實(shí)驗(yàn)室模擬生活垃圾生物反應(yīng)器*

徐晶，劉洪杰，趙由才，宋立巖

（1.環(huán)境微生物與生態(tài)研究中心，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100000；3.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200094）

·設(shè)計(jì)與探討·

實(shí)驗(yàn)室模擬生活垃圾生物反應(yīng)器*

徐晶1，2，劉洪杰1，2，趙由才3，宋立巖1，2

（1.環(huán)境微生物與生態(tài)研究中心，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100000；3.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200094）

實(shí)驗(yàn)室生物反應(yīng)器模擬與垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相比，具有周期短、可控性高、目的性強(qiáng)、取樣方便等特點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的方法。但是關(guān)于生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行等方面沒(méi)有系統(tǒng)的資料與標(biāo)準(zhǔn)，生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行對(duì)于準(zhǔn)確模擬垃圾填埋場(chǎng)垃圾降解過(guò)程至關(guān)重要。本研究根據(jù)國(guó)內(nèi)外近20 a進(jìn)行的垃圾生物反應(yīng)器研究，從反應(yīng)器設(shè)計(jì)、垃圾選擇與預(yù)處理及影響反應(yīng)器運(yùn)行因素3個(gè)方面進(jìn)行綜述，為建立實(shí)驗(yàn)室模擬生活垃圾生物反應(yīng)器提供依據(jù)。

垃圾填埋場(chǎng)；生活垃圾生物反應(yīng)器；實(shí)驗(yàn)室模擬生活垃圾生物反應(yīng)器

1 模擬填埋的生物反應(yīng)器的必要性

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，城市生產(chǎn)生活過(guò)程中產(chǎn)生的垃圾日益增多。據(jù)《全國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》2014年數(shù)據(jù)顯示全國(guó)已設(shè)生活垃圾處理廠（場(chǎng)）2 277座，全年實(shí)際共處理生活垃圾2.42×108t，其中采用填埋方式處理的共1.82×108t；2015年，全國(guó)設(shè)市城市生活垃圾清運(yùn)量為1.92×108t，城市生活垃圾無(wú)害化處理量1.80×108t，其中，衛(wèi)生填埋處理量為1.15×108t，占63.9%［1］。可見(jiàn)填埋依然是我國(guó)城市生活垃圾處理的主要方法。

20世紀(jì)70年代初美國(guó)Pohiand等率先通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬垃圾填埋場(chǎng)，研究滲瀝液回灌對(duì)于填埋場(chǎng)穩(wěn)定化的影響［2］。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)開(kāi)始了有關(guān)滲瀝液回灌及回灌對(duì)填埋場(chǎng)微生物結(jié)構(gòu)變化的影響研究，實(shí)驗(yàn)室模擬的垃圾降解規(guī)律及穩(wěn)定化過(guò)程研究，垃圾填埋場(chǎng)中污染物降解與轉(zhuǎn)化利用，以及垃圾填埋場(chǎng)氣體回收利用等相關(guān)研究［3］。朱青山等［4］在恒壓條件下研究了氮、磷、鉀等添加物對(duì)垃圾表面沉降速度的影響，根據(jù)表面沉降速度與時(shí)間建立了數(shù)學(xué)模型，推算填埋場(chǎng)穩(wěn)定化進(jìn)程。王羅春等［5］通過(guò)模擬垃圾填埋場(chǎng)試驗(yàn)，初步描述了填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程。同時(shí)王羅春等［6］也探討了垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液回灌對(duì)滲瀝液水質(zhì)、垃圾降解、填埋氣、填埋沉降等的影響。

垃圾填埋場(chǎng)不僅是收納各種廢棄物（如廢棄金屬、塑料及纖維等）的地方，也是各種污染物的儲(chǔ)存庫(kù)（潛在的污染輸出源）。Oman C等［7］采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析了滲瀝液中污染物情況，共檢測(cè)出45種有機(jī)污染物，例如具有致癌性［8］鄰苯二甲酸二酯（Phthalic acid diesters：PAEs）。近期，作為新興污染物的抗生素和抗性基因也在填埋場(chǎng)和滲瀝液中得到檢出。李蕾等［9］對(duì)國(guó)內(nèi)某大型垃圾填埋場(chǎng)中抗生素和抗性基因的分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從垃圾樣品中均檢測(cè)出磺胺類和四環(huán)素類抗生素及相應(yīng)的抗性基因，檢出的抗生素和抗性基因濃度均遠(yuǎn)高于環(huán)境背景值，而且其分布特征與垃圾降解時(shí)間及含水率等具有關(guān)聯(lián)。黃智婷等［10］在上海2個(gè)垃圾中轉(zhuǎn)站和1個(gè)垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液中均檢測(cè)出多種高濃度的抗生素和抗性基因。HolmJ等［11］調(diào)查了丹麥某城市的垃圾填埋場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)其地下水中含有高濃度的磺胺類藥物104～106ng·L-1。

