生物炭/沸石基质在植被-活性污泥工艺处理垃圾渗滤液中的变化评估及其污染物去除机制研究

本研究针对垃圾填埋场渗滤液处理难题，创新性地将植被-活性污泥工艺(V-ASP)与低成本吸附材料(沸石和葵花壳生物炭)结合，通过FTIR和SEM分析揭示了污染物去除机制。结果表明，沸石基质在14天水力停留时间(HRT)下对COD、TN、重金属等污染物去除效果最佳，铵态氮(AN)去除率高达99-99.8%。该研究为开发可直接应用于填埋场的原位处理系统提供了重要理论依据。

　　

垃圾渗滤液处理是填埋场运营中的重大技术挑战，其含有高浓度铵态氮、重金属和难降解有机物，传统处理方法存在效率波动大、成本高等问题。植被-活性污泥工艺(V-ASP)作为结合人工湿地与活性污泥处理的新型技术，其基质材料的选择对污染物去除至关重要。波兰弗罗茨瓦夫环境与生命科学大学的研究团队在《Water Resources and Industry》发表研究，系统评估了沸石和葵花壳生物炭在V-ASP系统中的应用效果。

研究采用实验室规模序批式反应器(SBR)，构建8组不同配置的V-ASP系统，分别填充沸石(粒径2.5-5mm)或葵花壳生物炭(450°C热解)，部分系统种植矮香蒲等湿地植物。通过138天的实验，监测不同HRT(3-14天)下对COD、TN、TP及重金属等污染物的去除效率，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)分析基质表面特性变化，并采用能量色散谱(EDS)检测元素组成变化。

3.1 污染物去除效率
沸石基质在HRT=14天时表现最优，对COD、TN、TP的去除率分别达50.9%、74%和19.5%，显著优于生物炭系统。特别值得注意的是，所有系统对铵态氮(AN)的去除率稳定在99-99.8%，这得益于溶解氧浓度始终维持在3mg/L以上。重金属去除呈现明显差异：沸石系统对Zn、Cu、Ni的去除率达63.6-72.2%，而生物炭系统仅8.8-58.9%。

3.2 基质表征分析
SEM显示沸石使用后晶体粗糙结构消失，生物炭孔隙率降低。EDS证实沸石吸附了11.78%的磷，生物炭则出现3%的磷和2.46%的氯。FTIR光谱在3400cm^-1
和1630cm^-1
处出现明显峰位移，对应OH-和C=C键变化，表明污染物成功吸附。

3.3 植物吸收特性
植物根部重金属积累量普遍高于地上部分，其中铁含量最高(1.2-4.8mg/g干物质)。生物炭系统中的植物钾含量显著升高，这与生物炭在低温热解(<500°C)下增加钾有效性的特性相符。

3.4 统计与机理分析
聚类分析表明植被显著影响FTIR透射率，沸石系统的光谱相似度更高。比表面积测试显示沸石(31.5m²
/g)的吸附性能优于生物炭(1.19m²
/g)，但生物炭使用后表面积增至2.21m²
/g，可能与微生物膜形成有关。

该研究证实沸石在V-ASP系统中具有更优的污染物截留能力，而生物炭则表现出促进植物生长的特性。创新性地采用FTIR快速表征基质变化的方法，为填埋场原位处理系统设计提供了重要参数。未来研究可进一步优化基质组合方式，开发适应不同渗滤液特性的定制化处理方案。这些发现对推动垃圾渗滤液的绿色低成本处理具有重要实践意义，特别适合在基础设施有限的地区推广应用。