垃圾渗滤液处理同步填埋气脱硫脱碳提纯_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

垃圾渗滤液深度脱氮，有效利用垃圾填埋气，降低强温室气体排放是当前环境领域备受关注的研究热点。论文提出一种方法在深度处理垃圾渗滤液的同时实现垃圾填埋气的脱硫脱碳提纯。通过二级膜生物膜反应器运行证实了该方法的可行性，并通过多组学联用手段揭示反硝化型厌氧甲烷氧化古菌和产甲烷古菌间的互作机制，在实现垃圾渗滤液深度脱氮的同时提升垃圾填埋气纯度。

通讯作者简介

陈一教授

陈一，重庆大学环境与生态学院教授、副院长。国家高层次青年人才，重庆市杰出青年科学基金获得者。主要从事生态水质净化理论与技术研究，入选全球前2%顶尖科学家。担任SCI期刊Ecological Engineering副主编，Water Science & Technology编委，兼任Frontiers of Environmental Science & Engineering、Journal of Hazardous Materials Advances、《工程科学与技术》《环境科学》《中国给水排水》等期刊青年编委。兼任国际水协会（IWA）中国青年委员会常务委员，中国环境科学学会湿地环境生态保育与功能开发专业委员会常务委员，中国土木工程学会水工业分会理事。主持国家/省部级重要项目10余项，获重庆市科技进步一等奖、中国环境科学学会青年科学家奖等科技奖励。

垃圾渗滤液处理同步填埋气脱硫脱碳提纯

作者

聂文博^1,2，陈一^1,2,*

单位

1. 重庆大学环境与生态学院

2. 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室

基金项目

1. 国家自然科学基金资助项目（52200039）

2. 中国博士后科学基金资助项目（2022M710513）

3. 重庆市杰出青年科学基金资助项目（CSTB2022NSCQ-JQX0023）

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摘要

为研究二级膜生物膜反应器（MBfR）处理垃圾渗滤液协同垃圾填埋气脱硫脱碳提纯方面的效能与机制，依次考察了前置短程硝化MBfR和后置MBfR运行过程中有机物和氮素污染物的去除效能、以及垃圾填埋气中H₂S、CO₂和CH₄转化特性。实验结果表明：反应系统运行280d后，成功实现渗滤液深度处理协同填埋气高效脱硫脱碳。通过控制前置反应器低溶氧，亚硝化率可达85%以上，可实现短程硝化耦合DAMO-Anammox过程。系统对COD、NH₄⁺和TN的平均去除率可达95%、99%和99%，可实现垃圾渗滤液高效减碳脱氮；垃圾填埋气净化后的CO₂和H₂S气体成分含量分别降低至0.2%以下和5%左右，而CH₄气体成分含量提高至80%左右，显著提升了垃圾填埋气的质量。反硝化型厌氧甲烷氧化古菌和产甲烷古菌在电子转移系统中表现高度活跃，暗示其通过直接电子转移的种间关系，可强化CO₂还原产CH₄过程。本研究中，高效的填埋气升级效果一方面归因于富集了电活性产甲烷菌Methanothrix和硫自养反硝化细菌Thiobacillus；另一方面，高有机负荷的厌氧产甲烷过程消耗大量质子，从而提高体系碱性并增加液相中可吸收的CO₂量，进一步促进了垃圾填埋气中CO₂含量减少和CH₄含量增加。

研究背景

随着城镇化的迅速推进，城市固体废物（MSW）产生量也持续增加。卫生填埋由于操作程序简单且处理成本较低，仍然是全球广泛采用的MSW处置策略。在垃圾填埋过程中，厌氧发酵、有机物分解和雨水冲淋等作用形成的垃圾渗滤液具有水质复杂、生物降解性差、C/N比失衡、COD值逐渐减少、氨氮和总氮逐渐增加以及高电导率等特点，处理难度极大。

