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固 废 处 理 不同缓冲剂调节pH值影响MSW反应器运行的对比 王 昊 1 王洪涛 1 赵勇胜 2 陆文静 1 1.清华大学环境科学与工程系, 北京 100084; 2.吉林大学环境与资源学院, 长春 130026 摘要 反应器填埋场很大程度上缩短了城市固体废物 MSW 的稳定化时间。 渗滤液循环是实现反应器的有效途径。 不同渗滤液 pH 值条件下反应器的运行效率是不同的。 本文采用两种缓冲剂, 熟石灰和粉煤灰对渗滤液 pH 值进行调 节, 讨论它们对渗滤液回灌、废物稳定化的影响。 同时, 本文也分析了两种调节方法的区别。 实验证明了调节后的环 境有利于固体废物中有机污染物的去除, 对金属离子和盐类没有明显去除作用。 两种调节方案都是简单、经济可 行的。 关键词 渗滤液循环 pH 值调节 城市固体废物 MSW 稳定化 相对于传统填埋场, 反应器填埋场缩短了废物稳 定化时间, 减少了场地关闭后的维护费用 ,降低了它 的环境风险 。反应器方法中,Pohland 在 1979 年第一 次提出了“渗滤液循环”的概念 [ 1] 。它作为反应器处 理方法的一项技术, 是加速固体废物稳定化的一种有 效途径 。渗滤液循环的技术特点包括 成本低 、 效率 高、 加速固体废物的稳定 、 减少渗滤液水量、 由于废物 沉降带来更大的填埋空间 , 降低了渗滤液的处理费 用。目前, 国内外开始研究用渗滤液直接回灌 、 喷洒 到填埋场的方法来加速填埋场垃圾的分解和稳定 化 [ 2] 。循环的过程中,许多因素制约固体废物稳定化 进程 。为了达到最佳的处理效果, 对其进行深入研究 已成为必然。 填埋场有机废物 C N 比值高 ,在水解消化过程中 引起 pH 值降低, 有利于重金属的迁移。该阶段渗滤 液污染组分浓度高, 同时过低的 pH 值将抑制微生物 生长 。当挥发性脂肪酸 VFA 浓度大于一定值时 ,微 生物的活动开始受到抑制; 当它在渗滤液中达到 38 g L 时 ,微生物的厌氧消化就完全停止了 [ 3] 。本研 究通过实验模拟填埋场渗滤液循环, 讨论了在不同 pH 值条件下回灌渗滤液对污染物浓度变化的影响 。 1 实验方法 实验分为 4 种处理, 1 熟石灰处理 , 2 粉煤灰 处理 , 3 粉煤灰附加灰柱 , 4 对照 。实验按不同缓 冲剂分 2 组进行, 每组取用相同的垃圾 , 2 组取用不 同的垃圾 。按照实验情况 ,分别进行描述。为研究淋 滤液中的有机污染物部分常规离子的运移情况,最后 确定 pH 值 、硬度、总氮、CODCr、Cl - 、电导率为分析 项目 。 1. 1 pH 缓冲剂 实验使用 2 种缓冲剂, 熟石灰和粉煤灰。熟石灰 属于强碱性物质 ,价格低廉 ,在一般道路及高速公路 的建设中被广泛使用 。粉煤灰在水处理中经常使用, 因其多孔性及组分特点而具有优良的吸附净化功 能 [ 4] 。两种物质均有低价高效、无毒无害、取用方便 的特点。 实验所用熟石灰取自建筑材料中常用的白灰 ,用 0. 025 mm 孔径铜筛过筛 ,Ca OH2的含量在 99以 上。粉煤灰取自长春市第二热电厂 , 浸出液 pH 为 10. 82,其化学成分如表 1所示。 表 1 粉煤灰的化学组成 SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量其它 44 . 3133 . 737 . 652. 603. 201. 506. 310 . 70 1. 2 采样及实验 实验取用垃圾来自长春市北部金钱堡垃圾填埋 场,在垃圾场中选取呈长方形的 5 个垃圾采样点, 采 集填埋年龄 1 a 的新鲜垃圾 , 取回后粉碎 , 孔径 10 mm过筛处理 。在实验室中利用长1 m 的有机玻璃 柱,内径 14 cm。内装石英砂 见图 1 。铜丝网和下 层石英砂的作用是防止柱子堵塞,上层石英砂是为了 实现布水均匀 。装柱完毕后 , 从柱底缓缓注入自来 水,使柱内废物充分饱和 ,同时测出柱内的孔隙体积 PV ,第1 组两柱 PV 分别为 1. 7L 和1. 9 L 。孔隙水 必须参与循环, 将其取出装入布水瓶, 并加自来水至 5 L 作为循环水。循环水的体积根据实验要求 、 取样 次数决定, 开始循环后不再增加。 实验模拟真实填埋场 ,场中渗滤液主要来源是降 52 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 水,实验使用自来水与真实情况有一定差别。浸泡预 实验 中 , 浸 泡 液 CODCr值 4 624 mg L, 氯 离 子 2 432 mg L ; 自来水中未检出 CODCr, 氯离子 40 mg L。 渗滤液污染物浓度相对很高, 因此忽略自来水与实际 填埋场水分不同带来的差别。 图 1 实验装置图 第2 组实验 C 柱附加灰柱高 10 cm , 含灰 300 g , 其余相同。pH 值调节在出水瓶中进行。实验中 B 柱 总共使用粉煤灰 328. 5 g ,没有发生堵塞 。C 柱附加 灰柱中飞灰随渗滤液流失, 容易造成出水堵塞 ,影响 循环进程 。实验具体条件见表 2。 表 2 各垃圾柱实验条件 柱号 垃圾层高度 cm 垃圾层密度 gcm- 3 pH 调节剂调节值 1340. 9553 230. 50. 9659熟石灰pH 81 A310. 9353 B340. 9227粉煤灰 pH 81 C300. 9820粉煤灰附加灰柱 注1 以酚酞为指示剂, 酸碱滴定法确定每次循环调节剂的投加量。 开始循环, 保持布水速度不变, 布水量在 0. 5 ～ 1. 0 L d 之间 。当布水瓶中渗滤液全部流出, 渗滤液 经过废物、出水瓶重新回到布水瓶时, 称为完成一次 循环 。每次循环都在第一时间取样 ,即循环出水后立 即收集并分析。