CN104129852B - 一种垃圾填埋场h2s内源削减的方法及反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垃圾填埋场H₂S内源削减的方法及反应装置，方法包括：(1)将垃圾填埋场内的渗滤液泵入生物滴滤塔内，所述渗滤液与生物滴滤塔内的弹性组合填料接触反应，进行硝化与反硝化脱硫，所述弹性组合填料内部填充固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒；(2)经步骤(1)预处理后的渗滤液进行回灌填埋。本发明在常规的渗滤液回灌填埋工艺的基础上，本发明的渗滤液回灌前经过生物滴滤塔预处理，使渗滤液中氨氮大部分转化为硝氮，同时通过反硝化脱硫菌进行反硝化脱硫过程，抑制了渗滤液中硫化物的产生，再回灌到填埋场内，从而抑制垃圾填埋场内硫化物的积累，最终削减H₂S的释放量。

Description

一种垃圾填埋场H2S内源削减的方法及反应装置

技术领域

本发明属于填埋场恶臭控制技术领域，具体涉及一种利用反硝化脱硫行为实现H₂S的内源削减方法及反应装置。

背景技术

随着城市规模不断扩大和生活垃圾产量迅增，我国一些垃圾填埋场正逐渐被居民区包围，垃圾填埋场的恶臭扰民已然成为公众投诉最广的环境公害之一。填埋场恶臭污染具有范围广、浓度高和危害大等特点，各种恶臭中，以H₂S最为典型和普遍。

例如，公开号为CN101791618A的中国发明专利申请公开了一种环境保护领域垃圾填埋场恶臭气体原位控制方法，其步骤如下：将20～100重量份恶臭原位控制覆盖材料与0.1～80重量份垃圾填埋场覆土混匀，得到垃圾填埋场恶臭原位控制覆土；在垃圾填埋场恶臭原位控制覆土中添加0.1～10重量份的除臭菌剂，混和均匀；然后将调理后的垃圾填埋场恶臭原位控制覆土作为日覆土或中间覆土或终场覆土覆盖到填埋垃圾表面或覆土表层，整平并适度压实。

研究表明，填埋场运行过程中H₂S浓度可达179ppm，我国329座城市生活垃圾处理场的无组织排放废气中H₂S的超标倍数为0.5～24。H₂S具有典型的臭鸡蛋味和极低的嗅阈值(0.5ppb)，当其被吸入时能使线粒体呼吸中的细胞色素氧化酶失活，而当其浓度为50-100ppm时能显著刺激眼睛，达到300-500ppm时则能重度中毒致死。近年来，国际上曾报道了5500例因填埋场H₂S引起的环境事故，其中29人因H₂S中毒死亡。填埋场释放的H₂S已严重危及人类健康与生态安全，开展经济有效的填埋场H₂S控制技术研究显得尤为迫切。

当前，国内外关于H₂S控制的研究主要聚焦于城市下水道环境，大体可概括为两类：一类是通过提高氧化还原电位降低或抑制H₂S的产生，如增加氧气或溶解氧、投加过氧化物、硝酸盐或铁盐等；另一类则为化学手段，如pH控制法、钼酸盐抑制法、固相氧化燃料电池法、以及投加H₂O₂、氯和高锰酸钾等。

目前填埋场H₂S的控制主要是在覆盖层进行相对被动的末端“治标”控制，还缺乏更高效的针对填埋场内源控制的“治本”手段，这对于大力发展可持续填埋的国际形势而言无疑是一大瓶颈。因此，垃圾填埋场H₂S的原位控制已成为急需解决的关键的科学问题之一。

发明内容

本发明提供了一种垃圾填埋场H₂S内源削减的方法及反应装置，从源头上解决垃圾填埋场H₂S污染问题。

一种垃圾填埋场H₂S内源削减的方法，包括如下步骤：

(1)将垃圾填埋场内的渗滤液泵入生物滴滤塔内，所述渗滤液与生物滴滤塔内的弹性组合填料接触反应，进行硝化与反硝化脱硫，所述弹性组合填料内部填充固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒；