綜上所述表明：現(xiàn)階段衛(wèi)生填埋是我國(guó)處置生活垃圾的主要手段；垃圾填埋場(chǎng)是一個(gè)新建的生態(tài)系統(tǒng)，新填埋垃圾和污染物與已填埋垃圾與污染物以及填埋場(chǎng)場(chǎng)地本身物質(zhì)一起進(jìn)行演化，其涉及的科學(xué)問(wèn)題主要包括：①填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程；②填埋場(chǎng)物質(zhì)平衡；③填埋場(chǎng)能量回收；④填埋場(chǎng)污染物控制。進(jìn)行上述問(wèn)題研究的手段通常有實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)2種方法。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)不可控因素較多，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且基礎(chǔ)設(shè)施投入較大，故填埋場(chǎng)機(jī)理研究多采用生物反應(yīng)器模擬衛(wèi)生填埋場(chǎng)。建立一個(gè)高效的生物反應(yīng)器不僅可以保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，縮短實(shí)驗(yàn)周期，而且可在可控的條件下盡量接近實(shí)際垃圾填埋場(chǎng)的環(huán)境，確保實(shí)驗(yàn)連續(xù)取樣，使結(jié)果具有代表性。但是目前關(guān)于實(shí)驗(yàn)室模擬衛(wèi)生填埋場(chǎng)的生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及操作等問(wèn)題沒(méi)有系統(tǒng)的資料與標(biāo)準(zhǔn)。因此，本研究根據(jù)國(guó)內(nèi)國(guó)外近20 a進(jìn)行的垃圾生物反應(yīng)器研究，從實(shí)驗(yàn)室模擬生活垃圾生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)、生活垃圾選擇與預(yù)處理，以及影響實(shí)驗(yàn)室模擬生活垃圾生物反應(yīng)器運(yùn)行因素等3個(gè)方面進(jìn)行綜述，為建立實(shí)驗(yàn)室模擬衛(wèi)生填埋場(chǎng)的生物反應(yīng)器提供依據(jù)。

2 模擬填埋的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)

趙由才等［12］研究中等規(guī)模模擬填埋場(chǎng)垃圾降解規(guī)律，結(jié)果表明：中等規(guī)模的模擬與幾十千克的小型垃圾柱的結(jié)果近似，重現(xiàn)性較好，說(shuō)明利用模擬填埋場(chǎng)研究垃圾在填埋場(chǎng)中的降解規(guī)律是可行的。而實(shí)驗(yàn)室模擬垃圾填埋場(chǎng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)模與目的不同，反應(yīng)器的型式、制作材料與規(guī)格等的選取不同。大型實(shí)驗(yàn)?zāi)M多采用方型反應(yīng)器，磚砌混凝土結(jié)構(gòu)［13-14］；中小型實(shí)驗(yàn)室模擬一般采用柱型反應(yīng)器，材料多數(shù)以聚氯乙烯（Polyvinylchloride：PVC）和有機(jī)玻璃制成；依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)生物反應(yīng)器，其次也要考慮反應(yīng)器對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的影響，比如反應(yīng)器幾何尺寸、材料等是否能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)影響模擬實(shí)驗(yàn)的因素也不容忽視，比如已定體積下，垃圾的壓實(shí)度對(duì)垃圾降解、產(chǎn)氣的影響等等。

綜合考慮各方面因素，優(yōu)先滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大的因素，采用相對(duì)合適的反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作。下面主要從承載量與壓實(shí)度、幾何尺寸角度介紹柱型小型實(shí)驗(yàn)室模擬反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。

2.1 承載量與壓實(shí)度

承載量是指反應(yīng)器能裝填物質(zhì)的量或體積。實(shí)驗(yàn)要求的承載量和填埋的壓實(shí)密度很大程度上決定了反應(yīng)器尺寸形狀設(shè)計(jì)。雖然高壓實(shí)密度有利于節(jié)約空間，減少反應(yīng)器的制作，但如果一個(gè)反應(yīng)器的承載量太大，則易導(dǎo)致酸積累，降解過(guò)程受阻［15］。

