基金項目： 四川省科技支撐計劃資助項目（2011SZ0229）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（SWJTU12CX052，SWJTU11BR055， SWJTU12CX020）

作者簡介： 邱忠平（1967-），女，副教授，博士，研究方向為固體廢棄物處理與資源化，電話： 028-87600921， E-mail： zhpqiu@sina.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0574-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.028

摘要：

為研究填埋溫度對好氧生物反應(yīng)器填埋場穩(wěn)定化進程的影響，通過模擬實驗，探討了滲濾液及填埋垃圾性質(zhì)隨溫度變化的趨勢.結(jié)果表明：在20～40 ℃溫度下，隨著溫度提高，滲濾液化學(xué)需氧量和氨氮消減速度越快； 40 ℃條件下，氨氮在56 d達到國家生活垃圾填埋場污染控制標準（GB16889—2008）規(guī)定的垃圾填埋場滲濾液氨氮排放濃度限值，比20 ℃時早84 d；溫度越高，填埋過程中滲濾液累計產(chǎn)量越少，固相垃圾含水率與總有機碳含量的下降速度越快，垃圾降解越徹底；填埋結(jié)束時，填埋場穩(wěn)定速度較快，垃圾體的沉降性能好，表明較高溫度有利于加速填埋場的穩(wěn)定化進程.

關(guān)鍵詞：

好氧生物反應(yīng)器填埋場；填埋溫度；穩(wěn)定化；生物降解；滲濾液

中圖分類號： X172文獻標志碼： A

好氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)是一種安全快捷的垃圾最終處置技術(shù)[1-3].該技術(shù)通過曝氣與滲濾液回灌等控制因素，為填埋場提供充足的氧氣和水分供應(yīng)，使得場內(nèi)微生物種群結(jié)構(gòu)良好，生長代謝旺盛，能充分發(fā)揮對有機物的生物降解與轉(zhuǎn)化功能.故好氧生物反應(yīng)器填埋場內(nèi)的有機垃圾分解徹底，穩(wěn)定快速，成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一[4-9].

填埋溫度可直接影響場內(nèi)微生物的生長代謝與酶促反應(yīng)速度，影響填埋垃圾的生物降解與沉降，因此，溫度是影響好氧生物反應(yīng)器填埋場穩(wěn)定化進程的重要因素之一.文獻[10-13]的研究表明，在適宜的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，微生物增殖速率加快，理論上，酶促反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，溫度每升高10 ℃，生化反應(yīng)速率提高近1倍.因此，控制合適的填埋溫度，對于保證填埋場中微生物與酶的活性、加速填埋垃圾的生物降解、加快填埋場的穩(wěn)定化進程具有十分重要的意義.

本文通過模擬實驗，研究填埋溫度對好氧生物反應(yīng)器填埋場穩(wěn)定化進程的影響，以期通過控制填埋溫度，加速填埋垃圾的生物降解與轉(zhuǎn)化，為好氧生物反應(yīng)器填埋場的工程化應(yīng)用提供一定的工藝參數(shù)和技術(shù)支撐.

1

實驗材料與方法

1.1

實驗裝置

好氧生物反應(yīng)器填埋場模擬實驗裝置主體采用厚度為5 mm、直徑為315 mm的聚乙烯管制作，由垃圾填埋柱、滲濾液收集系統(tǒng)、回灌系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)與保溫系統(tǒng)等組成，其中垃圾填埋柱高1 000 mm，集液器高250 mm，填埋柱的有效容積為73.06 L[6].

垃圾樣品取自成都市二環(huán)路北一段附近的生活垃圾，剔除其中部分塑料、玻璃、金屬、瓦礫等物質(zhì)，填埋前將大塊垃圾破碎到約5 cm左右，混勻以克服尺度效應(yīng)的影響.垃圾組分的質(zhì)量分數(shù)為：廚余65.0%～68.0%；竹木12.0%～15.0%；紙張5.0%～7.0%；塑料8.0%～10.0%；紡織類1.5%～2.0%；金屬類0.5%～1.0%；其他成分1.0%～3.0%.各模擬生物反應(yīng)器填埋場分別裝填垃圾32.0 kg.采用好氧填埋方式，供氧量以MSW理論好氧分解的好氧量為基礎(chǔ)，曝氣量根據(jù)文獻[23]確定.反應(yīng)器溫度分別保持在20、25、30、35和40 ℃，當(dāng)反應(yīng)器中垃圾體溫度低于實驗所控制的溫度時，溫控裝置自動對模擬實驗裝置進行加溫至控制溫度.實驗在實驗室內(nèi)進行，各模擬反應(yīng)器的編號見表1.