(2)经步骤(1)预处理后的渗滤液进行回灌填埋。

本发明处理方法的H₂S内源削减原理：

将模拟填埋场反应器产生的渗滤液收集后泵入生物滴滤塔顶部进行预处理，通过利用混合固定的硝化细菌和反硝化脱硫菌在一个反应器中同时实现硝化和反硝化脱硫过程。

渗滤液中高浓度氨氮在硝化菌的作用下转化为硝氮，同时固定化细胞中的反硝化脱硫菌以硝酸盐为电子供体，以各种类型的含硫化合物(如硫化物、聚硫化物、元素硫、硫代硫酸盐和亚硫酸盐)为电子受体进行代谢，硝氮及硫化物经历着同步脱氮及硫化物氧化过程，其中硝氮被还原为亚硝氮或氮气，硫化物被氧化形成单质硫或硫酸盐，从而实现脱氮的同时抑制了硫化物的产生。

反硝化脱硫菌能抑制硫化物产生的原理是：反硝化脱硫菌是一种自养型反硝化菌，在利用硝酸盐为电子受体、硫化物为电子供体进行代谢的同时还可与硫酸盐还原菌形成底物竞争而抑制硫酸盐的厌氧还原，与此同时，反硝化脱硫菌的代谢产物之一——亚硝酸盐能强烈抑制硫酸盐还原菌的活性，可进一步抑制硫化物的产生，渗滤液预处理后再回灌到填埋场内，有效的抑制了硫化物的积累，最终实现填埋场H₂S内源削减的目的。

作为优选，所述弹性组合填料为直径为6～8厘米的镂空塑料球，所述固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒填充在该镂空塑料球内，固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒在镂空塑料球内的占比率为40～60％。

进一步优选，所述弹性组合填料为直径为8厘米的镂空塑料球，固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒在镂空塑料球内的占比率为50％。

若无特殊说明，本发明中固定化颗粒的占比率是指固定化颗粒占塑料球内体积的比例，计算公式为：

占比率(％)＝(固定化颗粒体积/塑料球内体积)×100％。

所述镂空塑料球内还装有占比率为30％规则的40目滤布。若无特殊说明，本发明中滤布的占比率是指滤布占有塑料球内体积的比例，计算公式为：

占比率(％)＝(滤布体积/塑料球内体积)×100％。

所述固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒的制备方法如下：

(1)将对数生长期的硝化菌的悬浮液和反硝化脱硫菌的悬浮液混合，离心收集菌体，生理盐水洗涤，得浓缩菌体；

(2)将所述浓缩菌体与海藻酸钠胶体溶液混匀，用无菌注射器滴入CaCl₂溶液中，滴加同时搅拌CaCl₂溶液，形成直径为2.5～3.5mm颗粒；

(3)将所得颗粒钙化后倾去CaCl₂溶液，用无菌生理盐水洗涤，最后以无菌生理盐水浸泡保存。

其中，硝化菌的悬浮液和反硝化脱硫菌的悬浮液混合体积比为1:1～2，优选为1:2。离心在5000r/min下离心15min。

海藻酸钠胶体溶液的质量浓度优选为2％，2％海藻酸钠胶体溶液与浓缩菌体的混合体积比为8～12:1，优选为10:1；CaCl₂溶液的质量浓度优选为4％。

钙化过程在4℃冰箱中完成，钙化时间优选为2～10h。

关于固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒的制备方法，最优选为：

将对数生长期的硝化菌的悬浮液和反硝化脱硫菌的悬浮液按体积比为1:2混合后，在5000r/min下离心15min，用生理盐水洗涤；然后将所得的浓缩菌体加入到质量浓度为2％的海藻酸钠胶体溶液中充分混合，海藻酸钠胶体溶液与浓缩菌体的混合体积比为10:1，用无菌的注射器滴入质量浓度为4％的CaCl₂溶液中，并同时以磁力搅拌器不断搅拌CaCl₂溶液，形成直径为3mm左右的颗粒，置于4℃冰箱中钙化6h后倾去CaCl₂溶液，用无菌生理盐水洗涤颗粒2～3次，以无菌生理盐水浸泡，保存于4℃冰箱中备用。

作为优选，所述渗滤液在生物滴滤塔内的停留时间为12～18h。进一步优选为15h。在此停留时间内具有最大的脱氮脱硫效率。

作为优选，生物滴滤塔内温度为30℃左右(优选为28～32℃)，pH值在7.5～8.5之间。在此温度及pH值条件下，微生物的代谢活性最佳，处理效率最大。

作为优选，所述渗滤液预处理后在8h内回灌到填埋体中，回灌频率为每两天1次。

进一步优选地，采用上述各优选条件的组合，在上述优选条件的组合下，对填埋场H₂S的内源削减能力得到进一步的提高。

本发明还提供一种垃圾填埋场H₂S内源削减的反应装置，包括垃圾填埋罐，所述垃圾填埋罐的底部带有一渗滤液储槽、顶部带有回灌口；还包括一生物滴滤塔，所述生物滴滤塔内装挂弹性组合填料，所述生物滴滤塔顶部带有与所述渗滤液储槽连通的渗滤液入口、底部带有与所述回灌口连通的渗滤液出口。

