生活垃圾腐殖土物化性質(zhì)及資源化利用途徑——以浙江省某高齡期填埋場(chǎng)為例

鄭康琪,陳 萍,邱鈺峰,郭淇萌,陳延博,元妙新,詹良通*

生活垃圾腐殖土物化性質(zhì)及資源化利用途徑——以浙江省某高齡期填埋場(chǎng)為例

鄭康琪1,陳 萍1,邱鈺峰1,郭淇萌2,3,陳延博4,元妙新5,詹良通2,3*

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.浙江大學(xué)巖土工程研究所,浙江 杭州 310058；3.軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058；4.浙江大學(xué)超重力研究中心,浙江 杭州 310058；5.中節(jié)能大地(杭州)環(huán)境修復(fù)有限公司,浙江 杭州 310016)

以填埋齡期23～37a、粒徑<15mm腐殖土為對(duì)象,測(cè)試分析了其物質(zhì)組成、理化性質(zhì)和浸出液性質(zhì).測(cè)試與分析結(jié)果表明:腐殖土中粒徑范圍2～15mm、0.075～2mm和<0.075mm的組分分別占比42.9%～53.9%、40.9%～44.1%和5.1%～13.0%,屬于細(xì)粒砂土;隨著填埋齡期增加,腐殖土特征粒徑50和10呈現(xiàn)減小趨勢(shì),比重明顯增大,并在30a后趨于穩(wěn)定.腐殖土中有機(jī)質(zhì)含量(18.1%～19.1%,)、氮磷鉀含量、浸出液pH值(7.26～8.30)及電導(dǎo)率(1.08～2.51mS/cm)等指標(biāo)均滿足國(guó)家現(xiàn)行《綠化用有機(jī)基質(zhì)》要求.腐殖土中重金屬Cu、Zn、Cd、Cr含量均超出國(guó)家現(xiàn)行《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》、《綠化種植土壤》和《綠化用有機(jī)基質(zhì)》的標(biāo)準(zhǔn)要求,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)高達(dá)15.48～17.95,屬于重度污染類型,且重金屬主要富集在粒徑<2mm的細(xì)顆粒.建議將腐殖土進(jìn)一步精細(xì)化篩分為粒徑2～15mm與粒徑<2mm兩部分,針對(duì)粒徑<2mm部分采用微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀等技術(shù),降低重金屬浸出濃度.處理后的腐殖土可作為園林綠化、填埋場(chǎng)覆蓋以及廢棄礦山修復(fù)的綠化土層.

生活垃圾填埋場(chǎng)；腐殖土；物化性質(zhì)；填埋齡期；浸出液性質(zhì)；資源化利用

自20世紀(jì)70年代以來,填埋逐漸成為我國(guó)處理處置城市生活垃圾的主要方式[1].2020年《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示:我國(guó)生活垃圾清運(yùn)量23511.71萬噸,在役衛(wèi)生填埋場(chǎng)1871座(市級(jí)644座,縣級(jí)1227座),簡(jiǎn)易堆場(chǎng)5000座以上,垃圾填埋存量超80億t,占用土地超10萬hm2.我國(guó)初期建造的填埋場(chǎng)多為無襯墊簡(jiǎn)易填埋場(chǎng),致使后期環(huán)保要求不達(dá)標(biāo),對(duì)周邊水土環(huán)境污染造成不良影響.同時(shí),隨著城市化水平的不斷提升,生活垃圾產(chǎn)生量持續(xù)增長(zhǎng),大量現(xiàn)運(yùn)營(yíng)填埋場(chǎng)庫(kù)容告罄,城市及周邊地區(qū)的土地資源逐漸稀缺,因此亟需對(duì)已封場(chǎng)的填埋齡期在20a以上老舊簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行重新開挖、分質(zhì)利用和再填埋,實(shí)現(xiàn)填埋場(chǎng)污染源負(fù)荷削減及填埋垃圾的資源化利用[2].

