厌氧模拟填埋反应器中生活垃圾和固化污泥共处置技术研究*

郭广寨，孙 旭，苏良湖，赵由才

（1.上海环境实业有限公司，上海 200060；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

厌氧模拟填埋反应器中生活垃圾和固化污泥共处置技术研究*

郭广寨1，孙 旭2，苏良湖2，赵由才2

（1.上海环境实业有限公司，上海 200060；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

在厌氧模拟填埋反应器（ASLR） 中考察了生活垃圾（MSW） 和固化污泥（SS） 共处置（MSW∶SS=1∶1、2∶1和1∶2）对恶臭气体（H2S和NH3）、CH4的释放速率以及渗沥液性质的影响。结果表明：MSW∶SS=1∶1、2∶1和1∶2的ASLR，在49 d内的H2S释放速率分别比生活垃圾单独填埋时降低83.8%、96.6%和98.9%。不同比例固化污泥与生活垃圾共处置中，均提高了ASLR的CH4产生速率。在49 d内，生活垃圾单独填埋时渗沥液pH范围为4.0～4.5，而 MSW∶SS=1∶1、2∶1和 1∶2的 ASLR，其pH范围分别为 5.82～7.26、5.98～6.21和 5.70～7.55。共处置 ASLR 渗沥液pH的提高，有利于加速填埋体的稳定化进程。共处置ASLR显著增加了渗沥液中NH3-N和TN的浓度，并不同程度上增加VFAs（主要为乙酸和丙酸）的浓度，但对COD和硫酸根浓度影响不大。

生活垃圾；固化污泥；恶臭；CH4；渗沥液

随着我国城市污水处理率的逐年提高，污水厂污泥的产生量急剧增加。据估计，2007年有超过3.102×109t的生活污水产生，其中的49.1%是通过生物法进行处理，并由此产生了约为1.43×107t的含水率为80%的污泥［1］。根据我国目前的污泥处理处置技术现状，特别是考虑到我国污泥的处理率还很低，卫生填埋是近期污泥的主要处理处置方法。有研究表明，固化污泥加入到生活垃圾可以改善厌氧发酵条件，促进沼气的产生，进而提高CH4的回收利用效率并加速填埋场稳定化。如M.Pawlowska等［2］将原生生物污泥和消化污泥引入生活垃圾填埋场，以提高填埋气体的CH4浓度。S.Çinar等［3］研究发现添加初沉池污泥和剩余污泥，可以加速生活垃圾的稳定化进程。J.A.Rintala等［4］研究认为添加污泥到生活垃圾可降解部分可以显著增加CH4的产生量，并且其CH4产生速率和甲烷菌活性随着污泥的添加而发生变化。但是，将污泥引入生活垃圾中可能对填埋场的渗沥液各项参数产生影响，如COD、NH3-N、TN、电导率等，进而影响现有填埋场的渗沥液处理工艺。

因此，笔者利用厌氧模拟填埋反应器（anaerobic simulated landfilling reactor， ASLR） 考察 生活垃圾与固化污泥共处置，对恶臭组分H2S和NH3释放速率以及CH4产生速率的影响，并考察共填埋技术对渗沥液的各项指标，如pH、TN、NH3-N、COD、硫酸根和VFAs等浓度的影响。

1 实验方法

1.1 实验材料

生活垃圾样品取自上海市杨浦区生活垃圾中转站，为了更好模拟真实填埋场的情况，除将大块惰性垃圾（石块、砖块、玻璃等）剔除外，未经筛分和破碎。其基本性质如表1所示，为我国城市垃圾的典型组成。固化污泥取自上海市老港生活垃圾填埋场，污水厂脱水污泥经与碱性固化剂（商业级，主要成分包括氧化镁、氧化钙等）混合搅拌，养护后以提高污泥的机械作业强度。固化污泥的基本性质：pH为12.3，含水率为58.5%，VS为35.2%，有机质含量为26.8%，抗压和抗剪强度分别为113.5 kPa和50.6 kPa。