弹性组合填料上接种固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒，渗滤液在塔顶通过布水系统喷淋而下，均匀分布在填料表面上，依靠重力作用向下流的过程中与填料内的固定化细胞充分接触发生反应，实现同步反硝化脱硫。

作为优选，所述弹性组合填料装挂在生物滴滤塔的中部，装挂高度为75～85cm。

所述生物滴滤塔的塔体优选为内径50厘米，高1.5米的圆柱型混凝土结构，在此条件下，弹性组合填料的装挂高度进一步优选为80cm。

作为优选，所述垃圾填埋罐包括罐体，所述罐体内至上而下依次为顶空层、沙层、填埋垃圾层、碎石层和渗滤液储槽，所述顶空层内布设布水系统，该布水系统与回灌口连通。

进一步优选，垃圾填埋罐的罐体采用内径50厘米、高2米的圆柱形结构；渗滤液储槽的高度设置为300mm；碎石层的厚度为100mm；填埋垃圾层的高度为1400mm；沙层的高度为100mm；顶空层的高度为100mm。

进一步优选，所述填埋垃圾层的垃圾填埋密度为0.6t/m³；碎石层的碎石粒径为10-40mm。

在上述各优选条件的组合下，本发明的反应装置对渗滤液中H₂S的内源削减能力最强。

所述弹性组合填料的型号及制备方法如前所述。

顶空层的顶部还带有气孔。

所述填埋垃圾层处的罐体壁上设置按上、中、下三层设置九个采样口(每层三个，均匀分布)，每层的三个采样口之间夹角为120°。

垃圾填埋前进行筛选、破碎和翻堆混合均匀等预处理步骤；填埋垃圾层的垃圾含水率调节至75％。

本发明的方法优选采用本发明的装置完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)在常规的渗滤液回灌填埋工艺的基础上，本发明的渗滤液回灌前经过生物滴滤塔预处理，使渗滤液中氨氮大部分转化为硝氮，同时通过反硝化脱硫菌进行反硝化脱硫过程，抑制了渗滤液中硫化物的产生，再回灌到填埋场内，从而抑制垃圾填埋场内硫化物的积累，最终削减H₂S的释放量。

(2)本发明在生物滴滤塔填料内装填固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒，这种固定化混合菌对渗滤液适应能力强，能同步进行硝化、反硝化脱硫过程，对脱氮脱硫十分有利。

(3)本发明处理成本低，操作简单易行，且有利于填埋场的稳定化进程。

附图说明

图1是实现本发明方法的装置结构示意图。

其中图中所示附图标记如下：

1-渗滤液出口2-渗滤液储槽3-碎石层

4-填埋垃圾层5-取样口6-沙层

7-顶空层8-气孔9-回灌口

10-渗滤液收集桶11-第一提升泵12-第一布水系统

13-生物滴滤塔14-弹性组合填料15-渗滤液入口

16-第二布水系统17-第二提升泵18-垃圾填埋罐。

具体实施方式

一种垃圾填埋场H₂S内源削减的反应装置，包括垃圾填埋罐和生物滴滤塔。

垃圾填埋罐18包括罐体，罐体内从上至下依次为顶空层7、沙层6、填埋垃圾层4、碎石层3和渗滤液储槽2，罐体的顶部带有回灌口9，渗滤液储槽2处带有渗滤液出口1，顶空层7内布设第一布水系统12，该布水系统与回灌口9连通。

本实施方式中，垃圾填埋罐的罐体为内径50厘米、高2米的圆柱形结构，渗滤液储槽的高度设置为300mm；碎石层的厚度为100mm；填埋垃圾层的高度为1400mm；沙层的高度为100mm；顶空层的高度为100mm。填埋垃圾层处的罐体壁上按上、中、下三层设置九个采样口(每层三个，均匀分布)，每层的三个采样口之间夹角为120°，顶盖分别设置气孔8和回灌口9，底部出口则为渗滤液排放及采样口。

