陳腐垃圾填埋場腐殖土好氧堆肥-浸提技術(shù)工藝研究

韓 鳳，邵 樂，史學(xué)峰，李昌武

（航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖南長沙 410010）

陳腐垃圾，也叫礦物垃圾，是指填埋場或堆放多年的城市生活垃圾。自20世紀(jì)70年代以來，我國逐漸開始采用填埋方法處理處置城市生活垃圾。近年隨著大規(guī)模土地開發(fā)，這些填埋場地已成為稀缺資源，具有巨大的開發(fā)價(jià)值。但是由于非正規(guī)填埋場在運(yùn)轉(zhuǎn)期內(nèi)未采取有效的防護(hù)措施，產(chǎn)生的水、氣及臭味等污染，不僅對周邊居民的生活造成了嚴(yán)重影響，還對地下水造成了危害。陳腐垃圾資源化處置是填埋場治理面臨的最為重要的問題，尤其是含量最高的腐殖土處置尤為關(guān)鍵，開挖后的陳腐垃圾中50%～70%為篩下物腐殖土［1］。腐殖土富含有機(jī)質(zhì)可作為綠化用地用土［2，3］，但是其利用作為綠化種植土壤或綠化養(yǎng)護(hù)用土需滿足《綠化種植土壤》（CJ／T 340-2016）標(biāo)準(zhǔn)，其主要包括pH、有機(jī)質(zhì)、含鹽量等5項(xiàng)主控指標(biāo)，CEC、有效磷等14項(xiàng)肥力指標(biāo)，總鎘、總汞等8項(xiàng)重金屬含量指標(biāo)［4］，而一般的腐殖土中主要超標(biāo)指標(biāo)為含鹽量、有機(jī)質(zhì)、重金屬等。

目前，針對陳腐垃圾填埋場腐殖土的處理相關(guān)報(bào)道較少，常規(guī)的腐殖土處理技術(shù)包括回轉(zhuǎn)窯協(xié)同技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)等。而回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置技術(shù)不僅能耗大、成本高，而且針對腐殖土中含鹽量和部分重金屬處理效果不佳［5，6］；好氧堆肥技術(shù)能降低腐殖土中有機(jī)質(zhì)含量，對土壤中重金屬含量處理效果不佳，無法作為綠化用地，需要后續(xù)處理處置［7～9］。針對現(xiàn)有工藝存在的缺陷，本研究結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過不斷試驗(yàn)研究，研發(fā)出“好氧堆肥-浸提技術(shù)”，并馴化培養(yǎng)出好氧產(chǎn)酸微生物。通過好氧堆肥-浸提技術(shù)聯(lián)用處理陳腐垃圾填埋場腐殖土，主要解決腐殖土含鹽量、有機(jī)質(zhì)、重金屬超標(biāo)的問題。首先將腐殖土通過好氧堆肥，能充分利用微生物來降解腐殖土中有機(jī)質(zhì)，再利用特殊的浸提劑將腐殖土中可溶性的鹽類和重金屬離子轉(zhuǎn)移至液相，從而使腐殖土中有機(jī)質(zhì)、含鹽量和重金屬含量同時(shí)有效降低，通過控制過程參數(shù)可達(dá)到《綠化種植土壤》（CJ／T 340-2016）標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)腐殖土有效資源利用，適合推廣使用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在某生活垃圾填埋場隨機(jī)采集陳腐垃圾，每個(gè)點(diǎn)位分層采集3個(gè)樣品，每個(gè)樣品重約50 kg。樣品經(jīng)風(fēng)干后混合均勻，篩分得到粒徑≤2 cm篩下腐殖土，密封保存。腐殖土污染指標(biāo)及性能見表1。

表1 腐殖土污染指標(biāo)及性能

1.2 試驗(yàn)方法及對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)方法

微生物菌劑制備：將陳腐垃圾中提取分離的青霉屬、曲霉屬真菌接種于斜面上，28～35℃培養(yǎng)6 d。搖瓶培養(yǎng)液采用去離子水中加入15%蔗糖、0.2%硝酸鹽、0.1%磷酸二氫鉀、0.25%七水硫酸鎂，搖動容器直至溶質(zhì)溶解，高溫滅菌。用無菌水沖洗斜面微生物接種到搖瓶培養(yǎng)液中，置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)6 d。經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后混合菌液中青霉屬、曲霉屬數(shù)量達(dá)到106 cfu／mL，最終分批接種到腐殖土中。