每组实验过程为 3 个月 ,在室温18～ 24 ℃ 下进行 。 2 结果及讨论 野外填埋状态下, 由于堆体庞大且未经过预处 理,实际淋出物质量的动态衰减过程要比室内试验条 件下的淋滤过程长得多。因此 ,在对试验数据进行处 理的过程中, 以 PVN 累积循环水体积与柱中垃圾层 饱和孔隙水的体积的比值 作为变量绘制出各组分的 变化曲线, 这样克服了时间因素的影响 , 并可将试验 结果应用到野外实际当中 。实验采用不同垃圾,分为 2 组讨论并进行横向对比 。 2. 1 熟石灰 pH 调节实验 实验初期两柱渗滤液中污染物浓度变化曲线接 近,有机物、无机物以相似的速率淋出 。由于循环保 持了较好的湿度 ,促进微生物的驯化和繁殖 ,有机污 染物浓度开始下降, 而且变化明显。 2. 1. 1 pH、硬度 柱2 中渗滤液的 pH 值主要在 7. 12～ 7. 80 之间, 如图 2 所示 。柱 1 渗滤液 pH 值由 7. 21 逐步降至 6. 16,出现有机酸积累的现象。实验晚期 pH 值有回 升的趋势 。从图 3 中可以看出 , 两柱渗滤液硬度接 近,变化规律相似。经过最初的快速淋出 ,在 PVN 10 左右达到最大值。随后两柱都有下降的趋势并逐 渐趋于稳定 ,此时填埋层起到了过滤吸附的作用。这 一作用比溶解淋出更加明显。实验过程中,向柱 2 渗 滤液共投加熟石灰 13. 278 g 。 图 2 pH 值对比曲线 图 3 硬度对比曲线 调节 pH 对重金属的作用可能不同 ,汞在偏碱性 环境中有利于甲基汞向二甲基汞的转化 。二甲基汞 易挥发,可以缓解毒性很大的甲基汞的危害。对于重 金属镉 ,在酸性水中易溶解而迁移, 而在碱性环境中 易沉淀,有利于避免镉在环境中的扩散。 2. 1. 2 CODCr、 总氮 渗滤液 CODCr和总氮变化分别见图 4、 图 5。 快速溶出后 ,柱 1 出水中 2种污染物浓度分别为 4 008 mg L和 116 mg L , 柱 2 则分别为3 928 mg L和 118 mg L 。经过初始阶段的快速降解 , 柱 2 CODCr渗 滤液降为1 111 mg L , 总氮为38 mg L , 柱 1 则分别为 1 509 mg L和 62 mg L 。 这一 阶段 柱 2 比柱 1 中 53 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 图 4 CODCr对比曲线 图 5 总氮对比曲线 CODCr、 总氮下降速度快, 说明缓冲剂的加入创造了有 利于这一阶段微生物生存的环境, 加速了微生物对有 机污染物的降解 。表现在图中差别不十分明显。这 是因为实验过程中柱 1 渗滤液 pH 最低为 6. 16、 VFA 浓度最高为1 024 mg L ,这一有机酸浓度对微生物有 抑制作用但不是很强烈。在填埋场实际运行中,渗滤 液pH 值有可能接近 5甚至更低。在这样的环境中如 果加入调节剂, 可以大大加速生物反应的进行 。 在实验进行的第 60 d , 表现在图 4、5 中 PVN 19. 37时,柱 2渗滤液 CODCr和总氮的下降趋势减缓了 。 这是因为此时垃圾层的中上部出现了堵塞现象, 而不 得不大大降低了循环的频率 。不存在酸抑制时, 较快 的循环频率有利于固体废物的稳定化 [ 3] 。同时, 堵塞 造成柱中积水也会严重抑制微生物生长 [ 5] 。柱 1循环 频率不变,有机污染物浓度继续缓慢下降; 柱 2由于循 环频率降低 、 实验柱积水影响了有机物的降解。 2. 1. 3 氯离子 、 电导率 氯离子、 电导率的变化曲线如图6、 7所示。氯离子 是渗滤液中典型的阴离子污染物,也是一般水化学指标 之一。电导率是电阻的倒数,是反映溶液导电性能的参 数,溶液导电能力的大小与电导率的大小成正比。 电导率和氯离子在整个实验过程中处于上升势 态,晚期则趋于稳定 。实验最终柱 1 和柱 2 氯离子浓 度分别为2 077 和2 017 mg L ,电导则分别为 6. 71 和 5. 76ms cm 。两种反应器方法 , 渗滤液无机离子变化 规律类似 。在初期的快速溶出后, 速度逐渐减慢直至 图 6 氯离子对比曲线 图 7 电导率对比曲线 稳定。在 PVN 20左右, 柱 1 pH 值降至最低 ,电导率 却达到其峰值 7. 55 ms cm。说明酸碱度影响离子的 迁移 ,随着 pH 值的降低, 离子更容易淋出而且迁移 能力增强。实验结束时污染物浓度都相对较高,循环 对盐类的去除效果不明显, 调节 pH 值也没有带来显 著差别。 2. 2 粉煤灰 pH 调节实验 在第 2 组实验中, 3 柱 PV 分别为 1. 4 、1. 6 和 1. 3 L ,初始循环水量为 7 L, 布水量在 1. 0 L d 左右, 其它条件相同。 2. 2. 1 pH 值、 CODCr 粉煤灰对渗滤液 pH 的调节和第 1 组效果相似, 如图 8所示。实验初期及中期 , 柱 B 渗滤液 pH 值在 7. 01～ 7. 53之间, 柱 C 在 7. 60 ～ 7. 95 之间, 2 种调节 方法都掩盖了产酸阶段的影响。对照柱A 与第 1 组 实验柱 1 变化情况类似, 曲线先降低后升高 , 产酸阶 段 pH 值在 6. 02～ 6. 16 之间 。 图 8 渗滤液 pH 对比曲线 图9为渗滤液出水CODCr对比曲线 。从图中可以 看出,A、 B 两柱渗滤液 CODCr值变化相似 。在初期溶 54 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 图 9 渗滤液 CODCr对比曲线 出阶段,分别迅速达到4 008 和 3 768 mg L ,随后立即 下降至1 500 mg L 左右 。两柱变化情况差别不大, 只 是在加速降解阶段 , 柱 B 的出水实测值偏低。柱 C 的变化曲线明显低于其他两柱 ,峰值为2 713 mg L ,在 实验的大部分阶段低于1 000 mg L。