填埋垃圾生物质三相演化过程与控制方法研究

周效志，桑树勋，曹丽文，姬晓燕

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州，221116)

摘要：利用自主设计的大型实验装置室内模拟生活垃圾填埋厌氧降解过程，研究填埋垃圾生物质降解固、液、气三相演化及稳定性特征，探讨垃圾物质损失过程及其控制方法。研究结果表明：在一次性填埋处理方式下，填埋体系产甲烷菌适宜的微生物环境条件形成缓慢，抑制了非产甲烷菌与产甲烷菌稳定的协同代谢作用，垃圾填埋气产出表现出滞后时间长、产率峰值高、持续时间短的特点；模拟实验前期持续的水解产酸主导作用使垃圾生物质累计损失量逐渐升高至7.15 kg，后期产甲烷主导作用使累计损失量快速下降至4.75 kg；抑制填埋垃圾生物质好氧降解，减少液相生物质扩散迁移损失，快速形成多种微生物菌群的协同代谢，促进垃圾生物质的气相转化，是垃圾填埋场生物质损失过程控制的有效措施。

关键词：城市生活垃圾；生物质；填埋；三相演化；控制

中图分类号：X705          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)02-0769-07

Three-phase evolution and its control methods of waste biomass in landfill

ZHOU Xiao-zhi, SANG Shu-xun, CAO Li-wen, JI Xiao-yan

(School of Resource and Geoscience, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract: The anaerobic degradation process of municipal solid waste was simulated by using large-scale independent design devices, the three-phase evolution of waste biomass and its stability characteristics during landfill stabilization were studied, and its loss processes and control methods were discussed. The results show that methanogens appropriate environmental conditions form slowly in the manner of one-time landfill, which inhibits the steady collaborative metabolism between non-methanogens and methanogens, and therefore landfill gas production shows the characteristics of long lag time, high rate peak and short duration. Long hydrolysis leading role leads to the total biomass loss increase to 7.15 kg in earlier stage, but following methanation leading role makes it decrease to 4.75 kg rapidly. Inhibiting the aerobic degradation of waste biomass, decreasing the migration loss of leachate, forming the collaborative metabolism of multiple microfloras rapidly and promoting the landfill gas conversion of waste biomass can effectively control the waste biomass loss control in landfill.

Key words: municipal solid waste; biomass; landfill; three-phase evolution; control

我国城市生活垃圾(Municipal solids waste，MSW)产生量逐年增多，卫生填埋仍是当前最主要的处理方式^[1]。尽管垃圾填埋具有成本低、处理量大、技术相对成熟等优点，但填埋垃圾生物质大量损失仍可导致严重的环境污染、资源浪费及一系列社会问题^[2-4]。生活垃圾填埋降解是固相垃圾生物质在水解酸化菌作用下进入液相渗滤液，再经产甲烷菌作用转化为垃圾填埋气(Landfill gas，LFG)的过程，因此，填埋体系固、液、气三相演化间存在着必然的联系^[5-7]。基于填埋垃圾降解三相演化过程的研究，揭示垃圾生物质损失过程、规律性及控制机理，对填埋场环境污染控制与LFG资源化水平的提高都具有重要的现实意义。国内外学者对填埋垃圾降解过程开展了广泛而深入的研究，揭示了垃圾生物质三相演化的规律性及其对稳定化过程的表征作用，但以往研究多限于填埋体系单相及两相的演化，对垃圾生物质三相演化定量关系及损失规律性的研究较少^[8-10]。在此，本文作者借助大型填埋装置对MSW厌氧降解过程进行室温条件下的模拟实验，通过填埋体系固、液、气三相演化定量关系研究及降解过程稳定性评价，探索一次性填埋方式下垃圾生物质损失过程及规律，以便为垃圾填埋场生物质损失过程控制提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  实验装置

实验采用图1所示模拟填埋装置。柱体为不透明聚氯乙烯(PVC)材料，壁厚为1.9 cm，内部直径为47.1 cm，高为200.0 cm，装填物自下而上为100.0 cm衬垫黏土层、8.0 cm排水砾石层、80.0 cm填埋垃圾体及5.0 cm砂土覆盖层。此外，实验装置还配备环境因子监测、LFG导排及渗滤液回灌系统。

1.2  垃圾组成

实验装填垃圾由人工配比而成。垃圾组成及各组分含量参照我国MSW典型特征^[5]，又兼顾到垃圾生物质的高含水率与易降解性而确定。未加入塑料、泡沫、金属、陶瓷等难降解成分，并以难降解且易破碎的炉渣、煤灰代替，便于固体垃圾样品的采集与处理。垃圾组成及各组分湿基含量(质量分数)见表1。