填埋垃圾經(jīng)開挖篩選等處理后,主要成分包括輕質(zhì)可燃物、腐殖土、磚瓦石塊和金屬、玻璃等可回收組分[3],其中,腐殖土含量占開挖垃圾50%以上[4-6].因此,腐殖土的資源化利用程度直接決定著填埋場(chǎng)開挖項(xiàng)目的可行性及經(jīng)濟(jì)效益.現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外針對(duì)腐殖土的研究,主要集中在填埋齡期20a以下的腐殖土理化特性方面,包括腐殖土有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分、重金屬總量以及pH值和電導(dǎo)率等性質(zhì).多數(shù)研究表明,腐殖土有機(jī)質(zhì)含量高,NPK元素豐富,蘊(yùn)含多種微生物,且浸出液呈弱堿性[7-11],具有肥沃壤土的特點(diǎn),但電導(dǎo)率較高[12-13].此外,腐殖土重金屬含量超標(biāo)現(xiàn)象普遍,具有潛在二次污染問題[2,14-16].但現(xiàn)有研究中,填埋場(chǎng)多為20a以下的短齡期填埋場(chǎng),腐殖土粒徑分類程度不高(最高僅<10mm)、精細(xì)化程度不足,且研究性質(zhì)分散,多集中于化學(xué)性質(zhì),缺乏針對(duì)腐殖土物質(zhì)組成、理化性質(zhì)以及浸出液性質(zhì)的系統(tǒng)性研究,因此制約了20a以上老舊填埋場(chǎng)腐殖土的資源化利用進(jìn)程.

據(jù)2021年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[17],東部沿海地區(qū)填埋場(chǎng)占全國(guó)填埋場(chǎng)比例超三分之一,浙江作為東部沿海地區(qū)垃圾填埋場(chǎng)的集中點(diǎn)之一,其區(qū)域內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)能夠在一定程度反應(yīng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)填埋場(chǎng)情況.本文以浙江省某38a齡期的簡(jiǎn)易生活垃圾填埋場(chǎng)為例,對(duì)23～37a高齡期腐殖土的物理組成及性質(zhì)(顆粒級(jí)配、外觀形貌、含水率與比重)、化學(xué)組成及性質(zhì)(化學(xué)組成和礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量、氮磷鉀含量以及重金屬含量)和浸出液性質(zhì)(pH值、電導(dǎo)率和重金屬浸出濃度)進(jìn)行了系統(tǒng)性測(cè)試,并分析其與填埋齡期之間的規(guī)律;將腐殖土篩分為粒徑2～15mm與粒徑<2mm粗細(xì)兩類,探究?jī)深惲礁惩林亟饘傥廴静町?基于腐殖土物化性質(zhì)測(cè)試結(jié)果,討論腐殖土用作綠化種植土壤或綠化用有機(jī)基質(zhì)的可行性,以期為我國(guó)填埋齡期20a以上的老舊城鎮(zhèn)簡(jiǎn)易填埋場(chǎng)腐殖土的開挖篩分及資源化利用提供參考.

1 材料與方法

1.1 填埋場(chǎng)概況

浙江省某簡(jiǎn)易生活垃圾填埋場(chǎng)始建于1983年,填埋場(chǎng)東部靠江,東西約250m,南北約260m,占地面積約43200m2,填埋垃圾厚度變化范圍較大,在11.2～35.3m,垃圾方量約76萬m3.填埋場(chǎng)垃圾主要以簡(jiǎn)易填埋的方式進(jìn)行填埋,填埋垃圾主要為生活垃圾和建筑垃圾,少量為工業(yè)垃圾(皮革制品邊角料等),采用分區(qū)、簡(jiǎn)易堆放方式填埋,未設(shè)置環(huán)保措施、防滲系統(tǒng),2002年垃圾場(chǎng)達(dá)到飽和后實(shí)行封場(chǎng).場(chǎng)區(qū)地層分為4個(gè)工程地質(zhì)層,自上而下主要為雜填土、垃圾、粉質(zhì)黏土及粉砂,場(chǎng)地內(nèi)地下水位位于-3.32～ -4.48m范圍,流向總體為從西面流向東面.封場(chǎng)后,由于建設(shè)需要且為保護(hù)周邊環(huán)境與居民健康,于2019年對(duì)填埋場(chǎng)進(jìn)行開挖和篩分處理.

