污泥-生活垃圾混合填埋體降解過程試驗(yàn)研究

王佩 李磊

摘要：污泥中含有大量的微生物和易降解有機(jī)質(zhì)，向垃圾填埋場(chǎng)中混入污泥會(huì)對(duì)生活垃圾的生化降解過程產(chǎn)生一定的影響，從而影響填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化進(jìn)程。針對(duì)這種問題，開展污泥-生活垃圾混合填埋體室內(nèi)模擬生化降解試驗(yàn)研究，從滲濾液的pH、化學(xué)需氧量COD、氨氮濃度以及產(chǎn)氣規(guī)律等角度研究混合填埋體降解過程變化規(guī)律。結(jié)果表明：生化降解初期，填埋體滲濾液的COD濃度和氨氮濃度逐漸增大，當(dāng)生化降解進(jìn)入穩(wěn)定階段后，填埋體滲濾液的COD濃度和氨氮濃度逐漸減??；有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的有機(jī)酸等小分子有機(jī)質(zhì)在滲濾液中積累導(dǎo)致COD濃度增加；隨著污泥摻入量的增加，累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增大，但是當(dāng)污泥摻入量超過30%后，累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸減少；垃圾中摻入污泥可以促進(jìn)垃圾的生化降解過程，但污泥的摻入量并不是越多越好，污泥摻入量超過30%時(shí)，反而會(huì)抑制生化降解過程。

關(guān)鍵詞：污泥； 生活垃圾； 混合填埋體； 滲濾液； 產(chǎn)氣規(guī)律； 最佳摻入量； 生化降解

中圖法分類號(hào)： X172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.012

0引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口增加、污水處理能力的提高等，污泥產(chǎn)生量迅猛增加，截至2019年底，全國(guó)共有污水處理廠5 476座，年累計(jì)處理污水量為656.5億m3，年污泥產(chǎn)量3 923萬(wàn)t（80%含水率），對(duì)生態(tài)環(huán)境安全造成嚴(yán)重威脅［1］。目前，不少城市出現(xiàn)了“污泥圍城”的現(xiàn)象，引起嚴(yán)重的環(huán)境污染問題［2］。

從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、發(fā)展水平而言，在填埋場(chǎng)對(duì)污泥和生活垃圾進(jìn)行混合填埋處置是目前符合中國(guó)國(guó)情的污泥處置技術(shù)之一［3］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生活垃圾生化降解特性已經(jīng)開展了大量研究，取得了一定的研究成果。Ivanova［4］、Bareither［5］、Fei［6］等研究指出在滲濾液中，隨著時(shí)間的進(jìn)行，微生物水解垃圾產(chǎn)生產(chǎn)物并消耗水解產(chǎn)物，導(dǎo)致滲濾液中可溶性化學(xué)需氧量濃度（sCOD）、揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）以及pH的變化。鄧舟等［7］研究表明增加滲濾液回灌量能加速垃圾填埋體生化降解進(jìn)入穩(wěn)定階段，每周回灌垃圾濕重53%滲濾液的試驗(yàn)柱最快達(dá)到加速產(chǎn)甲烷階段，并且垃圾有機(jī)質(zhì)降解最充分，能最快地加速垃圾生化降解進(jìn)入穩(wěn)定階段。謝冰［8］對(duì)堆場(chǎng)垃圾開展了生化降解試驗(yàn)，將COD、BOD、NH3-N、有機(jī)質(zhì)含量、BDM作為降解穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出COD不超過100 mg/L，BOD不超過30 mg/L，NH3-N不超過15 mg/L時(shí)，滲濾液穩(wěn)定化需要11 a；有機(jī)質(zhì)含量不超過7%，BDM不超過5%時(shí)，垃圾中有機(jī)物降解穩(wěn)定需要19 a。Zhang等［9］通過試驗(yàn)研究，指出垃圾成分的破碎可以增加生化降解的速率和改變垃圾的物理、力學(xué)等特性。

由于污泥中含有大量的微生物和易降解有機(jī)質(zhì)，向生活垃圾填埋場(chǎng)中混入污泥會(huì)對(duì)填埋場(chǎng)中生活垃圾的生化降解過程產(chǎn)生一定的影響，隨著降解的進(jìn)行，進(jìn)而影響填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化進(jìn)程。如Galleguillosa等［10］通過對(duì)污泥填埋中滲濾液生化指標(biāo)變化的分析，研究了其穩(wěn)定化過程。單華倫［11］通過對(duì)污泥和生活垃圾不同質(zhì)量比混合填埋，研究混合填埋時(shí)污泥占比對(duì)混合填埋體有機(jī)質(zhì)降解的影響，結(jié)果表明當(dāng)污泥添加量為25%時(shí)，對(duì)生活垃圾生化降解的促進(jìn)效果最好。但是，針對(duì)污泥-生活垃圾混合填埋體生化降解規(guī)律的相關(guān)研究較少，研究成果相對(duì)缺乏。

