生活垃圾降解特性室内试验研究

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(浙江理工大学建筑工程学院，杭州 310018)

0 引 言

城市生活垃圾是含有多种物质的混合材料，含有大量可降解成分，如蔬菜、水果、废纸和木头等。这些成分随着龄期的增加逐渐降解，产生填埋气和渗滤液。同时，随着降解龄期的增加，垃圾内部的成分也相应发生变化，进而引起垃圾填埋体性质的变化，因此研究垃圾的降解特性显得尤为重要。

Hossain等[1]将垃圾的降解过程分为好氧阶段、厌氧酸化阶段、甲烷加速生成阶段和甲烷减速四个阶段。在好氧阶段(第一阶段)，垃圾孔隙中的氧气被消耗，而且常规填埋场中并没有氧气补给。在厌氧酸化阶段(第二阶段)，多种酸性物质生成、积累，垃圾pH值降低，垃圾的产气量很少，渗滤液呈酸性，此时的环境条件不适合垃圾分解所需的细菌繁殖，所以几乎没有纤维素和半纤维素的分解。在甲烷加速生成阶段(第三阶段)，由于条件适宜，甲烷生产率在这一阶段达到峰值，酸性物质转化为甲烷和二氧化碳，pH值升高，纤维素和半纤维素开始分解。在甲烷减速生成阶段(第四阶段)，甲烷生成速度降低，酸性物质分解殆尽，纤维素和半纤维素的分解限制了甲烷的生成[2]。

降解作用下，垃圾内部的成分发生改变，生活垃圾在降解和自重作用下产生沉降。随着沉降的增大，垃圾填埋场的库容也会增大，但封场后过大的沉降会导致填埋体防渗系统的破坏，从而引起环境污染。很多学者对垃圾的沉降特性进行了研究，朱青山等[3]对人工配制和填埋垃圾进行了密封自然降解试验，研究了不同成分及添加物对垃圾沉降的影响，给出了30～190 d范围内垃圾高度与时间的线性方程，并推算了填埋场的稳定化时间。谢强[4]采用自制试验装置对人工配制的垃圾试样进行压缩蠕变试验，得到了不同压力与沉降的关系曲线。张振营等[5-6]建立了有机物含量与埋深的数学模型，认为当埋深不大于50 m时，垃圾的有机物含量与埋深可以拟合为线性关系，当埋深大于50 m时垃圾的有机物含量与填埋龄期可以拟合为指数关系，并给出了有机物降解沉降量与填埋龄期的指数函数关系式。孔宪京等[7]总结了多位学者研究压缩变形特性的现状和不足，自主研制了压缩-降解仪，并讨论了现有沉降模型的优劣和适用条件。

朱青山等[3]得出的线性关系有局限性，无法模拟190 d以上填埋垃圾的沉降情况。谢强[4]的压缩蠕变试验未考虑降解对垃圾沉降的影响。张振营等[5-6]总结的有机物降解规律采用两个表达式，不具有统一性。孔宪京等[7]总结的三个生物降解模型均采用指数函数，但由于各模型的降解条件不统一，导致模型参数不具有代表性。

本文考虑龄期对垃圾降解特性的影响，采用加速降解条件，建立了具有代表性的降解特性表达式。将人工配制的新鲜生活垃圾试样装入自制密封桶中，并放置到恒温降解箱内进行厌氧降解，考虑7个龄期(40、60、105、150、195、240 d和285 d)，系统地研究了不同降解龄期生活垃圾的降解特性及规律。

1 试验仪器及试验材料

1.1 试验仪器

Hartz等[8]、Barlaz等[9]研究发现，垃圾降解过程中，甲烷产气的最适宜温度是41 ℃。McBean等[10]研究表明，最佳的厌氧微生物繁殖温度为40～41 ℃。玉罗春[11]、罗锋等[12]、刘辉等[13]研究发现，41 ℃时生活垃圾的降解速度最快。

采用恒温降解箱进行加速降解试验。该仪器由温度调节器、恒温箱、加热系统和制冷系统组成。打开电源，在温度调节器上设定好温度后，恒温降解箱会使箱体一直稳定在设定温度±1 ℃。将密封好的试样放入恒温降解箱内，并设定箱体温度为41 ℃，使生活垃圾加速降解。