1.2 腐殖土取樣

圖1為填埋場(chǎng)分區(qū)平面圖.填埋場(chǎng)垃圾主要采用“通風(fēng)預(yù)處理+開挖篩分”的方式進(jìn)行治理.填埋垃圾開挖前先進(jìn)行通風(fēng)預(yù)處理,改善垃圾堆體的厭氧環(huán)境,而后進(jìn)行開挖工作.開挖后垃圾通過篩分系統(tǒng)篩選出腐殖土、輕質(zhì)垃圾、骨料等.本文隨填埋場(chǎng)開挖進(jìn)程,取填埋場(chǎng)11、12區(qū)域6組不同填埋深度采樣點(diǎn)(填埋齡期S1～S6)處垃圾篩分后腐殖土,各采樣點(diǎn)從左至右每隔0.5m取1個(gè)樣,最終將混合樣品充分混勻后堆成錐形,按四分法約取5kg左右用于測(cè)試,其余樣品全部用于篩分和分類.腐殖土樣品相對(duì)應(yīng)的填埋年份、平均填埋齡期和填埋高程見表1.根據(jù)填埋場(chǎng)開挖篩分現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示,為提高篩分效率并減小機(jī)械投入成本,我國(guó)現(xiàn)有陳腐垃圾分選篩分裝置通常將篩分最小粒徑控制在15mm,因此本研究所取腐殖土樣品(S1～S6)經(jīng)篩分風(fēng)干后粒徑均小于15mm,如圖2所示.

表1 腐殖土樣品填埋年份、齡期及填埋深度

圖2 腐殖土樣品

1.3 試驗(yàn)方法

本研究對(duì)物理組成及性質(zhì)、化學(xué)組成及性質(zhì)和浸出液性質(zhì)測(cè)試按照表2方法執(zhí)行:

表2 測(cè)試性質(zhì)及方法

2 結(jié)果與分析

圖3為粒徑<15mm腐殖土手動(dòng)分選各物質(zhì)占比.可知:粒徑<15mm腐殖土中土顆粒占比最大,高達(dá)80%以上,且隨填埋齡期增長(zhǎng),腐殖土土顆粒含量逐漸增加.腐殖土中磚石顆粒的含量也相對(duì)較多,占總量的10.40%～12.37%,金屬與玻璃占總量的1.57%～2.88%,塑料、紙類、織物及木竹等輕質(zhì)可燃物占總量的1.63%～2.57%,隨填埋齡期增長(zhǎng),該部分物質(zhì)逐漸減少,說明填埋20a以上的垃圾仍存在降解反應(yīng).總體而言,粒徑<15mm腐殖土以土顆粒為主,可通過土工試驗(yàn)等方法對(duì)其進(jìn)行物化組成及特性測(cè)試,掌握其基本性質(zhì),方便后續(xù)資源化利用.

圖3 粒徑<15mm腐殖土手動(dòng)分選各物質(zhì)占比

2.1 物理組成及性質(zhì)

2.1.1 顆粒級(jí)配 圖4顯示了不同填埋齡期腐殖土的顆粒級(jí)配,隨著填埋齡期的增加腐殖土總體粒徑呈逐漸減小趨勢(shì),腐殖土中粒徑>2mm含量由53.94%降至36.95%,粒徑<0.075mm的含量由5.12%增至12.36%.這是由填埋廢棄物中存在的水解發(fā)酵、廢渣降解等生化反應(yīng)導(dǎo)致的質(zhì)量損失和顆粒級(jí)配改變,生活垃圾中大量有機(jī)物質(zhì)隨填埋齡期的增加而不斷降解(見圖3),混合渣土、玻璃等多種成分形成填埋垃圾中的腐殖土[6].楊玉江[23]在對(duì)上海老港垃圾填埋場(chǎng)的研究同樣表明,1991～1996年填埋垃圾細(xì)料中粒徑<10mm組分含量隨填埋齡期的增加而逐年增加.

圖4 不同填埋齡期腐殖土顆粒級(jí)配曲線

圖5顯示了腐殖土顆粒級(jí)配曲線中60(控制粒徑)、50、30、10(有效粒徑)隨填埋齡期的變化情況.可見對(duì)于填埋20～30a的腐殖土,其粒徑變化仍然明顯,平均粒徑50從2.31mm減小至1.04mm,減小近2.3倍;10從0.19mm減小至0.04mm,減小4.7倍,說明20～30a齡期的生活垃圾仍存在較為明顯的生化降解反應(yīng),而30a后反應(yīng)趨于穩(wěn)定,粒徑不再發(fā)生明顯變化.根據(jù)圖3中的不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc,腐殖土的不均勻系數(shù)均大于5,屬不均勻土,25a齡期前的腐殖土級(jí)配連續(xù),25a后由于細(xì)粒的增加,腐殖土連續(xù)性逐漸變差.