表1 生活垃圾组分 %

1.2 实验装置

ASLR为体积50 L、直径45 cm的柱状PVC材质密闭容器，底部铺有1层厚度为5～7 cm的雨花石（d＜2 cm），并设有渗沥液导排口。物料按比例分散加入，使其最终在ASLR中分布较均匀，并在填埋过程中人工进行夯实。ASLR的顶部预留有空间（＞4 L） 用于贮存生物气。每个ASLR填埋物料总质量均为25 kg，分别为固化污泥单独填埋（SS）、生活垃圾单独填埋（MSW）、生活垃圾与固化污泥比例为1∶1（MSW∶SS=1∶1）、生活垃圾与固化污泥比例为2∶1（MSW∶SS=2∶1）、生活垃圾与固化污泥比例为1∶2（MSW∶SS=1∶2）。

1.3 分析方法

定期对ASLR顶空的恶臭组分（H2S和NH3）和CH4浓度进行分析，并考察MSW和SS共填埋对ASLR渗沥液中pH、COD、NH3-N、TN、硫酸根以及VFAs等参数的影响。其中，pH采用玻璃电极法进行测定（PHB-4，上海雷磁仪器厂）；H2S含量采用亚甲基蓝分光光度法（GB/T 11742—1989）；NH3和NH3-N含量采用纳氏试剂比色法（HJ 533—2009）；CH4采用便携式气相色谱仪测定（GA2000，英国Geo-tech公司）；COD采用重铬酸钾标准法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）；硫酸根浓度采用离子色谱测定（ICS5000，美国戴安公司）；VFAs采用气相色谱进行分析［5］（6890N，美国 Agilent公司）。

2 结果与讨论

2.1 MSW和SS共处置对恶臭气体释放的影响

生活垃圾与固化污泥共处置可以大幅度降低H2S的释放量。从图1可以看出，生活垃圾单独填埋时，在49 d内H2S累积释放量为268.0μg/kg，而当生活垃圾与固化污泥以1∶1、2∶1和1∶2比例共填埋时，其H2S释放量分别为43.3、9.1、2.9μg/kg。即H2S释放速率分别降低83.8%、96.6%和98.9%。固化污泥的加入显著降低生活垃圾的H2S释放量，其原因在于污泥在固化过程中加入碱性固化剂（含有氧化钙、氧化镁等组分），其中的碱度与生活垃圾的酸性发酵液相中和，提高填埋体的pH，从而降低填埋体的H2S释放量。此外，有一部分SRB等产生的H2S直接被固化污泥所吸收，进一步降低填埋体系的H2S释放量。

生活垃圾和固化污泥以不同比例共处置并不会提高NH3的释放量。生活垃圾和固化污泥单独填埋时，在49 d内，其产生的NH3累积量分别为753.4、878.5 μg/kg。当 MSW∶SS=1∶1、2∶1 和 1∶2共处置时，在49 d内其产生的NH3累积量分别为763.2、686.4、475.0μg/kg。理论上，固化污泥的加入，一方面会改变体系的酸碱环境，使得经散逸途径产生的NH3增多，另一方面会增加体系中微生物的种类和数量，提高蛋白质的降解，进而增加NH3的释放，但是本实验中共处置ASLR并未增加NH3的释放。

2.2 MSW和SS共处置对CH4产生速率的影响

由图2可知，固化污泥的加入均不同程度上促进了共处置ASLR中CH4的产生速率。特别是，当生活垃圾与污泥以2∶1的比例共处置时，填埋气中CH4含量明显高于其他ASLR，并在35 d左右达到最大值，为8.4%。不同物料混合填埋的CH4含量随时间的变化规律大致相同，随着填埋时间的增加，CH4浓度不断上升，并逐渐保持稳定。本实验测定的CH4含量均低于传统填埋场的CH4含量，在于CH4测试过程中通过抽吸式采样，从而导致沼气浓度被稀释，但是其依旧明显表明固化污泥可以强化生活垃圾填埋体的CH4释放速率。在pH=5.0～6.5，生活垃圾为水解酸化阶段，而pH=6.6～7.5，则处于产甲烷阶段［6］。固化污泥加入到生活垃圾中，提高填埋体系的pH，使体系更适合于产甲烷菌的代谢繁殖，进而提高CH4的产生速率。而生活垃圾单独填埋的渗沥液pH仅为4.0～4.5（见图3），故其产CH4速率相对较低。而且，固化污泥的加入，增加了填埋体系的有机负荷，也可以增加填埋体的CH4释放。固化污泥强化生活垃圾的CH4释放，不仅可以用于提高填埋气能量回收利用，而且可以加速填埋体的稳定化进程［7］。

