土壤中垃圾渗滤液的实验研究
Jahangir Islam1, Naresh Singhal*
奥克兰大学土木与环境工程系92019（3 Grafton Road），奥克兰1001，新西兰
2003年3月13日收到; 2004年1月5日修正; 于2004年1月28日接受
摘要
使用砂子填充柱进行连续流动实验，以调查细菌生长，金属沉淀和厌氧气体形成对土壤的生物诱导堵塞的意义。来自当地市政垃圾填埋场的渗滤液，用乙酸修饰，供给两个运行的砂堆上流模式。流入乙酸的降解导致甲烷和二氧化碳的产生，同时还原锰，铁和硫酸盐。随后进水乙酸浓度增加，从1750到2900 mg / l，然后到5100 mg / l，导致溶解的无机碳，溶液pH迅速增加，在柱入口附着土壤生物量浓度，促进了Mn2 和Ca2 的沉淀碳酸盐和Fe2 作为硫化物。进水乙酸浓度1750 mg / l降低了土壤的水力电导率从初始值8.8 *103 cm/s降低到约7*105 cm/s在2-6厘米的部分柱。将进水乙酸增加至5100 mg / l，只能进一步降低水力传导率3.6*105 cm/s;相反，主要的作用是增加经历水力降低的区域的长度电导率从0-6厘米到整列。由于生物蓄积被限制在柱的0-5cm部分，金属沉淀的影响可以忽略不计，归结于柱深处的减少气体流量高达1440毫升/天。数学建模表明生物量积累和气体形成在降低水力传导性方面同样重要，而金属降水仅占高达4％观察到减少。
关键词：垃圾渗滤液;生物积累;金属沉淀;气流;渗透率降低
1背景介绍
在新西兰，固体废物主要处置在垃圾填埋场。一般在1970年前建成的垃圾填埋场里，可能潜在的泄漏导致污染潜在的土壤和地下水。实地观察，如填埋场渗滤液的沉积[1]建议一些无衬里的垃圾填埋场去降低水力传导率。其他实验室和实地观察也显示土壤可以水力传导率显著降低渗滤液渗透[2,3]，甚至导致堵塞的渗滤液收集系统[4,5]。降低土壤水力传导性与连续生物膜的形成有关[6,7]或在土壤中存在不连续的微生物聚集体气孔[8]，金属沉淀[5]，天然气生产反硝化菌和产甲烷菌[9,10]。但是，相对这些机制在控制程度上的意义堵塞和微生物金属沉淀的动力学互动尚未明了。使用连续流动柱的实验室研究进行了调查创造的潜力文章在新闻稿低渗透性废物遏制屏障通过刺激细菌生长和评估相对生物累积的意义，金属沉淀和气体形成降低水力传导性的垃圾填埋场的土壤。
2.材料和方法
2.1实验设置和步骤
将尺寸在0.21和0.61mm之间的沙子在550℃的炉中加热1小时，装进三列直径为50厘米，长5厘米的干净柱体。每列包含8个采样端口。注射针（2mm）ID * 90 mm长）插入柱的中心在每个港口用于收集液体样品测量压电头。孔隙度通过重量测定，包装介质估计为0.41分析。使用蠕动泵注射天然渗滤液，定期从一个旧的部分收集奥克兰的市政垃圾填埋场以0.23毫升/分钟。该渗滤液的有机碳含量低，范围从120〜180mg / l，并加入钠乙酸，达到浓度为1750 mg / l的醋酸。最初通过泵送接种柱2升未经修复的渗滤液，以5ml / min计，然后12小时无流动促进细菌附着泥。其中一列在开始时被拆除确定初始空间分布的实验在柱中附着的生物量。剩余的两列的运行方式类似于向上流动。柱最初在环境温度下操作（约18℃）2周没有观察到乙酸降解。两个之后通过放置将温度升高到30℃铜管外护套中的每列连续热水流。列被操作在这些条件下58天。其中一列然后拆除以确定空间分布附着的生物质和沉淀的金属。该最后一列运行了另外2个月增加乙酸浓度为2900 mg / l，为16天，其次是52天甚至更高乙酸浓度为5100 mg / l。 126天后柱被拆除，分析土壤附着的生物质和沉淀的金属。
2.2分析方法
根据美国环保局[11] 指定的方法，使用离子色谱仪（Dionex DX-120），集中在Na ，K ，Ca2 ，Mg2 ，用原子测定吸收光谱仪（Varian SPECTRAA 50）测定土壤中Fe2 和Mn2 ，分析水样中的SO42-，Cl-和NO32-。 溶解过滤后测定金属浓度液体样品通过0.2 mm膜过滤器。该总有机碳（TOC）和总无机碳（TIC）使用TOC分析仪（DC-190，罗斯蒙特分析公司）。 分析乙酸使用气相色谱（HP GC 6890）注射酸化样品至30 m* 0.25毫米ID* 0.25毫米Econo-cap EC-1000毛细管柱（Alltech AssociatesInc.）连接到火焰离子化检测器。该使用Biorad公司测量生物量作为蛋白质蛋白测定试剂盒I（Biorad）。
3.结果与讨论
3.1 微生物活动
仅观察到显著的微生物活性两列中的第一个月，尽管有所增加温度至30℃，实验后2周。 类似其他人已经报道了[5,12]归因于需要的代谢滞后微生物群落适应环境条件。 基于反应假设的发生观察以下微生物的变换，如下：
*锰减少
CH3COO- 4MnO2(s) 7H =gt;2HCO3- 4Mn2 4H20 (1)
铁减少
CH3COO- 8Fe(OH)3(s) 15H =gt;2HCO- 8Fe2 20H20 (2)
*硫酸盐还原
CH3COO- SO42-=gt;2HCO3- HS- (3)
