垃圾填埋场污染地下水厌氧生物强化修复机制研究

Municipal landfill leachate contamination in groundwater is becoming a noticeable problem in china, and it is important to develop green and cost effective remediation materials and methods by enhancing natural attenuation processes artificially. Based on the studies on bio-reducing of Fe(Ⅲ), an effective anaerobic bio-remediation process will be developed in the present work for removal of COD and ammonium in landfill leachate contaminated groundwater. Fe(Ⅲ) oxides are served as electron acceptors to enhance the natural bio-oxidization process in the aquifer. Batch experiment, column experiment, and sand tank experiment are arranged to explore the contamination removal efficiency and mechanism, process operating parameters and impact factors, permeability change regularity and long-term effect of the reaction medium. Furthermore, a woodchips-sulfur based synergistic denitrification process is utilized for reduction of oxidation products such as nitrate and nitrite. Through this study, new ideas and experimental theory can be provided for the landfill leachate contaminated groundwater remediation.

垃圾填埋场污染地下水这一环境问题已不容忽视，对含水层中的自然生物反应过程进行强化并深入探究其作用机理，从而形成绿色、经济、高效的地下水厌氧生物强化修复机制具有重要的研究价值。在天然含水层介质中以Fe(Ⅲ)为电子受体的厌氧生物过程的前期研究基础上，本项目拟针对垃圾填埋场污染地下水中普遍性污染物—COD和氨氮，综合考虑垃圾填埋场水文地质特征与修复材料渗透性，以天然铁矿—Fe(Ⅲ)氧化物为反应介质对含水层中的自然衰减过程进行强化，依次通过批实验、柱实验、渗流槽模拟实验深入探究污染物去除效能与机理、运行参数与影响因素、介质渗透性变化规律和长效运行机制，从而形成有效的填埋场污染地下水厌氧生物强化修复体系。其次，针对含水层氧化反应带以及Fe(Ⅲ)生物过程的氧化产物—硝酸盐、亚硝酸盐，通过木屑-硫磺协同生物反硝化体系将其还原为气态氮或其氧化物。本项目将为垃圾填埋场污染地下水修复提供新的思路及理论依据。

垃圾填埋场地下水污染这一环境问题已不容忽视，对含水层中的Fe(III)生物还原自然反应过程进行强化并探究其作用机理，形成绿色、经济、高效的地下水厌氧生物修复方法具有重要意义。本项目针对垃圾填埋场污染地下水中的普遍性污染物—氨氮和有机物，综合考虑垃圾填埋场水文地质条件与修复材料的渗透性，以Fe(III)氧化物为反应介质强化了含水层中自然衰减过程，结果表明：综合考虑氨氮和有机污染物去除效果、以及材料经济性，本研究选用自然界分布较为广泛、经济性最好的赤铁矿为最佳Fe(III)氧化物，对含水层Fe(III)生物还原自然过程进行强化。当渗滤液污染地下水COD初始浓度为600 mg/L时，赤铁矿Fe(III)生物还原对COD去除率为90%以上；初始氨氮浓度为16 mg N/L时，93.75%的氨氮可以被厌氧生物氧化为亚硝酸盐氮。赤铁矿Fe(III)生物还原后矿物结晶度下降、矿物表面生成了大量磁铁矿Fe3O4；具备醌基与酚羟基官能团的大分子腐殖质有机物，在微生物-矿物电子穿梭过程发挥着重要作用，酚羟基存在向醌基转化的趋势促进Fe(III)生物还原进程。木屑和硫磺作为协同电子供体，地下水硝酸盐氮初始浓度为35 mg N/L、亚硝酸盐氮浓度为0.5 mg N/L时，硝酸盐氮去除率可达96%以上，亚硝酸盐浓度为0.04 mg N/L左右；硫自养反硝化过程中所产生的亚硫酸盐、硫代硫酸盐等中间产物都被氧化成了硫酸盐，硫杆菌在这一过程中发挥着重要作用，这类细菌可作为自然界中无机元素循环的潜在重要驱动力。赤铁矿联合木屑-硫磺构建的多级PRB厌氧生物修复工艺运行效能表明，地下水流动状态下多级反应介质具有较好的渗透性，K值范围为（1.87~5.52）×103 cm·d-1，赤铁矿为第一级PRB反应介质对有机物的去除效果可达77.50%，81.25%的氨氮被厌氧生物氧化为亚硝酸氮。以木屑-硫磺第二级PRB介质，出水硝盐氮浓度低于0.1 mg N/L、亚硝盐氮浓度低于1.0 mg N/L，可实现地下水中有机物、氨氮的高效去除，进而对含水层中Fe(III)生物厌氧氧化去除有机物、氨氮过程进行强化。本项目为垃圾填埋场受污染地下水修复提供了新思路及理论依据。