提高壓實(shí)度可增加單位體積的填埋量、改變垃圾柱內(nèi)部的水分含量和水分分布。填埋時(shí)，當(dāng)垃圾水分含量低于飽和狀態(tài)時(shí)，垃圾壓實(shí)密度越大，單位體積垃圾內(nèi)的水分越多，垃圾中微生物新陳代謝越活躍，有利于垃圾降解；當(dāng)垃圾水分含量大于飽和含水率時(shí)，垃圾壓實(shí)密度越大，單位體積垃圾內(nèi)的水分越少，垃圾中微生物可利用的水分越少，不利于垃圾的降解。同時(shí)也有文獻(xiàn)［2，16-17］提到：提高垃圾壓實(shí)密度可提高垃圾的氣體產(chǎn)率，加速垃圾的降解。但是垃圾過(guò)度壓實(shí)不僅會(huì)造成垃圾柱內(nèi)含氧量減少，垃圾好氧降解過(guò)程不充分；也不利于回灌液下滲，水分分布不均造成局部積水，不利于滲瀝液水質(zhì)的改善和甲烷的產(chǎn)生，影響垃圾快速降解［16-17］。孫曉蕾等［18］研究了不同垃圾壓實(shí)密度對(duì)室內(nèi)模擬回灌型準(zhǔn)好氧填埋場(chǎng)穩(wěn)定化進(jìn)程的影響，結(jié)果表明壓實(shí)密度為430.18 kg/m3時(shí)，滲瀝液水質(zhì)得到明顯改善，垃圾柱累積表面沉降量最高，穩(wěn)定速率最快。

2.2 幾何尺寸

在實(shí)際填埋場(chǎng)垃圾溫度受氣溫的影響大小與填埋深度成反比。有文獻(xiàn)［16］報(bào)道，當(dāng)填埋深度大于2.1 m時(shí)，垃圾溫度受場(chǎng)地氣溫的影響不明顯，當(dāng)填埋深度大于4～7 m時(shí)，則基本不受場(chǎng)地氣溫的影響。但在模擬垃圾填埋實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有相關(guān)研究證實(shí)。對(duì)于模擬消化反應(yīng)系統(tǒng)中卻有相關(guān)報(bào)道［15］：大型反應(yīng)器相較于小型的反應(yīng)器，其內(nèi)部溫度受外界晝夜溫差影響較??；指出：當(dāng)消化池反應(yīng)器徑高比在0.66～1.00范圍時(shí)，反應(yīng)器單位體積的產(chǎn)氣能力最大；反應(yīng)器深度為4.88 m，直徑為1.22～1.52 m時(shí)，其工作效率最好。本研究統(tǒng)計(jì)了相關(guān)文獻(xiàn)表明：實(shí)驗(yàn)室模擬垃圾填埋實(shí)驗(yàn)中徑高比多為0.27～0.38（參考表1），但在兩相型生物反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用的上流式厭氧污泥床生物反應(yīng)器徑高比也有為1∶8的［19-20］。古大田［21］從保溫角度，考慮產(chǎn)氣率以及費(fèi)用等問(wèn)題，通過(guò)推導(dǎo)計(jì)算得出了各型式厭氧消化器的最佳幾何尺寸，比如拱頂、平底圓筒形反應(yīng)器最佳尺寸為R（圓筒半徑）=0.575 88 V1/3，D（圓筒直徑）=1.151 76 V1/3，h（拱頂高）=0.575 88 V1/3，H（圓筒高）=0.575 88 V1/3，Amin（最小表面積）=5.209 40 V2/3；同時(shí)得出在定容積下，各型容器最小表面積大小順序如下：球形＜蛋形＜拱頂錐底圓筒形（k=1/4，k=1/5）＜拱頂拱底圓筒形（k=1/4）＜截錐頂?shù)讏A筒形＜拱頂平底圓筒形＜拱頂拱底圓筒形（k=1/5）＜錐頂平底圓筒形＜平頂?shù)讏A筒形＜正方體形。又由于隨著反應(yīng)器的高度增加，其內(nèi)部壓力也會(huì)增加，而當(dāng)壓力低于0.4MPa，對(duì)產(chǎn)氣沒(méi)影響，在高壓時(shí)，產(chǎn)氣率下降［22］，故在設(shè)計(jì)反應(yīng)器高度時(shí)還應(yīng)考慮壓力對(duì)產(chǎn)氣率的影響，控制好徑高比。古大田［21］也計(jì)算了最佳幾何尺寸容器的徑高比，結(jié)果如下：錐頂平底圓筒形、截錐頂?shù)讏A筒形、蛋形分別為0.82、1.25、0.826，而球形、拱頂錐底圓筒形、拱頂拱底圓筒形、拱頂平底圓筒形、平頂?shù)讏A筒形、正方體形均等于1或接近1。在設(shè)計(jì)模擬垃圾填埋實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器時(shí)可參考上述結(jié)論。

表1 實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)器相關(guān)統(tǒng)計(jì)

