謝冰，石洪影，張妮，劉慧玲

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟南 250101;2.黑龍江中科瑞合環(huán)保技術(shù)服務(wù)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090;3哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

隨著生活水平的提高，我國垃圾的產(chǎn)生量也大大增加。生活垃圾經(jīng)常采用的處理方式主要有填埋法、焚燒法和堆肥法[1－2]，我國絕大部分地區(qū)均采用填埋法[3－4]。但在20世紀(jì)80年代我國大部分城市對生活垃圾的填埋處理均屬于簡單堆放的方式，導(dǎo)致現(xiàn)在很多城市周圍被這些歷史遺留下來的垃圾堆場所包圍[5－6]。隨著城市的發(fā)展，這些不符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的垃圾堆場所在的原市郊的地區(qū)已經(jīng)逐漸成為城市居民聚居地，對城市環(huán)境造成更大的危害[7－8]。盡快關(guān)閉這些垃圾堆場，并且將垃圾堆場的土地再重新利用已經(jīng)成為城市建設(shè)的重要問題，因此垃圾堆場的穩(wěn)定化與再利用問題也倍受關(guān)注[9]。

目前國內(nèi)外主要針對垃圾填埋場的垃圾降解進行研究，對這種簡易垃圾堆場的研究也僅僅針對南方潮濕多雨地區(qū)[10－11]，對北方寒冷地區(qū)的簡易垃圾堆場的研究未見報道。本研究利用模擬試驗研究哈爾濱市生活垃圾簡易堆場內(nèi)垃圾滲濾液的降解過程，通過對人工模擬環(huán)境和自然環(huán)境下的垃圾滲濾液降解情況的比較，分析影響北方寒冷地區(qū)垃圾滲濾液降解的環(huán)境因素，為加速垃圾堆場的穩(wěn)定化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗分為兩組試驗進行:人工模擬條件試驗裝置為高175cm、長100cm、寬75cm的立方體鐵桶，底部呈漏斗狀，以便收集垃圾滲濾液。滲濾液收集口下接閥門，作為垃圾滲濾液取樣口，試驗裝置置于一無采暖建筑內(nèi)，采用人工加水模擬降水條件。自然環(huán)境條件試驗裝置為高175cm、直徑100cm的圓柱形鐵桶，底部呈漏斗狀，最下面為直徑10cm的圓柱形，以便匯集和采集垃圾滲濾液，自然環(huán)境條件試驗裝置埋于地面以下。

人工模擬條件試驗和自然環(huán)境條件試驗的垃圾用量分別為230kg和280kg，堆放高度均為150cm。向裝置內(nèi)堆埋生活垃圾后，在垃圾層上覆土10cm。

試驗所用新鮮垃圾采自哈爾濱六個居民區(qū)，并經(jīng)人工混勻。兩組試驗的裝置內(nèi)的垃圾的原始組成如表1所示。

表1 垃圾的原始組成 %

人工模擬條件試驗在試驗過程中人工定量加水，加水量由哈爾濱往年的降水量和陸地蒸發(fā)量的差值計算，即每星期將1.88L水均勻噴淋在人工模擬條件試驗裝置內(nèi)。

1.2 樣品采集

試驗第一年每星期取一次滲濾液，以后每月采樣一次，共采集水樣34次，測定垃圾滲濾液的COD、BOD和氨氮在試驗期間的變化。

1.3 分析方法

垃圾滲濾液指標(biāo)均采用國標(biāo)方法進行測定。具體的分析方法如表2所示。

表2 垃圾滲濾液的分析方法

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同環(huán)境條件下垃圾滲濾液的降解情況

2.1.1 垃圾滲濾液COD的降解過程

兩組模擬試驗的垃圾滲濾液COD變化情況如圖1所示。

由圖1中可以看出，哈爾濱等北方地區(qū)的垃圾滲濾液變化情況有明顯的特點:垃圾滲濾液的COD值在每年春天不僅沒有下降反倒有所上升，垃圾滲濾液COD值隨試驗時間呈波浪形下降的趨勢。

圖1 兩組模擬試驗的垃圾滲濾液COD變化情況

哈爾濱地區(qū)氣候特點是夏季短暫多雨、冬季干燥寒冷。從150～500d這個試驗?zāi)陙砜矗?50～300d為夏秋季，溫度相對較高，COD濃度下降也主要集中在這段時間，下降速度也很快，表現(xiàn)出明顯的溫度影響。

具體來看，試驗的150～200d處于夏季，兩組試驗的COD濃度的下降速度都很快;但到了秋季，即200～300d，自然環(huán)境條件試驗的COD下降速度明顯降低。比較起來，人工環(huán)境條件優(yōu)勢主要就是降水量不變，所以這段時間人工模擬條件試驗的COD的下降速度變化不大，這說明一定的溫度下降水量對垃圾滲濾液的降解有明顯的影響。

試驗結(jié)束時，人工模擬條件試驗的COD濃度為42000mg/L，比試驗期間最大值下降了47.22%;自然環(huán)境條件試驗的COD濃度為24192mg/L，比試驗期間最大值下降了65.67%。自然環(huán)境條件試驗的滲濾液COD降解率為人工模擬條件試驗的1.39倍，自然環(huán)境條件試驗的滲濾液COD降解速度明顯快于人工模擬條件試驗。