表1  装填垃圾组成及含量

Table 1  Composition and content of materials   %

1.3  实验过程

垃圾各组分粒径机械破碎至2.0 cm以下，破碎后均匀混合。垃圾边装填、边压实，装填量为112.0 kg，压实密度为0.869 t/m³。在装填过程中，以分层添加的方式进行厌氧活性污泥接种(悬浮污泥质量浓度为6.29 g/L，挥发性悬浮污泥与悬浮污泥质量浓度比为73.4%)，接种体积为5.0 L。实验装置置于室内，在室温下反应，模拟实验共历时360 d。在实验过程中，定期监测填埋体系环境因子及固、液、气三相演化，每30 d将渗滤液收集后自顶部全量回灌。

图1  模拟填埋实验装置图

Fig.1  Simulation device for landfill experiment

1.4  监测指标与方法

各类监测指标与方法如表2所示。

表2  监测指标与方法

Table 2  Monitoring indicators and methods

2  结果与讨论

2.1  填埋垃圾降解三相演化过程

2.1.1  固相演化

在填埋场稳定化过程中，填埋体系生物不可降解物总量保持不变，因此，可基于不可降解物总量守恒来研究垃圾生物质总量的变化。在人工配比垃圾组成相对简单的情况下，以灰分表示固相残余物中不可降解物含量，挥发分表示可降解的有机质含量。在实验过程中，每30 d利用土壤取样器通过反应器上部的3个固体垃圾取样孔自垃圾体轴心等量取样500 g，所监测的固相成分演化数据处理结果如图2所示。

需注意的是：(1) 由于填埋垃圾降解固相残余物组成均质性差，故采用4个平行样品测试取均值的方法。误差线图中上限为测试结果的最大值，下限为最小值，中间点为4个样本算术平均值；(2) 水解速率常数k_x根据垃圾有机质总量算术平均值计算；(3) m₀为装填垃圾干固体总质量，m₀=28.47 kg。

图2  固相有机质总量m与水解速率常数k_x变化过程

Fig.2  Changing process of total solid organic fraction and hydrolysis rate constant

在填埋垃圾降解过程中，固相有机质总量m₁逐渐减少，其与装填垃圾干固体总量m₀的比值由实验初始的62.4%下降至26.7%，实验期内水解率达57.2%。实验初期，固相垃圾有机质水解速率常数k_x受垃圾体强非均质性及室温变化的影响在0~2.83×10^-3 d^-1范围内剧烈波动，实验中期逐渐升高至4.05×10^-3 d^-1，后期快速下降。

2.1.2  液相演化

渗滤液中挥发性脂肪酸(VFA)浓度及化学需氧量(ρ(COD_Cr))的演化过程如图3所示。

图3  VFA浓度与COD_Cr质量浓度变化过程

Fig.3  Changes of VFA concentration and COD_Cr

从图3可见：渗滤液VFA质量浓度与COD_Cr质量浓度具有相似的变化规律，都经历了实验过程前期持续升高、后期快速下降的过程。在实验过程前190 d，VFA质量浓度逐渐升高并达到峰值24.9 g/L(以CH₃COOH计)；当实验进行至210 d，COD_Cr质量浓度达到峰值56.0 g/L(图3)。

2.1.3  气相演化

在实验过程中，LFG产生及成分演化过程如图4所示。

从图4可见：在实验过程前200 d，LFG产率很低；实验进行250 d后，LFG产率快速增加，并在第290 d LFG产率达到峰值(3.38 L/(d·kg))；随后LFG产率迅速下降，实验302 d后LFG产率降至0.20 L/(d·kg)以下；在实验过程前180 d，LFG中CO₂体积分数逐渐升高至80.3%，而CH₄体积分数持续较低；随后，LFG中CO₂体积分数快速下降，CH₄体积分数迅速升高；在LFG产率高峰期内，CH₄体积分数维持在49.7%~70.4%；产气高峰过去后，LFG中CH₄与CO₂体积分数分别维持在50.0%和45.0%左右。

图4  LFG产生及气体成分演化过程

Fig.4  LFG production and composition evolution process

2.2  一次性填埋垃圾降解稳定性评价

填埋垃圾生物质降解是非产甲烷菌与产甲烷菌协同代谢的结果，因此，适宜的微生物环境形成对填埋垃圾稳定降解具有显著的控制作用^[13]。填埋体系氧化还原电位Eh与pH微生物环境因子演化过程如图5所示。