3 垃圾分析與預(yù)處理

模擬填埋中垃圾是實(shí)驗(yàn)重要的基質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室模擬中選用的垃圾主要是2種：實(shí)際填埋垃圾和自配垃圾。自配垃圾的垃圾配比根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)定，一般需要參照所研究地區(qū)的生活垃圾組成確定。填埋垃圾的成分、性質(zhì)等不僅影響垃圾降解速率，也是選擇垃圾預(yù)處理方法的重要因素。因此填埋前了解垃圾的成分與特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇相應(yīng)的預(yù)處理，是十分必要的。

3.1 垃圾組分分析

城市生活垃圾組分復(fù)雜，不同種類的垃圾其降解難易度不同，實(shí)驗(yàn)室模擬填埋前進(jìn)行垃圾組分分析，初步了解垃圾中物質(zhì)類別及比例，分析垃圾的可降解性、降解周期，控制不利降解物質(zhì)的量，有利于模擬實(shí)驗(yàn)可行性及實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論分析。瞿賢等［29］分析了新鮮垃圾填埋層內(nèi)固相生物質(zhì)組分（總糖、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素和木質(zhì)素）的初期降解規(guī)律，結(jié)果表明：新鮮垃圾填埋后滲瀝液中高有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于垃圾中原有總糖和蛋白質(zhì)的快速水解發(fā)酵；產(chǎn)甲烷階段的主要碳源是纖維素，其水解速率可能是甲烷化過(guò)程的限速步驟；纖維素/木質(zhì)素質(zhì)量比可作為指示填埋垃圾穩(wěn)定化的指標(biāo)。Ogata Y等［30］研究了鹽度對(duì)垃圾厭氧降解和微生物群落的影響，結(jié)果表明鹽濃度為21 mS/cm不影響垃圾降解，但在35 mS/cm時(shí)抑制CH4產(chǎn)生，當(dāng)達(dá)到80 mS/cm時(shí)不僅抑制CH4和CO2的產(chǎn)生，而且阻礙有機(jī)物的降解；而影響鹽濃度的物質(zhì)中，銨含量水平對(duì)產(chǎn)氣的影響顯著，控制垃圾中銨濃度對(duì)促進(jìn)垃圾生物降解至關(guān)重要。

3.2 垃圾預(yù)處理

城市垃圾不僅組分復(fù)雜，而且不易降解成分多，尤其是復(fù)雜的有機(jī)材料，使得垃圾生物轉(zhuǎn)化難以實(shí)現(xiàn)。常通過(guò)一些預(yù)處理破壞復(fù)雜的高分子結(jié)構(gòu)促使其分解成簡(jiǎn)單的單體，增加物質(zhì)的溶解性、反應(yīng)面積，加速水解作用，提高降解效率，實(shí)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化［31-32］。常采用不同類型的預(yù)處理（物理、化學(xué)、生物法及其組合）來(lái)提高復(fù)雜垃圾的生物降解性（表2）。

表2 預(yù)處理方法

3.2.1 機(jī)械預(yù)處理

機(jī)械預(yù)處理主要包括篩分、磁選和渦電流技術(shù)、近紅外檢測(cè)、沖擊式分離、破碎或粉碎等［37-38］。通過(guò)機(jī)械預(yù)處理分離出無(wú)機(jī)物，以便實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)物的再循環(huán)，增加資源回收率［39］。其次通過(guò)物理機(jī)械預(yù)處理，改變垃圾中復(fù)雜物質(zhì)的聚合度、顆粒大小，增加垃圾比表面積與均質(zhì)性，比如機(jī)械破碎［37］。

在實(shí)驗(yàn)室模擬垃圾填埋中，對(duì)垃圾進(jìn)行破碎、混合，可減小垃圾粒徑，增大垃圾比表面積，擴(kuò)大與微生物接觸面；也可以改善壓實(shí)效果，增加單位面積的填埋量；有利于均勻填埋，水分分布，促進(jìn)生物降解，加快垃圾降解速度［2］。Jain S等［15］研究表明，物質(zhì)的最大化利用率和物質(zhì)尺寸成反比，反應(yīng)器中填充物顆粒過(guò)大不利于產(chǎn)甲烷。Warith M［40］通過(guò)對(duì)比填埋垃圾有無(wú)破碎處理的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)垃圾進(jìn)行破碎處理，有利于促進(jìn)垃圾生物降解。但是過(guò)度的破碎也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，易導(dǎo)致垃圾厭氧降解滯留在產(chǎn)酸階段［2］。