*甲烷生成
CH3COO- H2O=gt;HCO3- CH4 (4)
上述等式，与相应使用进水浓度，表明产甲烷是主要负责乙酸降解硫酸盐，铁和锰总量减少贡献不到观察到的减少量的5％。观察到的溶解浓度的变化乙酸，硫酸盐，Fe（II）和Mn（II）表明甲烷生成和还原锰，铁和硫酸盐同时发生。同时甲烷生产和还原已经报道了硫酸盐和铁的异质性现场实验室[13-15]实验表明，这些也可能相对发生小规模均匀设置。
3.2 生物质积聚
附着和悬浮的生物量的轮廓列如图1所示。高附加生物量入口处的浓度紧随其后在距离更大时减小到相对恒定的水平距离入口5厘米。而悬浮的生物质浓度也遵循上述模式，迅速入口处生物量浓度的下降不存在逐渐发生的变化相对较大距离。
3.3 底物降解
在图1中,水中乙酸浓度分布图显示浓度为1750,2900和5100mg / l。 第一个月没有观察到底物降解的运作。同样执行如同微小的差异所表明的那样观察到硫酸盐和乙酸浓度两列。 增加进水醋酸浓度在运动58天后达到2900mg / l吸收更快，流入底物完全由第一个采样口降级。 图3显示硫酸盐浓度分布，其平行于乙酸后首先出现增强的降解月后，进口乙酸增加。
3.4 金属沉淀和溶解
在实验砂子中铁（Fe3 ）和锰（Mn3,4 ）存在由于还原而经历溶解。 这样其他人已经报道了转化[2,16]和偶联有机碳的微生物氧化厌氧环境[17,18]和非生物转化通过无机化合物，如硫化物[19,20]。另外，氧化锰可以通过Fe（II）[18,21]。 铁锰减少的程度取决于可还原的Fe（III）和土壤中的Mn（III，IV），晶体结构和表面矿物的面积，呈无定形形式最大反应[22,23]。 相关的还原反应可归纳如下：
2Fe(OH)3(s) H2S 4H =2Fe2 S0 6H20 (5)
MnO2(s) H2S_2H =gt;Mn2 S0 2H20 (6)
MnO2(s) 2Fe2 4H20=gt;Mn2 2Fe(OH)3(s) 2H (7)
图 4和5显示铁的显着减少并在柱中发生锰矿。溶解的Fe（II）在前5cm迅速降低由于Fe（II）析出，柱的截面硫化物（硫化铁，FeS）和可能的碳酸盐（菱铁矿，FeCO3），其次是逐渐增加由于还原溶解而导致柱的截面Fe（III）存在于沙中。 黑色FeS沉淀物在整个柱中目视观察到，具有较高的强度靠近柱入口。 溶解的Mn（II）沿着柱子逐渐增加进入乙酸酸为1750 mg / l，但增加了进水乙酸58天后浓度导致Mn（II）浓度升高在柱入口附近降低可能是由于沉淀为罗丹霉（MnCO3）。
溶解钙浓度在附近下降柱入口，然后保持相对恒定沿列。 图. 6表明在低流入量乙酸浓度很少钙沉淀。58天后增加进水底物浓度导致高浓度的钙由于组合而在柱入口附近沉淀溶解无机碳和溶液的增加pH（参见图7）。 高浓度附着生物量在柱入口可能会增强这些反应细菌细胞表面的活性位点起重要作用在异质成核和矿物沉淀中的作用反应[4,24,25]。
确定可能沉淀的矿物质通过计算各种碳酸盐的饱和水平矿物质使用MINTEQA2 [26]平衡化学形态模型。 收集渗滤液样品在不同端口的柱子被发现总是对以下的过饱和碳酸盐矿物：方解石（CaCO3），Omega;= 329; 白云石（CaMg（CO3）2），Omega;= 80—160; 菱铁矿（FeCO3），以及FeCO3的Omega;在150—240,同时（MnCO3），Omega;= 35—80;其中Omega;是观察到的离子活性产物的比例和碳酸盐矿物的溶解度积。碳酸盐矿物质的过饱和也是在垃圾渗滤液羽流中观察到[14,27]
阶段生物量（克蛋白/ kg）
水相生物质（mg蛋白/升）
距离（厘米） 距离（厘米）
图1.附件和悬浮生物量浓度分布
乙酸（mg / l）
乙酸（mg / l）
距离（厘米） 距离（厘米）
图2.乙酸浓度分布
硫酸盐（mg / l）
硫酸盐（mg / l）
距离（厘米） 距离（厘米）
图3.硫酸盐浓度分布
3.5 降低水力传导率
通过平均水力电导率在不同的插入确定柱的部分上压式和下降型压头测量在有限差分近似中达西定律 平均初始水力传导率（K0）估计为8.8* 10-3厘米/秒。水力传导率随时间的变化如图1所示。 观察到58天后，两列的2-6cm截面中的水力传导率降低到大约7* 10-5厘米/秒操作，减少两个以上的订单大小。 增加进水醋酸浓度58天后至2900 mg / l，之后为5100 mg / l，导致液压的额外减少电导率为3.6* 10-5厘米/秒。但是，该柱体经历水力传导性的降低从0-6厘米增加到基本上整个柱。 由于附着的生物量浓度高限于柱的0-5厘米部分柱的较深部分不受影响增加进水乙酸，增加液压柱体经历柱长度减小电导率来自生物质以外的因素积累，如金属沉淀和气体形成。在第80和86天的天气流量分别为1080和1440 ml /天。 形成气泡可能导致堵塞孔喉，减少介质的水力传导率不显着降低体积含水量[28]。
溶解的Fe2 （mg / l）
砂中总体铁量（g/kg）
距离（厘米） 距离（
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