C 柱在 B 柱基础 上,进一步采用粉煤灰做过滤层, 充分利用了粉煤灰 的过滤 、 吸附等功能 。柱 A、B 的 CODCr降解过程, 两 柱中 CODCr曲线均为反 S 型 ,柱 C 则为较为顺滑的降 解曲线。粉煤灰过滤层的存在 ,能进一步降低淋滤液 对环境的威胁。经过一段时间的淋滤液循环后,粉煤 灰的过滤性能达到饱和, 随后的过滤作用就不再明 显。分析硬度、 Cl -等的变化规律 ,同样可得出粉煤灰 过滤层的存在能使淋滤液对环境的威胁进一步降低。 2. 2. 2 硬度 硬度随 PVN 变化的曲线如图 10 所示。硬度是 渗滤液中钙 、 镁离子的总和 ,它的值反应了金属阳离 子的变化情况。 图 10 渗滤液硬度对比曲线 从图中可以看出 ,在淋滤实验中期所取的若干个 水样中 ,柱A 的硬度峰值远大于柱 C 的峰值, 其差值 约为1 200 mg L, 这表明粉煤灰层具有较大的吸附性 能,但随着时间的推移, 这种吸附能力逐渐下降。粉 煤灰柱对各种污染物质均具有良好的吸附性能,对防 止金属离子的迁移也有一定的作用 。实验中 ,A 、 B 两 柱在溶出过程结束后 ,浓度差别不大。 2. 3 对比讨论 填埋场厌氧发酵演化过程中 , 酸化阶段渗滤液 pH 值低,重金属的迁移能力强 ,污染组分浓度高。对 于一个反应器型的填埋场, 过低的 pH 值会影响到微 生物的生长 。有机污染物得不到有效降解,浓度长期 保持较高值 ,导致青贮现象的发生。调节反应器 pH 值,使其保持在适合消化菌群生长的范围内 ,利于反 应器运行, 加速固体废物的稳定化进程。 采用 2 种不同调节剂分别进行实验, 得到了类似 的处理结果 。熟石灰使用量少 ,调节效果明显 。相对 而言粉煤灰使用量比较大。一定程度上解决了粉煤 灰的处理难题, 减轻了对环境的危害, 但粉煤灰会在 调节池中沉淀累积。熟石灰成分单一,如果直接用于 填埋场地, 可能导致局部地区碱度过高 , 同样不利于 反应器运行 。粉煤灰成分复杂 ,但是并不妨碍调节的 效果和反应效率的提高。值得注意的是 ,使用粉煤灰 的方式也会造成一定差别。使用灰柱以过滤层的形 式调节 ,可以利用粉煤灰优良的吸附性能 ,效果强于 直接投加。 3 结论 1 改变渗滤液的 pH 值, 使微生物在有机废物 水解产酸阶段中不受酸抑制影响。有利于微生物的 生长和有机污染物的去除 ,加速固体废物的稳定化进 程,在实验调节范围内对金属离子和盐类的去除作用 不明显。 2 2种调节方法效果类似 , 粉煤灰复杂的成分 对反应影响不大 。使用熟石灰调节 pH 值 , 效果明 显、 用量少 。粉煤灰也可作为缓冲剂使用 ,而且用量 比较大,减轻了粉煤灰对环境的危害 。 3 使用粉煤灰柱做过滤层, 能进一步降低淋滤 液中CODCr等污染物质的浓度 。但灰柱的吸附作用 随着时间的推移而逐渐变小或消失 。 参考文献 [ 1] Pohland F. G. Landfill bioreactors fundamentals and practice. Water Qual. Intl. , Sptember October,1996 18 -22. [ 2] 王琪, 杨玉飞, 黄启飞等. 填埋结构对渗滤液水质变化影响研 究. 环境工程, 2005, 23 4 69-72. [ 3] Vasily A. Vavilin, Micael Yu. Shchelkanov , Sergey V. Rytov . Effect of mass transfer on concentration wave propagation during anaerobic digestion of solid waste . Water Research,2002, 36 2405 -2409. [ 4] 左亮珠, 朱桂林. 粉煤灰增钙渣水泥试验研究. 环境工程, 1999, 5 3 33 -36. [ 5] D. M. O Keefe , D. P. Chynoweth. Influence of phase separation, leachate recycle and aeration on treatment of municipal solid waste in simulated landfill cells. Bioresource Technology, 2000, 72 55 -66. 作者通讯处 王昊 100084 清华大学紫荆公寓 14号楼 409A 2006- 03-20 收稿 55 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 effect of iron ores on the reaction of nitric oxide removing was experimentally studied. At 900 ℃, five different iron ores were respectively applied as packing bedmaterials, andthe gasmixture made upwith two sorts of standard gases and compressed air was used to imitate the sintering exhaust gases. The experimental results showed that the type of iron ores hasimportant influence on the catalytic ability of iron ores. The catalytic ability of the type Diron ore is the strongest and does not become