3.2.2 生物預(yù)處理

生物預(yù)處理的目的是通過(guò)增強(qiáng)水解作用強(qiáng)化消化過(guò)程［41］。生物預(yù)處理包括厭氧方法和好氧方法。好氧預(yù)處理，比如堆肥，在厭氧消化前進(jìn)行堆肥，有利于增加生物量，強(qiáng)化水解過(guò)程，使復(fù)雜大分子轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單分子，提高垃圾的生物降解率，加速穩(wěn)定化進(jìn)程［15］。也有通過(guò)添加生物劑或接種，來(lái)增加垃圾中生物量，促進(jìn)垃圾水解，比如：以成熟的堆肥物、活性污泥或真菌菌種為添加劑［31-32，37］。Fdez-GueelfoLA等［31］通過(guò)對(duì)有機(jī)垃圾進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明，熱化學(xué)和生物預(yù)處理均可以加強(qiáng)水解作用和有機(jī)物溶解性。

3.2.3 熱化學(xué)預(yù)處理

熱處理是工業(yè)規(guī)模應(yīng)用最廣泛和最成功的預(yù)處理方法之一。垃圾、污泥厭氧消化通過(guò)提高溫度（150～180℃），促進(jìn)垃圾、污泥脫水，減少其粘黏度使膠體結(jié)構(gòu)解體，加強(qiáng)后續(xù)的消化處理，同時(shí)有利于病原菌的去除［41-42］。據(jù)文獻(xiàn)［15］統(tǒng)計(jì)熱處理的溫度范圍在50～250℃均有報(bào)道，但是熱處理需借助外力升高溫度，經(jīng)濟(jì)投入量相對(duì)其他方法要高。而相比于熱水解，堿處理需要的溫度較低，而化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量可以升高溶液溫度，因此化學(xué)預(yù)處理通常和熱處理相結(jié)合。

化學(xué)預(yù)處理是一種通過(guò)添加強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或氧化劑來(lái)分解有機(jī)物的方法。酸處理可分解含高木質(zhì)纖維素的物質(zhì)，因?yàn)樗崮芷茐哪举|(zhì)素結(jié)構(gòu)，酸性環(huán)境有利于水解微生物生長(zhǎng)。在酸處理期間最重要的反應(yīng)是半纖維素水解為單糖，促進(jìn)木質(zhì)素凝聚和沉淀。但是酸性過(guò)強(qiáng)，易產(chǎn)生具有抑制性的副產(chǎn)物，比如：糠醛和羥甲基糠醛［15］。因此常采用稀釋酸和熱處理相結(jié)合的方法。在污水消化池中最常用的氧化劑是臭氧和過(guò)氧化氫。通過(guò)增加臭氧劑量加強(qiáng)臭氧化作用，引起污泥的局部溶液化并且增加產(chǎn)量。但是過(guò)高的臭氧量會(huì)導(dǎo)致溶解成分的氧化析出，降低溶解率。此外，它的氧化性會(huì)減少甲烷產(chǎn)量。在厭氧消化系統(tǒng)中堿預(yù)處理是常用的化學(xué)預(yù)處理方法，其最基本、最重要的反應(yīng)是促使物質(zhì)溶解和皂化，誘導(dǎo)固體顆粒膨脹，增加比表面積，增大物質(zhì)和微生物接觸機(jī)會(huì)，同時(shí)利用添加的堿性物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)pH，改善厭氧消化的環(huán)境條件，使其有利于微生物生長(zhǎng)，加速生物降解。添加的堿性試劑的處理效率依次是：NaOH＞KOH＞Mg（OH）2=Ca（OH）2；在一定范圍內(nèi)，加大添加劑量和升高溫度，有利于污泥溶液化和增強(qiáng)厭氧生物降解；但是高濃度的Na+或K+會(huì)阻礙隨后的厭氧消化，故堿性試劑的添加量應(yīng)在適宜的范圍［41］?；瘜W(xué)預(yù)處理的效果取決于所運(yùn)用方法的類型和所處理物的特征。但總體來(lái)說(shuō)，化學(xué)預(yù)處理不適用于含有大量的碳水化合物的易生物降解的物質(zhì)，因?yàn)榻到饧铀僖自斐蒝FA的積累，從而不利進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段［15］。

4 影響生物反應(yīng)器運(yùn)行的因素

從本質(zhì)上講，生物反應(yīng)器型填埋是一種生物過(guò)程被強(qiáng)化了的衛(wèi)生填埋技術(shù)，它通過(guò)有目的的控制填埋場(chǎng)內(nèi)微生物的生命活動(dòng)，使得填埋場(chǎng)內(nèi)參與有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的微生物的種類、數(shù)量和活性提高，從而提高垃圾中有機(jī)組分的轉(zhuǎn)化效率和轉(zhuǎn)化速率［17］。其調(diào)控手段主要包括液體（水、滲瀝液）注入、覆蓋層設(shè)計(jì)、營(yíng)養(yǎng)添加、pH調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)和供氧等，其中滲瀝液回灌是生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)最常用的操作運(yùn)行方式之一。通過(guò)滲瀝液回灌可以間接調(diào)控水分和pH，同時(shí)也可以作為營(yíng)養(yǎng)物添加的途徑，調(diào)控C/N，在最優(yōu)化的外界條件下最大化的使得生物反應(yīng)器高效運(yùn)作，從而克服了模擬垃圾填埋場(chǎng)垃圾降解的周期長(zhǎng)，穩(wěn)定化進(jìn)程受阻，如酸積累使得酸化階段轉(zhuǎn)入產(chǎn)甲烷階段延緩等問(wèn)題。

