矿物影响垃圾渗滤液中有机物厌氧分解的实验研究

摘要

本文通过开展序批式实验，研究了在添加地球环境中分布广泛且易获取的几种矿物（碳酸盐、硫酸盐、铁氧化物、硫化物和粘土矿物）的条件下，垃圾渗滤液及单一底物乙酸钠厌氧生物分解过程中CH4、CO2、TOC、总无机碳(TIC)、pH、氧化还原电位及溶液中COD的变化情况，由此分析矿物促进垃圾渗滤液中有机物分解的效果和机制。研究结果可以为提高垃圾渗滤液的处理效率提供一个新的思路和方法。
　　实验结果表明，添加碳酸盐（方解石和白云石）和硫酸盐（石膏和硬石膏）矿物条件下，当反应达到稳定时（20天以上），与空白对照组相比，添加碳酸盐或者硫酸盐矿物的反应瓶中COD的去除率可以达到75％左右，而空白对照组仅有60％;添加两类矿物对氨氮去除率影响不大;两类矿物作用下CH4产率均显著增加，其中白云石的促进作用尤为明显。碳酸盐矿物提高垃圾渗滤液中有机物降解的原因可能是其对溶液pH值起到了缓冲效果，使微生物能在一个相对稳定的条件下生长，这种作用对强化产甲烷菌的活性尤其有效。另外白云石和方解石中的Ca2+和Mg2+也可以作为厌氧微生物的能量促进剂，有助于提高微生物细胞膜的通透性。硫酸盐矿物在垃圾渗滤液降解体系中可以作为微生物生长的电子受体，促进厌氧微生物的生长及有机物的分解。
　　在铁氧化物（赤铁矿）和铁硫化物（黄铁矿、磁黄铁矿）实验组中，三种矿物均促进了垃圾渗滤液中COD的降解和CH4的产生。其中磁黄铁矿实验组促进效果最佳，COD去除率可达69％，而空白对照组仅有47％。磁黄铁矿促进COD降解的机制为其具有多种反应活性位、同时可以作为导电介质促进有机质与微生物之间的电子传递，因此能增强垃圾渗滤液中微生物的活性;黄铁矿促进COD降解可能与其具有导电性有关;赤铁矿促进COD降解的机制为其可作为电子受体促进微生物的生长。
　　在粘土矿物实验组中，垃圾渗滤液中有机物降解率大小依次为:高岭石＞蒙脱石＞凹凸棒石＞伊利石＞空白。添加粘土矿物的反应瓶中有机物去除率可达80％左右，而空白对照组有机物去除率仅有71％。实验组中产甲烷量的顺序为:高岭石＞蒙脱石＞凹凸棒石＞伊利石＞空白，分别为空白对照组的3.05、2.78、2.78和2.55倍。粘土矿物促进有机物降解及产甲烷的机制为其含有较多微生物生长代谢所需的微量元素，同时微生物在矿物表面附着可以增强有机物-微生物-电子受体间的电子传递效率，进而达到强化有机物降解的效果。
　　在单一底物乙酸钠实验中，黄铁矿、赤铁矿和针铁矿同样能促进COD的降解和CH4的生成，在乙酸钠条件下有机质-甲烷转化率远高于垃圾渗滤液实验中的转化率。底物可降解性的差异使得垃圾渗滤液中各种微生物的活性不同，进而会影响其分解产物的类型及含量。
　　本研究使用的矿物均可促进垃圾渗滤液的厌氧消化，但无论是效果还是机制均存在较大差异，选择一种价格低廉且环境友好的矿物作为垃圾渗滤液厌氧消化促进剂是值得进一步深入研究的工作。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 垃圾渗滤液概况及其研究现状

1．1．1 垃圾渗滤液概况

1．1．2 垃圾渗滤液的形成机制

1．1．3 垃圾渗滤液的分类

1．1．4 垃圾渗滤液的环境危害

1．1．5 垃圾渗滤液的主要处理方法

1．1．6 垃圾渗滤液的厌氧生物处理方法

1．1．7 存在的问题

1．2 矿物促进垃圾渗滤液厌氧降解研究进展

1．2．1 矿物强化垃圾渗滤液厌氧降解的机制

1．2．2 矿物-微生物交互作用研究进展

1．2．3 主要用于垃圾渗滤液处理的矿物及其特征

1．3 矿物学方法存在的问题

1．4 矿物-微生物相互作用研究的环境意义

1．5 本论文的主要研究内容、技术关键及创新点

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术关键及创新点

1．6 本论文的研究意义

第二章 实验材料、设备及测试方法

2．1 实验材料

2．2 实验主要仪器、设备和试剂

2．3 分析测试方法

第三章 碳酸盐-硫酸盐矿物强化垃圾渗滤液有机物降解的对比研究

3．1 实验方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 溶液pH值变化

3．2．2 溶液氧化还原电位变化

3．2．3 产气中甲烷分析

3．2．4 产气中CO2分析

3．2．5 溶液中COD变化

3．2．6 溶液中氨氮变化

3．3 体系中的碳平衡

3．4 本章小结

第四章 铁氧化物及铁硫化物强化垃圾渗滤液有机物降解的对比研究

4．1 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 矿物对产气的影响

4．2．2 矿物对垃圾渗滤液COD的影响

4．2．3 体系碳平衡

4．3 本章小结

第五章 粘土矿物强化垃圾渗滤液有机物降解的对比研究

5．1 实验设计

5．2 结果与讨论

5．2．1 溶液pH值变化

5．2．2 溶液ORP变化

5．2．3 产气中甲烷分析

5．2．4 产气中CO2分析

5．2．5 溶液中COD变化

5．3 本章小结

第六章 矿物强化乙酸钠厌氧降解的实验研究

6．1 实验设计

6．2 结果及讨论

6．2．1 产气中甲烷分析

6．2．2 产气中二氧化碳分析

6．2．3 矿物对体系中COD的影响

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文