好氧生物反應(yīng)器填埋場的滲濾液回灌量研究

邱忠平 ，李明星 ，劉 洋 ，唐 建 ，王文燦 ，華建軍 ，孟 濤 ，湯國雄

（1. 西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都610031；3. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司西南分院，四川 成都 610031）

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，生活垃圾的產(chǎn)生量越來越多，20世紀(jì)固體廢物量增加了10倍，預(yù)計(jì)到2025年將增加至22億噸[1]，采用有效的措施對(duì)垃圾進(jìn)行處理是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施. 垃圾填埋技術(shù)是垃圾處理最常用、最有效的手段，但是傳統(tǒng)的厭氧填埋場存在垃圾生物降解緩慢，滲濾液成分復(fù)雜難處理，不利于土地資源的再利用等缺陷，故加速填埋場穩(wěn)定化進(jìn)程的新型技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[2-9].

好氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)通過人工控制措施[2-3，10]，為填埋垃圾中好氧微生物提供合適的氧氣供給和水分含量，使微生物保持旺盛的生長代謝與良好的種群結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一系列有機(jī)物質(zhì)水解酶、氧化酶等以利于有機(jī)垃圾的生物降解與轉(zhuǎn)化，故好氧垃圾填埋場較厭氧填埋場和準(zhǔn)好氧填埋場具有更高的有機(jī)物、氮、磷和堿金屬去除效率，有機(jī)垃圾生物轉(zhuǎn)化效率高，穩(wěn)定周期短，成為廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一[10-13].

滲濾液回灌使填埋場成為一個(gè)復(fù)合“凈化反應(yīng)器”，可有效加速場內(nèi)微生物對(duì)填埋場中有機(jī)垃圾的生物降解，降低滲濾液的污染負(fù)荷，加速生物反應(yīng)器填埋場穩(wěn)定化進(jìn)程[14-15].研究表明[14-16]，合適的滲濾液回灌量可有效調(diào)節(jié)填埋場垃圾內(nèi)部的含水率，促進(jìn)微生物的生長代謝，加速有機(jī)垃圾的生物降解，最終實(shí)現(xiàn)加速填埋場的穩(wěn)定化進(jìn)程；同時(shí)滲濾液回灌還使得填埋場中溶解于液相的有機(jī)物、營養(yǎng)物質(zhì)、微生物返還填埋垃圾中，促進(jìn)物質(zhì)在填埋場內(nèi)的轉(zhuǎn)移和降解；此外，回灌還可以促進(jìn)滲濾液蒸發(fā)，降低滲濾液處理量和處理負(fù)荷等.因此，適宜的回灌量對(duì)于加速填埋場的穩(wěn)定化進(jìn)程、減少后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用意義重大.

本文通過模擬生物反應(yīng)器填埋場實(shí)驗(yàn)，研究滲濾液回灌量對(duì)好氧填埋場固相垃圾理化性質(zhì)與滲濾液特性的影響，獲得較優(yōu)的回灌量，為好氧生物反應(yīng)器填埋場的實(shí)際應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行

好氧填埋場模擬實(shí)驗(yàn)裝置采用厚度5 mm、直徑315 mm的聚乙烯管制作而成，總?cè)莘e100 L，詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)[6] .

垃圾樣品取自成都市二環(huán)路北一段附近的生活垃圾，剔除其中不能生物降解的垃圾組分，如玻璃、瓦礫、塑料制品及金屬等，填埋前將大塊有機(jī)垃圾采用人工破碎的方式破碎到5 cm左右，混勻[9]，均勻填埋至各個(gè)反應(yīng)器中.各模擬生物反應(yīng)器填埋場均采用好氧填埋方式，分別裝填垃圾35.0 kg，壓實(shí)密度635 kg/m3，曝氣頻率為1∶3，分別設(shè)置回灌量（回灌量與滲濾液產(chǎn)量的體積分?jǐn)?shù)）為10%、15%、20%、30%、全回灌[16]，各反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)見表1.

表1 各反應(yīng)器編號(hào)與運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Code of simulated landfill bioreactor

1.2 監(jiān)測方法

化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）和氨氮根據(jù)文獻(xiàn)[17]提供的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法進(jìn)行測定；滲濾液產(chǎn)量和垃圾沉降量采用直接測定法；總有機(jī)質(zhì)、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素采用文獻(xiàn)[18-19]所述的方法測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 固相垃圾的特性

2.1.1 Q值

利用垃圾中木質(zhì)素不易生物降解的特性，可采用半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的比值Q衡量垃圾穩(wěn)定化的程度，比值越低則垃圾穩(wěn)定化程度越高[20]，填埋過程中Q值隨時(shí)間t的變化趨勢如圖1.

