王 佩， 李 磊， 宋新江， 徐海波

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會）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）

在污水處理的過程中會產(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、操作簡便、成本低的優(yōu)勢，故目前仍是我國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內(nèi)外常用的污泥處置技術(shù)之一［5］. 2009年我國頒布實(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］. 目前對污泥和生活垃圾的單獨(dú)填埋有廣泛的研究，但對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庫容、污泥和生活垃圾配比以及填埋場的設(shè)計(jì)缺少技術(shù)支撐，容易發(fā)生污泥外泄、填埋場降解產(chǎn)氣氣壓過大等現(xiàn)象，導(dǎo)致填埋場發(fā)生管涌、滑坡等填埋場失穩(wěn)事故屢見不鮮［9］.

Kheradmanda等研究表明，污泥進(jìn)入垃圾填埋場進(jìn)行混合填埋處置有助于加速填埋場的穩(wěn)定化進(jìn)程［10］.張華等通過室內(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程，預(yù)測污泥填埋場的穩(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)的降解會導(dǎo)致填埋體宏觀力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，影響填埋場的穩(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)物降解的動力學(xué)模型，對其有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為污泥進(jìn)入垃圾填埋場進(jìn)行填埋處置提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，對今后進(jìn)一步分析填埋處置中污泥和生活垃圾混合填埋場的庫容計(jì)算、填埋體邊坡穩(wěn)定及污染物運(yùn)移等問題具有一定的指導(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［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 污泥摻入量對填埋體降解規(guī)律的影響

對不同污泥摻入量下的混合填埋體開展有機(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出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定生化降解階段. 從這個(gè)角度來說，垃圾以及混合填埋體的有機(jī)物生化降解全過程嚴(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. 其降解全過程4個(gè)階段如圖2.

圖2 有機(jī)物降解全過程示意圖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)的生化降解過程，但當(dāng)污泥摻入量超過30%時(shí)，反而會抑制生化降解過程. 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)，向垃圾中引入了過量的氨氮，氨氮濃度過高會對微生物的活性和繁殖產(chǎn)生相對抑制作用，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中的有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律，胡龍生等通過長期監(jiān)測垃圾填埋場有機(jī)質(zhì)含量變化過程，利用指數(shù)關(guān)系模擬填埋場生化降解過程中有機(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)降解動力學(xué)模型.

純垃圾有機(jī)質(zhì)降解動力學(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%：

由上述動力學(xué)方程，將污泥摻入量和所對應(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??；污泥摻入量繼續(xù)增大，會抑制有機(jī)質(zhì)生化降解過程. 這也反映出向生活垃圾中摻入污泥會加速填埋體的降解，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)降解動力學(xué)模型擬合相關(guān)度均大于0.95，這說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)降解過程預(yù)測.

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

經(jīng)過長期的生化降解后，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)物降解動力學(xué)模型，預(yù)測有機(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)的生化降解過程，但是并不是污泥的摻入量越多越好，污泥摻入量超過30%時(shí)，反而會抑制生化降解過程. 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)垃圾的生化降解過程，但當(dāng)污泥摻入量超過30%時(shí)，生活垃圾中被引入了過量的氨氮，氨氮濃度過高會對微生物的活性和繁殖產(chǎn)生相對抑制作用，反而會抑制填埋體中有機(jī)質(zhì)生化降解速率.

2）通過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)物降解動力學(xué)模型，利用該動力學(xué)模型可以對其生化降解穩(wěn)定時(shí)間等進(jìn)行預(yù)測. 混合填埋體的生化降解穩(wěn)定時(shí)間大致為2.55～5.76 a.