4.1 水分

微生物的生命活動(dòng)離不開(kāi)水［16］。垃圾水分含量是影響垃圾生物降解和穩(wěn)定化的重要因素，適宜的含水率（通過(guò)比較不同含水率對(duì)垃圾的降解和穩(wěn)定化的影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)60%～75%的含水率最適宜垃圾降解［2］），有利于水解反應(yīng)的發(fā)生，從而為垃圾中的微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有助于微生物繁殖，進(jìn)一步促進(jìn)垃圾降解［17］。研究表明填埋垃圾水分低于10%～15%時(shí)微生物生命活動(dòng)停止［38］；低于40%會(huì)抑制微生物對(duì)垃圾的生物降解［43］。實(shí)際操作中調(diào)控垃圾的含水率常采用回灌滲瀝液的方法，這也有利于反應(yīng)器中微生物的分布［44］。適度的水分流動(dòng)可促進(jìn)垃圾降解，但是如果回灌頻率過(guò)高，會(huì)引起飽和積水、酸積累等問(wèn)題，降低垃圾降解速率。San I等［45］通過(guò)定期改變?cè)囼?yàn)回灌頻率、回灌量發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前期較低的滲瀝液回灌頻率有助于垃圾降解快速進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段后，較高的滲瀝液回灌頻率有助于固相垃圾的水解和填埋垃圾的最終穩(wěn)定；結(jié)合垃圾降解速率、產(chǎn)氣量和滲瀝液理化指標(biāo)綜合分析表明：后期回灌頻率為每周3次，每次回灌量不超過(guò)2L，實(shí)驗(yàn)效果最好。

4.2 pH

適宜的酸堿環(huán)境有利于微生物的生長(zhǎng)，過(guò)高過(guò)低的pH，會(huì)影響微生物膜表面電荷、膜的通透性及改變酶活性，進(jìn)而影響微生物的新陳代謝。在填埋初始階段由于O2被逐漸消耗，垃圾由好氧降解轉(zhuǎn)為厭氧降解，而起主導(dǎo)作用的厭氧微生物的適宜pH范圍為6.8～7.4［17］。Jain S等［15］總結(jié)表明當(dāng)pH保持在6.5～7.5范圍，微生物活性高，生物降解效果好，而低于6.5，高于8.0時(shí)均對(duì)產(chǎn)甲烷菌不利。隨著垃圾降解的推進(jìn)，垃圾中的有機(jī)物的水解和發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)酸令反應(yīng)器中的pH持續(xù)下降（酸化階段中期pH最低可達(dá)5.0），產(chǎn)酸菌逐漸成為垃圾反應(yīng)器中優(yōu)勢(shì)群落；后期由于揮發(fā)性酸被消化和CH4的產(chǎn)生，pH開(kāi)始上升，在此階段人為調(diào)控pH為6.8～8.0，有利于微生物群落的演變，促使反應(yīng)進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。Warith M［40］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)甲烷階段pH降低，產(chǎn)甲烷菌活性也相應(yīng)的減少，同時(shí)pH與化學(xué)需氧量和生物需氧量呈負(fù)相關(guān)。因此，在產(chǎn)甲烷階段調(diào)控pH在一個(gè)合適的范圍，有利于保持氣體產(chǎn)量，促進(jìn)垃圾降解［15］。

4.3 溫度

溫度對(duì)微生物的生命活動(dòng)至關(guān)重要，適宜的溫度加快酶促反應(yīng)速率，有利于微生物的新陳代謝，進(jìn)而間接影響垃圾中有機(jī)物的分解。周效志等［46］通過(guò)控制模擬填埋的反應(yīng)溫度，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度在（15±2）℃時(shí)，滲瀝液回灌抑制微生物代謝，而反應(yīng)溫度升到（35±2）℃，有利產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。也有研究表明在厭氧消化中有2個(gè)重要的溫度帶（35～38℃和50～65℃）決定著嗜溫型和嗜熱型2類微生物生長(zhǎng)情況，從而控制消化效率［15］?？梢?jiàn)，溫度對(duì)填埋垃圾的降解至關(guān)重要，適宜的溫度能夠提高反應(yīng)器體系中微生物體內(nèi)酶的活性，加快微生物的生長(zhǎng)及代謝速率。