采用恒温干燥箱对降解垃圾进行烘干，测定垃圾的含水率。恒温干燥箱由数字显示调节仪、电源、鼓风、高低温开关和干燥箱组成。工作温度为室温升10～300 ℃。

采用箱式电阻炉对烘干后的垃圾进行有机质含量试验。箱式电阻炉由XMT数显调节仪和电阻炉组成，工作温度为100～1300 ℃。

1.2 试验材料

参照杭州天子岭垃圾填埋场垃圾的组成[14]，人工配制初始密度为0.8 g/cm3新鲜垃圾试样，垃圾各成分质量百分比见表1，各成分见图1。

表1 城市生活垃圾各成分质量百分比

图1 新鲜垃圾试样的成分

图2 聚氯乙烯(PVC)密封桶

采用直径150 mm、高度分别为250 mm和100 mm的聚氯乙烯(PVC)密封桶作为垃圾的密封容器(见图2)。其中，高度为250 mm的密封桶用作沉降测量和密度计算，高度为100 mm的密封桶用作有机质含量测定。

根据密封桶内壁的直径和高度，计算所需垃圾试样的体积和质量。再根据各成分比例计算相应材料所需的质量。将称好质量的各个材料混合，搅拌均匀后，将试样分4层均匀装填到密封桶中，并保证垃圾的初始密度为0.8 g/cm3。用堵头将密封桶两端堵住，并用热熔胶进行密封处理，从而使得垃圾试样进行厌氧降解。重复该过程14次，制作2组相同成分的试样。第1组试样直径为150 mm、高度为250 mm，第2组试样直径为150 mm、高度为100 mm。

对2组试样进行编号(a、b、c、d、e、f、g)，对应7个降解龄期(40、60、105、150、195、240 d和285 d)。

2 试验过程

2.1 降解后垃圾高度的测量

当试样达到指定降解龄期(40、60、105、150、195、240 d和285 d)时，分别将第1组高度为250 mm的试样从恒温降解箱取出，将试样冷却至15～20 ℃。随后打开密封桶的桶盖，测量降解后试样的沉降量。

2.2 密度计算

待第1组高度为250 mm的试样冷却至15～20 ℃时，称量垃圾试样的质量，再根据试样高度和直径，计算降解后垃圾的密度。

2.3 有机质含量试验

当试样达到指定降解龄期(40、60、105、150、195、240 d和285 d)时，分别将第2组高度为100 mm的试样从恒温降解箱取出。待试样冷却至15～20 ℃时，放入干燥的盘中摊平，称量试样和盘子的总质量。称量后将试样和盘子置于恒温干燥箱中，烘干温度设定为60～70 ℃，烘干大于24 h，烘干至2 h内质量变化小于试样质量的1%。将试样从干燥箱中取出，冷却至室温，称盘子加干试样的质量。将烘至干燥的降解垃圾放入陶瓷瓶中，称量试样和陶瓷瓶的总质量，再置于箱式电阻炉中，保持600 ℃的高温烘干2 h以上，并烘干至恒重[14]。试样的有机质含量A可用式(1)表示：

(1)

式中：m1为烘干干燥后垃圾的质量，m2为烧灼至恒重后垃圾的质量。有机质含量试验安排见表2。

表2 有机质含量试验安排

注：试样编号中，2表示第2组。

3 试验结果及分析

3.1 降解过程分析

不同降解龄期的垃圾见图3。如图3所示，40 d降解龄期的垃圾产生了一定的沉降，有刺鼻气味产生。垃圾中的有机质成分产生一定的降解，材料颜色、形状变化不大，可清晰辨别。此时的垃圾处于好氧阶段，垃圾在密封桶内残余氧气作用下进行好氧降解，垃圾在自重作用下发生沉降，孔隙水被排出，孔隙减少，密度增大。

