生活垃圾卫生填埋场原生微电极衍生微分电流耦合微生物刺激降解与内生电流组织化和诱导引出机制研究

Approximately 100 M t of municipal solid waste (MSW) is being deposed of in sanitary landfill annually in China. Due to the potential difference present between the metals including Fe, Cu, Zn etc.(1-3%) and the carbon-containing substances contained in MSW, micro-current is generated through the leachate-based electrolyte, thus inducing plenty of micro-electronic fields and simultaneously influencing the biodegradation of organic substances. Therefore, the specific objectives of this research are to explore the generation mechanisms of micro-current induced by the native microelectrodes consisted of Fe, Cu, Zn etc and carbon-containing substances, the changes in bioactivity and microorganisms community as well as humic index in the presence of such micro-current process, degradation and transformation rules of carbon/phosphor-containing components, and the streamlining of the generated disorder micro-current. Meanwhile, the responsible mechanisms for the accelerated stabilization process of MSW landfill by the micro-current and the theoretical system of the degradation behavior of microorganisms in the presence of the micro-current induced by native micro-electrodes, will be studied. The present research work can provide a scientific basis for the refuse landfill design, operation, management and biomass-derived energy utilization.

我国生活垃圾卫生填埋场年填埋生活垃圾1亿吨，由于生活垃圾中的铁、铜、锌等金属组分（1-3%）和碳系物质等之间存在电势差，在填埋场渗滤液存在条件下，可产生微分电流，形成无数的微分电场，并对有机物生物降解产生影响。本项目基于生活垃圾的固液共存态电解质特点，研究生活垃圾填埋场中铁、铜、锌与碳系物等原生微电极诱导微分电流的发生机制、微分电流胁迫下刺激微生物活性和群落演替特征及生活垃圾腐殖化进程、主要碳系和氮系物质等的降解转化规律，以及填埋场内生电流组织化与电流诱导引出工艺及其对有机物降解速率和降解产物和稳定化时间的影响，阐明金属－碳系物微电极原生微分电流作为生活垃圾卫生填埋场稳定化动力源发生与作用原理，建立生活垃圾卫生填埋场原生微电极衍生微分电流耦合微生物刺激降解与内生电流组织化和诱导引出理论，为填埋场的设计、运行、管理和生物质能利用提供科学依据。

由于生活垃圾中的铁、铜、锌等金属组分（1-3%）和碳系物质等之间存在电势差，在填埋场渗滤液存在条件下，可产生微分电流，对有机物生物降解产生影响。基于此，本项目开展铁碳微电解和外加微电流对有机垃圾厌氧发酵产酸性能的影响及其作用机制、低压电化学(5-25 V)-Fe(II)/S2O82−氧化衍生耦合脱水及、新鲜脱水污泥在氢氧化铁作用下的原位固硫与恶臭削减等研究。结果表明：（1）零价铁的加入可以成功为发酵体系提供铁碳微电解环境，进而促进餐厨垃圾发酵产酸。当74 µm（200目）铁粉的添加量为40 g，发酵周期为11天时，反应器发酵液中的总VFA浓度达到极值58.4 g/L较74 µm（200目）铁粉添加量为0 g的对照反应器提高了31倍，但铁粉粒径的减小对总VFA浓度的提升无显著提升；（2）酵母菌和醋酸菌的添加能有效提高发酵乙酸含量（可达25.88 g/L），是未添加菌种发酵体系的乙酸产量的2倍。温度对乙酸的产生量影响显著，接种酵母菌和醋酸菌的餐厨垃圾微氧发酵产乙酸的最佳温度为25 ℃。调节pH值可以明显提高餐厨垃圾的水解效率。当pH为5.0时，总VFAs质量浓度达到最大值30.60 g/L，乙酸含量同为最大值为23.32 g/L；（3）外加电刺激能提高餐厨垃圾-污泥共厌氧发酵产酸。0.5 V微电刺激可增强厌氧体系中微生物的活性，加快有机物的水解酸化，有利于VFA的产出；（4）电化学(5~25 V)-Fe(II)/S2O82−氧化耦合作用最佳脱水条件为：电压5 V、[Fe(II)] = 0.5 mmol g−1 VSS、[S2O82−] = 0.4 mmol g−1 VSS，此时水分脱除率为96.7%，滤饼含固率达17.5 wt.%；（5）喷洒不同剂量的氢氧化铁均不同程度上降低了挥发性脂肪酸的释放速率，特别是添加0.25%的氢氧化铁使污泥的乙酸、丙酸、戊酸和异戊酸分别去除72.0%，73.2%，75.0%和76.3%。在32 d内，添加0.05%，0.10%和0.25%的氢氧化铁分别使污泥的硫化氢去除率达到81.3%（73.4%~87.8%），93.7%（84.9%~96.4%）和97.5%（92.8%~ 98.8%），且硫化氢的去除效率与添加剂量呈现正相关关系。本项目研究结果可为有机垃圾的资源化利用以及填埋场的设计、运行和管理等提供科学依据。