本研究腐殖土的黏粒和粉粒含量(<0.075mm)占總量的5.1%～13.0%;砂粒含量(0.075mm～2mm)占總量的40.9%～44.1%;礫粒含量(2mm～15mm)占總量的42.9%～53.9%.按《GB50021-2001 巖土工程勘察規(guī)范》[24]要求,本研究腐殖土質(zhì)地屬于細(xì)粒砂土,滿足《CJT340-2016 綠化種植土壤》[25]規(guī)范要求,《GBT 33891-2017 綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]中未見土壤質(zhì)地要求.

圖5 不同填埋齡期d60、d50、d30、d10對(duì)應(yīng)粒徑變化

2.1.2 外觀形貌 從圖6(a)中可以看出,粒徑2～15mm的組分顆粒較均勻,含有部分塑料、碎玻璃、塊狀竹木以及皮革等無機(jī)物和難降解有機(jī)物,與圖3手動(dòng)分選結(jié)果相對(duì)應(yīng).圖6(b)為粒徑0.075～2mm的組分,除少量塑料、碎玻璃、塊狀竹木外,主要為砂土類物質(zhì);粒徑<0.075mm的腐殖土(圖6(c))形貌呈粉土狀,圖7為樣品S2粒徑<0.075mm組分電鏡掃描圖,其中圖6(b)顯示的掃描區(qū)域?yàn)閳D6(a)中紅色方框框選范圍.可觀察到表面粗糙多孔的腐殖質(zhì)組分和松散的土顆粒組分.

圖6 烘干后腐殖土樣品

圖7 烘干后的腐殖土樣品SEM圖

2.1.3 含水率與比重 圖8測(cè)試結(jié)果表明,不同齡期腐殖土含水率范圍為37.04%～47.49%,平均值為42.02%,齡期較短的腐殖土處于堆填體頂部,受降雨、空氣濕度影響含水率偏高,而齡期較長(zhǎng)的腐殖土則處于負(fù)高程范圍,受地下水影響同樣具有較高的含水率,因此呈現(xiàn)30a齡期腐殖土(高程范圍0～-3m)的含水率低谷.

腐殖土比重范圍為1.845～1.883,平均值為1.867.呈現(xiàn)隨著填埋齡期增長(zhǎng)而逐漸增大的趨勢(shì),且30a前腐殖土比重上升趨勢(shì)明顯快于30a后.該趨勢(shì)與顆粒級(jí)配分析中細(xì)粒含量隨齡期漸增的趨勢(shì)同樣吻合,由此可以推斷,生活垃圾填埋齡期達(dá)20a以后,其堆體內(nèi)部降解作用仍在緩慢進(jìn)行[23],填埋齡期達(dá)到30a后則趨于穩(wěn)定.此外,腐殖土比重明顯低于農(nóng)田用土(2.53)和防護(hù)林用土(5.54)[27],這與腐殖土中較多的有機(jī)質(zhì)成分及一定量的微塑料等輕質(zhì)物質(zhì)有關(guān)[28].

圖8 腐殖土含水率與比重

2.2 化學(xué)組成及性質(zhì)

2.2.1 化學(xué)組成和礦物組成 化學(xué)組成測(cè)試結(jié)果表明(表3),腐殖土中化學(xué)成分以SiO2為主,同時(shí)含有一定量的CaO、Al2O3、Na2O、Fe2O3、以及少量的MgO、K2O,該成分接近土壤礦物,體現(xiàn)了腐殖土以砂石及硅酸鹽黏土礦物為主成分的組成特點(diǎn).

圖9表明,腐殖土的主要礦物為石英SiO2、方解石CaCO3以及一定量的鈉長(zhǎng)石Na2O·Al2O3·6SiO2、高嶺石Al2Si2O5(OH)4、白云母Al2[Si3AlO10](OH)2、莫來石3Al2O3·2SiO2,礦物成分的組成元素與表3中化學(xué)組成測(cè)試結(jié)果相符合.其中石英、長(zhǎng)石屬于砂質(zhì)礦物且占比較高,而黏土礦物占比較小,因此該腐殖土整體呈砂質(zhì)土,這與顆粒級(jí)配、微觀形貌測(cè)試結(jié)果相吻合,且與王少一[29]對(duì)腐殖土礦物成分的分析結(jié)果具有一致性:腐殖土礦物成分主要為石英、方解石、鈉長(zhǎng)石以及存在一定量的正長(zhǎng)石、白云石、斜綠泥石、伊利石.

