污泥和生活垃圾混合填埋體降解規(guī)律研究

王 佩， 李 磊， 宋新江， 徐海波

（1.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院，合肥 230000；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

在污水處理的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量污泥等二次產(chǎn)物，污水中的微生物、重金屬物質(zhì)以及大量的病原體也被帶入污泥中. 由于污泥的特殊性質(zhì)，在進(jìn)行污泥處置時(shí)，易造成外界環(huán)境二次污染［1-5］.

填埋處置具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)便、成本低的優(yōu)勢(shì)，故目前仍是我國(guó)污泥處置的常用方式［6］. 污泥和生活垃圾進(jìn)行混合填埋處置是目前國(guó)內(nèi)外常用的污泥處置技術(shù)之一［5］. 2009年我國(guó)頒布實(shí)施的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》（GB/T 23485—2009）也為污泥混合填埋處置提供了依據(jù)［7］. 目前對(duì)污泥和生活垃圾的單獨(dú)填埋有廣泛的研究，但對(duì)于污泥和生活垃圾混合填埋的研究缺乏系統(tǒng)性. 由于污泥和生活垃圾混合填埋體有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律缺少系統(tǒng)性研究，導(dǎo)致污泥和生活垃圾混合填埋場(chǎng)庫(kù)容、污泥和生活垃圾配比以及填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)缺少技術(shù)支撐，容易發(fā)生污泥外泄、填埋場(chǎng)降解產(chǎn)氣氣壓過(guò)大等現(xiàn)象，導(dǎo)致填埋場(chǎng)發(fā)生管涌、滑坡等填埋場(chǎng)失穩(wěn)事故屢見(jiàn)不鮮［9］.

Kheradmanda等研究表明，污泥進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行混合填埋處置有助于加速填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化進(jìn)程［10］.張華等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M不同性質(zhì)污泥與礦化垃圾進(jìn)行混合填埋的生化降解過(guò)程，預(yù)測(cè)污泥填埋場(chǎng)的穩(wěn)定時(shí)間［11-13］. 污泥固化土中的有機(jī)物進(jìn)行生化降解反應(yīng)，使得污泥固化土體積減小、含水量增大、骨架軟化、強(qiáng)度減小、壓縮性增大、沉降量增大等［14］. 有機(jī)質(zhì)的降解會(huì)導(dǎo)致填埋體宏觀力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，影響填埋場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

污泥和生活垃圾在物質(zhì)組成［15-16］、生化降解［13，17］等方面有著較大的差異，單獨(dú)關(guān)于污泥和垃圾的相關(guān)研究成果不完全適用于混合填埋體. 因此，系統(tǒng)性研究污泥和生活垃圾混合填埋的有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律十分有必要. 本文設(shè)計(jì)了180 d有機(jī)物降解的室內(nèi)試驗(yàn)，從不同污泥摻入量進(jìn)行混合填埋體的生化降解試驗(yàn)開(kāi)展研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立不同污泥摻入量條件下混合填埋體的有機(jī)物降解的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為污泥進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，對(duì)今后進(jìn)一步分析填埋處置中污泥和生活垃圾混合填埋場(chǎng)的庫(kù)容計(jì)算、填埋體邊坡穩(wěn)定及污染物運(yùn)移等問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)污泥取自某市污水處理廠的脫水污泥，其物理指標(biāo)見(jiàn)表1.通過(guò)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(jiàn)表2［18］.

表1 試驗(yàn)污泥的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of test sludge

表2 垃圾土的組分比例（干質(zhì)量比）Tab.2 Composition of MSW（dry mass proportion）

1.2 試驗(yàn)方案

預(yù)先對(duì)污泥進(jìn)行晾曬，使之含水率降至150%，室內(nèi)配置生活垃圾含水率控制在60%［18］. 將含水率為150%的污泥和含水率為60%的生活垃圾按照污泥摻入量分別為0%、12.5%、20%、30%、40%的比例均勻混合，然后裝入塑料桶中，并鋪上一層黑色塑料袋，最后蓋上蓋子，試驗(yàn)周期為180 d，在密封條件下進(jìn)行厭氧生化降解.