图5  填埋体系Eh与pH因子演化过程

Fig.5  Eh and pH variation in landfill system

填埋体系产甲烷菌为严格专性厌氧微生物，与非产甲烷菌相比，其对微生物环境Eh和pH的要求更为严格^[5]。从填埋体系Eh与pH的演化过程来看，产甲烷菌适宜的微生物环境难以快速形成直接导致填埋垃圾生物质降解不稳定。在实验过程前250 d，填埋体系Eh偏高且存在较大波动，pH长期维持在-5.5左右，使产甲烷菌适宜的微生物环境难以快速形成，抑制了其对液相生物质的产甲烷分解；实验进行250 d后，Eh进一步降至-480 mV以下，液相生物质分解使pH快速升高，产甲烷菌适宜的微生物环境条件逐渐形成，使其对液相生物质的产甲烷分解成为主导作用。

模拟填埋体系固、液、气三相演化过程也表征一次性填埋方式下垃圾生物质降解的不稳定性。在实验过程中，固相有机质总量在水解酸化菌作用下逐渐减少，其水解速率常数k_x受填埋体系环境温度及垃圾生物质降解难易程度差异的影响而呈现出明显的波动(图2)。实验前期在水解酸化菌主导作用下，固相生物质水解产物在渗滤液中不断积累，造成渗滤液VFA及COD_Cr质量浓度持续升高；随着实验后期产甲烷菌对液相生物质分解作用增强，VFA及COD_Cr质量浓度呈现出快速下降的趋势(图3)。从图6所示的碳酸氢盐碱度ρ(ALK)及氨态氮NH₄⁺-N质量浓度变化来看，尽管一次性填埋方式下的渗滤液回灌可使ALK快速升高，在一定程度上抑制pH的快速下降^[14]，但同时也引起了NH₄⁺-N的不断积累，特别是实验后期NH₄⁺-N质量浓度上升至1.5 g/L以上，能够对产甲烷菌代谢产生明显的抑制作用^[15]。

图6  渗滤液ALK与NH₄⁺-N浓度变化过程

Fig.6  Changes process of ALK and NH₄⁺-N concentration

从LFG产生过程来看，由于填埋体系非产甲烷菌与产甲烷菌相互促进的协同代谢难以形成，两者交替的主导作用直接导致了一次性填埋垃圾生物质降解具有产气滞后时间长、产气峰值高、持续时间短的特点(图4)。

2.3  填埋垃圾生物质损失过程及规律性

基于固、液、气三相演化的监测结果，填埋垃圾固相有机质累计水解量、液相COD_Cr质量浓度累计净溶出量及CH₄累计产生量的变化情况如图7所示。

图7  填埋体系三相演化过程

Fig.7  Three-phase evolution processes in landfill system

由图7可以看出：固相有机质累计水解量不断增加，实验期内累计达10.14 kg；液相COD_Cr累计净溶出量在水解酸化阶段逐渐升高至957.6 g，产气高峰期后快速下降至82.0 g；CH₄累计产生量在水解酸化期持续较低，产气高峰期迅速上升至999.8 L。产气高峰后，气、液两相演化呈互为消长关系。

模拟实验装填垃圾主要由厨余、果蔬类成分组成，由单位质量干垃圾转化为COD_Cr质量及CH₄产气量参数建立固、液、气三相演化之间近似的定量关系^{[11, 16]}。即：1 kg固相有机质水解能够产生650 g COD_Cr，这些COD_Cr分解能够产生230 L CH₄气体。根据以上定量关系，将液相COD_Cr累计净溶出量与CH₄累计产生量转化为对应的固相有机质水解量。数据处理结果见  表3。

由表3可以看出：在实验期内，填埋垃圾生物质损失量达5.48 kg，占固相有机质水解总量的54.04%。在水解产酸主导的实验前期，随着固相有机质的不断水解，垃圾生物质累计损失量逐渐升高至7.15 kg，期内生物质损失率高达79.00%；进入产甲烷代谢主导的产气高峰期，气相有机质累计转化量由0.07 kg迅速升高至4.35 kg，液相COD_Cr净溶出量由1.49 kg迅速下降至0.41 kg，垃圾生物质累计损失量也呈现出快速下降的趋势。