由于污泥進(jìn)入填埋場(chǎng)的量越來(lái)越多，污泥-生活垃圾混合填埋體生化降解過程研究的重要性日漸凸顯。本文開展污泥-生活垃圾混合填埋體室內(nèi)模擬生化降解試驗(yàn)研究，通過測(cè)定不同生化降解階段混合填埋體滲濾液生化指標(biāo)，并定期進(jìn)行填埋體降解產(chǎn)氣收集及氣體成分的測(cè)定，對(duì)混合填埋體生化降解規(guī)律開展研究，為實(shí)際混合填埋工程的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)污泥取自南京市污水處理廠的脫水污泥，其物理指標(biāo)見表1。通過分析國(guó)內(nèi)外不同填埋場(chǎng)的垃圾組成，室內(nèi)模擬配置生活垃圾組成成分詳見表2［12］。

1.2試驗(yàn)方案

預(yù)先對(duì)污泥進(jìn)行晾曬，降低含水率至60%；為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，在本次試驗(yàn)中，人工配置生活垃圾，嚴(yán)格控制垃圾組分及各組分的尺寸，室內(nèi)配置生活垃圾含水率控制在60%［12］。

試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃填埋柱進(jìn)行混合填埋體降解試驗(yàn)，在填埋柱底部設(shè)計(jì)一個(gè)反濾層用以收集滲濾液，填埋柱底部設(shè)置閥門作為滲濾液采樣口，頂部設(shè)置加水口，試驗(yàn)裝置如圖1所示。將污泥和室內(nèi)配置的生活垃圾按照一定的摻入比（污泥：垃圾（濕重比）為0%，125%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%）混合攪拌均勻，裝入塑料袋內(nèi)悶料養(yǎng)護(hù)1 d后分層擊實(shí)裝入填埋柱內(nèi)封閉填埋柱，然后回灌蒸餾水淹沒混合填埋體1 h，使其飽和后打開閥門排水，直至全部液體排出，隨后關(guān)閉閥門，最后通過頂部加水口回灌1 000 mL蒸餾水。此后定期收集滲濾液，滲濾液排除完畢后回灌1 000mL蒸餾水，及時(shí)測(cè)定滲濾液的pH、化學(xué)需氧量COD以及氨氮濃度等指標(biāo)，研究摻入污泥對(duì)垃圾填埋場(chǎng)降解規(guī)律的影響。生化降解過程中采用排液法（飽和NaHCO3溶液）收集氣體，并定期對(duì)不同污泥摻入量下混合填埋體的氣體成分進(jìn)行檢測(cè)，研究摻入污泥對(duì)垃圾填埋場(chǎng)生化降解過程產(chǎn)氣規(guī)律的影響。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1滲濾液COD濃度變化規(guī)律

滲濾液COD濃度是反映滲濾液中有機(jī)物含量的重要指標(biāo)，通過長(zhǎng)期追蹤填埋場(chǎng)滲濾液COD濃度的變化情況，可以了解填埋場(chǎng)內(nèi)垃圾的有機(jī)質(zhì)降解情況。在填埋場(chǎng)作業(yè)早期，混合填埋體過程中不可避免地會(huì)帶入大量的氧氣，該階段填埋場(chǎng)內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種為好氧微生物，好氧菌直接利用氧氣和有機(jī)質(zhì)（碳水化合物等）發(fā)生氧化反應(yīng)。隨著氧氣含量逐漸減小，填埋場(chǎng)中建立了厭氧環(huán)境，好氧微生物的活性受到嚴(yán)重抑制，厭氧微生物成為優(yōu)勢(shì)菌種，有機(jī)物在厭氧微生物的作用下發(fā)生厭氧降解反應(yīng)。隨著垃圾降解的進(jìn)行，產(chǎn)生大量的各種有機(jī)酸等易降解有機(jī)物，滲濾液中的COD濃度主要是由該類有機(jī)物貢獻(xiàn)的。因此，定期收集滲濾液，測(cè)定滲濾液的COD濃度，通過研究COD濃度變化規(guī)律可以從側(cè)面反映有機(jī)質(zhì)的生化降解規(guī)律。根據(jù)定期測(cè)定的COD濃度數(shù)據(jù)，繪制不同污泥摻入量的污泥-生活垃圾混合填埋柱COD濃度變化趨勢(shì)，如圖2所示。從圖2可知：

