王佩 李磊

摘要：污泥中含有大量的微生物和易降解有機質(zhì)，向垃圾填埋場中混入污泥會對生活垃圾的生化降解過程產(chǎn)生一定的影響，從而影響填埋場的穩(wěn)定化進程。針對這種問題，開展污泥-生活垃圾混合填埋體室內(nèi)模擬生化降解試驗研究，從滲濾液的pH、化學需氧量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，當生化降解進入穩(wěn)定階段后，填埋體滲濾液的COD濃度和氨氮濃度逐漸減小；有機質(zhì)降解產(chǎn)生的有機酸等小分子有機質(zhì)在滲濾液中積累導致COD濃度增加；隨著污泥摻入量的增加，累計產(chǎn)氣量逐漸增大，但是當污泥摻入量超過30%后，累計產(chǎn)氣量逐漸減少；垃圾中摻入污泥可以促進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，反而會抑制生化降解過程。

關鍵詞：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： X172

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.012

0引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(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，全國共有污水處理廠5 476座，年累計處理污水量為656.5億m3，年污泥產(chǎn)量3 923萬t（80%含水率），對生態(tài)環(huán)境安全造成嚴重威脅［1］。目前，不少城市出現(xiàn)了“污泥圍城”的現(xiàn)象，引起嚴重的環(huán)境污染問題［2］。

從經(jīng)濟、技術、發(fā)展水平而言，在填埋場對污泥和生活垃圾進行混合填埋處置是目前符合中國國情的污泥處置技術之一［3］。目前，國內(nèi)外對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，隨著時間的進行，微生物水解垃圾產(chǎn)生產(chǎn)物并消耗水解產(chǎn)物，導致滲濾液中可溶性化學需氧量濃度（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入穩(wěn)定階段，每周回灌垃圾濕重53%滲濾液的試驗柱最快達到加速產(chǎn)甲烷階段，并且垃圾有機質(zhì)降解最充分，能最快地加速垃圾生化降解進入穩(wěn)定階段。謝冰［8］對堆場垃圾開展了生化降解試驗，將COD、BOD、NH3-N、有機質(zhì)含量、BDM作為降解穩(wěn)定評價指標，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，滲濾液穩(wěn)定化需要11 a；有機質(zhì)含量不超過7%，BDM不超過5%時，垃圾中有機物降解穩(wěn)定需要19 a。Zhang等［9］通過試驗研究，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、力學等特性。

由于污泥中含有大量的微生物和易降解有機質(zhì)，向生活垃圾填埋場中混入污泥會對填埋場中生活垃圾的生化降解過程產(chǎn)生一定的影響，隨著降解的進行，進而影響填埋場的穩(wěn)定化進程。如Galleguillosa等［10］通過對污泥填埋中滲濾液生化指標變化的分析，研究了其穩(wěn)定化過程。單華倫［11］通過對污泥和生活垃圾不同質(zhì)量比混合填埋，研究混合填埋時污泥占比對混合填埋體有機質(zhì)降解的影響，結果表明當污泥添加量為25%時，對生活垃圾生化降解的促進效果最好。但是，針對污泥-生活垃圾混合填埋體生化降解規(guī)律的相關研究較少，研究成果相對缺乏。

由于污泥進入填埋場的量越來越多，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)模擬生化降解試驗研究，通過測定不同生化降解階段混合填埋體滲濾液生化指標，并定期進行填埋體降解產(chǎn)氣收集及氣體成分的測定，對混合填埋體生化降解規(guī)律開展研究，為實際混合填埋工程的設計提供理論依據(jù)。

1試驗材料與試驗方案

1.1試驗材料

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

1.2試驗方案

預先對污泥進行晾曬，降低含水率至60%；為了減小實驗誤差，在本次試驗中，人工配置生活垃圾，嚴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］。

試驗采用有機玻璃填埋柱進行混合填埋體降解試驗，在填埋柱底部設計一個反濾層用以收集滲濾液，填埋柱底部設置閥門作為滲濾液采樣口，頂部設置加水口，試驗裝置如圖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1 d后分層擊實裝入填埋柱內(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，及時測定滲濾液的pH、化學需氧量COD以及氨氮濃度等指標，研究摻入污泥對垃圾填埋場降解規(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，并定期對不同污泥摻入量下混合填埋體的氣體成分進行檢測，研究摻入污泥對垃圾填埋場生化降解過程產(chǎn)氣規(guī)律的影響。

2試驗結果分析

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物含量的重要指標，通過長期追蹤填埋場滲濾液COD濃度的變化情況，可以了解填埋場內(nèi)垃圾的有機質(zhì)降解情況。在填埋場作業(yè)早期，混合填埋體過程中不可避免地會帶入大量的氧氣，該階段填埋場內(nèi)優(yōu)勢菌種為好氧微生物，好氧菌直接利用氧氣和有機質(zhì)（碳水化合物等）發(fā)生氧化反應。隨著氧氣含量逐漸減小，填埋場中建立了厭氧環(huán)境，好氧微生物的活性受到嚴重抑制，厭氧微生物成為優(yōu)勢菌種，有機物在厭氧微生物的作用下發(fā)生厭氧降解反應。隨著垃圾降解的進行，產(chǎn)生大量的各種有機酸等易降解有機物，滲濾液中的COD濃度主要是由該類有機物貢獻的。因此，定期收集滲濾液，測定滲濾液的COD濃度，通過研究COD濃度變化規(guī)律可以從側面反映有機質(zhì)的生化降解規(guī)律。根據(jù)定期測定的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，如圖2所示。從圖2可知：