图3 不同降解龄期的垃圾

降解龄期在60 d时，有小范围白色菌落产生，降解程度明显，多种材料难以辨认。降解龄期在105 d时，白色菌落大致覆盖垃圾表面，渗滤液在垃圾表面有所堆积，刺鼻气味加重。降解龄期在150 d时，白色菌落完全覆盖整个垃圾表面，刺鼻气味浓烈。降解龄期在195 d时，白色菌落完全覆盖垃圾表面并有一定的厚度，渗滤液产量也最大。该阶段的垃圾由好氧阶段转化到厌氧酸化阶段，垃圾内部氧气逐渐消耗殆尽，开始产生一些酸性物质，该阶段产生的细颗粒逐渐向孔隙移动，使得垃圾体积进一步减小，密度进一步增大。降解龄期在105～195 d时，进入甲烷加速生成阶段，此时的环境适合厌氧菌的繁殖，在厌氧菌的降解活动下，上一阶段产生的酸性物质逐渐分解为甲烷和二氧化碳，甲烷和二氧化碳气体产量逐渐增大，降解过程中产生了液态物质，导致渗滤液产量随之增加。

降解龄期在240 d时，白色菌落基本消失，除难降解和不降解物质外，其余物质已经无法辨认。降解龄期在285 d时，垃圾颜色进一步加深，沉降明显。该阶段垃圾进入甲烷减速生成阶段，酸性物质分解殆尽，甲烷生成速度降低，纤维素和半纤维素的分解限制了甲烷的生成。

3.2 垃圾的密度与降解龄期的关系

根据降解后垃圾试样的高度和直径计算降解后垃圾的体积，称量降解后垃圾的质量，计算出垃圾的密度。不同降解龄期垃圾的密度见表3，垃圾的密度与降解龄期的关系曲线见图4。

表3 不同降解龄期垃圾的密度

图4 垃圾的密度与降解龄期的关系曲线

如图4所示，垃圾的密度随着降解龄期的增加而增加，增加的趋势逐渐减小。降解初期，垃圾在自重和好氧降解双重作用下产生沉降，密度增加速度快，随后酸化阶段自重作用影响逐渐减少，好氧降解转化为厌氧降解，密度增大幅度逐渐减弱，随着有机质进一步分解，密度逐渐趋于稳定值。密度与降解龄期的关系可用指数函数进行拟合，拟合系数为0.94，拟合方程见式(2)：

ρ=0.95-0.15e-6.29×10-3T

(2)

3.3 垃圾的自然应变与降解龄期的关系

新鲜垃圾试样的初始高度为250 mm，垃圾的自然应变由沉降量和试样初始高度计算得出，不同降解龄期垃圾的沉降量和应变见表4，垃圾的自然应变与降解龄期的关系见图5。

表4 不同降解龄期垃圾的沉降量和自然应变

注：s为沉降量，ε为自然应变。

图5 垃圾的自然应变与降解龄期的关系

如图5所示，垃圾的自然应变随着降解龄期的增加而增加，增加趋势逐渐变缓。降解初期，垃圾在自重和好氧降解双重作用下产生沉降，自然应变增长幅度较大，随后厌氧酸化阶段自重作用影响逐渐减少，酸性物质不利于厌氧菌繁殖，有机质分解受限，自然应变增大幅度变小，第三阶段时，厌氧菌繁殖条件适宜，有机质进一步分解，自然应变继续增大，随着有机质的分解，自然应变会逐渐趋于稳定值。垃圾的自然应变与降解龄期的关系可用指数函数进行拟合，拟合系数为0.94，拟合方程见式(3)。

ε=15.96-15.69e-0.016T

(3)

式(3)与张振营等[5]建立的有机物降解沉降量随填埋时间的数学模型一致。张振营等[5]的模型表明，沉降量在填埋时间超过40 a(年)后才逐渐趋于稳定，而在本文中，垃圾的自然应变在200 d后逐渐趋于稳定值。这是因为本文将试验温度控制在最适宜降解的温度，采用温度控制降解箱加速了降解过程，使得沉降量较快趋于稳定，降解速率显著。

