水分運(yùn)移對(duì)填埋垃圾降解過(guò)程的影響模擬研究

周效志，桑樹勛，曹麗文，劉會(huì)虎

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

垃圾填埋場(chǎng)中既存在水分在重力作用下的自然運(yùn)移，又存在滲濾液回灌作業(yè)下的人工運(yùn)移，填埋體系水質(zhì)水量變化必然對(duì)微生物代謝產(chǎn)生影響。對(duì)比研究不同水分運(yùn)移方式下微生物代謝環(huán)境演化及垃圾生物質(zhì)降解過(guò)程，對(duì)于揭示生物反應(yīng)器填埋處置機(jī)理，實(shí)現(xiàn)垃圾填埋處理目標(biāo)具有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多從宏觀角度研究生物反應(yīng)器填埋滲濾液回灌作業(yè)對(duì)流體產(chǎn)生［1］、污染物去除［2－3］及填埋場(chǎng)穩(wěn)定化的控制作用［4－6］，而從實(shí)際填埋場(chǎng)水力學(xué)特征入手，特別是多因素控制下的水分運(yùn)移對(duì)微生物協(xié)同代謝環(huán)境影響的研究工作開展較少。

結(jié)合生活垃圾填埋場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)室內(nèi)模擬填埋實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了長(zhǎng)期的滲濾液定期排放、大氣降雨入滲與滲濾液全量回灌3種水分運(yùn)移方式對(duì)填埋體系微生物代謝環(huán)境及生物質(zhì)降解過(guò)程的影響，探討了以促進(jìn)微生物協(xié)同代謝為目的的生物氣資源化填埋水分運(yùn)移調(diào)控措施。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

模擬填埋實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。反應(yīng)器由PVC材料制成，內(nèi)徑φ＝9.0cm，高 H＝100.0cm，底部鋪設(shè)d1＝5.0cm粗礫石層，中部為d2＝80.0cm垃圾層，上部覆蓋d3＝5.0cm粗砂層。導(dǎo)氣管與水封瓶相連，及時(shí)排出垃圾降解產(chǎn)生的氣體。

圖1 模擬填埋實(shí)驗(yàn)裝置

A裝置滲濾液定期排放，模擬填埋場(chǎng)內(nèi)部水分重力運(yùn)移；B裝置滲濾液定期排放結(jié)合雨水頂部噴灑，模擬填埋場(chǎng)大氣降雨及地表徑流入滲；C裝置滲濾液定期回灌，模擬填埋場(chǎng)水分人工運(yùn)移。

1.2 垃圾組成

裝填垃圾由人工配比而成，組成及各組分含量參照中國(guó)城市生活垃圾典型特征，又兼顧到高含水率及易降解性［7］。實(shí)驗(yàn)垃圾組成及各組分濕基含量見表1。

表1 裝填垃圾組成及含量（濕基%）

將各組分機(jī)械破碎至2.0cm以下，然后均勻混合。測(cè)定垃圾初始含水率W＝73.6%，揮發(fā)性固體VS＝64.5%，灰分A＝35.5%。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按圖1裝填實(shí)驗(yàn)材料，各反應(yīng)器裝填垃圾質(zhì)量m＝5000g，初始容重D＝0.98g／cm3。向各反應(yīng)器添加懸浮污泥濃度 MLSS＝6.42g／L，揮發(fā)性懸浮污泥與懸浮性污泥比值MLVSS／MLSS＝74.7%的厭氧活性污泥250mL接種啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用局限空間調(diào)溫方式控制環(huán)境溫度。根據(jù)環(huán)境溫度的變化，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程劃分為2個(gè)階段：

1）實(shí)驗(yàn)Ⅰ期（1～150d）：反應(yīng)溫度控制在15±2℃，每10dA裝置滲濾液排空1次，B裝置滲濾液排空后以模擬雨水自頂部噴灑，C裝置以NaOH溶液調(diào)節(jié)滲濾液pH值至7.2后全量回灌。B裝置模擬降雨入滲頻率為10d／次，入滲量根據(jù)徐州市2000－2004年降雨量確定為110mL／次，pH＝6.58。

2）實(shí)驗(yàn)Ⅱ期（151～330d）：提高反應(yīng)溫度至35±2℃，除C裝置滲濾液全量回灌前不再調(diào)節(jié)pH值外，各裝置其它操作方式及頻率不變。