定期從塑料桶中取試樣進(jìn)行測(cè)量，將試樣放入烘箱，設(shè)置溫度65 ℃，烘干至恒重. 將干燥后的試樣置于坩堝中置于馬弗爐內(nèi)，在550 ℃條件下灼燒至恒重.有機(jī)物測(cè)量計(jì)算公式：

式中：m1為坩堝質(zhì)量；m2為灼燒前坩堝+干燥試樣質(zhì)量；m3為灼燒后坩堝+干燥試樣質(zhì)量.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 污泥摻入量對(duì)填埋體降解規(guī)律的影響

對(duì)不同污泥摻入量下的混合填埋體開(kāi)展有機(jī)物降解試驗(yàn)，研究不同污泥摻入量下混合填埋體的有機(jī)物降解規(guī)律，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

從圖1可知，混合填埋體的有機(jī)物降解規(guī)律整體趨勢(shì)相同. 前30 d，垃圾和混合填埋體的有機(jī)物降解速率為0.023%～0.049%/d；30～120 d，垃圾和混合填埋體的有機(jī)物降解速率為0.043%～0.085%/d；120～180 d，垃圾和混合填埋體的有機(jī)物降解速率為0.033%～0.051%/d.

圖1 有機(jī)物降解規(guī)律變化圖Fig.1 Degradation law of organic matter

從垃圾和混合填埋體有機(jī)物降解速率的角度分析，可以將其大致劃分為3 個(gè)階段，即調(diào)整生化降解階段、加速生化降解階段和衰減生化降解階段. 室內(nèi)降解試驗(yàn)進(jìn)行了180 d，垃圾以及混合填埋體的有機(jī)物含量為36.52%～45.27%，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，而相關(guān)研究表明，有機(jī)物生化降解進(jìn)入穩(wěn)定化階段時(shí)有機(jī)物的含量在10%左右［19-20］. 因此，衰減生化降解階段之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定生化降解階段. 從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，垃圾以及混合填埋體的有機(jī)物生化降解全過(guò)程嚴(yán)格意義上可劃分為4個(gè)階段，即調(diào)整生化降解階段、加速生化降解階段、衰減生化降解階段和穩(wěn)定生化降解階段. 其降解全過(guò)程4個(gè)階段如圖2.

圖2 有機(jī)物降解全過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of organic degradation process

室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了180 d，垃圾的有機(jī)物降解率為12.57%；污泥摻入量為12.5%、20%、30%和40%時(shí)，混合填埋體的有機(jī)物降解率分別為14.74%、19.09%、25.03%和19.15%. 可以看出，向生活垃圾中摻入污泥可以加速生活垃圾中有機(jī)質(zhì)的生化降解過(guò)程，但當(dāng)污泥摻入量超過(guò)30%時(shí)，反而會(huì)抑制生化降解過(guò)程. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于污泥含有有機(jī)形式的氮，垃圾中摻入污泥，也就引入了有機(jī)氮，厭氧微生物的生化降解作用會(huì)將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮等；當(dāng)污泥摻入量較大時(shí)，向垃圾中引入了過(guò)量的氨氮，氨氮濃度過(guò)高會(huì)對(duì)微生物的活性和繁殖產(chǎn)生相對(duì)抑制作用，進(jìn)而抑制了有機(jī)質(zhì)的降解.

2.2 有機(jī)質(zhì)降解模型研究

為了明確垃圾填埋場(chǎng)中的有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律，胡龍生等通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)垃圾填埋場(chǎng)有機(jī)質(zhì)含量變化過(guò)程，利用指數(shù)關(guān)系模擬填埋場(chǎng)生化降解過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的含量的變化規(guī)律［19-20］：

式中：k為降解常數(shù)；λ0為未降解時(shí)有機(jī)質(zhì)含量；λ為t時(shí)間降解后試樣有機(jī)質(zhì)含量.

根據(jù)上述公式對(duì)垃圾以及混合填埋體有機(jī)質(zhì)生化降解試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以獲得相應(yīng)條件下的生化降解常數(shù)k，進(jìn)而可獲取不同污泥摻入量下的有機(jī)質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型.