2.3 MSW和SS共处置对渗沥液性质的影响

固化污泥加入到生活垃圾中，使OH-释放到填埋体系中，进而导致共处置ASLR的渗沥液pH较高。由图3可以看到，生活垃圾单独填埋使渗沥液的pH为4.0～4.5，而固化污泥的加入均不同程度上提高渗沥液的碱度。MSW∶SS=1∶1、2∶1和1∶2共处置时，实验期间的pH范围分别为5.82～7.26、5.98～6.21、5.70～7.55。固化污泥加入到生活垃圾中而形成较高pH的渗沥液，有利于使填埋体系处于产甲烷阶段和水解酸化阶段，进而加速填埋体的稳定化进程，减少所需的稳定化时间。

固化污泥与生活垃圾共填埋均显著增加了ASLR渗沥液的NH3-N和TN的浓度。由图4可知，生活垃圾单独填埋的NH3-N和TN的浓度范围分别为 182～513 mg/L 和 436～1 054 mg/L。MSW∶SS=1∶1、1∶2和2∶1共处置时，渗沥液的NH3-N浓度范围分别是 707～2 165、385～1 967、692～1 818 mg/L；TN浓度范围分别是3 032～3 862、2 340～3 702、2 744～3 979 mg/L。该现象是由于，一方面固化污泥与生活垃圾混合填埋时，两者中的厌氧发酵微生物起到协同的作用，加速了填埋物料的降解，使得填埋渗沥液中NH3-N的浓度较高；另一方面在于固化污泥本身所含有的较高浓度有机氮和硝氮、亚硝氮等在淋溶作用下转移到渗沥液中所致。

不同ASLR渗沥液的COD随时间而波动，波动范围为40 000～80 000 mg/L，但是总体上有下降的趋势，见表2。固化污泥和生活垃圾共填埋时，对渗沥液中COD的浓度影响不大。而固化污泥的加入还在一定程度上降低渗沥液的硫酸根浓度，这可能是由于固化污泥中的溶解性硫酸根强度较低导致（见图5）。其中当MSW∶SS=1∶2时，填埋初期的硫酸根浓度最低，为2 090 mg/L。各ASLR渗沥液中硫酸根浓度均随着填埋时间的延长而迅速下降，至实验结束时，其渗沥液硫酸根浓度均相差不大，为1 000～1 600 mg/L。渗沥液中硫酸根的浓度随时间降低，一方面在于硫酸盐还原菌等在代谢过程中消耗并转化硫酸根成硫化物等形态，另一方面与填埋物料的厌氧发酵程度有密切关系。

表2 MSW和SS共处置对渗沥液COD的影响 mg/L

污泥与生活垃圾共处置对渗沥液VFAs浓度的影响如图6所示。生活垃圾单独填埋时渗沥液的乙酸和丙酸（主要的VFAs种类） 浓度分别为94.7、14.5 mg/L。而 MSW∶SS=1∶1、1∶2 和 2∶1共处置时，填埋渗沥液的乙酸浓度分别是212.0、99.9、67.3 mg/L；丙酸浓度分别是52.0、32.1、22.5 mg/L。即固化污泥的加入提高了渗沥液的VFAs浓度。固化污泥的加入，丰富了填埋体系的微生物种类，提高填埋体系的有机负荷，强化了填埋物料的厌氧发酵过程，进而导致渗沥液VFAs浓度的提高。经过49 d的厌氧发酵，ASLR的渗沥液VFAs浓度发生了明显的变化，即生活垃圾单独填埋时，渗沥液的乙酸和丙酸的浓度分别显著降至 25.5、9.8 mg/L；MSW∶SS=1∶1 则为 202.2、50.4 mg/L；MSW∶SS=1∶2 的乙酸降至 49.6 mg/L，但是丙酸浓度则升至52.7 mg/L；MSW∶SS=2∶1则大幅度上升至161.6、38.8 mg/L。由于共处置条件下的渗沥液pH较生活垃圾单独填埋要高，故渗沥液中VFAS负荷的提高可以提升填埋体的产CH4速率，加速填埋体的稳定化进程。

3 结论

1） MSW∶SS=1∶1、2∶1 和 1∶2 的 ASLR，在49 d内的H2S释放速率分别比生活垃圾单独填埋时降低83.8%、96.6%和98.9%。固化污泥的添加显著降低了生活垃圾的H2S释放，有利于减少生活垃圾填埋场的恶臭释放。

