厭氧反應(yīng)器對(duì)農(nóng)村生活垃圾的降解研究

梁 峙，梁 驍，肖 揚(yáng)，孫曉虎，劉喜坤

（1.徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州221018；2.上海財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，上海200433；3.徐州市城區(qū)水資源管理處，江蘇徐州221018）

循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展

厭氧反應(yīng)器對(duì)農(nóng)村生活垃圾的降解研究

梁 峙1，梁 驍2，肖 揚(yáng)1，孫曉虎3，劉喜坤3

（1.徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州221018；2.上海財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，上海200433；3.徐州市城區(qū)水資源管理處，江蘇徐州221018）

以江蘇銅山區(qū)3個(gè)行政村生活垃圾為對(duì)象，設(shè)計(jì)了厭氧垃圾生物反應(yīng)器，研究了農(nóng)村生活垃圾在反應(yīng)器中的變化情況。研究表明：潘塘村和姜樓村生活垃圾中含有大量的水分和蛋白質(zhì)，促進(jìn)了厭氧微生物的生長繁殖和甲烷產(chǎn)氣發(fā)生，使?jié)B濾液pH值迅速上升，30周pH達(dá)到最高點(diǎn)8.24和8.33。初期反應(yīng)器中BOD濃度，3個(gè)行政村都呈上升趨勢(shì)，16周左右達(dá)到最大值，30周后趙店村、潘塘村、姜樓村3個(gè)行政村滲濾液中BOD濃度分別下降到26 101 mg/L、16 121 mg/L、20 105 mg/L。

垃圾反應(yīng)器；農(nóng)村；生活垃圾；降解

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平有所提高，帶動(dòng)了人民生活水平的大幅度提升，純粹的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)逐漸被現(xiàn)代化的工業(yè)和商品經(jīng)濟(jì)所取代，使農(nóng)村的生產(chǎn)與消費(fèi)模式發(fā)生了改變，導(dǎo)致農(nóng)村生活垃圾數(shù)量與日俱增，垃圾種類也日趨復(fù)雜[1-5]。同時(shí)，人們對(duì)于農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的意識(shí)相對(duì)淡薄，對(duì)垃圾對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響認(rèn)識(shí)不清，這使得農(nóng)村生活垃圾大量堆積，隨處可見，造成了垃圾包圍村莊、臭水充斥河塘的現(xiàn)象。這些垃圾被隨意堆積在農(nóng)村周邊的河流、樹林、池塘、農(nóng)田等地方，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，給環(huán)境帶來了巨大的壓力。同時(shí)，阻礙了我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展[6-7]。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 厭氧型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)依據(jù)

為了解決上述技術(shù)問題，滿足厭氧型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求，達(dá)到垃圾處理由兼性氧降解到完全厭氧降解的目的，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了厭氧型垃圾生物反應(yīng)器，反應(yīng)器包括了濾液濃縮罐、濃縮氣提升裝置、生化反應(yīng)過濾罐、處理回流管、乏風(fēng)輸送裝置、離心純化罐、尾氣排出裝置、支架、封閉溢流槽。在厭氧型垃圾生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器頂部安裝了生化反應(yīng)過濾罐，在生化反應(yīng)過濾罐下部設(shè)有支架，支架的下部設(shè)有濾液濃縮罐，與濾液濃縮罐左側(cè)相鄰的是離心純化罐，生化反應(yīng)過濾罐與濾液濃縮罐之間通過濃縮氣提升裝置連通；反應(yīng)器中的離心純化罐與生化反應(yīng)過濾罐之間通過乏風(fēng)輸送裝置連通，在生化反應(yīng)過濾罐的左下方設(shè)有處理回流管，在處理回流管的下方設(shè)有離心純化罐；在生化反應(yīng)過濾罐的上部設(shè)有封閉溢流槽，如圖1所示：

圖1 厭氧型垃圾生物反應(yīng)器

為了將處理后的物料實(shí)現(xiàn)固氣分離，在生化反應(yīng)過濾罐中設(shè)計(jì)了飛翼式分氣槽、沼氣分流板、生化觸媒板和沼氣匯集槽；其中飛翼式分氣槽位于生化反應(yīng)過濾罐池體的上部，其為二層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并與沼氣分流板嵌套在一起。飛翼式分氣槽的下部設(shè)有沼氣分流板，其下部設(shè)有生化觸媒板，生化觸媒板的下部設(shè)有沼氣匯集槽，如圖2所示。

圖2 生化反應(yīng)過濾罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 分析方法

1.3.1 COD的測(cè)定方法

采用重鉻酸鉀法（CJ/T 3018.12—1999）在強(qiáng)酸性溶液中，利用一定量的重鉻酸鉀將水樣中的還原性物質(zhì)進(jìn)行氧化，用亞鐵作指示劑、硫酸亞鐵溶液回滴過量的重鉻酸鉀，根據(jù)用量算出水樣中還原性物質(zhì)消耗氧的量[8]。