1.2

監(jiān)測方法

化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand， COD）和氨氮分別采用重鉻酸鉀滴定法和納氏試劑比色法[14]測定；垃圾含水率采用烘干法[15]測定；總有機碳（total organic carbon， TOC）采用砂浴重鉻酸鉀法[16]測定；總氮（total nitrogen， TN）采用凱式定氮法[17]測定；滲濾液產(chǎn)量和垃圾沉降量采用直接測定法測定.

2

結(jié)果

2.1

滲濾液的COD與氨氮

2.1.1COD

COD直接反映填埋垃圾中有機質(zhì)的生物降解過程與滲濾液的污染強度[4].各反應(yīng)器所產(chǎn)滲濾液的COD濃度均在填埋初期急劇上升，其后迅速下降，但由于填埋溫度的差異，使得COD濃度變化不盡相同，見圖1.

2.1.2

氨氮

2.2

滲濾液產(chǎn)量

2.3

固相垃圾理化性質(zhì)

2.3.1總有機碳（TOC）與總氮（TN）

填埋過程中固相垃圾中TOC和TN是反映垃圾降解過程的重要指標之一，碳氮比（TOC/TN）是評價堆肥化過程垃圾腐熟度的參數(shù)[18，21-23]，但由于不同物料的初始和終點TOC/TN值的差異較大，影響了這一參數(shù)的廣泛應(yīng)用.本文借鑒評價堆肥腐熟度的指標T值， T=[（終點）TOC/TN]/[（初始）TOC/TN]，將T值作為評價垃圾填埋穩(wěn)定化的參數(shù)[21-22]，各反應(yīng)器在填埋過程中TOC與T值隨時間的變化見圖4.

2.3.2含水率

垃圾的含水率對有機垃圾的生物降解有顯著影響，可作為表征填埋垃圾中微生物活性的指標之一，填埋過程中垃圾含水率的變化如圖5所示.

2.4

固相垃圾的沉降性能

垃圾體的沉降量可從宏觀上反映垃圾生物降解的效果與沉降性能，是衡量填埋場穩(wěn)定程度的重要指標之一.各反應(yīng)器中垃圾沉降率的變化趨勢相似，均于填埋初期快速沉降，其后趨于穩(wěn)定.如圖6所示，在20～40 ℃的范圍內(nèi)，較高的溫度可有效加快填埋垃圾的生物降解速度，故填埋溫度為40 ℃和35 ℃的反應(yīng)器，在填埋過程中沉降最快，溫度為20 ℃的填埋條件下，填埋垃圾沉降最慢，到填埋結(jié)束時，低于35和40 ℃的反應(yīng)器沉降量，分別低3.8%和4.8%.

3

討論

（1） 較高溫度有利于降低滲濾液的污染負荷.30～40 ℃的填埋溫度，有利于垃圾的生物降解，溫度越高，滲濾液中COD、氨氮的衰減速度越快；20 ℃的條件下，滲濾液中污染物降解緩慢.在20～40 ℃之間，溫度的差異導(dǎo)致各反應(yīng)器中微生物代謝速率出現(xiàn)差異，如部分纖維素降解菌在高溫下迅速增殖，氨化菌與硝化菌的最適生長溫度為37～42 ℃，當(dāng)溫度低于15 ℃時，硝化細菌的活性大幅度降低，硝化速度明顯下降[13，19].較高溫度為場內(nèi)微生物提供了良好的生長環(huán)境，有利于提高場內(nèi)有機垃圾生物降解與轉(zhuǎn)化多種功能菌的生物量與活性，提高微生物分泌相關(guān)水解酶和氧化還原酶的能力[8，11，13]，提高場內(nèi)生化反應(yīng)速率，因此，較高的填埋溫度可促進污染物的生物降解，改善滲濾液的水質(zhì)，降低滲濾液的污染負荷.

