某垃圾填埋場滲濾液反滲透濃縮液的MFC處理研究

摘 要：垃圾滲濾液反滲透濃縮液含鹽、高濃度有機物和營養(yǎng)物質。該文開展單室空氣陰極式的微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）處理廣西某垃圾填埋場不同鹽度的垃圾滲濾液反滲透濃縮液的處理研究。結果表明，鹽度越低，處理效果越好，當以低鹽度濃縮液混合乙酸鈉作為處理對象時，效果最佳，濃縮液中COD、NH3-N和TN的去除率分別達到90.91%、46.54%、64.89%。MFC處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液為高效低能耗處理提供新途徑。

關鍵詞：微生物燃料電池;垃圾滲濾液;反滲透濃縮液;鹽度;水質指標

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0076-04

Abstract： The reverse osmosis concentrate of garbage leachate contains salts， high concentrations of organic matter， and nutrients. A single-chamber air-cathode microbial fuel cell （MFC） treatment of landfill leachate with different salinity in a landfill site in Guangxi was carried out. The results show that the lower the salinity， the better the treatment effect. When low-salinity concentrate mixed with sodium acetate is used as the treatment object， the effect is the best， and the removal rates of COD， NH3-N and TN in the concentrate reach 90.91%， 46.54%， and 64.89%， respectively. MFC treatment of landfill leachate reverse osmosis concentrate provides a new approach for efficient and low energy consumption treatment.

Keywords： Microbial Fuel Cell （MFC）; landfill leachate; reverse osmosis concentrate; salinity; water quality indicators

我國城市垃圾量以每年9%～10%的速度增長，導致垃圾滲濾液產(chǎn)量巨大[1]。這些滲濾液一般需經(jīng)膜分離處理，處理后產(chǎn)生濃縮液。垃圾滲濾液反滲透濃縮液可以概括為一種含有一定鹽度（包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+離子和Zn、Pb等重金屬）、復雜的有機污染物和大量N、P等營養(yǎng)物質[2]。濃縮液因其高濃度的COD、高濃度的NH3-N等，已成為一個技術難題。

現(xiàn)今處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液主要有回灌、蒸發(fā)和高級氧化三大類[3]。回灌技術通過將濃縮液重新灌入垃圾填埋場，利用微生物進行降解[4]。此法能加快填埋場穩(wěn)定化，但對防滲條件要求高，且只能延緩而無法有效削減污染物排放[5]。蒸發(fā)法通過加熱使水分揮發(fā)來減少濃縮液體積[6]。此技術對設備要求較高，且能耗大，成本及安全問題都限制了其應用[7]。高級氧化法包括Fenton氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、電化學氧化法等類型，主要通過強氧化物質分解污染物，具有反應迅速、徹底降解、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，能夠有效降低COD濃度、NH3-N濃度和色度等，但同時由于存在利用效率低、電極材料貴、對水質pH和光照等反應條件有要求等原因使高級氧化技術成本上漲、效率低，從而限制了在濃縮液處理上的應用[8-9]。

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）是一種電化學法耦合生物法的同步污水處理和資源回收新技術，其原理是利用電極附著產(chǎn)電微生物在厭氧環(huán)境下代謝有機物來產(chǎn)生電子和質子，進而通過外電路產(chǎn)生電流[10]。研究表明，MFC可以在耐受高鹽度下有效去除廢水中的有機物和氮，還能同時產(chǎn)生電能[11]。因此，針對垃圾滲濾液反滲透濃縮液的高鹽度、高COD、高NH3-N特性，MFC技術具有潛在的處理能力。本研究針對廣西某垃圾滲濾液反滲透濃縮液開展MFC處理效果研究，探究垃圾滲濾液反滲透濃縮液中的COD、TN和NH3-N去除效率。

1 材料與方法

1.1 廢水來源與水質

本研究中的垃圾滲濾液反滲透濃縮液取自廣西某生活垃圾填埋場的滲濾液處理站，根據(jù)取樣時間的不同得到3個含不同鹽度的濃縮液樣品，其主要水質指標見表1。

1.2 MFC構建、啟動和運行

本研究中使用的MFC反應器采用有機玻璃制成。反應器有效空間為長度4 cm，橫截面直徑為3 cm的圓柱體。反應器陽極材料采用長度3 cm，直徑3 cm的碳纖維刷，陽極碳刷使用前放置于450 ℃的馬弗爐中燒結30 min。陰極材料采用以80目的不銹鋼網(wǎng)為基底，導電炭黑為擴散層，活性炭為催化層制成的空氣陰極，有效面積為7 cm2 [12]。

