热处理残渣“铁磁性/非铁磁性”组分协同刺激填埋垃圾生物降解并原位削减难生化污染物研究

Co-disposal of thermal treatment residues and municipal refuse has become a wide-ranging landfilling method in China. The ferromagnetic materials in thermal treatment residues, including zerovalent iron and iron-based alloys, could enhance decomposition or transformation of bio-refractory pollutants via a process of electrochemistry and/or electrocatalysis. Meanwhile, the non-ferromagnetic materials in thermal treatment residues react with the acidic intermediate products derived from anaerobic degradation of refuse, which optimizes the microenvironment in landfills and subsequently promote refuse decomposition and methane gas production in a continuous and steady manner. Therefore, the specific objectives of this research is to explore the electrochemical mechanisms induced by existence of Fe0 and Fe-based alloys in the leachate-based electrolyte, the degradation and transformation rules of bio-refractory pollutants. This research work also aims to clarify the releasing behavior of the alkaline components from the thermal treatment residues and its influence on biodegradation index as well as humic index of the co-disposed refuse. The temporal-space distribution of microbial community and the activity of the main hydrolase in the degradation process of the refuse were studied as a complementary method for understanding the mechanisms involved. Finally, a refuse degradation coupled-model is to be established, which is supposed to provide a scientific basis for optimizing the landfill design, operation, management and biomass-derived energy utilization.

垃圾热处理残渣与原生垃圾混合填埋已经成为我国越来越广泛的填埋模式。热处理残渣中铁磁性组分（Fe0及Fe的二元及多元合金）在填埋场渗滤液存在条件下，能够通过电化学或催化电化学作用促进渗滤液中难生化有机物的源头降解或转化；同时，热处理残渣中非铁磁性组分（碱性物质）通过中和有机垃圾厌氧降解产生的有机酸类中间产物，调控填埋层微环境，促进垃圾持续稳定降解和产甲烷化。本项目针对目前热处理残渣与生垃圾共厌氧消化的填埋模式，研究基于固液共存条件下铁磁性物质在渗滤液体系中电化学作用的产生机制及其对渗滤液中难生化有机污染的作用规律和转化途径，并阐明热处理残渣碱性组分释放规律及其对有机垃圾生物降解水平和腐殖化水平作用规律，结合填埋层稳定化过程中关键性微生物及主要水解酶活性时空分布特征，建立热处理残渣双组分胁迫下有机垃圾电化学降解和生物降解耦合模型，为混合型填埋场设计、运行、管理和生物质能的合理利用提供科学依据。

垃圾焚烧残渣是城市生活垃圾热处理后产生的亚稳态矿物集合体，其主要矿物组分为无定形态玻璃（即非铁磁性组分）和铁磁性组分。垃圾焚烧残渣不仅是无机矿物集合体，也是垃圾重金属的富集体。垃圾焚烧残渣与原有机物质混合处理处置（如共填埋）过程中，矿物本身的风化过程会受到有机质的影响，且有机质的存在也会影响焚烧残渣重金属的浸出风险。本研究重点对垃圾焚烧渣不同重金属在铁磁性和非铁磁性物质之间的分配进行探析，并对混合填埋体系中焚烧渣矿物形态的演变以及重金属的浸出环境行为进行了跟踪测试；同时，本研究采用焚烧炉渣提取出来的铁磁性物质对垃圾渗滤液典型污染物的降解转化特性进行了探索。研究结果表明，垃圾焚烧炉渣硅酸盐玻璃体和钙基无机矿物，在有机质生物降解产二氧化碳作用下迅速碳酸化，造成共填埋模拟体系pH迅速下降。此外，硅酸盐玻璃体也开始不同程度的风化，形成非晶态的胶状物，这些非晶态风化产物很可能是粘土类矿物的前驱物。钙基无机矿物和炉渣玻璃体的风化对于炉渣整体环境行为具有重要影响。钙基无机矿物是填埋初期pH的主要控制者，而玻璃体是填埋中后期pH的控制者。通过对混合填埋体系为期一年的监测分析，发现重金属Cu因受有机物影响有加速溶出的趋势。本研究建立了以乙醇为提取介质的干、湿两步铁磁性物质提取工艺。该提取工艺能够较好地对炉渣铁磁性物质进行富集，富集的得到的铁磁性物质含有10%左右的还原态单质铁或铁合金，铁磁性物质富集了高浓度的Mn、Ni和Cr重金属。利用提取的铁磁性物质对垃圾渗滤液典型污染物三氯乙烯进行脱氯降解实验，结果表明铁磁性物质对三氯乙烯具有一定的降解能力，其降解产物明显不同于单质铁对三氯乙烯的降解产物。该项目研究成果为明晰混合填埋体系污染物的迁移转化规律并为评估其环境风险提供了一定的基础数据。

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