（1） 隨著生化降解時(shí)間的增加，垃圾以及混合填埋體的滲濾液COD濃度均先增加后又減小；相比純垃圾，混合填埋體的COD濃度峰值較大，其COD濃度增加較快，同時(shí)減小也較快。這與劉疆鷹等［13］的研究相一致。

（2） 純垃圾柱的COD濃度相對(duì)比較平穩(wěn)，沒有明顯的峰值，其水解發(fā)酵產(chǎn)酸階段速率比較小。污泥摻入量為30%的填埋柱COD濃度增加最快，混合填埋后42 d，其COD濃度達(dá)到最大，CODmax為122 400 mg/L，這表明其水解發(fā)酵產(chǎn)酸階段速率比較大。

（3） 向生活垃圾中摻入污泥，可以加速生活垃圾中微生物生化降解有機(jī)質(zhì)的速度，但污泥摻入量不是越多越好，污泥摻入量在20%～30%時(shí)，混合填埋體的生化降解最為明顯。

為了更直觀地分析COD濃度峰值發(fā)生時(shí)間與污泥摻入量的關(guān)系，將各填埋柱濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間與污泥摻入量的關(guān)系繪制如圖3所示，可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)各填埋柱降解速率與污泥摻入量的關(guān)系。

從圖3可以看出，污泥摻入量不同，各填埋柱滲濾液COD濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間差異較大。其中，污泥摻入量為30%的填埋柱時(shí)間最短，42 d即可達(dá)到峰值，沒有摻入污泥的純垃圾柱時(shí)間最長(zhǎng)，需要85 d才能到峰值。可以明顯地發(fā)現(xiàn)污泥摻入量低于30%時(shí)，COD濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間隨污泥摻入量的增加逐漸提前，說(shuō)明污泥摻入會(huì)加速有機(jī)質(zhì)的降解；污泥摻入量超過30%后，增加污泥不能進(jìn)一步加快有機(jī)質(zhì)降解穩(wěn)定的時(shí)間，但仍然較純垃圾柱快。

2.2滲濾液氨氮濃度變化規(guī)律

垃圾中摻入污泥，會(huì)引入有機(jī)氮，而氨氮過高的含量將會(huì)抑制微生物的生化降解活動(dòng)［11，14］，在有氧的條件下，混合填埋體中含氮的有機(jī)物（蛋白質(zhì)等）發(fā)生如下生化反應(yīng)：

有機(jī)物+O2→CO2+H2O+NH3+熱量

在氧氣充足的條件下，會(huì)繼續(xù)和氧氣產(chǎn)生硝化反應(yīng)：

NH3+O2→NO3

在缺氧或者無(wú)氧的條件下，有機(jī)物發(fā)生如下生化反應(yīng)［15］：

有機(jī)物→CO2+CH4+NH3+H2S

通過測(cè)定滲濾液中的氨氮濃度不僅可以分析垃圾以及混合填埋體中有機(jī)物的生化降解情況，也可以分析摻入污泥是否會(huì)引起氨氮濃度的變化，進(jìn)而研究其對(duì)有機(jī)物生化降解的影響。滲濾液氨氮濃度變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)：

（1） 隨著生化降解的進(jìn)行，微生物數(shù)量和活性均增加，純垃圾以及混合填埋體滲濾液氨氮濃度呈增加趨勢(shì)，氨氮濃度逐漸增加到峰值。當(dāng)有機(jī)物生化降解進(jìn)入?yún)捬跬耆纸怆A段后，氨氮濃度逐漸減小。相比

純垃圾，混合填埋體的氨氮濃度峰值較大，其氨氮濃度增加較快，同時(shí)達(dá)到峰值后氨氮濃度減小也較快。

（2） 隨著污泥摻入量增多，混合填埋柱的初始氨氮濃度逐漸增加。這是由于污泥中含有大量的易降解有機(jī)物，被微生物分解為氨氮等簡(jiǎn)單有機(jī)物。在降解初期，各個(gè)填埋柱的氨氮濃度隨著污泥摻入量的增加逐漸增加，在降解初期純垃圾柱的氨氮濃度最低。污泥摻入量為50%的填埋柱初始氨氮濃度最大，其氨氮濃度的峰值也最大，主要原因是混入大量污泥后，填埋柱被引入大量的有機(jī)氮等物質(zhì)，這些含氮有機(jī)質(zhì)很容易混入滲濾液中被排出；并不是因?yàn)樵撎盥裰挠袡C(jī)物降解速率最快而產(chǎn)生的大量氨氮。