純垃圾有機(jī)質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型：

污泥摻入量12.5%：

污泥摻入量20%：

污泥摻入量30%：

污泥摻入量40%：

由上述動(dòng)力學(xué)方程，將污泥摻入量和所對(duì)應(yīng)的生化降解常數(shù)k繪制成表3. 由表3可知：隨著污泥摻入量的增加，有機(jī)質(zhì)降解常數(shù)k值越來(lái)越大，促進(jìn)垃圾的生化降解，表明有機(jī)質(zhì)降解速率也越來(lái)越快；當(dāng)污泥摻入量為30%時(shí)，k值為1.73×10-3，達(dá)到最大；當(dāng)污泥摻入量超大于30%后，k值反而減?。晃勰鄵饺肓坷^續(xù)增大，會(huì)抑制有機(jī)質(zhì)生化降解過(guò)程. 這也反映出向生活垃圾中摻入污泥會(huì)加速填埋體的降解，但污泥摻入量并非越多越好，污泥摻入量也有一個(gè)最佳值.

表3 污泥摻入量與生化降解常數(shù)的關(guān)系Tab.3 The relationship between biochemical degradation constant and sludge addition amount

上述有機(jī)質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型擬合相關(guān)度均大于0.95，這說(shuō)明該模型可以適用于污泥和生活垃圾混合填埋體的有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程預(yù)測(cè).

2.3 混合填埋體的有機(jī)質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生化降解后，垃圾以及混合填埋體有機(jī)質(zhì)降解逐漸穩(wěn)定化，形成礦化填埋體. 將土壤中有機(jī)質(zhì)含量上限100 mg/g作為判斷混合填埋體礦化穩(wěn)定化的標(biāo)準(zhǔn)［20-21］，其所對(duì)應(yīng)的生化降解時(shí)間即為礦化穩(wěn)定化時(shí)間. 垃圾以及混合填埋體的礦化穩(wěn)定化階段出現(xiàn)的內(nèi)在原因在于其自身物質(zhì)組分的性質(zhì)，容易生化降解的物質(zhì)和部分難生化降解的物質(zhì)在前3個(gè)階段被微生物消耗，而余下部分難生化降解的物質(zhì)基本上難以被微生物消耗［20］. 根據(jù)2.2節(jié)得到的不同污泥摻入量條件下混合填埋體的有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到100 mg/g時(shí)所需的時(shí)間（圖3）.

圖3 有機(jī)物降解礦化穩(wěn)定化時(shí)間Fig.3 Stabilization time of organic degradation and mineralization

從圖3可知，純垃圾填埋體達(dá)到礦化穩(wěn)定化狀態(tài)需要5.76 a；污泥摻入量為12.5%時(shí)，混合填埋體達(dá)到礦化穩(wěn)定化狀態(tài)需要4.89 a；污泥摻入量為20%時(shí)，混合填埋體達(dá)到礦化穩(wěn)定化狀態(tài)需要3.64 a；污泥摻入量為30%時(shí)，混合填埋體達(dá)到礦化穩(wěn)定化狀態(tài)需要2.55 a；污泥摻入量為40%時(shí)，混合填埋體達(dá)到礦化穩(wěn)定化狀態(tài)需要3.38 a. 這也說(shuō)明了垃圾中摻入污泥可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的生化降解過(guò)程，但是并不是污泥的摻入量越多越好，污泥摻入量超過(guò)30%時(shí)，反而會(huì)抑制生化降解過(guò)程. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，前文已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)解釋，這里不再進(jìn)行重復(fù)說(shuō)明.

3 結(jié)論

1）垃圾中摻入污泥可以促進(jìn)垃圾的生化降解過(guò)程，但當(dāng)污泥摻入量超過(guò)30%時(shí)，生活垃圾中被引入了過(guò)量的氨氮，氨氮濃度過(guò)高會(huì)對(duì)微生物的活性和繁殖產(chǎn)生相對(duì)抑制作用，反而會(huì)抑制填埋體中有機(jī)質(zhì)生化降解速率.

2）通過(guò)不同污泥摻入量條件下污泥和生活垃圾混合填埋體生化降解試驗(yàn)，獲得混合填埋體的有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)模型，利用該動(dòng)力學(xué)模型可以對(duì)其生化降解穩(wěn)定時(shí)間等進(jìn)行預(yù)測(cè). 混合填埋體的生化降解穩(wěn)定時(shí)間大致為2.55～5.76 a.