MFC的接種液均取自廣西某污水處理廠的二沉池污泥，陽極液采用乙酸鈉基質（1 g/L乙酸鈉、10.35 g/L 磷酸氫二鈉、3.31 g/L磷酸二氫鈉、0.13 g/L氯化鉀、0.31 g/L氯化銨、5 mL/L維生素、12.5 mL/L微量元素）[13]。以乙酸鈉基質和接種液以體積比1∶1作為MFC的燃料進行接種啟動。MFC的陰陽極之間串聯(lián)一個1 000 Ω的電阻形成閉路，采用數(shù)據(jù)采集卡對電阻兩端的輸出電壓進行監(jiān)測，在輸出電壓呈現(xiàn)規(guī)律拋物線，于拋物線低點時更換接種液。當外電阻兩端輸出電壓在500 mV以上并持續(xù)穩(wěn)定運行時，即可認為MFC接種啟動成功。

MFC接種啟動成功后，將進水分別替換成3個垃圾滲濾液反滲透濃縮液（高鹽組、中鹽組、低鹽組），同時按照1 g/L的質量濃度在各組分別投入乙酸鈉固體配制成共基質，作為實驗組MFC的進水進行實驗，同時對每個處理周期（24 h）的輸出電壓進行實時監(jiān)測，對最終出水的水質情況進行檢測。同時構建相同的3組不添加乙酸鈉共基質的MFC作為對照組。

1.3 分析方法

COD、NH3-N和TN分別按照國標GB 11914—89《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》、GB 7479—87《水質 銨的測定 納氏試劑比色法》和HJ 636—2012《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》，采用格林凱瑞儀器多參數(shù)水質分析儀GL-900進行測定。

2 結果與討論

2.1 COD的去除效果與機理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進水時，經(jīng)1個處理周期（24 h）后出水水樣COD濃度的變化如圖1所示。其中低鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 232±44 mg/L逐漸降至112±3 mg/L，周期內的總去除率達到90.91%，中鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 464±62 mg/L逐漸降至488±21 mg/L，周期內的總去除率為66.67%，而高鹽組經(jīng)處理后COD濃度從1 830±72 mg/L逐漸降至915±70 mg/L，周期內的總去除率僅為50%。研究表明，低鹽度濃縮液有利于MFC對其中COD的去除。

MFC對濃縮液中的COD去除機制可以解釋為：在MFC的陽極，有機物（包括乙酸鈉和濃縮液中原有的難降解有機物，以R表示）在產(chǎn)電微生物的作用下被直接氧化成CO2，并釋放出e-和H+。這些e-隨后通過外部電路傳遞到陰極，而H+則通過濃縮液傳遞到陰極，從而參與到MFC的電流產(chǎn)生中。這個過程可以表示為以下反應方程式

R+nH2O→CO2+nH++ne-。

由此可見，這個過程不僅有助于垃圾滲濾液反滲透濃縮液中有機污染物的去除，還能同時產(chǎn)生電能，實現(xiàn)了廢水處理與能源回收的雙重目標。

2.2 氨氮的去除效果與機理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進水時，NH3-N濃度的變化如圖2所示。從圖中可看出，低鹽組經(jīng)過MFC的1個24 h周期處理后，NH3-N濃度從260±5 mg/L逐漸下降至139±2 mg/L，周期內的總去除率為46.54%;中鹽組NH3-N濃度從412±17 mg/L逐漸下降至270±9 mg/L，周期內的總去除率為34.47%;高鹽組NH3-N濃度從662±9 mg/L略微下降至530±18 mg/L，周期內的總去除率為19.94%。低鹽組+乙酸鈉共基質經(jīng)MFC處理后雖然去除率僅有46.54%，但均比中鹽組+乙酸鈉共基質和高鹽組+乙酸鈉共基質的去除率要高，說明利用MFC對低鹽組+乙酸鈉共基質進行處理，能夠更有效地降低NH3-N濃度。