（3） 結(jié)合滲濾液COD濃度和氨氮濃度的變化趨勢(shì)綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，向垃圾中混入污泥進(jìn)行混合填埋會(huì)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的生化降解過程。但當(dāng)污泥摻入量比較多的時(shí)候，污泥中大量的含氮物質(zhì)被引入生活垃圾中，導(dǎo)致混合填埋柱滲濾液中的氨氮濃度過高。過高濃度的氨氮會(huì)抑制微生物的繁殖和活性，使得微生物不能形成種群優(yōu)勢(shì)。因此，過量摻入污泥反而會(huì)抑制降解的進(jìn)行。

2.3滲濾液pH變化規(guī)律

填埋場(chǎng)中發(fā)生的有機(jī)質(zhì)降解為酶催化反應(yīng)，酸堿度對(duì)有機(jī)質(zhì)降解速率有明顯的影響，酸堿度不同對(duì)酶的催化活性有很大的影響［15］。通過定期測(cè)定滲濾液的pH，可以宏觀反映各個(gè)填埋柱的生化降解趨勢(shì)。純垃圾以及混合填埋體的滲濾液pH變化關(guān)系見圖5。由圖5可知：

（1） 污泥-生活垃圾混合填埋體滲濾液pH與降解時(shí)間的關(guān)系在整體上呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，都是先下降然后逐漸升高，最后逐漸趨于穩(wěn)定。相較于純垃圾，摻入污泥的混合填埋體滲濾液pH下降速度更快，達(dá)到最小值后，其pH增大速度也更快。

（2） 污泥摻入量為30%的混合填埋體產(chǎn)生的滲濾液pH下降最快，最早達(dá)到最低值，pHmin=5.46；隨著降解的進(jìn)行，脂肪酸被進(jìn)一步分解，該填埋體滲濾液的pH迅速增加，這表明該填埋體的產(chǎn)酸階段最早出現(xiàn)并且降解速率最快。相對(duì)而言，純垃圾滲濾液的pH變化趨勢(shì)相對(duì)平滑，且最晚達(dá)到產(chǎn)酸階段。其他污泥摻入量的填埋體滲濾液pH最小值及其對(duì)應(yīng)的降解時(shí)間均處于污泥摻入量30%的填埋體和純垃圾柱之間。

（3） 當(dāng)生化降解時(shí)間進(jìn)行到70 d左右時(shí)，相比垃圾和其他的混合填埋體，污泥摻入量為30%的混合填埋體的pH已經(jīng)增加為最高，說(shuō)明相較于其他填埋柱，污泥摻入量為30%的填埋柱最先達(dá)到降解穩(wěn)定化階段。

結(jié)合上文中COD濃度變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)每一個(gè)填埋柱pH達(dá)到最低值時(shí)，其COD濃度也基本達(dá)到峰值。這說(shuō)明各填埋柱的滲濾液COD濃度最高值出現(xiàn)時(shí)間和pH最低值的出現(xiàn)時(shí)間大致相同。

（4） 從滲濾液pH變化規(guī)律來(lái)看，污泥摻入量為30%的填埋柱在40 d左右的時(shí)間就達(dá)到了產(chǎn)酸高峰期，也就是說(shuō)污泥摻入量為30%的填埋柱在試驗(yàn)進(jìn)行到40 d左右的時(shí)候就己經(jīng)完成調(diào)整階段。相較于污泥摻入量為30%的填埋柱，其他填埋柱產(chǎn)酸階段都有明顯的滯后現(xiàn)象。另外，填埋柱的pH隨污泥摻入量的增加逐漸減小，這是因?yàn)槲勰嗬锏拇罅恳捉到庥袡C(jī)物更容易酸化水解。

（5） 圖5中滲濾液pH均小于7，其主要原因在于垃圾以及混合填埋體中的微生物生化降解有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生有機(jī)酸，并在滲濾液中積累［15-16］，而COD濃度的變化主要是由于這類有機(jī)物引起的［11］。這說(shuō)明生化降解過程中最小pH出現(xiàn)的時(shí)間大致上可以對(duì)應(yīng)最高COD濃度出現(xiàn)的時(shí)間。圖2中COD濃度變化關(guān)系，也驗(yàn)證了這點(diǎn)。