weaker, with the NO conversion rate being almost 100. Comparatively, the rest sorts of iron ores are poorer in catalytic ability . Their catalytic abilities become remarkably weaker as time lasts but reach quickly to a stable condition, at which the NO conversion rate was between 60 and 70. Keywords denitrification of sintering exhaust gases, NO conversion rate, iron ores and catalytic effects PHOTOCATALYTIC DEGRADATION OF TOLUENE BY TiO2IN A FLUIDIZED -BED Liao Cong Zhang Xiaoping 45 Abstract In a self-made fludized-bed, TiO2 silica gel preparedin laboratory was used asphotocatalyst to degrade toluene -air mixed gas. The effect of operating parameters including initial concentration. UV light intensity, operating gas velocity and bedheight stable height on degradation rate of toluene was probed into in this research. The results show that the degradation rate of toluene didn t change with concentration, reaching 100, under low concentration level 20～ 55 mg m3; but decreased with higher concentration. The degradation rate of toluene increased slightly with stronger UV light intensity. The lower the initial concentration was, the longer the highest degradation rate could be sustained for. And there was a best gas velocity value 3. 98 cm s, degradation rate reached the maximum value under this circumstance. The results also show that the degradation rate of toluene increased linearly with increase in bed height. Keywords fluidization, photocatalytic oxidation and titanium dioxide MATHEMATICAL MODELING OF DEDUSTING AND DESULFURIZING REACTOR WITH SPRAY AND CASCADE -RINGGuo Sanxia Li Liqing Tang Lin et al 48 Abstract A dedusting and desulfurizing scrubber with spray and cascade -ring was developed, Gas and llquid flow freely across two addendum circles. Mass transfer occurred when turbulence swash cascade -ring . Based on the penetration theory , a model for desulfurization efficiency has been brought forwardwhich tookflue gas inlet velocity V, liquid -gas ratio L G and absorbent spH value as parameters. A series of experimental data come from a electric power plant show that the model get well along with the practical condition, which can be used as a reference for design, optimization technology and for extrapolation of measured pilot plant data. Keywords wet flue -gas desulphurizaiton, simulation, mathematicalmodel, desulphurization efficiency and reactor with spray and cascade - ring THE PERANCE CONTRAST OF MSW BIOREACTORS AT DIFFERENT pH WITH