應(yīng)用試驗(yàn)：腐殖土中加入糞尿+草木灰，調(diào)節(jié)腐殖土中C／N比。將腐殖土堆放成條垛形（寬∶高＝2∶1）后，往腐殖土中撒播微生物菌液，采用動態(tài)攪拌、靜態(tài)通風(fēng)相結(jié)合的方式，堆肥前3 d每天攪拌一次，后每2 d攪拌一次，實(shí)時(shí)監(jiān)測好氧堆肥過程各項(xiàng)指標(biāo)，控制好氧堆肥的溫度為30～55℃，堆肥時(shí)間為10 d。

將腐熟的腐殖土轉(zhuǎn)入固定池體中堆放后，腐殖酸配制成質(zhì)量濃度為5%的浸提液，以一定體積比加入腐殖土中，浸提一段時(shí)間后，浸提廢液排出；用腐殖酸浸提2次后再用清水浸提1次，浸提時(shí)間為8 h，浸提廢水排出并統(tǒng)一收集后處理或回灌填埋場。腐殖土自然晾曬、脫水干化，測定腐殖土中有機(jī)質(zhì)、含鹽量、重金屬含量。

腐殖土好氧堆肥-浸提工藝流程圖如圖1所示。

圖1 腐殖土好氧堆肥-浸提工藝流程圖

1.2.2 對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置四組對比試驗(yàn)，每組設(shè)置三組對比數(shù)據(jù)，確定好氧堆肥-浸提工藝中最優(yōu)C／N比、微生物菌液添加量、浸提劑添加比例、浸提時(shí)間。對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

1.3 測定指標(biāo)及方法

根據(jù)表1可知，本項(xiàng)目腐殖土主要污染指標(biāo)為含鹽量、有機(jī)質(zhì)、銅、鋅、鎘。其中有機(jī)質(zhì)采用《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測定及碳氮比的計(jì)算》（LY／T1237）［10］測定；含鹽量采用《森林土壤水溶性鹽分分析》（Y／T 1251）［11］測定；銅、鋅采用《土壤質(zhì)量銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 17138）［12］測定；鎘采用《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定 KIMIBK萃取火焰原子吸收分光光度法》（GB／T17140）［13］測定。

表2 對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 C／N比對腐殖土處理效果的影響分析

本組對比試驗(yàn)為單因子變量試驗(yàn)，調(diào)節(jié)腐殖土中 C／N比分別為15∶1、25∶1、35∶1，C／N比對腐殖土處理效果的影響如圖2所示，從圖2可以看出，隨著腐殖土中C／N比例增大，有機(jī)質(zhì)降減率隨之減少，可溶性鹽和重金屬降減率有少量減幅。其中腐殖土中C／N比例為15∶1和25∶1時(shí)，有機(jī)質(zhì)降減率均超過標(biāo)準(zhǔn)降減率34%。綜合考慮腐殖土C／N比調(diào)節(jié)難度和操作成本，確定調(diào)節(jié)腐殖土中最優(yōu)C／N比為25∶1。

圖2 C／N比對腐殖土處理效果的影響

適當(dāng)?shù)奶嫉壤兄谖⑸锇l(fā)酵分解。當(dāng)腐殖土中C／N大于25∶1時(shí)，微生物不能大量繁殖，而且從有機(jī)物中釋放同的氮素全部為微生物自身生長所利用。當(dāng)腐殖土中C／N小于25∶1時(shí)，微生物繁殖快，堆肥材料分解也快，而且有多余的氮素釋放，施到土壤后供作物利用，也有利于腐殖質(zhì)形成［14］。本項(xiàng)目選用糞尿+草木灰調(diào)節(jié)腐殖土中C／N比。

2.2 微生物菌液添加量對腐殖土處理效果的影響分析

本組對比試驗(yàn)為單因子變量試驗(yàn)，分別添加20 L、45 L、60 L微生物菌液，微生物菌液添加量對腐殖土處理效果的影響如圖3所示，從圖3可以看出，隨著微生物菌液添加量的增大，有機(jī)質(zhì)、可溶性鹽、重金屬降減率也隨之增加。其中腐殖土微生物菌液添加量為45 L時(shí)，有機(jī)質(zhì)降減率超過標(biāo)準(zhǔn)降減率34%，而當(dāng)微生物菌液添加量繼續(xù)增大時(shí)有機(jī)質(zhì)降減率仍有少量增幅。綜合考慮操作成本及處理效率，確定微生物菌液最優(yōu)添加量為45 L。