1.3.2 BOD的測(cè)定

采用稀釋法（CJ/T 3018.11—1999）在20℃恒溫中培養(yǎng)5 d，分別測(cè)定培養(yǎng)前后溶解氧，其差值為20℃、5 d的生化需氧量[9-10]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

本試驗(yàn)以江蘇銅山區(qū)潘塘街道辦事處下轄的趙店村、潘塘村、姜樓村3個(gè)行政村的生活垃圾為研究對(duì)象，其垃圾成分符合大多數(shù)農(nóng)村生活垃圾的成分組成，均有一定的代表性，試驗(yàn)通過研究較發(fā)達(dá)農(nóng)村生活垃圾組分在厭氧生物反應(yīng)器中的變化情況，并對(duì)3個(gè)行政村的生活垃圾滲濾液在反應(yīng)器中pH值、COD、BOD的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示。

2.1 反應(yīng)器滲濾液中pH值變化分析

圖3表示3個(gè)行政村在填埋試驗(yàn)期間產(chǎn)生的滲濾液pH值動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。從圖中可以分析得出，試驗(yàn)初期3個(gè)行政村生活垃圾滲濾液pH值均在6.0上下浮動(dòng)。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)，由于密封作用，反應(yīng)器中氧氣消耗后，生活垃圾所在容器迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醐h(huán)境，在微生物分解菌的作用下，脂肪、纖維素、和蛋白質(zhì)等非溶解性的含氮有機(jī)物和碳?xì)漕愑袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為可溶性醇、有機(jī)酸，2～6周當(dāng)三個(gè)行政村垃圾滲濾液進(jìn)入水解酸化階段時(shí)，上述有機(jī)酸的積累會(huì)導(dǎo)致pH值的下降。第6周，三個(gè)行政村垃圾滲濾液的pH值分別為趙店村5.45、潘塘村5.56、姜樓村5.78，均為最低點(diǎn)。之后各村垃圾滲濾液的pH變化出現(xiàn)差異，趙店村12周后pH值逐漸升高，但其上升速度緩慢，30周才達(dá)到7.23左右。

潘塘村和姜樓村生活垃圾的pH值回升期在第6～10周，并開始產(chǎn)生甲烷，第10周pH值達(dá)到6.94和7.54，此階段pH值上升速率最快，之后逐漸緩步繼續(xù)上升，在反應(yīng)30周后達(dá)到最高點(diǎn)8.45和8.26。反應(yīng)罐在設(shè)計(jì)中采用了滲濾液回流技術(shù)，這使得潘塘村和姜樓村生活垃圾帶來了大量的水分和微生物，進(jìn)一步改善了微生物在反應(yīng)罐中的生活環(huán)境，促進(jìn)了垃圾由產(chǎn)酸階段向產(chǎn)甲烷階段的快速推進(jìn)，進(jìn)而促進(jìn)了滲濾液pH值迅速回升。反觀趙店村生活垃圾在反應(yīng)罐的降解歷程，由于滲濾液的大量流失，垃圾水分含量迅速下降，使得厭氧微生物不能有效獲得營養(yǎng)，微生物活性降低，微生物對(duì)水解酸化階段所產(chǎn)生的大量有機(jī)酸分解緩慢，造成pH值長時(shí)間處于低值范圍。

圖3 3個(gè)行政村的生活垃圾在反應(yīng)器中滲濾液pH值的變化

圖4 3個(gè)行政村生活垃圾在反應(yīng)器中滲濾液COD變化

2.2 反應(yīng)器滲濾液中COD變化分析

圖4為3個(gè)行政村生活垃圾在試驗(yàn)過程中COD濃度的變化情況。由圖可見，在試驗(yàn)初期，3個(gè)行政村生活垃圾的COD濃度都呈上升趨勢(shì)，趙店村在第20周達(dá)到最大值，濃度為150 102 mg/L；潘塘村和姜樓村在第16周左右達(dá)到最大值，濃度為120 103 mg/L和80 415 mg/L，此后開始呈現(xiàn)逐漸下降。在第30周試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，趙店村滲濾液COD下降為110 102 mg/L，潘塘村生活垃圾滲濾液COD下降幅度較大，為51 421 mg/L，姜樓村生活垃圾內(nèi)滲濾液COD下降到50 124 mg/L。

2.3 反應(yīng)器滲濾液中BOD值變化及分析

圖5 3個(gè)行政村生活垃圾在反應(yīng)器中滲濾液BOD變化

圖5為3個(gè)行政村生活垃圾在反應(yīng)器中滲濾液BOD濃度的動(dòng)態(tài)變化情況。由圖可見，生活垃圾滲濾液中BOD變化情況與COD相似。在試驗(yàn)初期，3個(gè)行政村都呈上升趨勢(shì)，潘塘村和姜樓村生活垃圾上升速度較快，在第16周左右達(dá)到最大值，其中潘塘村的濃度最高，達(dá)到38 142 mg/L，姜樓村BOD達(dá)到32 014 mg/L，趙店村在第20周達(dá)到最大值，濃度33 120 mg/L，然后開始逐漸下降，到達(dá)第30周試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，趙店村生活垃圾滲濾液BOD下降到26 101 mg/L，潘塘村生活垃圾內(nèi)滲濾液BOD下降速度依然最大，下降到16 121 mg/L，姜樓村生活垃圾滲濾液BOD下降到20 105 mg/L。2.4反應(yīng)器滲濾液中BOD/COD變化及分析