DIFFERENT BUFFERSWang Hao Wang Hongtao ZhaoYongsheng et al 52 Abstract The stabilization period of municipal solidwaste can be shortened greatly in bioreactor landfill. Leachate recycling, however. is an effective approach to bioreactor. The operation efficiencies are distinct in different pH conditions. Two kinds of pH buffers, lime and fly ash were used to adjust pH in the leachate, and the impacts on leachate recycle and waste stabilization were discussed. The differences imposed by two reagents were also analyzed at the same time. It is proved that the degradation of organic pollutants in enhanced in the environment altered, but the removal of metal ion and salts is ambiguous. Two ways are both accessible and economically practical. Keywords leachate recycling, pH adjustment, municipal solidwaste and stabilization PERANCE AND PREPARATION OF CATALYST CARRIER FOR BIOMASS PYROLYSIS BY INDUSTRIAL WASTE RESIDUELi Jianfen Xiao Bo Yang Jiakuan et al 56 Abstract The catalyst carrier for biomass pyrolysis was prepared by red mud, fly ash and anhydrous sodium carbonate. Meanwhile, the roasting process, the optimum proportion and the highest roasting temperature of carrier were discussed, and perance of the carrier, which was prepared under optimum conditions, was tested. Keywords industrial solid waste, red mud, preparation and catalyst carrier PREPARATION OF GRAIN ADSORBENT OF RECTORITE AND FLY ASHAND PERANCE OF Cu Ⅱ REMOVALWang Hukun Gong Wenqi Mo Feng 59 Abstract The preparation technological conditions of grain adsorbent of rectorite and fly ash and the treatment of CuⅡ -containing wastewater of copper smelter have been studied. The experimental results show that under the conditionswith the ratio of the rectorite and fly ash of 7∶ 3, the amount of the additive Stof 15, the amount of 50water, and the roasting temperature of 500 ℃, the efficiency of grain adsorbent is the best, whereas the ratio of spallation loss is lower. Under the conditions without adjusting the pH, the amount of the train adsorbent of 0. 01 g mL, the reaction time of60minutes, and the temperature of25 ℃, the efficiency for grain adsorbent to remove CuⅡfrom copper smelter wastewater is 99. 5, and the quality inds of the wastewater after treatment con with the first -order of national discharge standards GB8978 -1996. Keywords rectorite -fly ash, adsorbent, granulation and CuⅡ -containing wastewater of copper smelter 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 6, Dec . , 2006