模拟填埋场内(即罐体)底部设300mm高度的渗滤液储槽；上面铺设有100mm厚的碎石层以模拟渗滤液导出系统，并可防止渗滤液出口堵塞；顶部设100mm高度的气室，生活垃圾填埋在中间1400mm高的空间内，垃圾顶层设有100mm渗滤液分流层，以使渗滤液回灌过程中均匀回流至填埋垃圾内。模拟填埋场所有接口处均密封处理，以保证内部厌氧环境。从居民区处取来生活垃圾预处理后装填入模拟填埋场反应器内，装填过程中用棒槌压实，随后通过添加自来水调节含水率至75％，装填完毕后顶层覆盖细沙和渗滤液布水系统，最后密封顶盖。

生物滴滤塔13内装挂弹性组合填料14，顶部带有与渗滤液储槽连通的渗滤液入口15，底部带有与回灌口9连通的渗滤液出口。弹性组合填料14装挂在塔体的中部，弹性组合填料14的上方设置第二布水系统16，该布水系统与渗滤液入口15连通。

在垃圾填埋罐18与生物滴滤塔13之间设有一渗滤液收集桶10，该渗滤液收集桶的入口连接垃圾填埋罐的渗滤液出口1，出口通过第一提升泵11连接生物滴滤塔顶部的渗滤液入口15。

本实施方式中，生物滴滤塔3的塔体为内径50厘米，高1.5米的圆柱型混凝土结构，所述弹性组合填料的装挂高度为75～85cm，优选为80cm。

弹性组合填料上接种固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒，渗滤液在塔顶通过布水系统喷淋而下，均匀分布在填料表面上，依靠重力作用向下流的过程中与填料内的固定化细胞充分接触发生反应，实现同步反硝化脱硫。

弹性组合填料为直径为6～8厘米(优选为8cm)的镂空塑料球，固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒填充在该镂空塑料球内，固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒在镂空塑料球内的占比率为40～60％(优选为50％)，镂空塑料球内还装有占比率为30％规则的40目滤布

固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒的制备方法如下：

将对数生长期的硝化菌的悬浮液和反硝化脱硫菌的悬浮液按体积比为1:2(或1:1)混合后，在5000r/min下离心15min，用生理盐水洗涤；然后将所得的浓缩菌体加入到质量浓度为2％的海藻酸钠胶体溶液中充分混合，海藻酸钠胶体溶液与浓缩菌体的混合体积比为10:1，用无菌的注射器滴入质量浓度为4％的CaCl₂溶液中，并同时以磁力搅拌器不断搅拌CaCl₂溶液，形成直径为3mm左右的颗粒，置于4℃冰箱中钙化6h后倾去CaCl₂溶液，用无菌生理盐水洗涤颗粒2-3次，以无菌生理盐水浸泡，保存于4℃冰箱中备用。

渗滤液在生物滴滤塔内的停留时间为12～18h，优选为15h，生物滴滤塔内保持温度在30℃左右，pH值在7.5～8.5之间，渗滤液预处理后在8h内回灌到填埋体中，回灌频率为每两天1次。

利用上述装置进行的实施例如下：

实施例1

本实施例为空白对照试验，不存在生物滴滤塔预处理系统，为单纯的垃圾填埋回灌型工艺。具体实施情况如下所述：

将模拟填埋场反应器产生的渗滤液收集于收集桶后由提升泵从填埋层顶部经布水系统回灌到填埋场内，回灌过程保证渗滤液在8h内回灌到填埋体中，回灌频率为每两天1次。

模拟填埋场反应器出现氨氮的积累，顶部出气口的H₂S释放量为16.15ppmV。

实施例2

采用本发明的装置，将模拟填埋场反应器产生的渗滤液收集于收集桶后由提升泵泵入生物滴滤塔顶部进行预处理，生物滴滤塔内装挂弹性组合填料，弹性组合填料上接种固定化反硝化脱硫菌颗粒，固定化反硝化脱硫菌颗粒在球内占比率为50％。

渗滤液在塔顶通过布水系统喷淋而下，均匀分布在填料表面上，渗滤液在生物滴滤塔内的停留时间为15h。渗滤液经预处理后由提升泵从填埋层顶部经布水系统回灌到填埋场内，回灌过程保证渗滤液在8h内回灌到填埋体中，回灌频率为每两天1次。

模拟填埋场反应器氮的脱除率达43％，顶部出气口的H₂S释放量为13.23ppmV。

实施例3

将模拟填埋场反应器产生的渗滤液收集于收集桶后由提升泵泵入生物滴滤塔顶部进行预处理，生物滴滤塔内装挂弹性组合填料，弹性组合填料上接种固定化微生物颗粒，固定化微生物颗粒由对数生长期的硝化菌和反硝化脱硫菌的悬浮液按1:1混合制备而成，固定化微生物颗粒在球内占比率为50％。

