氧化铁对填埋场渗滤液有机质非生物腐殖化的强化效应与作用机制

Humification is one of significant stabilization routes in municipal solid waste (MSW) landfills. Landfill leachate serves as an important carrier system for bio-chemical reactions in landfills, and composition of humic substances (HS), mainly consisting of humic acids (HA) and fulvic acids (FA), in leachate is usually applied to stabilization assessment for landfills. Naturally, the humification degree is usually low because of insufficient humification process within landfills. The MSW incineration bottom ash containing ferric oxide (Fe2O3) and aluminum oxide (Al2O3) may enhance humification and stabilization in landfills. In this proposed study, enhancement effect of ferric oxide on organic matter humification will be investigated in model systems with precursors (Catechol, Glycine, and Glucose) and in real systems with landfill leachate. Parameters of feedstock ratio, temperature, pH, and oxygen atmosphere will be considered when analyzing their influence on the composition and the structure of intermediate organics and final HS. The formation and transformation of FA and HA will be discussed from mesoscale perspective. Furthermore, based on measurement data on composition, concentration, and chemical valence of iron within solid and liquid phases before, during, and after experiments, the mechanism of enhanced humification of organic matter by ferric oxide will be studied. Finally, basic control parameters for enhanced humification process of landfill leachate will be provided. The output of this research may provide significant support with theories and data for understanding the influence of landfilled MSW incineration bottom ash, estimating the possible stabilization process, and optimizing beforehand the landfill management.

腐殖化是生活垃圾填埋场稳定化的主要历程之一，作为填埋场生化反应的重要载体，渗滤液腐殖质组成特征被用于填埋场稳定化水平的评价，但整体上填埋场腐殖化度较低。富含氧化铁、氧化铝的垃圾焚烧炉渣进入填埋场处理将对有机质腐殖化产生重要影响，进而影响填埋场稳定化进程。本项目针对氧化铁的强化效果和作用机制开展深入研究。以前体物（儿茶酚、甘氨酸、葡萄糖）模拟体系和渗滤液体系为对象，研究氧化铁对有机质腐殖化的促进作用，探究物料比例、温度、pH、氧气氛围等对腐殖化中间产物及最终产物的组成与结构特征的影响，在介观尺度水平上分析富里酸和胡敏酸的形成与转化规律，再结合氧化铁的反应行为阐述氧化铁在强化有机质腐殖化过程中的作用机制，识别填埋场渗滤液腐殖化的影响因素。研究成果将为科学分析生活垃圾焚烧炉渣对填埋场生活垃圾腐殖化的作用、判断由此带来的填埋场稳定化进程改变、预先优化填埋场运行管理策略提供重要理论与数据支持。

填埋场渗滤液成分复杂，难溶有机质含量且高难于处理，对填埋场稳定化及其周围环境产生不利影响。本研究以腐殖化前体物小分子（儿茶酚、甘氨酸、葡萄糖）模拟体系为对象，分析有机质腐殖化机理及影响因素，并进一步以渗滤液体系为研究对象探究氧化铁进场后对渗滤液有机质腐殖化行为的影响。研究表明，作为腐殖化反应的氧化剂氧化铁能促进有机质腐殖化，其含量的提高有助于有机质腐殖化暗色化进程，同时对腐植酸产量的提高有积极的促进作用。谱学表征得出氧化铁强化非生物腐殖化形成的腐植酸类物质与天然腐植酸在官能团组成上无显著差异；升高体系温度（35-40℃）和偏碱性条件（pH 8-9）能显著提高有机质腐殖化率与反应物料转化率，氧化还原电位在-50mv-100mv条件下有利于体系有机质暗色化度的提高。代表多酚的儿茶酚是参与腐殖化反应的关键前体物，能显著促进有机质腐殖化进程，一方面可以为腐植酸的形成提供必须的芳香环骨架，另一方面儿茶酚可以诱导更多的含氮物质参与腐殖化反应；代表蛋白质小分子的甘氨酸中含氮基团对腐殖化过程暗色化物质的形成有积极作用。此外，增加儿茶酚比例有助于提高最终腐植酸的纯度，但同时有机碳以CO2损失比例亦将增加。.基于前期对腐殖化前体物小分子模拟体系的机理探究，后续研究中以渗滤液有机质体系为腐殖化平台，添加腐殖化关键物质酚类与氨基酸类物质，同时添加氧化铁以强化渗滤液有机质腐殖化，添加公认度较高的强化剂二氧化锰以对照研究氧化铁促腐殖化效果。结果表明，与不添加前体物小分子体系比较，渗滤液体系中有机质在外来小分子协同诱导作用下参加了腐殖化反应。与添加氧化铁体系比较，添加二氧化锰体系明显缩短了腐殖化时间，但反应后期腐殖化暗色化度明显降低，形成的部分腐植酸被体系中强氧化性的二氧化锰降解。而氧化铁相对较弱的氧化能力使得腐殖化暗色化进程迟缓，但生成的腐植酸物质含量保持不断增加态势，反应中未表现降低趋势。不同体系反应后得到的腐植酸物质在谱学表征上基团特性与天然腐植酸比较相似，但基团含量有一定变化。.本研究结果可为生活垃圾焚烧炉渣进入填埋场后对生活垃圾腐殖化研究提供参考。与此同时，本项目探究的腐殖化机理可促进生物质废物腐殖化体系的进一步完善。同时，利用成分明确的腐殖化模拟小分子研究渗滤液复杂体系有机质腐殖化很好的促进了交叉学科之间的联系，扩大了以废治废的研究领域，促进了废物资源化领域的向前发展。