3.4 垃圾的有机质含量与降解龄期的关系

新鲜垃圾试样的初始有机质含量为40%，有机质含量计算见式(1)，不同降解龄期有机质的含量见表5，有机质含量与降解龄期的关系见图6。

表5 不同降解龄期的有机质含量

图6 垃圾的有机质含量与降解龄期的关系曲线

如图6所示，垃圾的有机质含量随着降解龄期的增加而减少，增加的趋势逐渐平缓。降解初期，垃圾进行好氧降解，有机质含量减少幅度大，随后厌氧酸化阶段产生的酸性物质不利于厌氧菌繁殖，有机质分解受限，有机质含量减少幅度很小，第三阶段时，厌氧菌繁殖条件适宜，有机质进一步分解，有机质含量会逐渐趋于稳定值。有机质含量与降解龄期的关系可用指数函数进行拟合，拟合系数为0.99，拟合方程见式(4)：

A=19.36+20.65e-0.03T

(4)

4 结 论

采用自制密封桶及恒温降解箱对生活垃圾进行加速厌氧降解，对降解后的垃圾试样进行了降解特性相关试验，得到以下研究结论：

a)生活垃圾的密度随着降解龄期的增加而增加，密度与降解龄期的关系可用指数函数进行拟合，拟合系数为0.94，建立了指数函数模型。据此模型，可以预测不同降解龄期垃圾的密度。

b)生活垃圾的自然应变随着降解龄期的增加而增加，自然应变与降解龄期的关系可用指数函数进行拟合，拟合系数为0.94，建立了指数函数模型。据此模型，可以预测不同降解龄期垃圾的自然应变和沉降。

c)生活垃圾有机质的含量随着降解龄期的增加而减小，有机质含量与降解龄期的关系可用指数函数进行拟合，拟合系数为0.99，建立了指数函数模型。据此模型，可以预测不同降解龄期垃圾有机质的含量。

本文建立了降解龄期与密度、应变和有机质含量的相关关系，可以为垃圾填埋场的库容分析提供理论依据。

参考文献：

[1] Hossain M D， Penmethsa K K， Hoyos L. Permeability of municipal solid waste (MSW) in bioreactor landfill with degradation[J]. Geotechnical Special Publication，2008，9(12):120-127．

[2] 徐晓兵.基于降解—渗流—压缩耦合模型的填埋场垃圾固液气相互作用分析及工程应用[D].杭州：浙江大学，2011:15-24．

[3] 朱青山，赵由才，徐迪民.垃圾填埋场中垃圾降解与稳定化模拟试验[J].同济大学学报(自然科学版)，1996，24(5):596-600．

[4] 谢强.城市生活垃圾卫生填埋场沉降特性研究[D].重庆：重庆大学，2004:34-40．

[5] 张振营，陈云敏.城市垃圾填埋场有机物降解沉降模型的研究[J].岩土力学，2004，25(2):238-241．

[6] 张振营，吴世明，陈云敏.城市生活垃圾土性参数的室内试验研究[J].岩土工程学报，2000，22(1):38-42．

[7] 孔宪京，孙秀丽，邹德高，等.垃圾土中有机物降解引起的体积缩减量与时间的关系研究[J].岩土工程学报，2006，28(12):2060-2065．

[8] Hartz K E， Klink R E， Ham R K. Closure of “Temperature Effects: Methane Generation from Landfill Samples”[J]. Journal of Environmental Engineering，1983，109(4):982-983．

[9] Barlaz M A， Ham R K， Mike M W. Gas production parameters in sanitary landfill simulators[J]. Waste Management and Research，1987，5(1):27-39．

[10] McBean E A， Rovers F A， Farquhar G J. Solid Waste Landfill Engineering and Design[M]. New Jersev: Prentice Hall，1995:73-80．

[11] 王罗春.城市生活垃圾填埋场稳定化进程研究[D].上海:同济大学，1999:25-40．

[12] 罗锋，陈万志，李小鹏.三种垃圾填埋场单元模拟器对废物降解的对比试验[J].中国环境科学，2004，24(4):474-479．

[13] 刘辉，黄涛.城市生活垃圾降解率分析研究[J].环境污染与防治，2010，32(3):14-17．

[14] 张振营，吴世明，陈云敏.天子岭垃圾填埋场有机物降解规律的研究[J].岩土力学，2002，23(1):60-62．