（2） 較高溫度可加速填埋垃圾的生物降解.在20～40 ℃之間，溫度越高，填埋前期滲濾液中COD與氨氮濃度升高并達到峰值的時間越短，垃圾TOC下降與垃圾體的沉降速度越快，表明高溫有利于提高場內(nèi)微生物對垃圾中易降解有機物的水解速率.其后由于微生物生長所需的營養(yǎng)成分越來越少，使得COD和氨氮的濃度急劇下降，填埋垃圾的沉降與TOC的下降速率也趨于緩慢.溫度越高，有機垃圾的生物降解速度越快，至填埋結(jié)束時，填埋溫度為40 ℃的填埋垃圾TOC與T值比20 ℃低15.7%和13.0%，沉降量增加4.8%.表明高溫促進了垃圾中易降解和難降解有機物的生物降解，并使其降解更為徹底[4]，提高了垃圾體的沉降性能，對于加速填埋場的穩(wěn)定化進程具有積極作用.

（3） 溫度影響滲濾液的產(chǎn)量與垃圾的含水率.不同溫度下，填埋場所產(chǎn)滲濾液量與垃圾含水率變化的差異，主要源于垃圾的持水能力、填埋場生化反應(yīng)以及曝氣所致水分蒸發(fā)量的差異.填埋初期，由于高溫提高了微生物與酶的活性，加速了酶促反應(yīng)的過程，使得垃圾中易降解物質(zhì)快速降解，場內(nèi)生化反應(yīng)速度加快，劇烈的生化反應(yīng)又使得填埋場中溫度進一步升高，導(dǎo)致填埋體系中水分蒸發(fā)速度加快.在40 ℃的條件下，滲濾液量的峰值的時間最短但并非最大，但滲濾液產(chǎn)量下降速度最快，整個填埋周期累計滲濾液產(chǎn)量最低，垃圾含水率快速下降， 42 d以后就基本上維持在50%左右；其他溫度條件下垃圾中含水率下降速度均較之慢，在20～25 ℃之間，由于場內(nèi)微生物生長繁殖能力較弱，垃圾降解速度緩慢，滲透性能較差，持水能力強，水分蒸發(fā)量小，故含水率下降最慢，填埋過程中累計滲濾液產(chǎn)量也最多.表明在20～40 ℃的溫度范圍內(nèi)，較高溫度有利于降低填埋場滲濾液產(chǎn)量.

4

結(jié)論

（1） 20～40 ℃之間，溫度越高，滲濾液COD和氨氮消減速度也越快，40 ℃的反應(yīng)器所產(chǎn)滲濾液的COD濃度于第7天達到68 000 mg/L，其后急劇下降并維持在較低水平，20 ℃時至填埋后期COD仍處于較高的水平， 40 ℃時的氨氮在56 d就能達標排放，較20 ℃早84 d.

（2） 溫度為20～25 ℃的條件下，填埋過程中垃圾滲濾液累計產(chǎn)量高，至填埋后期一直處于較高水平，滲濾液累計產(chǎn)量分別較40 ℃時高48.8%和48.3%.較高溫度可有效降低滲濾液的產(chǎn)量，減輕填埋場滲濾液處理的壓力.

（3） 填埋溫度越高，固相垃圾含水率與TOC含量下降的越快.填埋結(jié)束時， 40 ℃條件下垃圾的含水率與TOC值分別較20～25 ℃低16.0%～21.1%和6.6%～15.7%； 30～40 ℃時， 56 d時的T值低于0.6，比20～25 ℃早30 d，至填埋結(jié)束時， 40 ℃較20 ℃時T值低13.0%；溫度越高，填埋垃圾的沉降性能越好，沉降速度越慢，至填埋結(jié)束時， 20 ℃的條件下填埋垃圾沉降量低于35 ℃和40 ℃的垃圾沉降量，分別低3.8%和4.8%.

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