圖1 Q值隨時(shí)間的變化趨勢Fig.1 Variation of Q during landfill

由圖1可知，各反應(yīng)器中垃圾的Q值先上升后快速下降，然后維持較低值至穩(wěn)定. 填埋初期由于水解酶的水解作用，使得垃圾中易降解有機(jī)物快速水解，同時(shí)，木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的生物降解過程中，會(huì)形成大量中間代謝產(chǎn)物，導(dǎo)致垃圾中易水解物的含量大大增加，因此，各反應(yīng)器中垃圾的Q值于14～21 d達(dá)到峰值，其后由于半纖維素和纖維素類物質(zhì)的生物降解，而木質(zhì)素等難降解物質(zhì)的降解速度緩慢，Q值急劇下降，至填埋結(jié)束時(shí)維持在0.61～0.74之間，回灌量為20%的反應(yīng)器垃圾中Q值為0.62，比其他反應(yīng)器低9.9%～16.9%，表明20%的回灌量可優(yōu)化填埋場內(nèi)微生物的種群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)含碳有機(jī)垃圾的生物降解與轉(zhuǎn)化，有利于加速填埋場的穩(wěn)定化進(jìn)程，為較優(yōu)的回灌量.

2.1.2 總有機(jī)質(zhì)

垃圾中總有機(jī)質(zhì)含量是表征填埋垃圾穩(wěn)定化程度最為直觀的參數(shù)，填埋垃圾中總有機(jī)質(zhì)含量越低，填埋場垃圾穩(wěn)定化程度越高[9]. 填埋過程中垃圾總有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律見圖2.

圖2 總有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢Fig.2 Variation of total organic

由圖2可知，填埋初期的0～7 d，由于微生物處于適應(yīng)期，故對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解速度較慢，總有機(jī)質(zhì)含量基本穩(wěn)定，7～28 d快速下降，至56 d以后趨于穩(wěn)定. 回灌量為20%的反應(yīng)器中總有機(jī)質(zhì)含量較其余回灌量的下降速度快，且至填埋結(jié)束時(shí)，20%回灌量中總有機(jī)質(zhì)含量最低，為0.49，較其他反應(yīng)器低8.9%～14.6%. 表明回灌量為20%有利于垃圾的生物降解，使垃圾降解速度更快更徹底.

2.1.3 垃圾沉降率

填埋垃圾中成分十分復(fù)雜，壓縮性高，填埋過程中垃圾中有機(jī)物不斷生物降解，所以填埋場的沉降會(huì)持續(xù)很長一段時(shí)間才能趨于穩(wěn)定，垃圾體的沉降性能作為衡量填埋場的穩(wěn)定化程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可直觀顯示垃圾填埋場中有機(jī)物生物降解的效果. 各反應(yīng)器中填埋垃圾均于填埋初期快速沉降，中后期沉降速度減慢并趨于穩(wěn)定，與邱忠平等[6，21]的研究結(jié)果類似，見圖3. 0～38 d填埋垃圾快速沉降，回灌量為20%的反應(yīng)器垃圾沉降速度最快，38 d時(shí)沉降量為48.0 cm，達(dá)到終沉降量的80.0%，38 d以后垃圾體緩慢沉降，并于94 d左右趨于穩(wěn)定，至填埋結(jié)束時(shí)，回灌量為20%的反應(yīng)器的沉降量較其他反應(yīng)器高6.6%～13.3%.

圖3 沉降量隨時(shí)間的變化趨勢Fig.3 Variation of deposition of solid waste

2.2 滲濾液的水質(zhì)特性

滲濾液水質(zhì)變化與其中的溶解氧含量及微生物數(shù)量、種類等因素密切相關(guān). 厭氧條件下滲濾液中的溶解氧較低，主要以厭氧或兼性厭氧微生物為主，對(duì)滲濾液中的COD、氨氮的分解轉(zhuǎn)化能力較差. 而好氧條件下滲濾液中溶解氧濃度較高，且通過不斷的滲濾液回灌，為COD降解菌、氮素轉(zhuǎn)化菌、絮凝劑產(chǎn)生菌等功能菌提供了充足的養(yǎng)分，使其不斷繁殖而大量分解滲濾液中的有機(jī)物，導(dǎo)致COD快速降低[2，10]，同時(shí)好氧條件下加速了微生物的氨化、亞硝化、硝化、反硝化等作用，增強(qiáng)了微生物對(duì)氨氮的去除[3].

2.2.1 COD

COD表征填埋垃圾中有機(jī)質(zhì)生物降解過程中所溶于滲濾液的還原性有機(jī)物的污染強(qiáng)度[6，9，21]，各反應(yīng)器所產(chǎn)滲濾液COD濃度隨時(shí)間的變化趨勢見圖4.

