波长520nm)，代入公式计算抗氧化能力。如附图4所示：随着时间的推移，总抗氧化能力总体呈上升趋势，就出水而言是好现象，反映了经处理的水质毒性降低，对微生物的抗氧化活性影响小。对于6h的总抗氧化能力突然大幅增高的反常情况，分析主要是由于微生物的对于外界环境改变产生的应激反应，加之进水初期填料都为新物质，菌种都处于饥饿状态，则最大限度地吸附、吸收污染物，故出水总抗氧化力远高于其他；之后微生物逐渐适应该环境，总抗氧化力降至正常水平，而后随着时间推移又逐渐升高。

4)微生物代谢活性。微生物利用Biolog生态板31种碳源的单孔颜色AWCD以及其随时间的变化可用于表征微生物群落代谢的平均活性。待出水COD基本稳定时分别在距离生物反应区进水处100mm，240mm，470mm处的上层、中层、下层吸取1ml液静置24h取上清液，9组样品分别以0.9％生理盐水稀释10倍，在酒精灯附近向Biolog生态板按照排版依次加入150ul，空白加入等量0.9％生理盐水；完成后用酶标仪读取0h数据，之后置于摇床上以70r/min、27℃条件恒温培养，每24h读取数据并观察记录颜色变化孔数，直至超过1/3(即32个孔)吸光度＞2停止。附图5为数据处理结果图(九组数据累和上、中、下层最终整合为三组数据即前、中、后)，由图5可知生物反应区内各部位AWCD变化曲线的斜率相差很小，说明不同墙***置微生物对碳源的整体利用能力和代谢活性较为相似；生物反应区内生物代谢活性随着水流方向而逐渐降低，即前端＞中端＞后端，表明生物反应墙墙体随着横向位移的变化，微生物降解污染物能力逐渐降低。

Claims (8)

1.一种处理垃圾渗滤液的生物反应墙，其特征在于，顺着垃圾渗滤液流经方向依次设有进水疏导区(1)、缓冲过渡区(2)、生物反应区(3)、出水区(4)。

2.根据权利要求1所述的处理垃圾渗滤液的生物反应墙，其特征在于，该生物反应墙墙体的材料为聚乙烯。

3.根据权利要求1所述的处理垃圾渗滤液的生物反应墙，其特征在于，进水疏导区(1)内设有多个挡板，多个挡板形成Z字型。

4.根据权利要求1～3任一所述的处理垃圾渗滤液的生物反应墙，其特征在于，所述进水疏导区(1)内填充有粒径为2-4mm的粗石英砂。

5.根据权利要求1～3任一所述的处理垃圾渗滤液的生物反应墙，其特征在于，所述缓冲过渡区(2)和出水区(4)内填充有粒径为1-2mm的石英砂。

6.根据权利要求1～3任一所述的处理垃圾渗滤液的生物反应墙，其特征在于，所述生物反应区(3)内混合填充有粒径为1-2mm的活性炭和沸石、粒径为2-3mm锰砂、粒径为4-5mm的陶粒。

7.根据权利要求6所述的处理垃圾渗滤液的生物反应墙，其特征在于，所述活性炭、沸石、锰砂和陶粒的体积比为1～2：1～2：1～2：1。

8.一种采用权利要求1～7任一所述的生物反应墙处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，将生物反应墙垂直设置于垃圾渗滤液扩散的方向，生物反应墙宽度大于垃圾渗滤液羽流的扩散范围；

步骤2，确定水力停留时间；

步骤3，利用垃圾渗滤液进行墙外批量菌种驯化，菌种驯化完成后加入生物反应区，进行垃圾渗滤液的处理。