2.4生化降解過程產(chǎn)氣規(guī)律

由于污泥中含有大量微生物，向生活垃圾中混入污泥后，會(huì)引入大量的微生物，導(dǎo)致生活垃圾中微生物種群的種類和數(shù)量都發(fā)生了較大改變，對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解產(chǎn)生明顯影響，導(dǎo)致降解產(chǎn)氣的總量也發(fā)生改變。累計(jì)產(chǎn)氣量隨降解時(shí)間變化規(guī)律如圖6所示。從圖6可知：

（1） 填埋柱密封25 d后，各填埋柱開始產(chǎn)生氣體，與滲濾液性質(zhì)變化規(guī)律相比較，生化降解產(chǎn)氣過程具有滯后特征。產(chǎn)氣過程滯后是由于各個(gè)填埋柱密封時(shí)未完全排除空氣，導(dǎo)致厭氧微生物群落適應(yīng)調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)；另外，污泥中含有大量的含氮有機(jī)物，導(dǎo)致填埋柱內(nèi)氨氮濃度過高，對(duì)微生物的活性和繁殖會(huì)產(chǎn)生相對(duì)抑制作用。

（2） 不同填埋柱累計(jì)產(chǎn)氣量與污泥的摻入量具有正相關(guān)關(guān)系。隨著污泥摻入量增大，填埋柱累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增大；污泥摻入量為30%時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量最大，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到512.3 L；隨著污泥摻入量繼續(xù)增大，累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸減少。

產(chǎn)氣過程中CH4含量隨降解時(shí)間變化規(guī)律如圖7所示，由圖7可知：

（1） 生化降解過程中，摻入污泥的填埋柱中CH4含量先于純垃圾柱達(dá)到峰值，其峰值范圍在50%～60%，而純垃圾填埋柱中CH4含量峰值達(dá)到48%左右。因此，垃圾中摻入污泥可以加快CH4的產(chǎn)生速率，但是污泥摻入量超過30%之后，CH4的產(chǎn)生速率反而變慢，這與前文的累計(jì)產(chǎn)氣總量變化規(guī)律相一致。這說(shuō)明垃圾中摻入污泥可以加速進(jìn)入產(chǎn)CH4階段［17-18］。

（2） 在生化降解過程中，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)對(duì)填埋產(chǎn)氣的總量和CH4產(chǎn)量有至關(guān)重要的影響。隨著填埋柱內(nèi)空氣逐漸減少，混合填埋體中厭氧菌迅速繁殖形成種群優(yōu)勢(shì)，加速生化降解過程，產(chǎn)生大量的氣體［17-18］。污泥中含有大量的厭氧菌和簡(jiǎn)單有機(jī)質(zhì)，使得摻入污泥的填埋柱迅速產(chǎn)生具有種群優(yōu)勢(shì)的微

生物種群，提高生化降解程度，提高產(chǎn)氣總量。但是，由于污泥中氨氮濃度過高，反而會(huì)抑制微生物的活性和繁殖速率，導(dǎo)致生化降解過程緩慢，所以當(dāng)污泥摻入量過高時(shí)，填埋柱的累計(jì)產(chǎn)氣總量反而減少，產(chǎn)氣中CH4產(chǎn)量也會(huì)降低。

3結(jié) 論

（1） 生化降解初期，填埋體的滲濾液COD濃度和氨氮濃度逐漸增大，污泥的摻入會(huì)加速滲濾液COD濃度和氨氮濃度增長(zhǎng)的速率；當(dāng)生化降解進(jìn)入?yún)捬跬耆纸怆A段后，填埋體的滲濾液COD濃度和氨氮濃度逐漸減小。

（2） 生化降解過程滲濾液最小pH出現(xiàn)時(shí)間與最高COD濃度出現(xiàn)時(shí)間基本一致，這是由于填埋體中微生物生化降解有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生有機(jī)酸，在滲濾液中積累，導(dǎo)致COD濃度的增加。

（3） 累計(jì)產(chǎn)氣總量變化規(guī)律研究結(jié)果表明摻入污泥有助于加速生化降解過程。但是，污泥摻入量過多導(dǎo)致累計(jì)產(chǎn)氣總量減少，污泥摻入量為30%的混合填埋體降解速率最快。

（4） 垃圾中摻入污泥可以促進(jìn)垃圾的生化降解過程，但污泥的摻入量并不是越多越好，污泥摻入量超過30%時(shí)，反而會(huì)抑制生化降解過程。這是由于隨著污泥摻入量增加，混合填埋體中引入更多的有機(jī)物和氨氮，導(dǎo)致滲濾液的pH降低，氨氮濃度過高和pH過低對(duì)有機(jī)物降解都有抑制作用。因此，混合填埋體污泥最佳摻入量為30%。

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（編輯：劉 媛）