2.1.2 垃圾滲濾液BOD的降解過程

兩組試驗的垃圾滲濾液BOD變化情況如圖2所示。

從圖2可以看出，兩組試驗的垃圾滲濾液BOD降解趨勢跟COD基本一致均呈現(xiàn)波浪型逐漸下降的趨勢，試驗結(jié)束時自然環(huán)境條件試驗的垃圾滲濾液BOD濃度為7021.5mg/L，試驗期間BOD下降了82.90%;人工模擬條件試驗的 BOD濃度為10359mg/L，試驗期間BOD下降了75.53%。自然環(huán)境條件試驗的滲濾液BOD降解率為人工模擬條件試驗的1.10倍，自然環(huán)境條件試驗的滲濾液BOD降解速度明顯快于人工模擬條件試驗。

圖2 兩組模擬試驗的垃圾滲濾液BOD變化情況

2.1.3 垃圾滲濾液氨氮的降解過程

兩組試驗的垃圾滲濾液氨氮的變化情況如圖3所示。

由圖3可以看出，兩組模擬試驗的氨氮濃度在試驗初期由于含氮有機物的分解釋放氨氮而不斷增加。在試驗的中期，氨氮的濃度達(dá)到最大值，持續(xù)約250d。試驗中后期(550d后)兩組試驗垃圾滲濾液中氨氮濃度開始下降，并且下降速率很快。

圖3 兩組模擬試驗的垃圾滲濾液氨氮變化情況

試驗結(jié)束時自然環(huán)境條件試驗的氨氮濃度為130.89mg/L，試驗期間滲濾液的氨氮值下降了86.31%;人工模擬條件試驗的氨氮濃度在試驗結(jié)束時為602.5mg/L，試驗期間人工模擬條件試驗的滲濾液氨氮濃度下降了54.06%。自然環(huán)境條件試驗的滲濾液氨氮轉(zhuǎn)化率為人工模擬條件試驗轉(zhuǎn)化率的1.60倍，自然環(huán)境條件試驗的滲濾液氨氮轉(zhuǎn)化率明顯高于人工模擬條件試驗。

2.2 垃圾滲濾液降解規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合

在理論上，垃圾的降解過程屬于一級反應(yīng)，所以可以嘗試將垃圾可降解組分的含量隨時間變化的曲線進行數(shù)學(xué)擬合。即可假設(shè)垃圾中可降解組分含量呈指數(shù)形式衰減，其含量變化與時間的關(guān)系可以表示為:

式中:t為垃圾堆場封場進入完全厭氧階段后的時間，d;Ct為t時刻垃圾中可降解組分的含量，mg/L;C0為垃圾堆場封場時垃圾中可降解組分的含量，mg/L;k為垃圾中可降解組分的衰減系數(shù)。

由以上公式，可以把兩組試驗垃圾滲濾液的指標(biāo)隨時間變化規(guī)律進行數(shù)學(xué)擬合，得到各自的擬合方程。

2.2.1 滲濾液COD降解規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合

兩組模擬試驗的垃圾滲濾液COD濃度隨堆放時間變化規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合方程如表3所示。

由表3的人工模擬條件試驗和自然環(huán)境條件試驗的垃圾滲濾液COD降解擬合方程可以看出，在試驗的第一年兩組試驗垃圾滲濾液的COD降解速率差不多，而第二年自然環(huán)境條件試驗的滲濾液COD降解速率明顯地大于人工模擬條件試驗，甚至達(dá)到人工模擬條件試驗降解速率的2倍。

2.2.2 滲濾液BOD降解規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合

兩組模擬試驗的垃圾滲濾液BOD濃度隨堆放時間變化規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合方程如表4所示。

由表4看出，試驗的第一年人工模擬條件試驗的BOD衰減系數(shù)0.0041略高于自然環(huán)境條件試驗的衰減系數(shù)0.0034，試驗的第二年自然環(huán)境條件試驗的衰減系數(shù)0.0053明顯高于人工模擬條件試驗的0.0028，幾乎為人工模擬條件試驗衰減系數(shù)的2倍，說明自然環(huán)境條件試驗的垃圾滲濾液中可以被生物利用的有機物質(zhì)降解速率比人工模擬條件試驗快。

表4 垃圾滲濾液BOD隨堆放時間的擬合方程比較

2.2.3 滲濾液氨氮降解規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合

兩組模擬試驗的垃圾滲濾液氨氮濃度隨堆放時間變化規(guī)律的數(shù)學(xué)擬合方程如表5所示。

由表5可以看出，人工模擬條件試驗和自然環(huán)境條件試驗中垃圾滲濾液的氨氮值在試驗的中后期才開始急速下降，并且自然環(huán)境條件試驗的衰減系數(shù)(0.0054)略高于人工模擬條件試驗的衰減系數(shù)(0.0049)。

表5 垃圾滲濾液氨氮隨堆放時間的擬合方程比較

3 結(jié)論

試驗顯示北方寒冷地區(qū)垃圾滲濾液的降解規(guī)律有明顯的特點，滲濾液各組分濃度總體呈波浪式下降趨勢。說明北方寒冷地區(qū)簡易垃圾堆場的穩(wěn)定化過程明顯受到季節(jié)性因素影響，冬季降解極為緩慢。

兩組試驗中，自然環(huán)境模擬試驗中垃圾滲濾液的降解速率明顯高于人工模擬試驗，COD與BOD的衰減系數(shù)幾乎為人工模擬條件試驗2倍。兩組試驗垃圾成份基本類似，主要區(qū)別為降水方式與熱量散失情況。試驗表明在受季節(jié)影響的同時，與自然降水有關(guān)的微生物多樣性以及熱量散失情況對北方寒冷地區(qū)簡易垃圾堆場的穩(wěn)定化過程具有重要作用。因此可以利用滲濾液回灌增加含水量和微生物數(shù)量或者直接投加有利于垃圾降解的微生物菌劑等方式來加速垃圾堆場的穩(wěn)定化，對垃圾堆場的再利用有重要的意義。

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