强化UASB-臭氧催化-MBR组合工艺处理老龄垃圾渗滤液的效能研究

摘要

城市生活垃圾主要通过焚烧、卫生填埋、发酵等方式进行处置。卫生填埋以其工艺设置简单、操作方便、投资费用少等优点成为主要的垃圾处理方式。随着填埋时间的不断增长，产生大量老龄垃圾渗滤液，老龄垃圾渗滤液组成成分复杂，含有多种有毒有害物质，可生化性较差。在实际运行中，存在诸多问题，如后续反渗透处理工艺能耗较大、对前端处理系统的出水有较高要求、膜污染严重等问题。因此，本文针对老龄垃圾渗滤液水质特点及实际运行中出现的问题，提出了强化UASB-臭氧催化-MBR组合工艺，系统研究了该组合工艺对老龄垃圾渗滤液的处理效能及机理研究，获得了有一定科学价值的成果。 首先，本文考察了不同进水负荷条件下，传统UASB工艺对老龄垃圾渗滤液的去除效能。在反应稳定运行90d后，其中COD负荷为0.15kg/（m3﹒d）的反应器，COD去除率为19.4%，反应器内亚硝态氮出现累积，硝态氮浓度减小，反应器出水中总氮去除率约为12.2%；传统厌氧工艺内投加葡萄糖作为共基质，可以强化UASB工艺对老龄垃圾渗滤液的处理效果，COD的去除率增加了54.6%，总氮的去除率则提高了64%。进一步对传统厌氧和葡萄糖强化厌氧工艺反应器中的污泥形态和微生物群落结构进行表征，结果表明，在反应器稳定运行阶段，在葡萄糖强化厌氧工艺反应器中，产甲烷的Euryarchaeota菌门、绿弯菌门Chloroflexi、紫荆菌门Armatimonadetes、厚壁菌门Firmicutes等菌群所占的比例大于传统厌氧工艺反应器中其所占比例。 其次，采用高级氧化技术进一步处理强化UASB工艺出水。本试验分别研究了以锆柱撑膨润土负载纳米四氧化三铁、牛粪灰负载纳米四氧化三铁作为类芬顿催化剂和臭氧催化剂，处理强化UASB工艺出水的效能研究。确定类芬顿催化试验操作条件为初始pH为2，锆柱撑膨润土负载纳米四氧化三铁（Fe3O4/Zr-B）投加量为1.0mg/L，双氧水投加量为0.1mmol/L，反应时间为4h，出水的COD的去除率为68%，BOD5/COD的值为0.27，达到最佳试验效果。臭氧催化试验操作条件为牛粪灰负载纳米四氧化三铁（nano-Fe3O4@CDA）和臭氧的投加量分别为0.8g/L和3.0g/L，反应时间为2h的试验条件下，出水COD的去除率为53%，BOD5/COD的值为0.32，达到最佳试验效果。从可生化性及有机物降解的角度出发，臭氧催化工艺更适合作为后续MBR膜生物反应器的前处理工艺。 第三，采取臭氧催化对老龄垃圾渗滤液中两种浓度较高的合成酚类抗氧化剂进行处理，即研究对双酚A（BPA）、2,2’-亚甲基-双（4-甲基-6-叔丁基苯酚）（AO2246）去除效能的影响。在初始pH为7.0左右，反应温度为25℃，BPA浓度为50mg/L，催化剂的投加量为0.10g/L，臭氧浓度为5mg/L的条件下，催化臭氧对BPA的去除率可达78%，Cl-、CO32-和HA等共存物质降低了BPA的降解效率。通过GC-MS、LC-MS对BPA降解过程中的中间产物进行测定，检测出草酸、丙二酸等9种中间产物，?OH是催化臭氧降解BPA的主要自由基种类。在初始pH为7.0左右,反应温度为25℃，AO2246浓度为10mg/L，催化剂投加量为0.20g/L，臭氧浓度为10mg/L的条件下，AO2246的去除率可达47.6%。采用GC-MS和LC-MS对AO2246降解的中间产物进行测定，检测出（3，5-双（1，1-二甲基乙基）-苯酚）、4-（1，1-二甲基乙基）-苯甲酸等11种中间产物，提出了其可能存在的降解途径，-OH在催化臭氧降解AO2246的过程中起主要作用。 最后，采用MBR膜反应器对臭氧催化反应出水进行深度处理，当HRT为28h时，COD的去除率可以达到25.2%，氨氮的平均去除率可以达到45.2%。MBR膜反应器对UV254的平均去除率维持在20.1%左右，大分子的富里酸及腐殖酸类物质降解为小分子的中间产物。此外，根据GC-MS解析可知，经过MBR膜反应器处理后，可生物降解的烷烃类所占比例显著降低，结构较为简单的醇类、烯烃类和酯类物质所占比例大幅增加。MBR反应器内活性污泥的菌群结构分析结果表明，在MBR反应器运行初期，芽单孢菌门Gemmatimonadetes、恐球菌-栖热菌门Deinococcus-Thermus所占比例较高；在MBR反应器稳定运行时期（HRT=28h），反应器内污泥已充分适应，因此二者的比列有明显下降。此外，硝化螺旋菌门Nitrospirae所占的相对比例由原来的0.49%上升至5.98%。 本文明确了强化UASB-臭氧催化-MBR组合工艺在老龄垃圾渗滤液毒性的降低、可生化性的提高以及有机污染物的去除方面具有显著优势，并明确了老龄垃圾渗滤液中合成酚类抗氧化剂（SPAs）的环境行为，分析了高级氧化对其降解效能及机理，为在实际渗滤液处理中运用臭氧催化技术降解SPAs做了探索。