在填埋垃圾降解过程中，产甲烷菌适宜的微生物环境形成缓慢，使非产甲烷菌的水解产酸长期占据主导作用，造成水解酸化产物长期积累，并严重抑制了液相生物质的分解与气相转化，造成垃圾生物质累计损失量不断增加。随着产甲烷菌代谢能力的逐渐增强，液相生物质大量分解并转化为LFG，在实验过程前期，认为损失掉的部分以“悬浮物”或“颗粒物”形式存在的“沉积态”固相有机质被释放出来，重新水解为“有效态”的液相有机质成分，导致产甲烷高峰期内垃圾生物质累计损失量下降^{[5, 17]}。从填埋场环境污染控制与LFG资源化开发的角度考虑，通过优化传统填埋场结构与作业方式，使填埋体系快速形成产甲烷菌适宜的微生物环境，促进填埋场稳定化过程中非产甲烷菌与产甲烷菌的协同代谢，在控制渗滤液无组织迁移的同时降低水解酸化产物的液相积累，提高垃圾生物质的气相转化率，是实现生活垃圾填埋无害化与资源化处理的根本措施。

表3  填埋垃圾生物质转化与损失过程

Table 3  Transformation and loss of solid organic matter  kg

2.4  垃圾填埋场生物质损失途径与控制方法

若将垃圾生物质的非CH₄转化定义为其损失过程，则填埋垃圾生物质损失主要体现在好氧微生物产CO₂分解、渗滤液无组织扩散迁移、厌氧微生物腐殖化作用及微生物自身细胞合成4个方面。

在填埋垃圾降解初期，好氧微生物消耗垃圾体孔隙中的O₂对有机质进行有氧分解并产生CO₂；同时，好氧微生物代谢所摄取的有机营养大部分用来合成自身细胞物质，造成参与产CH₄反应的垃圾有机质总量减少，LFG中CO₂含量持续较高(图5)。渗滤液在自身重力作用下向填埋场底部排水衬垫层多孔介质迁移，导致渗滤液体积减少及所携带的有机污染物被黏土颗粒大量吸附。在实验过程中，反应装置下部衬垫黏土层含水率由于渗滤液的不断入渗而逐渐升高，使液相有机质损失成为垃圾生物质损失量不断增加的主要原因^[17]。此外，厌氧微生物腐殖化作用将垃圾生物质降解的中间产物重新合成为难以被产甲烷微生物分解的高分子腐殖质，并以颗粒或悬浮状态存在于渗滤液中扩散迁移，也增加了垃圾生物质的损失量。

为了提高垃圾填埋场CH₄产生量，促进LFG资源化开发，应从以下3个方面减少垃圾生物质损失。

(1) 抑制填埋垃圾生物质好氧降解。垃圾填埋后及时压实，减少垃圾体中O₂存储的空间；严格执行日覆盖、中间覆盖与终场覆盖作业，减少垃圾体中外界O₂的进入量，缩短垃圾生物质好氧降解持续时间，减少垃圾生物质非产CH₄转化损失。

(2) 控制填埋场渗滤液迁移过程。通过构筑填埋场底部排水层与防渗层，优化渗滤液抽排工艺，提高渗滤液收集效率；结合渗滤液全量回灌措施，减少填埋体系液相生物质损失；促进液相生物质的快速消耗，降低渗滤液中有机污染物含量，减小单位体积渗滤液中生物质损失。

(3) 促进垃圾生物质的气相转化。通过对传统填埋场结构与作业方式的优化，快速形成产甲烷菌适宜的微生物环境，提高产甲烷菌的代谢能力。通过微生物驯化、接种及其他人工诱导措施，促进填埋体系多种菌群的协同代谢，促进产甲烷菌对液相生物质的快速消耗，在减少液相生物质损失的同时，促进填埋体系悬浮、沉积态固相有机质水解与气相转化。

3  结论

 (1) 生活垃圾在一次性填埋处理方式下，填埋体系产甲烷菌适宜的微生物环境形成缓慢，垃圾生物质降解前期以非产甲烷菌持续的水解产酸作用为主导，造成液相生物质不断积累；稳定化后期以产甲烷菌代谢为主导，使LFG产生具有滞后时间长、产率峰值高、持续时间短的特点。

(2) 填埋体系持续的水解产酸作用导致垃圾生物质损失量不断增加；产甲烷菌对液相生物质的快速分解使部分“沉积态”固相有机质被重新水解为“有效态”液相有机质，导致产气高峰期内垃圾生物质累计损失量快速下降。抑制填埋垃圾生物质好氧降解，控制渗滤液无组织扩散迁移，快速形成填埋体系多种微生物种群稳定的协同代谢，避免液相生物质大量积累并促进其气相转化，是垃圾填埋场生物质损失过程控制的有效措施。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-02-04；修回日期：2011-04-17

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41072236)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2008133)；中国矿业大学青年科研基金资助项目(2009A027)

通信作者：桑树勋(1967-)，男，河北唐山人，博士，教授，博士生导师，从事垃圾生物气资源化、环境地质与能源地质研究；电话：0516-83592011；E-mail：shuxunsang@163.com