表3 腐殖土化學(xué)組成

圖9 腐殖土樣品XRD衍射譜圖

2.2.2 氮磷鉀及有機(jī)質(zhì)含量 由圖10可知,腐殖土的總氮(TN)含量為0.50%～0.82%,總磷(TP)含量為0.21%～0.25%,總鉀(TK)含量為1.14%～1.32%,腐殖土中總養(yǎng)分(NPK)含量為1.98%～2.31%,腐殖土有機(jī)質(zhì)含量為18.17%～19.10%.結(jié)果表明,腐殖土N、P、K含量與填埋齡期無關(guān),總養(yǎng)分含量較高,與袁京等[4]、白秀佳等[5]、郭亞麗等[7]針對(duì)腐殖土的氮磷鉀測(cè)試結(jié)果具有一致性;隨填埋齡期增加腐殖土有機(jī)質(zhì)含量逐漸減小.填埋齡期20a以上的腐殖土,仍存在緩慢的降解反應(yīng),這與手動(dòng)分揀的有機(jī)組分隨齡期不斷減少的結(jié)果相吻合(圖3).但降解速率在達(dá)到30a后會(huì)趨于平緩,與細(xì)粒增加趨勢(shì)及比重變化趨勢(shì)保持一定程度上的一致性.我國(guó)新鮮生活垃圾組中易降解有機(jī)物組分通常為30%～40%.而填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化過程主要體現(xiàn)在有機(jī)組分的降解和轉(zhuǎn)化過程,腐殖土有機(jī)質(zhì)含量可以直接反映填埋垃圾的穩(wěn)定化程度[28],可見填埋20a后的垃圾已趨于穩(wěn)定.

綜合上述測(cè)試結(jié)果,腐殖土有機(jī)質(zhì)含量滿足《GB8172-1987城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》[30],高于《綠化種植土壤》[25]要求(1.2%～8%),并低于《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]要求(>25%);TN、TP和TK含量均滿足《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》[30]要求;總養(yǎng)分含量滿足《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]要求(￡3000mg/kg);水解性氮、速效鉀含量遠(yuǎn)高于《綠化種植土壤》[25]要求(40mg/kg～200mg/kg, 60mg/kg～300mg/kg),因此可考慮對(duì)腐殖土進(jìn)行精細(xì)化分類,使其滿足綠化種植土壤或綠化用有機(jī)質(zhì)的規(guī)范要求.

2.2.3 重金屬含量 圖11顯示了重金屬含量測(cè)試結(jié)果,不同填埋齡期腐殖土重金屬含量并無明顯變化規(guī)律,與其他學(xué)者研究結(jié)果一致[2,13].腐殖土中重金屬含量主要與垃圾降解以及滲濾液運(yùn)移有關(guān)[2],本研究高齡期腐殖土其生化降解反應(yīng)已趨于穩(wěn)定,而滲濾液運(yùn)移對(duì)重金屬的再分布影響較大,因此重金屬含量隨填埋齡期變化無明顯規(guī)律.與其他學(xué)者研究的低齡期腐殖土對(duì)比[2,13],本研究腐殖土重金屬Cu、Zn、Cd、Cr、Pb含量總體偏高,這可能是由于高齡期腐殖土降解程度更高,有機(jī)危害組分(塑料、橡膠、印刷制品、染料、油漆以及皮革等)分解導(dǎo)致更多重金屬累積的結(jié)果.重金屬Ni含量在本研究以及陳云敏等[2]研究中均較為穩(wěn)定且數(shù)值較為接近,由于Ni主要來源于廢棄電子、電池、金屬等無機(jī)組分,其降解需要更長(zhǎng)的時(shí)間[31],在本研究及其他學(xué)者涉及的齡期范圍內(nèi)尚無法發(fā)現(xiàn)其與齡期的關(guān)系.

參照《GB15618-2018土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[32](下面簡(jiǎn)稱為《土壤環(huán)境質(zhì)量》)規(guī)范,除重金屬Ni外,其余重金屬(Cu、Zn、Cd、Cr、Pb)均超出風(fēng)險(xiǎn)篩選限值;參照《綠化種植土壤》[25]和《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]規(guī)定,本研究腐殖土中重金屬元素除Pb外,Cu、Zn、Cd、Cr、Ni含量均超出標(biāo)準(zhǔn)要求.