目录

声明

主要缩略语

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 城市垃圾的处理现状

1.1.2 垃圾渗滤液的产生及影响因素

1.1.3 老龄垃圾渗滤液的水质特征

1.1.4 老龄垃圾渗滤液的危害

1.2 国内外老龄垃圾渗滤液处理的研究现状

1.2.1 生物处理法

1.2.2 物化处理法

1.2.3 土地处理法

1.2.4 老龄垃圾渗滤液特征污染物的研究进展

1.2.5 老龄垃圾渗滤液处理的发展趋势

1.3 目前老龄垃圾渗滤液处理工艺中存在的问题

1.4 课题的研究目的及主要研究内容

1.4.1 课题的研究目的和意义

1.4.2 课题的主要研究内容和技术路线

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 试验仪器和药品

2.2.1 试验仪器

2.2.2 试验药品

2.3 试验方案

2.3.1 厌氧工艺处理老龄垃圾渗滤液的效能研究

2.3.2 高级氧化工艺处理老龄垃圾渗滤液的效能研究

2.3.3 渗滤液中合成酚类抗氧化剂（SAPs）的降解效能研究

2.3.4 MBR工艺处理催化臭氧降解老龄垃圾渗滤液出水的效能研究

2.4 分析测试方法

2.4.1 常规分析项目和测试方法

2.4.2 X射线衍射分析

2.4.3 傅里叶红外转换光谱分析

2.4.4 扫描电镜分析

2.4.5 X射线光电子能谱分析

2.4.6 比表面积分析

2.4.7 三维荧光光谱分析

2.4.8 活性污泥比耗氧速率分析

2.4.9 高效液相色谱分析

2.4.10 分子量分布分析

2.4.11 电子顺磁共振分析

2.4.12 UV-vis光谱分析

2.4.13 污泥样品的高通量测序

2.4.14 胞外聚合物分析

2.4.15 气相-质谱联用分析

2.4.16 液相-质谱联用分析

3 UASB处理老龄垃圾渗滤液的效能研究

3.1 UASB工艺对老龄垃圾渗滤液中污染物去除的效能研究

3.1.1 进水负荷对UASB工艺去除渗滤液中污染物的影响

3.1.2 葡萄糖共基质强化UASB对渗滤液中污染物去除特性的影响

3.2 老龄垃圾渗滤液中氮素转化规律分析

3.2.1 不同进水负荷对UASB工艺运行中氮素转化规律的影响

3.2.2 葡萄糖共基质强化UASB工艺对氮素转化规律的影响

3.3 老龄垃圾渗滤液中溶解性有机物(DOM)降解特性研究

3.3.1 渗滤液中UV254去除的效能分析

3.3.2 三维荧光光谱特征分析

3.3.3 气相色谱－质谱联用特征分析

3.4 UASB反应器内活性污泥特性及微生物群落结构分析

3.4.1 反应器中活性污泥表征

3.4.2 UASB反应器内微生物群落结构分析

3.5 本章小结

4 高级氧化处理老龄垃圾渗滤液UASB出水的效能研究

4.1 催化剂的制备及表征

4.1.1 类芬顿催化剂的制备及表征

4.1.2 臭氧催化剂的制备及表征

4.2 类芬顿催化去除垃圾渗滤液厌氧出水中污染物的效能研究

4.2.1 类芬顿催化试验条件优化

4.2.2 类芬顿反应对渗滤液中有机物组分的影响

4.2.3 类芬顿反应降解机理分析

4.3 臭氧催化处理垃圾渗滤液厌氧出水的效能研究

4.3.1 臭氧催化试验条件优化

4.3.2 臭氧催化反应对渗滤液中有机物组分的影响

4.3.3 臭氧催化降解机理分析

4.4 类芬顿和臭氧催化两种高级氧化工艺处理效能的对比分析

4.5 本章小结

5 渗滤液中合成酚类抗氧化剂(SPAs)的去除效能研究

5.1 臭氧催化降解渗滤液中BPA的效能研究

5.1.1臭氧催化降解BPA试验影响因素分析

5.1.2 臭氧催化降解BPA的途径及相关机理分析

5.2 臭氧催化降解渗滤液中AO2246的效能研究

5.2.1臭氧催化降解AO2246试验影响因素分析

5.2.2臭氧催化降解AO2246的途径及相关机理分析

5.3 催化臭氧降解实际渗滤液中BPA和AO2246的效能研究

5.4 本章小结

6 MBR膜反应器深度处理臭氧催化工艺出水的效能研究

6.1 MBR工艺处理臭氧催化出水的效能研究

6.1.1 MBR工艺对臭氧催化出水中有机污染物去除效能分析

6.1.2 MBR工艺出水中氮素的去除及转化规律分析

6.1.3 渗滤液经MBR工艺处理后出水有机物组分的特性研究

6.2 MBR反应器内活性污泥及膜污染分析

6.2.1 水力停留时间对MBR反应器内活性污泥性质的影响

6.2.2 MBR反应器内污泥的傅里叶转换红外光谱分析

6.2.3 MBR反应器内膜粗糙度及重金属分析

6.2.4 MBR反应器内污泥及微生物形态分析

6.3 MBR反应器内细菌群落结构分析

6.4 强化UASB-臭氧催化-MBR组合工艺在工程中的应用前景分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

个人简历、在学校期间发表的学术论文与科研成果

致谢