2）不同比例固化污泥加入到生活垃圾中，增加了填埋体系的有机负荷并强化了厌氧发酵过程，均提高了ASLR的CH4产生速率。

3） 在49 d内，生活垃圾单独填埋时渗沥液pH 范围为 4.0～4.5，而 MSW∶SS=1∶1、2∶1 和 1∶2的ASLR，其pH范围分别为5.82～7.26、5.98～6.21和5.70～7.55。共处置ASLR渗沥液pH的提升，有利于加速填埋体的稳定化进程。

4）） 共处置ASLR显著增加了渗沥液中NH3-N和TN的浓度，并不同程度上增加VFAs（主要为乙酸和丙酸）的浓度，但对COD和硫酸根浓度影响不大。

［1］ Wang W，Luo Y X，Qiao W.Possible Solutions for Sludge Dewatering in China［J］.Front Environ Sci Engin China，2010，4 （1）：102-107.

［2］ Pawlowska M，Siepak J.Enhancement of Methanogenesis at a Municipal Landfill Site by Addition of Sewage Sludge［J］.Environ Eng Sci，2006，23（4）：673-679.

［3］ Çinar S，Onay T T，Erdinçler A.Co-disposal Al-ternatives of Various Municipal Wastewater Treatment-plant Sludges with Refuse［J］.Adv Environ Res，2004，8 （3/4）：477-482.

［4］ Rintala JA，Jarvinen T.Full-scale Mesophilic Anaerobic Co-digestion of Municipal Solid Waste and Sewage Sludge：Methane Production Characteristics［J］.Waste Manage Res，1996，14 （2）：163-170.

［5］ Wang W，Xie L，Chen JR，et al.Biohydrogen and Methane Production by Co-digestion of Cassava Stillage and Excess Sludge under Ther mophilic Condition［J］.Bioresour Technol，2011，102 （4）：3833-3839.

［6］ Lou Z Y，Feng JH，Zhong SH，et al.Effect of Layers Composition on Leachate Property from Functional Layer Embedded Landfill［J］.Bioresour Technol，2011，102 （14）：7057-7063.

［7］ Lou Z Y，Feng J H，Zhong SH，et al.Source Reduction of the Landfill Leachate Strength in a Functional Layer Embedded Landfill（FLEL）［J］.Bioresour Technol，2011，102 （10）：5574-5579.

Co-disposal of Solidified Sludge with Municipal Solid Waste in Anaerobic Simulated Landfilling Reactor

Guo Guangzhai1,Sun Xu2,Su Lianghu2,Zhao Youcai2
（1.Shanghai Environment Industry Co.,Ltd,Shanghai 200060;2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,Tongji University,Shanghai 200092）

Effects of the co-disposal of municipal solid wastes（MSW） with solidified sludge（SS）（MSW∶SS=1∶1,2∶1 and 1∶2）on odors（H2Sand NH3）and methane emission,and leachate characters were investigated using anaerobic simulated landfilling reactor（ASLR）.The results showed that 83.8%,96.6%and 98.9%of H2Swere removed in the ASLR where MSW and SS were mixed at ratio of 1∶1,2∶1 and 1∶2,compared with the ASLR of MSW in 49 days,respectively.Methane production rates were enhanced in the ASLR where SSwere introduced.The pH value of leachate ranged from 4.0 to 4.5 in the ASLR of MSW,however,increased to 5.82～7.26,5.98～6.21 and 5.70～7.55 in the ASLR where MSW and SSwere mixed with ratio of 1∶1,2∶1 and 1 ∶2,respectively.The increase of pH in leachate from ASLR would benefit the stabilization of MSW landfill.In the co-disposal of MSW and SS,the concentrations of NH3-N and TN of leachate increased dramatically,and VFAs dominated by acetic acid and metacetonic acid were also enhanced in various degrees.However,COD and sulfate ion were not increased in leachate.

municipal solid waste；solidified sludge；odor;methane；leachate

X705

A

1005-8206（2012）01-0001-05

上海市科委2010年度科技创新行动计划社会发展领域重大科技项目（10DZ1200104）；上海市科委资助项目（10231202102）

2011-12-03

郭广寨（1964—），高级工程师，主要从事固体废物处理处置与资源化工作。

（责任编辑：刘冬梅）