1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

填埋體系Eh值采用ORP－411測(cè)定儀監(jiān)測(cè)，滲濾液pH值采用PHS－3C型精密酸度計(jì)測(cè)定。碳酸氫鹽堿度ALK及NH4＋－N濃度采用聯(lián)合蒸餾滴定法測(cè)定，CODCr采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定。為了減少取樣損失，使?jié)B濾液盡可能全量回灌，C裝置滲濾液pH值調(diào)節(jié)前采集少量樣品（2mL），樣品稀釋后進(jìn)行ALK、NH4＋－N濃度及CODCr測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 Eh值

各裝置Eh值變化過(guò)程如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)Ⅰ期，各裝置Eh值隨滲濾液排放及回灌呈周期性波動(dòng)，說(shuō)明樣品采集及裝置操作導(dǎo)致外界空氣進(jìn)入對(duì)密閉反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生了一定影響，且滲濾液回灌情況下的Eh值波動(dòng)幅度較小。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)Ⅱ期，Eh（C）呈逐漸下降趨勢(shì)，說(shuō)明周期性取樣回灌對(duì)填埋體系Eh值波動(dòng)的影響已逐漸消除。

圖2 填埋體系環(huán)境Eh值變化過(guò)程

2.2 pH值

各裝置滲濾液pH值變化過(guò)程如圖3所示。

圖3 填埋體系環(huán)境pH值變化過(guò)程

實(shí)驗(yàn)Ⅰ期，各裝置pH值快速下降并長(zhǎng)期穩(wěn)定在5.5～6.0。盡管C裝置滲濾液回灌前進(jìn)行了pH值調(diào)節(jié)，但各裝置pH值差異并不明顯，pH（C）僅略高于pH（A）與pH（B）。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)Ⅱ期，pH（B）與pH（C）快速升高，pH（A）長(zhǎng)期穩(wěn)定在5.5左右，三者間差異顯著增大。

2.3 滲濾液產(chǎn)生量

各裝置滲濾液累計(jì)產(chǎn)生量變化如圖4所示。

圖4 滲濾液累計(jì)產(chǎn)生量變化過(guò)程

實(shí)驗(yàn)Ⅰ期，V（A）、V（B）逐漸增加，V（C）長(zhǎng)期穩(wěn)定在25ml／kg MSW。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)Ⅱ期，V（C）快速增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)略高于V（A）與V（B）。

2.4 NH4＋－N濃度

各裝置滲濾液NH4＋－N濃度變化如圖5所示。

圖5 滲濾液NH4＋－N濃度變化過(guò)程

實(shí)驗(yàn)Ⅰ期，各裝置滲濾液NH4＋－N濃度緩慢升高，且無(wú)明顯差異。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)Ⅱ期，NH4＋－N（C）快速升高，并在實(shí)驗(yàn)后期穩(wěn)定在2400～2900mg／L。

3 討論

3.1 滲濾液排放對(duì)微生物代謝環(huán)境的影響

滲濾液定期排放對(duì)填埋體系最直接的影響在于改變了垃圾含水率。在不考慮垃圾固相生物質(zhì)減少的前提下，計(jì)算各裝置垃圾含水率的變化如圖6所示。

圖6 各裝置垃圾含水率變化過(guò)程

滲濾液定期排放使A裝置垃圾含水率由74.9%下降至58.4%，且實(shí)驗(yàn)Ⅱ期下降更快，因此難以長(zhǎng)期維持微生物代謝適宜的濕度條件。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)境濕度因子對(duì)微生物代謝的抑制作用將逐漸增強(qiáng)，并最終導(dǎo)致垃圾生物質(zhì)降解的停滯［8］。

滲濾液定期排放使環(huán)境Eh值相對(duì)較高，長(zhǎng)期維持在兼性厭氧微生物適宜的范圍，且Eh值產(chǎn)生明顯的周期性波動(dòng)。由于Eh＞－300mV不利于專性厭氧產(chǎn)甲烷菌的代謝活動(dòng)，因此A裝置填埋垃圾降解以兼性厭氧微生物的水解產(chǎn)酸作用為主。持續(xù)的水解產(chǎn)酸主導(dǎo)作用使?jié)B濾液pH值長(zhǎng)期維持在5.5左右，對(duì)水解產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷微生物協(xié)同代謝也產(chǎn)生了一定的抑制［9］。