我国于2008年7月正式实施了《生活垃圾填埋场污染物控制标准》（GB 16889—2008），规定垃圾渗滤液处理出水中总氮浓度应低于40mg N·L^-1。在垃圾填埋期超过5年时，渗滤液中的NH₄⁺浓度可达1800~2000mg N·L^-1，并且少量可降解的有机物使得渗滤液可用的C/N比极低。传统脱氮工艺在处理时高浓度NH₄⁺需消耗更多能量进行硝化作用，并额外投加碱性物质以抵消产生的酸性条件，从而增加处理成本。此外，在反硝化过程中由于缺乏碳源，需要额外添加更多含碳物质提供电子供体，也进一步增加了处理成本。

目前，学者针对垃圾渗滤液的处理报道了许多新工艺，其中短程硝化联合厌氧氨氧化（PN/A）工艺的效果尤为显著。实现稳定的短程硝化（PN）并保持适当的NO₂^-/NH₄⁺比（1.0~1.3）是有效应用厌氧氨氧化（Anammox）工艺的关键前提条件。然而，以往的研究中需要添加外源载体控制NO₂^-/NH₄⁺比，或无法控制NO₂^-/NH₄⁺比从而需要通过其他途径提供NH₄⁺以实现Anammox过程。此外，一些用于抑制硝化菌（NOB）以实现PN的操作参数调节将不可避免地对亚硝化菌（AOB）的活性产生负面影响，并且最近发现NOB能够适应抑制生长的操作条件，从而破坏PN的长期稳定性。除此之外，Anammox过程中约有20%的NO₂^-会转变为NO₃^-，因此该过程理论上总氮去除率仅为89%。反硝化型厌氧甲烷氧化（DAMO）是一种利用NO₂^-和NO₃^-作为电子受体，CH₄作为电子供体的过程，将氮氧化物转化为N₂的同时将强温室气体CH₄转化为CO₂。该过程与Anammox耦合，不仅能够共同去除垃圾渗滤液中的NH₄⁺和NO_x^-，还可以原位利用垃圾填埋产生的甲烷，减缓由无序排放导致的温室效应等环境问题。

垃圾填埋气（LFG）是在厌氧微生物作用下降解有机废物而产生的混合气体，其主要成分为CH₄和CO₂，约占总体积的90%~99%，此外还含有0.005%~2%的H₂S等有害气体。直接排放LFG会导致环境恶臭、引发爆炸事故，并加剧温室效应等环境问题。随着《生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范》（CJJ133—2009）的实施，垃圾填埋气的收集与利用已常态化。然而，LFG中的H₂S在水和微氧存在条件下会对管道、储气罐、压缩机等设备的金属部分进行腐蚀，降低设备使用寿命，增加基础设施和维护成本。同时，燃烧H₂S所产生的SO₂会造成严重的环境影响。因此，对LFG进行脱硫提纯是其资源化利用的关键步骤之一。

综上所述，如何高效、经济地进行垃圾渗滤液深度处理并合理有效地利用LFG是当前环境领域备受关注的研究热点。基于上述问题，本研究旨在探究一种在深度处理垃圾渗滤液的同时实现垃圾填埋气脱硫脱碳提纯的方法。本研究通过反应器运行探究该方法的可行性，并通过多组学联用手段揭示垃圾渗滤液处理同步LFG脱硫提纯工艺的机理机制。

部分图片

图1 前置亚硝化反应器运行性能

图2 后置反应器运行性能

图3 垃圾渗滤液处理同步垃圾填埋气升级资源化工艺流程示意图

引文格式

聂文博,陈一.垃圾渗滤液处理同步填埋气脱硫脱碳提纯[J/OL].能源环境保护:1-8.[2023-12-29] https://doi.org/10.20078/j.eep.20231211.

NIE Wenbo,CHEN Yi.Simultaneous implementation for landfill leachate treatment and desulfurization and decarbonization of landfill gas purification[J/OL].Energy Environmental Protection:1-8.[2023-12-29] https://doi.org/10.20078/j.eep.20231211.

　　责任编辑：宫在芹

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