為綜合評(píng)價(jià)重金屬的污染程度,參照《土壤環(huán)境質(zhì)量》[32]標(biāo)準(zhǔn)采用單因子污染指數(shù)法(P)以及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法(綜)進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[33].結(jié)果表明:腐殖土重金屬單因子污染指數(shù)與填埋齡期無明顯變化規(guī)律,其分布范圍分別為Cd(20.86～26.88)、Zn (4.29～8.02)、Cu(1.82～2.85)、Cr(0.83～2.89)、Pb(00.18～1.46)、Ni(0.25～0.30).其中,Cd、Zn為重污染(P>3),Cu、Cr為輕中污染(輕污染:1<P￡2;中污染:2<P￡3),Pb為輕污染,Ni處于污染等級(jí)的安全范圍(P￡1);腐殖土的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(綜)為15.48～17.95,屬于重度污染類型(綜>3).

綜上,腐殖土直接施用會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、土壤生態(tài)環(huán)境造成危害及污染,在進(jìn)行資源化利用前必須進(jìn)行重金屬減量化處理,例如可預(yù)先對(duì)腐殖土進(jìn)行淋洗,去除一定量重金屬,或并按一定比例與普通土壤混配,控制土體中重金屬總量在環(huán)境要求范圍內(nèi),降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn).

圖10 腐殖土NPK及有機(jī)質(zhì)含量

圖11 不同垃圾填埋場(chǎng)腐殖土重金屬含量

2.3 浸出液性質(zhì)

2.3.1 pH值和電導(dǎo)率 圖12為不同填埋齡期腐殖土的浸出液pH和電導(dǎo)率(EC),腐殖土浸出液pH變化范圍為7.26～8.30,呈弱堿性,與劉曉成[16]對(duì)天子嶺填埋場(chǎng)腐殖土測(cè)試結(jié)果(7.5～8.5)基本一致,略高于閆嘯[34]對(duì)揚(yáng)州某填埋場(chǎng)測(cè)試結(jié)果(7.15～7.81).閆嘯[34]對(duì)2010～2012填埋的腐殖土測(cè)試發(fā)現(xiàn),隨著填埋齡期的增長(zhǎng),腐殖土浸出液pH會(huì)逐漸增加,由中性向偏堿性發(fā)展,這與本研究中腐殖土pH隨齡期的變化趨勢(shì)基本相符.該pH范圍適合微生物生存,且腐殖土中豐富的氮磷鉀含量可提供足夠的營(yíng)養(yǎng)成分,用作生態(tài)堆肥或營(yíng)養(yǎng)土.

電導(dǎo)率是表征土壤鹽分含量的重要指標(biāo),是限制植物生長(zhǎng)的障礙因素.圖12結(jié)果表明,本研究腐殖土EC范圍為1.08～2.51mS/cm,與陳云敏等[2]結(jié)果范圍1.04～4.37mS/cm以及陳璐[35]結(jié)果范圍2.32～ 2.72mS/cm基本一致,低于Kaczala等[15]結(jié)果范圍2.74～4.51mS/cm,遠(yuǎn)小于制約作物生長(zhǎng)的限定電導(dǎo)率(4.0mS/cm)[36].電導(dǎo)率變化與填埋齡期、填埋深度無關(guān),其易受垃圾堆體內(nèi)部滲瀝液水位、垃圾降解環(huán)境以及滲瀝液運(yùn)移等因素的影響[2,15].

參照《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》[30]、《綠化種植土壤》[25]以及《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]規(guī)范,本研究腐殖土pH均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;電導(dǎo)率高于《綠化種植土壤》[25]要求,滿足《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]規(guī)范要求,可考慮用作植物的生長(zhǎng)基質(zhì).

圖12 腐殖土浸出液pH值和電導(dǎo)率(EC)

表4 腐殖土重金屬浸出濃度及其污染指數(shù)

注:“”為腐殖土中重金屬元素.