分析滲濾液定期排放使環(huán)境Eh值升高并產(chǎn)生周期性波動(dòng)主要有2個(gè)原因：1）填埋場(chǎng)內(nèi)部微生物隨滲濾液排放而減少，造成微生物對(duì)生物質(zhì)降解作用的不穩(wěn)定；2）滲濾液排放使垃圾體部分飽水孔隙變?yōu)椴伙査疇顟B(tài)，導(dǎo)致垃圾體內(nèi)部壓力下降，外界O2通過(guò)氣液疏排管道或覆蓋層進(jìn)入垃圾體，使環(huán)境Eh值迅速升高。在實(shí)驗(yàn)Ⅰ期，滲濾液定期排放使垃圾體中不飽水孔隙及微生物損失量不斷增加，使Eh值波動(dòng)具有明顯的周期性；進(jìn)入實(shí)驗(yàn)Ⅱ期，較高的反應(yīng)溫度促進(jìn)了兼性厭氧微生物對(duì)填埋垃圾孔隙中O2的快速消耗，使填埋體系環(huán)境Eh值的波動(dòng)幅度明顯減??；當(dāng)含水率降至濕度因子抑制微生物代謝時(shí)，Eh值在實(shí)驗(yàn)后期快速升高。

3.2 降雨入滲對(duì)垃圾生物質(zhì)降解過(guò)程的影響

大氣降雨與地表徑流入滲向填埋體系補(bǔ)充了少量水分，使垃圾含水率下降速率變緩。與A裝置相比，B裝置垃圾含水率由74.9%下降至60.9%，說(shuō)明地表水入滲對(duì)垃圾含水率調(diào)節(jié)作用較?。▓D6）。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，填埋體系環(huán)境濕度條件仍不能滿足微生物長(zhǎng)期穩(wěn)定代謝的要求。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前300d，B裝置Eh值在－300～－100mV范圍內(nèi)波動(dòng)，環(huán)境Eh因子適于專性厭氧水解產(chǎn)酸菌代謝。由于B裝置適于產(chǎn)甲烷菌代謝的Eh與pH環(huán)境條件在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行300d后才基本形成，因此垃圾生物質(zhì)降解仍以微生物的水解酸化作用為主。在長(zhǎng)期的水解酸化主導(dǎo)作用下，B裝置CODCr累計(jì)凈溶出量逐漸升高，且由于入滲水的持續(xù)沖刷作用，CODCr累計(jì)凈溶出量與A裝置相比增加了67.8%（圖7）。

圖7 各裝置CODCr累計(jì)凈溶出量變化過(guò)程

大氣降雨與地表徑流入滲減少了垃圾體中不飽水孔隙，一定程度上抑制了外界O2的進(jìn)入，導(dǎo)致環(huán)境Eh值相對(duì)較低。然而，由于入滲水與滲濾液水質(zhì)存在較大差異，因此周期性的滲濾液排放與模擬降雨入滲對(duì)填埋體系微生物代謝造成了較大沖擊，這就導(dǎo)致B裝置環(huán)境Eh值發(fā)生頻繁的大幅度波動(dòng)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)甲烷菌為代表的厭氧微生物代謝［10］。

3.3 滲濾液回灌對(duì)垃圾生物質(zhì)降解過(guò)程的影響

滲濾液全量回灌不僅減少了不飽水孔隙，避免了填埋體系微生物數(shù)量損失，而且使垃圾含水率始終維持在較高水平，使C裝置Eh值相對(duì)穩(wěn)定且呈逐漸下降趨勢(shì)，為微生物種群間協(xié)同代謝創(chuàng)造了環(huán)境條件［11］。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行70d后，滲濾液全量回灌C裝置環(huán)境Eh值下降至－300mV，快速形成了專性厭氧產(chǎn)甲烷菌適宜的環(huán)境Eh條件。然而，由于實(shí)驗(yàn)Ⅰ期滲濾液pH值維持在6.0左右，不利于產(chǎn)甲烷菌的代謝，因此垃圾生物質(zhì)降解以專性厭氧菌水解產(chǎn)酸作用為主。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)Ⅱ期，隨著較高溫度下產(chǎn)甲烷菌對(duì)有機(jī)酸的快速消耗導(dǎo)致pH值逐漸升高，Eh值進(jìn)一步降至－450mV以下，適宜產(chǎn)甲烷菌代謝的環(huán)境Eh與pH條件才逐漸形成。可見，實(shí)驗(yàn)Ⅱ期C裝置垃圾生物質(zhì)降解在專性厭氧水解產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌的交替主導(dǎo)作用下進(jìn)行。在這種交替的主導(dǎo)作用下，C裝置CODCr累計(jì)凈溶出量經(jīng)歷了先升后降的變化過(guò)程（圖7）。