填埋初期，因填埋垃圾中易降解有機(jī)物經(jīng)微生物及其所分泌的酶的作用，被快速分解為可溶性小分子物質(zhì)而溶出于垃圾滲濾液中[13]，導(dǎo)致滲濾液中COD濃度在0～10 d急劇上升并快速達(dá)到峰值，回灌量為20%的反應(yīng)器中所產(chǎn)滲濾液的COD在第6 天時(shí)就達(dá)到峰值33 500 mg/L，其他回灌量下的反應(yīng)器則在9 d以后才達(dá)到峰值，且峰值較其他回灌量高，表明20%的回灌量可促進(jìn)上述生化反應(yīng)的進(jìn)行；其后，由于微生物的進(jìn)一步作用，垃圾中易降解和中等易降解有機(jī)垃圾不斷被降解，填埋初期所產(chǎn)生的可溶性小分子有機(jī)物被微生物快速利用，各反應(yīng)器所產(chǎn)滲濾液COD濃度急劇降低，20%回灌量的反應(yīng)器在第17 天時(shí)下降到9 600 mg/L，較其他回灌量低1 600～6 400 mg/L，其他反應(yīng)器直至24 d時(shí)才降低至10 000 mg/L以下；31 ～52 d各反應(yīng)器COD緩慢下降，至填埋結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在3 000 mg/L左右. 在整個(gè)填埋周期，回灌量為20%的反應(yīng)器較其他回灌量的反應(yīng)器中COD去除效果最好，其所產(chǎn)滲濾液中的還原性有機(jī)物的量分別較10%、15%、30%和全回灌的反應(yīng)器低9.8%、12.5%、17.8%和14.9%. 表明20%的回灌量可為填埋場中微生物創(chuàng)造較優(yōu)的生長環(huán)境，有利于微生物對(duì)有機(jī)垃圾的生物降解和對(duì)滲濾液中COD的去除，可促進(jìn)填埋場的穩(wěn)定化進(jìn)程.

圖4 填埋過程中COD的變化趨勢Fig.4 Variation of COD of leachate

2.2.2 氨氮

滲濾液中氨氮濃度的變化，可反映填埋垃圾中含氮物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化與氮素的消減情況[6，9，21]. 各反應(yīng)器所產(chǎn)滲濾液中氨氮濃度隨時(shí)間的變化趨勢見圖5.

由圖5可以看出，填埋整個(gè)階段，各反應(yīng)器的滲濾液氨氮含量都迅速上升并到達(dá)峰值，隨后呈下降趨勢，直至穩(wěn)定. 實(shí)驗(yàn)初期，各反應(yīng)器滲濾液的氨氮變化趨勢相似，都快速升高，在第13 天時(shí)，各反應(yīng)器所產(chǎn)滲濾液中氨氮都達(dá)到了峰值，在500 mg/L左右.回灌量為20%的反應(yīng)器氨氮在52 d降至25 mg/L，達(dá)到GB 1889—2008所規(guī)定的垃圾填埋場滲濾液氨氮排放濃度限值，較其他回灌量達(dá)標(biāo)排放提前7～21 d. 表明20%的回灌量有利于提高氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物活性，通過加強(qiáng)亞硝化、硝化作用促進(jìn)氨氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化[10，21]，同時(shí)也加強(qiáng)了反硝化及同步硝化反硝化等生物脫氮作用，促進(jìn)了填埋場中氮素向N2、N2O等氣態(tài)氮轉(zhuǎn)化[14]，加快氮素的生物轉(zhuǎn)化，降低填埋場中氮污染.

圖5 氨氮隨時(shí)間的變化趨勢Fig.5 Variation of ammonia nitrogen of leachate

3 結(jié) 論

（1） 滲濾液回灌使垃圾保持合適的含水率以利于微生物的生物降解，回灌量為20%的反應(yīng)器總有機(jī)質(zhì)含量、Q值與沉降量速度最快，至填埋結(jié)束時(shí)，回灌量為20%的反應(yīng)器填埋垃圾的總有機(jī)質(zhì)含量與Q值較其他反應(yīng)器低8.9%～14.6%和9.9%～16.9%，沉降量較其他反應(yīng)器提高6.6%～13.3%.

（2） 20%的回灌量較其他回灌量的反應(yīng)器中COD去除效果好，整個(gè)填埋周期，其所產(chǎn)滲濾液中的還原性有機(jī)物的量分別較10%、15%、30%和全回灌的反應(yīng)器低9.8%、12.5%、17.8%和14.9%. 氨氮在52 d降至25 mg/L，達(dá)到GB 16889—2008所規(guī)定的垃圾填埋場滲濾液氨氮排放濃度限值，較其他反應(yīng)器提前7～21 d.

（3） 20%的回灌量可為填埋場中微生物提供較優(yōu)的生長環(huán)境，優(yōu)化填埋場內(nèi)微生物的種群結(jié)構(gòu)，提高垃圾降解與轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的生長代謝活性，促進(jìn)含碳有機(jī)垃圾的生物降解與轉(zhuǎn)化，并加快氮素的生物轉(zhuǎn)化，從而加速好氧生物反應(yīng)器填埋場的穩(wěn)定化進(jìn)程，是較優(yōu)的滲濾液回灌量.

致謝：成都市科技惠民技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目資助（2016-HM01-00502-SF）.