2.3.2 重金屬浸出濃度 從表4中可以看出,腐殖土Cr、Pb、Cu浸出濃度均超出《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[37]Ⅴ類限值1～5倍,Cd浸出遠(yuǎn)高于Ⅴ類限值30倍,Zn浸出濃度少量超標(biāo).顯然,本研究腐殖土直接資源化利用會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,危害人體健康.從顆粒級(jí)配看,粒徑<2mm的細(xì)粒腐殖土占總量的46.06%～61.15%,因此對(duì)腐殖土進(jìn)行精細(xì)化分類時(shí),需重點(diǎn)考慮粒徑<2mm腐殖土的重金屬浸出濃度.將樣品通過2mm篩網(wǎng)篩分,分別測(cè)試粒徑<2mm與粒徑在2～15mm范圍兩部分的浸出液重金屬濃度,結(jié)果表明(表4):粒徑2～15mm組分的重金屬浸出濃度除Cd外,其他重金屬浸出濃度均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[36]Ⅳ類要求;粒徑<2mm的腐殖土重金屬浸出濃度均超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[36]Ⅴ類要求,并遠(yuǎn)高于粒徑2～15mm組分的浸出濃度.其中,粒徑<2mm的腐殖土重金屬Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni浸出量約分別占總浸出量的94.24%、87.45%、99.30%、78.46%、78.80%、98.48%,因此可知粒徑<2mm的腐殖土細(xì)顆粒中存在大量重金屬.這是由于土壤粒徑越小,比表面積越大,與重金屬的接觸面積越大,導(dǎo)致吸附重金屬的能力增強(qiáng),故土壤重金屬多富集于細(xì)顆粒[38-39].同時(shí),依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[37]Ⅴ類限值進(jìn)行污染指數(shù)分析可知,粒徑<15mm的腐殖土浸出液重金屬Cd、Cr、Pb造成的污染等級(jí)為重污染,Cu、Zn為輕中污染,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(綜)>20,屬于重度污染類型(綜>3),而<2mm組分污染指數(shù)明顯高于<15mm的腐殖土.因此,腐殖土資源化利用前有必要首先進(jìn)行精細(xì)化篩分,針對(duì)粒徑<2mm和粒徑處在2～15mm范圍的腐殖土選擇不同的利用途徑,避免細(xì)粒腐殖土中過量重金屬對(duì)資源化利用的不利影響.

3 腐殖土資源化利用潛力初探

研究結(jié)果表明,該腐殖土屬細(xì)粒砂土,與壤土質(zhì)地相似;富含有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀以及速效養(yǎng)分(水解性氮、速效鉀、有效磷)等主要的土壤必需養(yǎng)分;pH值呈弱堿性,電導(dǎo)率小于制約作物生長(zhǎng)的限定電導(dǎo)率.從上述性質(zhì)可知,腐殖土適合大部分植物的生長(zhǎng),并可為作物提供充足養(yǎng)分,在作為園林綠化和栽培基質(zhì)資源化利用方面,具有廣闊前景.但值得注意的是腐殖土及其浸出液重金屬含量較高,分別超出我國(guó)現(xiàn)行《土壤環(huán)境質(zhì)量》[32]、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[37]標(biāo)準(zhǔn),直接施用會(huì)對(duì)作物及地下水環(huán)境等造成污染.

根據(jù)腐殖土理化特性,在資源化利用方面,本研究建議:(1)將<15mm腐殖土進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)化篩分為粒徑<2mm及粒徑2～15mm兩類.對(duì)粒徑<2mm重金屬富集部分的腐殖土,進(jìn)行重金屬穩(wěn)定化處理,如微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)(MICP)[40]等,降低重金屬浸出風(fēng)險(xiǎn).(2)將腐殖土與有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、重金屬含量較低的棄土進(jìn)行摻配,如工程渣土等,使其相關(guān)指標(biāo)滿足綠化種植及環(huán)境相關(guān)規(guī)范要求.(3)由于腐殖土富含多種重金屬,不建議用于糧食作物種植.因此建議將改良處理后的腐殖土用于園林綠化、填埋場(chǎng)覆蓋綠化土層以及廢棄礦山修復(fù)表層種植用土等,并選擇種植耐堿性植物.

4 結(jié)論

4.1 高齡期腐殖土物理組成及性質(zhì):結(jié)構(gòu)疏松,以粒狀結(jié)構(gòu)為主,具有表面粗糙多孔的腐殖質(zhì)組分;礫粒尺度(2mm～15mm)、砂粒尺度(0.075mm～2mm)和細(xì)粒尺度(<0.075mm)的組分分別占總量的42.9%～ 53.9%、40.9%～44.1%和5.1%～13.0%,質(zhì)地為細(xì)粒砂土;20～30a的齡期范圍內(nèi),腐殖土細(xì)粒含量不斷增加,特征粒徑d60、d50、d30、d10減小速率和比重增大速率較快,30a后,特征粒徑及比重則趨于穩(wěn)定.