在實(shí)驗(yàn)Ⅰ期，盡管C裝置采取了滲濾液pH值調(diào)節(jié)回灌措施，但填埋體系環(huán)境pH值并無(wú)明顯升高，仍長(zhǎng)期穩(wěn)定在6.0左右。圖8滲濾液碳酸氫鹽堿度ALK監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)Ⅰ期，C裝置滲濾液ALK較低，對(duì)固相垃圾水解酸化產(chǎn)物的緩沖能力弱，是造成微生物代謝環(huán)境pH值持續(xù)較低的原因。在填埋場(chǎng)水解產(chǎn)酸主導(dǎo)作用階段，僅通過(guò)堿性溶液調(diào)節(jié)滲濾液pH值的方式難以快速形成產(chǎn)甲烷菌適宜的pH條件。實(shí)驗(yàn)Ⅱ期，不進(jìn)行滲濾液pH調(diào)節(jié)而采用滲濾液直接回灌，隨著較高反應(yīng)溫度下產(chǎn)甲烷菌代謝活性增強(qiáng)造成有機(jī)酸的快速消耗，填埋體系環(huán)境ALK及pH值逐漸升高。因此，提高填埋體系產(chǎn)甲烷菌對(duì)水解酸化產(chǎn)物的代謝能力，形成多種微生物菌群的協(xié)同代謝作用，成為促進(jìn)微生物協(xié)同代謝環(huán)境快速形成的根本措施。

圖8 各裝置滲濾液ALK變化過(guò)程

NH4＋－N是微生物生長(zhǎng)所需的基本氮源，但高NH4＋－N濃度也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生毒性作用［12－13］。已有的研究表明：當(dāng)NH4＋－N濃度達(dá)到1500mg／L就會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生一定的抑制作用［7］，當(dāng)NH4＋－N濃度達(dá)到3000mg／L時(shí)，這種抑制作用更為明顯［14］。與A、B裝置相比，C裝置NH4＋－N濃度在實(shí)驗(yàn)Ⅱ期迅速升高，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行210d后長(zhǎng)期穩(wěn)定在2400～2900mg／L的較高水平，表明長(zhǎng)期的滲濾液全量回灌對(duì)產(chǎn)甲烷菌代謝產(chǎn)生了不利影響（圖5）。因此，滲濾液回灌前進(jìn)行脫氮處理，可保證微生物協(xié)同代謝的順利進(jìn)行，進(jìn)一步提高垃圾生物質(zhì)產(chǎn)能。

3.4 反應(yīng)溫度對(duì)滲濾液回灌效果的影響

溫度對(duì)填埋垃圾微生物降解過(guò)程影響顯著［15－16］。當(dāng)前研究表明：在15～35℃的中低溫范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度升高可顯著增強(qiáng)微生物的降解能力［17］。在15±2℃的環(huán)境溫度下，盡管滲濾液回灌使環(huán)境Eh、pH因子向適宜產(chǎn)甲烷微生物生長(zhǎng)代謝的方向快速演化，但較低的反應(yīng)溫度影響了產(chǎn)甲烷微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性，抑制了其對(duì)液相生物質(zhì)的快速分解，因此15±2℃下的滲濾液回灌使填埋垃圾降解仍表現(xiàn)為持續(xù)的水解酸化過(guò)程。此外，由于滲濾液回灌使填埋垃圾時(shí)刻處于高濃度液相有機(jī)質(zhì)環(huán)境中，對(duì)固相垃圾生物質(zhì)水解也產(chǎn)生了明顯的抑制作用。在這種抑制作用下，實(shí)驗(yàn)Ⅰ期C裝置滲濾液累計(jì)產(chǎn)生量與A裝置相比下降了70.9%，CODCr累計(jì)凈溶出量與A裝置相比下降了88.5%。當(dāng)環(huán)境溫度升高至35±2℃，填埋體系微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性顯著增強(qiáng)，在滲濾液回灌快速形成產(chǎn)甲烷菌適宜環(huán)境條件的配合下，填埋體系微生物菌群生長(zhǎng)及優(yōu)勢(shì)菌群更替速率加快，導(dǎo)致回灌滲濾液中有機(jī)污染物的快速積累與消耗，NH4＋－N濃度迅速升高，CODCr累計(jì)凈溶出量呈先升后降的變化趨勢(shì)。