4.4 營(yíng)養(yǎng)物

微生物生長(zhǎng)繁殖需要營(yíng)養(yǎng)物的供給。在填埋場(chǎng)垃圾是微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來(lái)源［17］，垃圾中含有的營(yíng)養(yǎng)元素的種類和數(shù)量影響微生物的生長(zhǎng)繁殖。微生物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)成分包括碳、氮、磷以及其它微量元素等。除了需要保持足夠數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)成分之外，各營(yíng)養(yǎng)成分之間還需要保持合適的比例，在厭氧消化系統(tǒng)中，一般認(rèn)為碳、氮和磷的合適比例為100∶5∶1，如果碳量過(guò)高，氮、磷含量不足，則氮、磷就成為污染物分解的限制因子［2，47］。其中垃圾中碳與氮的平衡，即C/N尤為重要。據(jù)JainS等［15］研究表明，目前大多垃圾中的C/N在20/1～30/1范圍，而在厭氧消化（Anaerobic digestion：AD）過(guò)程有利于厭氧菌生長(zhǎng)的最優(yōu)C/N為25/1。不適的C/N可能導(dǎo)致氨氮（Ammonia Nitrogen：AN）濃度升高或揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid：VFA）的積累，對(duì)AD來(lái)說(shuō)，TAN和VFA是2個(gè)重要的中間物和潛在的抑制劑，高濃度的TAN和VFAs會(huì)使產(chǎn)甲烷菌活性減弱，甚至阻礙AD進(jìn)程。黎乾等［27］利用模擬填埋垃圾生物反應(yīng)器研究了回灌滲瀝液C/N對(duì)填埋垃圾堆反硝化性能的影響，結(jié)果表明：回灌滲瀝液的COD/NO-3-N比例對(duì)反應(yīng)器的反硝化活性具有顯著性影響，當(dāng)COD/NO-3-N從3.11提高到13.08時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)硝酸鹽還原速率可從1.14 mg/（kg·h）提高到11.40 mg/（kg·h），當(dāng)比值為6.37時(shí)，反硝化作用快速、穩(wěn)定。

4.5 接種物

添加接種物可以快速啟動(dòng)生物反應(yīng)器，有效提高垃圾中微生物的種類和數(shù)量，從而提高反應(yīng)器的消化能力，加快有機(jī)物的分解速度［43］。是否向反應(yīng)器中添加“接種物”需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的而定。最常見(jiàn)的“接種物”是含有豐富厭氧微生物的活性污泥或發(fā)酵液等。將垃圾與活性污泥、河道、湖泊淤泥、畜禽糞便等混合填埋，可增加填埋場(chǎng)內(nèi)有益微生物的種類和數(shù)量［17］。Myers M等［43］以活性污泥作為接種物，建立對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，添加了活性污泥的反應(yīng)器中的垃圾降解率明顯增高。Warith M［40］也在試驗(yàn)中比較了添加活性污泥對(duì)垃圾降解的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接種反應(yīng)器中垃圾的降解率達(dá)50%，而未接種反應(yīng)器中垃圾的降解率只有37%。說(shuō)明添加接種物可明顯提高垃圾的消化率和減容量，增加填埋場(chǎng)的處理能力。李啟彬等［46］的試驗(yàn)結(jié)果也顯示，滲瀝液在添加活性污泥后，有機(jī)物的分解速度加快，其中COD的下降速率較不添加污泥的提高了10%，并較早進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)氣時(shí)間提前。