MFC能夠有效去除濃縮液中NH3-N的原因可以解釋為：由于MFC反應器中采用了不銹鋼網(wǎng)為基底，導電炭黑為擴散層，活性炭為催化層的空氣陰極，使得大氣中的氧氣能夠透過空氣陰極進入反應器內，在接近陰極處形成了一個空氣-濃縮液-陰極（氣-水-固）界面，長期培養(yǎng)后滋生了大量硝化細菌，讓濃縮液中的NH3-N在O2催化下發(fā)生硝化反應（2NH4++3O2+4e-→2NO3-+H2O），從而以轉化為硝態(tài)氮的形式去除[12]。

2.3 總氮的去除效果與機理

采用高鹽、中鹽和低鹽組的濃縮液分別添加1 g/L乙酸鈉作為MFC進水時，TN隨時間的變化如圖3所示。從圖中可看出，在MFC處理低鹽組1個周期（24 h）后，TN濃度從393±12 mg/L逐漸降至138±6 mg/L，周期內的總去除率為64.89%;中鹽組經(jīng)處理1個周期后，TN濃度從624±20 mg/L逐漸降至390±6 mg/L，周期內的總去除率為37.50%;高鹽組經(jīng)處理1個周期后，TN濃度從1 042±15 mg/L略微降到848±24 mg/L，周期內的總去除率僅為18.62%。實驗表明，低鹽組+乙酸鈉共基質經(jīng)MFC處理后，能夠進一步降低TN的濃度。MFC對濃縮液中TN的去除機制為：在遠離陰極處的反應器內濃縮液呈缺氧狀態(tài)，可通過陽極生物膜上附著的反硝化細菌進行反硝化反應（2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O），將濃縮液中的硝態(tài)氮還原生成的氮氣進入空氣中，從而實現(xiàn)MFC對濃縮液的脫氮效果。另外，MFC對TN的去除率均高于相同條件的對NH3-N的去除率（圖2），這是由于MFC反應器內部大部分位置呈現(xiàn)厭氧/缺氧狀態(tài)，僅僅在陰極表面部分能夠呈現(xiàn)適應于硝化細菌生存的好氧狀態(tài)，使得MFC中的反硝化作用強于硝化作用[14]。

采用低鹽組出水+乙酸鈉共基質作為MFC進水時，TN的去除效果較好，去除率達64.89%，這是由于垃圾滲濾液RO濃縮液中存在大部分腐殖酸等微生物無法降解的污染物，而投加乙酸鈉能夠使產(chǎn)電微生物活性增強，產(chǎn)電性能的提高能夠促進硝化反應和反硝化反應，所以在低鹽組出水中投加乙酸鈉固體配制成共基質更有利于TN的去除。

3 結論

1）隨著垃圾滲濾液反滲透濃縮液中鹽度的增加，MFC處理的效果逐漸降低。以投加乙酸鈉作為共基質處理低鹽度的濃縮液效果最佳。

2）MFC對低鹽度濃縮液中的COD去除率最高，達到90.91%，且采用乙酸鈉作為共基質運行更加有利于COD的去除。這一過程不僅去除了有機污染物，還能同時產(chǎn)生電能，實現(xiàn)了廢水處理與能源回收的雙重目標。

3）在脫氮方面，MFC對低鹽度濃縮液中的NH3-N和TN去除效果較好。NH3-N的去除主要得益于MFC反應器中硝化細菌的作用，而TN的去除則主要通過反硝化反應實現(xiàn)。中、高鹽環(huán)境會對MFC的脫氮效果造成抑制。

綜上所述，MFC在處理低鹽度的垃圾滲濾液反滲透濃縮液時表現(xiàn)出最佳的污染物去除效果，為高效處理垃圾滲濾液反滲透濃縮液提供了新的思路。

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基金項目：中國有色桂林礦產(chǎn)地質研究院有限公司創(chuàng)新基金項目（KDYCXJJ202104）

第一作者簡介：農澤喜（1986-），男，碩士，高級工程師。研究方向為環(huán)境污染防治控制技術與工程。

*通信作者：郭尚其（1984-），男，碩士，高級工程師。研究方向為環(huán)境污染防治控制技術與工程。