（1） 隨著生化降解時間的增加，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，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)生時間與污泥摻入量的關系，將各填埋柱濃度峰值出現(xiàn)時間與污泥摻入量的關系繪制如圖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)的時間差異較大。其中，污泥摻入量為30%的填埋柱時間最短，42 d即可達到峰值，沒有摻入污泥的純垃圾柱時間最長，需要85 d才能到峰值?？梢悦黠@地發(fā)現(xiàn)污泥摻入量低于30%時，COD濃度峰值出現(xiàn)時間隨污泥摻入量的增加逐漸提前，說明污泥摻入會加速有機質(zhì)的降解；污泥摻入量超過30%后，增加污泥不能進一步加快有機質(zhì)降解穩(wěn)定的時間，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，會引入有機氮，而氨氮過高的含量將會抑制微生物的生化降解活動［11，14］，在有氧的條件下，混合填埋體中含氮的有機物（蛋白質(zhì)等）發(fā)生如下生化反應：

有機物+O2→CO2+H2O+NH3+熱量

在氧氣充足的條件下，會繼續(xù)和氧氣產(chǎn)生硝化反應：

NH3+O2→NO3

在缺氧或者無氧的條件下，有機物發(fā)生如下生化反應［15］：

有機物→CO2+CH4+NH3+H2S

通過測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物的生化降解情況，也可以分析摻入污泥是否會引起氨氮濃度的變化，進而研究其對有機物生化降解的影響。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，氨氮濃度逐漸增加到峰值。當有機物生化降解進入?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，同時達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物，被微生物分解為氨氮等簡單有機物。在降解初期，各個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氮等物質(zhì)，這些含氮有機質(zhì)很容易混入滲濾液中被排出；并不是因為該填埋柱的有機物降解速率最快而產(chǎn)生的大量氨氮。

（3） 結合滲濾液COD濃度和氨氮濃度的變化趨勢綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，向垃圾中混入污泥進行混合填埋會促進有機質(zhì)的生化降解過程。但當污泥摻入量比較多的時候，污泥中大量的含氮物質(zhì)被引入生活垃圾中，導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。因此，過量摻入污泥反而會抑制降解的進行。

2.3滲濾液pH變化規(guī)律

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

（1） 污泥-生活垃圾混合填埋體滲濾液pH與降解時間的關系在整體上呈現(xiàn)相同的趨勢，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，最早達到最低值，pHmin=5.46；隨著降解的進行，脂肪酸被進一步分解，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。相對而言，純垃圾滲濾液的pH變化趨勢相對平滑，且最晚達到產(chǎn)酸階段。其他污泥摻入量的填埋體滲濾液pH最小值及其對應的降解時間均處于污泥摻入量30%的填埋體和純垃圾柱之間。

（3） 當生化降解時間進行到70 d左右時，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，說明相較于其他填埋柱，污泥摻入量為30%的填埋柱最先達到降解穩(wěn)定化階段。

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

（4） 從滲濾液pH變化規(guī)律來看，污泥摻入量為30%的填埋柱在40 d左右的時間就達到了產(chǎn)酸高峰期，也就是說污泥摻入量為30%的填埋柱在試驗進行到40 d左右的時候就己經(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，這是因為污泥里的大量易降解有機物更容易酸化水解。

（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質(zhì)，產(chǎn)生有機酸，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物引起的［11］。這說明生化降解過程中最小pH出現(xiàn)的時間大致上可以對應最高COD濃度出現(xiàn)的時間。圖2中COD濃度變化關系，也驗證了這點。

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，會引入大量的微生物，導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，對有機質(zhì)的降解產(chǎn)生明顯影響，導致降解產(chǎn)氣的總量也發(fā)生改變。累計產(chǎn)氣量隨降解時間變化規(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填埋柱密封時未完全排除空氣，導致厭氧微生物群落適應調(diào)整時間較長；另外，污泥中含有大量的含氮有機物，導致填埋柱內(nèi)氨氮濃度過高，對微生物的活性和繁殖會產(chǎn)生相對抑制作用。

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

產(chǎn)氣過程中CH4含量隨降解時間變化規(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，這與前文的累計產(chǎn)氣總量變化規(guī)律相一致。這說明垃圾中摻入污泥可以加速進入產(chǎn)CH4階段［17-18］。

（2） 在生化降解過程中，產(chǎn)甲烷菌的生長對填埋產(chǎn)氣的總量和CH4產(chǎn)量有至關重要的影響。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，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單有機質(zhì)，使得摻入污泥的填埋柱迅速產(chǎn)生具有種群優(yōu)勢的微

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，反而會抑制微生物的活性和繁殖速率，導致生化降解過程緩慢，所以當污泥摻入量過高時，填埋柱的累計產(chǎn)氣總量反而減少，產(chǎn)氣中CH4產(chǎn)量也會降低。

3結 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，污泥的摻入會加速滲濾液COD濃度和氨氮濃度增長的速率；當生化降解進入?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)時間與最高COD濃度出現(xiàn)時間基本一致，這是由于填埋體中微生物生化降解有機質(zhì)，產(chǎn)生有機酸，在滲濾液中積累，導致COD濃度的增加。

（3） 累計產(chǎn)氣總量變化規(guī)律研究結果表明摻入污泥有助于加速生化降解過程。但是，污泥摻入量過多導致累計產(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，反而會抑制生化降解過程。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物和氨氮，導致滲濾液的pH降低，氨氮濃度過高和pH過低對有機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）