可見，填埋垃圾生物質(zhì)的快速降解不僅需要適宜的填埋體系微生物代謝環(huán)境，還需要微生物菌群具有較強(qiáng)的生長(zhǎng)及代謝能力。滲濾液回灌的調(diào)節(jié)作用可促進(jìn)產(chǎn)甲烷微生物適宜環(huán)境的快速形成，控制合理的反應(yīng)溫度能夠提高填埋體系微生物體內(nèi)酶的活性，加快微生物的生長(zhǎng)及代謝速率，因此環(huán)境溫度的配合是對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液回灌作業(yè)的基本要求。

3.5 生物氣資源化地質(zhì)填埋水分運(yùn)移調(diào)控措施

對(duì)比不同水分運(yùn)移方式對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 水分運(yùn)移方式對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程的影響

從不同水分運(yùn)移方式下的填埋垃圾降解過(guò)程對(duì)比來(lái)看：滲濾液定期排放、地表水入滲及滲濾液低溫回灌都難以兼顧到垃圾填埋處理的快速減量化、環(huán)境無(wú)害化與高效資源化目標(biāo)，只有在較高反應(yīng)溫度下的滲濾液回灌才能夠滿足縮短填埋場(chǎng)穩(wěn)定化周期、降低填埋場(chǎng)環(huán)境污染控制難度、提高垃圾生物質(zhì)產(chǎn)能的目的。

垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)部溫度受到氣候、地?zé)峒袄到馍锬艿榷嘁蛩氐墓餐绊憽Ｔ诘途暥鹊貐^(qū)或夏季，隨著深度的增加，填埋場(chǎng)內(nèi)部溫度逐漸降低，高緯度地區(qū)或冬季則相反［18］。為了保證垃圾生物氣資源化填埋滲濾液回灌的增產(chǎn)效果，需要根據(jù)填埋場(chǎng)所處環(huán)境溫度的差異合理選擇滲濾液回灌方式。我國(guó)北方填埋場(chǎng)環(huán)境溫度較低，宜采用地表下豎井式回灌的方式［19］；而南方填埋場(chǎng)環(huán)境溫度較高，宜采用填埋場(chǎng)運(yùn)行期間直接回灌或表面回灌的方式［7］，最終通過(guò)控制滲濾液回灌反應(yīng)溫度增強(qiáng)垃圾填埋無(wú)害化、資源化處置能力。此外，較高反應(yīng)溫度下的滲濾液回灌可造成NH4＋－N快速積累，并對(duì)產(chǎn)甲烷微生物代謝產(chǎn)生抑制作用，因此滲濾液回灌前需根據(jù)NH4＋－N濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行必要的脫氮處理，以保證滲濾液回灌效果。

4 結(jié) 論

1）滲濾液定期排放難以形成產(chǎn)甲烷菌適宜的環(huán)境Eh、pH及濕度條件，填埋垃圾生物質(zhì)降解表現(xiàn)為持續(xù)的水解產(chǎn)酸過(guò)程。大氣降雨及地表徑流入滲對(duì)環(huán)境濕度因子的調(diào)節(jié)作用微弱，產(chǎn)甲烷菌代謝適宜的環(huán)境條件形成緩慢，且在入滲水持續(xù)的沖刷作用下，滲濾液CODCr累計(jì)凈溶出量增加了67.8%。

2）15±2℃環(huán)境下的滲濾液回灌使其累計(jì)產(chǎn)生量減少了70.9%，CODCr累計(jì)凈溶出量下降了88.5%，對(duì)水解產(chǎn)酸及產(chǎn)甲烷代謝產(chǎn)生了明顯的抑制作用。當(dāng)反應(yīng)溫度升高至35±2℃時(shí)，產(chǎn)甲烷菌適宜的環(huán)境條件快速形成，促進(jìn)了填埋體系微生物的協(xié)同代謝。

3）反應(yīng)溫度對(duì)滲濾液回灌處理效果影響顯著，環(huán)境溫度的配合是對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液回灌作業(yè)的基本要求。減少填埋場(chǎng)地表水入滲量、合理控制滲濾液回灌反應(yīng)溫度，并在滲濾液回灌前進(jìn)行脫氮處理，可顯著提高生活垃圾填埋處理的無(wú)害化與資源化水平。

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