圖3 微生物菌液添加量對腐殖土處理效果的影響

本項(xiàng)目微生物菌液中主要為青霉屬、曲霉屬真菌，在好氧堆肥過程中溶解性的有機(jī)物可透過微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜被微生物直接吸收；不溶膠體和固體有機(jī)物，先附著在微生物體外，依靠微生物分泌的胞外酶分解為可溶性物質(zhì)，再滲入細(xì)胞［15］。在通過微生物的自身合成和氧化分解后，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的有效降解。

好氧產(chǎn)酸微生物不但可以降解腐殖土中的有機(jī)質(zhì)，而且可以產(chǎn)生有機(jī)酸物質(zhì)，如在好氧堆肥過程中好氧產(chǎn)酸微生物將糖轉(zhuǎn)化成多種有機(jī)酸，再使草酰醋酸和乙酰輔酶A縮合成檸檬酸等，這些有機(jī)酸物質(zhì)可以活化腐殖土中的重金屬及鹽類，有利于后續(xù)的浸提過程金屬離子的溶出，從而可有效提高重金屬、鹽類浸提效率，且降低浸提劑的消耗量。

2.3 浸提劑添加比對腐殖土處理效果的影響分析

本組對比試驗(yàn)為單因子變量試驗(yàn)，分別添加1∶1、2∶1、3∶1（腐殖土∶浸提液體積比）腐殖酸浸提劑，浸提劑添加比對腐殖土處理效果的影響如圖4所示，從圖4可以看出，隨著浸提劑添加比例的減小，腐殖土中可溶性鹽和重金屬降減率也隨之降低。其中腐殖酸浸提劑添加比為1∶1時(shí)，可溶性鹽、重金屬降減率均超過標(biāo)準(zhǔn)降減率。因此，確定腐殖酸浸提劑最優(yōu)添加比為1∶1。

圖4 浸提劑添加比對腐殖土處理效果的影響

本項(xiàng)目浸提劑為腐殖酸，腐殖酸作為有機(jī)酸具有絡(luò)合增溶作用，能提高土壤中鈣、鎂鹽的溶解度，鈣、鎂離子與土壤膠體中金屬陽離子鹽置換，置換出的陽離子鹽溶于水中，隨浸提廢液排出，可實(shí)現(xiàn)可溶性鹽和重金屬的有效浸出。

2.4 浸提時(shí)間對腐殖土處理效果的影響分析

本組對比試驗(yàn)為單因子變量試驗(yàn)，分別保持腐殖酸浸提液的浸提時(shí)間為4 h、8 h、10 h，浸提時(shí)間對腐殖土處理效果的影響如圖5所示，從圖5可以看出，隨著浸提時(shí)間的增加，腐殖土中可溶性鹽和重金屬降減率也隨之增大。其中腐殖酸浸提時(shí)間為8 h和10h時(shí)，可溶性鹽、重金屬降減率均超過標(biāo)準(zhǔn)降減率。綜合考慮處理效率及時(shí)間成本，確定腐殖酸最優(yōu)浸提時(shí)間為8 h。

圖5 浸提時(shí)間對腐殖土處理效果的影響

隨著浸提時(shí)間的增加，腐殖酸將腐殖土中可溶性鹽和重金屬置換出來，隨浸提廢液排出，有效降低腐殖土中可溶性鹽和重金屬含量。

3 結(jié) 論

1.本項(xiàng)目采用好氧堆肥+浸提聯(lián)合處理方法，協(xié)同增效作用明顯，能滿足腐殖土中有機(jī)質(zhì)、含鹽量、重金屬的有效降低，處理后的腐殖土能滿足《綠化種植土壤》（CJ／T 340-2016）標(biāo)準(zhǔn)，可作為綠化用地使用。

2.微生物好氧堆肥過程可產(chǎn)生較多的有機(jī)酸、活化腐殖土中重金屬溶出，結(jié)合浸提技術(shù)可有效提高重金屬、鹽類浸提效率，降低浸提劑的使用量。

3.C／N比、微生物菌液添加量、浸提劑添加比例、浸提時(shí)間都是腐殖土中有機(jī)質(zhì)、可溶性鹽和重金屬降減的重要因素，腐殖土處理的最佳條件為：調(diào)節(jié)C／N為25∶1后，添加45 L微生物菌液，保持好氧堆肥條件后，以1∶1（腐殖土∶腐殖酸體積比）添加比例加入浸提劑，浸提8 h，反復(fù)兩次后，再用清水浸提一次，處理后腐殖土能滿足《綠化種植土壤》（CJ／T 340-2016）標(biāo)準(zhǔn)。