4.6 滲瀝液回灌

垃圾滲瀝液回灌技術(shù)利用回灌凈化滲瀝液，調(diào)控垃圾的含水率，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)比例調(diào)控，pH調(diào)控等，提高填埋氣產(chǎn)量和能量轉(zhuǎn)化利用，加速填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化過(guò)程［2］。San I［45］實(shí)驗(yàn)室模擬研究滲瀝液回灌對(duì)固體廢物降解的影響，結(jié)果表明，采用滲瀝液循環(huán)回灌的生物反應(yīng)器型填埋柱積累產(chǎn)氣量和填埋氣中CH4含量都要顯著高于沒(méi)有回灌的傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋。馬澤宇等［48］研究3種回灌方式下的填埋氣產(chǎn)氣規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明與原液回灌型厭氧生物反應(yīng)器相比，滲瀝液處理后回灌能加快甲烷穩(wěn)定化過(guò)程。實(shí)際的大規(guī)模試驗(yàn)中，滲瀝液回灌也被證明是調(diào)節(jié)垃圾水分和促進(jìn)垃圾穩(wěn)定化的有效手段。Townsend等［49］、Chan GYS等［50］進(jìn)行的滲瀝液回灌試驗(yàn)結(jié)果均表明，滲瀝液回灌有利于垃圾填埋氣產(chǎn)量和垃圾沉降速率。滲瀝液回灌也會(huì)影響穩(wěn)定化進(jìn)程，比如滲瀝液原液回灌易導(dǎo)致VFA積累，使垃圾降解滯留在酸化期［48］。回灌負(fù)荷會(huì)影響產(chǎn)氣效能，據(jù)楊國(guó)棟等［51］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較大的回灌負(fù)荷雖能促進(jìn)產(chǎn)氣進(jìn)程，但不利于系統(tǒng)溫度和產(chǎn)量效率的穩(wěn)定化。關(guān)于最佳的回灌比相關(guān)的研究結(jié)果從回灌反應(yīng)柱體積的13%到30%均有［52］。鄧舟等［26］的滲瀝液回灌量對(duì)其特征及填埋穩(wěn)定化的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：回灌填埋垃圾量5.3%的滲瀝液能更大程度地加速填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化進(jìn)程，采用2.7%回灌比的能形成更好的微生物環(huán)境。楊巧艷等［53］通過(guò)模擬生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了滲瀝液回灌頻率對(duì)產(chǎn)氣的影響，結(jié)果表明，較低的滲瀝液回灌頻率有利于生物反應(yīng)器快速進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，但不利于填埋垃圾的最終穩(wěn)定。因此在設(shè)計(jì)滲瀝液回灌時(shí)應(yīng)中和各因素，選取合適的回灌方式。

5 總結(jié)

與垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相比，實(shí)驗(yàn)室生物反應(yīng)器模擬具有周期短、可控性高、目的性強(qiáng)、取樣方便等特點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的方法。中等規(guī)模的模擬與幾十千克的垃圾柱的結(jié)果近似，重現(xiàn)性較好，表明了長(zhǎng)期以來(lái)利用模擬反應(yīng)器研究垃圾在填埋場(chǎng)中的降解規(guī)律是可行的。盡管實(shí)驗(yàn)室生物反應(yīng)器模擬可以較好反映實(shí)際填埋過(guò)程，但在反應(yīng)器設(shè)計(jì)上還是存在一些不容忽視的問(wèn)題，例如為了適應(yīng)小規(guī)模模擬系統(tǒng)，垃圾需要破碎或進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，但目前在實(shí)際填埋場(chǎng)，大規(guī)模的垃圾破碎化或其他大規(guī)模的預(yù)處理無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此如果實(shí)驗(yàn)需要填埋未破碎的垃圾模擬垃圾填埋場(chǎng)的異質(zhì)性等，應(yīng)采用大型的模擬反應(yīng)器，如采用磚砌混凝土結(jié)構(gòu)；小型的實(shí)驗(yàn)室模擬雖然便于設(shè)計(jì)、控制，但是無(wú)法反映實(shí)際填埋場(chǎng)復(fù)雜多變的環(huán)境及垃圾的異質(zhì)性，受外界溫度等的影響較大等，故在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求而定，同時(shí)垃圾的含水率、滲瀝液回灌頻率、溫度、pH等參數(shù)對(duì)調(diào)控實(shí)驗(yàn)進(jìn)程至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)?zāi)M填埋場(chǎng)中，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)模、條件和處理目標(biāo)選擇適當(dāng)填埋方式，設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器的規(guī)格與操作參數(shù)，以加速垃圾降解、縮短穩(wěn)定化時(shí)間和節(jié)約成本及運(yùn)行費(fèi)用。

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Laboratory Simulation on Landfill Bioreactor

Xu Jing1，2，Liu Hongjie1，2，Zhao Youcai3，Song Liyan1，2
（1.Environmental Microbiology and Ecology Research Center，Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chinese Academy of Sciences，Chongqing400714，2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100000；3.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai200094）

Field experiment and laboratory simulation on landfill bioreactor（LSLB）are 2 widely used methodsto monitor the refuse decomposition.Comparing with field experiment，LSLB shows advantage in short cycle，better controllability，strong purpose，sampling feasibility，and so on.There is，however，little information and no standard on LSLB.The design and operation of LSLB is critical for accurately simulating refuse decompositionin landfill.Therefore，we reviewed the past 20 years research on LSLB world widely and concluded the common feature of LSLB in reactors design，refuse pretreatment，and factors influencing the reactor operation.The aim is providing the basic information for LSLB establishment to better modeling the refuse decomposition in landfill.

landfill；landfill bioreactor；laboratory simulation on landfill bioreactor（LSLB）

X799.3；TQ052

A

1005-8206（2017）04-0069-08

徐晶（1990—），碩士，主要研究方向?yàn)楣腆w廢物處置與資源化。E-mail：xujing@cigit.ac.cn。

宋立巖，E-mail：songliyan@cigit.ac.cn。

生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)中抗生素和抗性基因的分布特征與遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（51578528）

2016-09-22