圖6 3個(gè)行政村生活垃圾在反應(yīng)器中滲濾液BOD/COD變化趨勢(shì)

由圖6分析可知，潘塘村和姜樓村生活垃圾BOD/COD的比值始終大于0.31，具有良好的可生物降解性，趙店村的生活垃圾由于沒有采用滲濾液的回流技術(shù)，初期處于產(chǎn)酸階段時(shí)，因菌體分解有機(jī)物產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，使BOD/COD比值升高，但是隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，趙店村滲濾液含量減少，使微生物活性降低，同時(shí)大量可溶性有機(jī)物進(jìn)入滲濾液，造成BOD/COD比值減小，可生化性降低。

3 結(jié)論

（1）三個(gè)行政村垃圾滲濾液進(jìn)入?yún)捬跛峄A段，產(chǎn)生大量有機(jī)酸導(dǎo)致滲濾液中pH值的降低，到第6周，三個(gè)行政村垃圾滲濾液的pH值都達(dá)到最低點(diǎn)，潘塘村和姜樓村生活垃圾帶來了大量的水分和微生物，進(jìn)一步改善了微生物在反應(yīng)罐中的生活環(huán)境，促進(jìn)了垃圾由產(chǎn)酸階段向產(chǎn)甲烷階段的快速推進(jìn)，進(jìn)而促進(jìn)了滲濾液pH值迅速回升；而趙店村生活垃圾由于滲濾液的大量流失，使垃圾水分含量迅速下降，使得厭氧微生物不能有效獲得營養(yǎng)，微生物活性降低，微生物對(duì)水解酸化階段所產(chǎn)生的大量有機(jī)酸分解緩慢，造成長時(shí)間pH處于低值范圍。

（2）潘塘村、姜樓村生活垃圾含有大量的蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物，蛋白酶水解以及胞內(nèi)酶的作用下被分解成為揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、醇類、乙酸、氫氣和二氧化碳，推動(dòng)了COD、BOD和重金屬離子的濃度上升，直至達(dá)到最大值。16周以后，在專性厭氧菌的作用下被有效地分解，成為簡單的無機(jī)物或穩(wěn)定的礦化物。

（3）潘塘村和姜樓村生活垃圾BOD/COD的比值始終大于0.31，表現(xiàn)出良好的可生物降解性，趙店村的生活垃圾沒有采用滲濾液的回流技術(shù)，可生化性降低。

[1]徐蘇士，汪誠文，王迪，等.UV-Fenton工藝對(duì)垃圾滲濾液納濾濃縮液的處理效果及影響因素研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，3（1）：65-70.

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[3]陳萬堂.多元微電解處理垃圾滲濾液濃縮液的研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2016.

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[5]楊亞新.紫外催化濕式氧化處理垃圾滲濾液納濾濃縮液的實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

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[9]桂莉.農(nóng)村生活垃圾熱解污染物排放特征研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[10]邱才娣.農(nóng)村生活垃圾資源化技術(shù)及管理模式探討[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

（編輯：程俊）

A Study on Degradation of Rural Domestic Garbage by Anaerobic Reactor

Liang Zhi1,Liang Xiao2,Xiao Yang1,Sun Xiaohu3,Liu Xikun3
（1.School of Environmental Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou Jiangsu 221018,China；2.School of Economics,Shanghai University of Finance and Economics,Shanghai 200433,China；3.Xuzhou Water Resources Management Office,Xuzhou Jiangsu 221018,China）

Based on the domestic waste from three administrative villages in Tongshan Jiangsu, the anaerobic bioreactor was designed,and the changes of rural domestic refuse in the reactor were studied.Research showed that:Pan Tang and Jiang Lou garbage,contained a lot of water and protein,promoted the anaerobic microbial growth and reproduction,promoted the generation of methane gas,the leachate pH value increased rapidly in 30 weeks and reached the highest point of 8.24 and 8.33.The initial concentration of BOD in the reactor of three administrative villages (Zhao Dian，Pan Tang,Jiang Lou)increased in about 16 weeks and reached the maximum,after 30 weeks BOD concentration in leachate decreased to 26 101 mg/L,16 121 mg/L,20 105 mg/L.

refuse reactor,rural area,municipal solid waste,degradation

X172

A

1008-813X（2017）03-0046-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.12

2017-04-10

住建部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目《太陽能驅(qū)動(dòng)一體化反應(yīng)器處理分散型農(nóng)村污水模塊化研究》（2015-K6-018）；江蘇省住建廳科技計(jì)劃項(xiàng)目《農(nóng)村生活垃圾高效處理技術(shù)研究》（2015JH07）；徐州市科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目《典型企業(yè)周邊土壤鉛鋅污染修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及綜合治理示范》（KC15SM032）

梁峙（1961-），男，廣東中山人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，博士，教授，主要從事固體廢棄物處置的研究工作。