4.2 高齡期腐殖土化學(xué)組成及性質(zhì):礦物成分主要為石英、方解石以及一定量鋁硅酸鹽礦物,以砂質(zhì)礦物為主;總氮0.50%～0.82%、總磷0.21%～0.25%、總鉀1.14%～1.32%,氮磷鉀總含量滿足《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]要求以及《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》[30]要求;有機(jī)質(zhì)含量18.1%～19.1%,滿足《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》[30]要求,并隨填埋齡期增長(zhǎng)緩慢下降;重金屬Cu、Zn、Cd、Cr均超出《土壤環(huán)境質(zhì)量》[32]、《綠化種植土壤》[25]和《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]規(guī)范要求;重金屬Cd、Zn的單因子指數(shù)最高,均為重污染;腐殖土內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(綜)高達(dá)15.48～17.95,屬于重度污染類型.

4.3 高齡期腐殖土浸出液性質(zhì):浸出液pH為7.26～8.30,呈弱堿性,與一般土壤接近,適合微生物生存;電導(dǎo)率為1.08～2.51mS/cm,遠(yuǎn)小于制約作物生長(zhǎng)的限定電導(dǎo)率(4mS/cm),pH值與電導(dǎo)率均滿足《綠化用有機(jī)基質(zhì)》[26]要求;重金屬Cr、Pb、Cu、Zn浸出濃度均超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[37]Ⅴ類,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(綜)>20,屬于重度污染類型,且重金屬主要集中在粒徑<2mm的細(xì)顆粒中,無法直接進(jìn)行資源化利用.

4.4 高齡期腐殖土資源化利用:根據(jù)腐殖土理化特性,將粒徑<15mm腐殖土進(jìn)一步精細(xì)化篩分為粒徑2～15mm與粒徑<2mm兩部分,對(duì)粒徑<2mm部分采用微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)等方法進(jìn)行重金屬穩(wěn)定化處理;或與其他基質(zhì)按一定比例混配,作為園林綠化、填埋場(chǎng)覆蓋綠化土層以及廢棄礦山修復(fù)表層種植用土.

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Physicochemical properties and reuse of municipal solid waste fine fraction: Case of an aged landfill site in Zhejiang Province.

ZHENG Kang-qi1, CHEN Ping1, QIU Yu-feng1, GUO Qi-meng2,3, CHEN Yan-bo4, YUAN Miao-xin5, ZHAN Liang-tong2,3*

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China；2.Geotechnical Engineering Research Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；3.Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；4.Research Center for High Gravity, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；5.CECEP DADI (Hangzhou) Environmental Remediation Co., Ltd., Zhejiang University, Hangzhou 310016, China)., 2022,42(7)：3254～3264

This study is to investigate the physicochemical properties for the fine fraction (particle size <15mm) of the excavated municipal solid wastes (MSWs) with fill ages ranging from 23 to 37a. The composition, physicochemical properties and leaching solution properties of the materials were measured and analyzed. The experimental results showed that the particle size ranges (2～15mm, 0.075～2mm and <0.075mm) for the materials account for 42.9%～53.9%, 40.9%～44.1% and 5.1%～13.0%, respectively. The materials can be classified as a fine-grained sand. With a increase of fill age, the characteristic particle size50and10decreased, the specific gravity increased greatly, and tended to be stable after 30 years. The organic matter content (18.1%～19.1%), the content of nitrogen, phosphorus and potassium, the pH of the leaching solution (7.26～8.30), and the electrical conductivity (1.08～2.51mS/cm) all met the standard of Organic media for greening. The contents of Cu, Zn, Cd, Cr and Ni in the materials exceeded the standards of Soil environmental quality Risk control standard for soil contamination of agricultural land, Planting soil for greening and Organic media for greening. The calculated value of Nemerow comprehensive pollution index was as high as 15.48～17.95, indicating the materials were heavily contaminated. It was found that the heavy metals concentrated in the fine-grained fraction with particle sizes less than 2mm. It was suggested that the fine fraction should be further screened into two parts with a particle size of 2～15mm and less than 2mm. For the part with particle size less than 2mm, the technology of microbial induced carbonate precipitation could be used to stabilize the contained heavy metals. The treated materials can be reused as a planting soil layer for landscaping, landfill closure and abandoned mine site reclamation.

municipal solid waste landfill；fine fraction；physicochemical properties；landfill age；leaching solution properties；reuse

X705

A

1000-6923(2022)07-3254-11

鄭康琪(1998-),女,河南南陽(yáng)人,浙江理工大學(xué)碩士研究生,主要從事固體廢棄物處理及資源化利用研究.

2021-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41977250,51578508);浙江省‘領(lǐng)雁’研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2022C03095)

* 責(zé)任作者, 教授, zhanlt@zju.edu.cn