渗滤液在塔顶通过布水系统喷淋而下，均匀分布在填料表面上，渗滤液在生物滴滤塔内的停留时间为15h。渗滤液经预处理后由提升泵从填埋层顶部经布水系统回灌到填埋场内，回灌过程保证渗滤液在8h内回灌到填埋体中，回灌频率为每两天1次。

模拟填埋场反应器氮的脱除率达57％，顶部出气口的H₂S释放量为6.37ppmV。

实施例4

将模拟填埋场反应器产生的渗滤液收集于收集桶后由提升泵泵入生物滴滤塔顶部进行预处理，生物滴滤塔内装挂弹性组合填料，弹性组合填料上接种固定化微生物颗粒，固定化微生物颗粒由对数生长期的硝化菌和反硝化脱硫菌的悬浮液按1:2混合制备而成，固定化微生物颗粒在球内占比率为50％。

渗滤液在塔顶通过布水系统喷淋而下，均匀分布在填料表面上，渗滤液在生物滴滤塔内的停留时间为15h。渗滤液经预处理后由提升泵从填埋层顶部经布水系统回灌到填埋场内，回灌过程保证渗滤液在8h内回灌到填埋体中，回灌频率为每两天1次。

模拟填埋场反应器氮的脱除率达66％，顶部出气口的H₂S释放量为2.94ppmV。

由以上结果可知，本发明的方法和装置能够很好地对垃圾填埋场的渗滤液中的H₂S进行内源削减，大大降低排放气体中H₂S的含量。

Claims (5)

1.一种垃圾填埋场H₂S内源削减的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将垃圾填埋场内的渗滤液泵入生物滴滤塔内，所述渗滤液与生物滴滤塔内的弹性组合填料接触反应，进行硝化与反硝化脱硫，所述弹性组合填料内部填充固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒；所述弹性组合填料为直径为6～8厘米的镂空塑料球，所述固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒填充在该镂空塑料球内，固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒在镂空塑料球内的占比率为40～60％；所述渗滤液在生物滴滤塔内的停留时间为12～18h；

所述固定化硝化菌和反硝化脱硫菌颗粒的制备方法如下：

将对数生长期的硝化菌的悬浮液和对数生长期的反硝化脱硫菌的悬浮液混合，离心收集菌体，生理盐水洗涤，得浓缩菌体；

将所述浓缩菌体与海藻酸钠胶体溶液混匀，用无菌注射器滴入CaCl₂溶液中，滴加同时搅拌CaCl₂溶液，形成直径为2.5～3.5mm颗粒；

将所得颗粒钙化后倾去CaCl₂溶液，用无菌生理盐水洗涤，最后以无菌生理盐水浸泡保存；

(2)经步骤(1)预处理后的渗滤液进行回灌填埋；

实现垃圾填埋场H₂S内源削减的方法的反应装置包括垃圾填埋罐，所述垃圾填埋罐的底部带有渗滤液储槽、顶部带有回灌口；还包括一生物滴滤塔，所述生物滴滤塔内装挂弹性组合填料，所述生物滴滤塔顶部带有与所述渗滤液储槽连通的渗滤液入口、底部带有与所述回灌口连通的渗滤液出口；所述弹性组合填料装挂在生物滴滤塔的中部，装挂高度为75～85cm。

2.根据权利要求1所述垃圾填埋场H₂S内源削减的方法，其特征在于，硝化菌的悬浮液和反硝化脱硫菌的悬浮液混合体积比为1:1～2。

3.根据权利要求1所述垃圾填埋场H₂S内源削减的方法，其特征在于，海藻酸钠胶体溶液的质量浓度为2％，海藻酸钠胶体溶液与浓缩菌体的混合体积比为8～12:1；CaCl₂溶液的质量浓度为4％。

4.根据权利要求1所述垃圾填埋场H₂S内源削减的方法，其特征在于，所述生物滴滤塔内温度为28～32℃，pH值在7.5～8.5之间。

5.根据权利要求1所述垃圾填埋场H₂S内源削减的方法，其特征在于，所述垃圾填埋罐包括罐体，所述罐体内至上而下依次为顶空层、沙层、填埋垃圾层、碎石层和渗滤液储槽，所述顶空层内布设布水系统，该布水系统与回灌口连通。