陈腐垃圾填埋场腐殖土好氧堆肥-浸提技术工艺研究

韩 凤，邵 乐，史学峰，李昌武

（航天凯天环保科技股份有限公司，湖南长沙 410010）

陈腐垃圾，也叫矿物垃圾，是指填埋场或堆放多年的城市生活垃圾。自20世纪70年代以来，我国逐渐开始采用填埋方法处理处置城市生活垃圾。近年随着大规模土地开发，这些填埋场地已成为稀缺资源，具有巨大的开发价值。但是由于非正规填埋场在运转期内未采取有效的防护措施，产生的水、气及臭味等污染，不仅对周边居民的生活造成了严重影响，还对地下水造成了危害。陈腐垃圾资源化处置是填埋场治理面临的最为重要的问题，尤其是含量最高的腐殖土处置尤为关键，开挖后的陈腐垃圾中50%～70%为筛下物腐殖土［1］。腐殖土富含有机质可作为绿化用地用土［2，3］，但是其利用作为绿化种植土壤或绿化养护用土需满足《绿化种植土壤》（CJ／T 340-2016）标准，其主要包括pH、有机质、含盐量等5项主控指标，CEC、有效磷等14项肥力指标，总镉、总汞等8项重金属含量指标［4］，而一般的腐殖土中主要超标指标为含盐量、有机质、重金属等。

目前，针对陈腐垃圾填埋场腐殖土的处理相关报道较少，常规的腐殖土处理技术包括回转窑协同技术、好氧堆肥技术等。而回转窑协同处置技术不仅能耗大、成本高，而且针对腐殖土中含盐量和部分重金属处理效果不佳［5，6］；好氧堆肥技术能降低腐殖土中有机质含量，对土壤中重金属含量处理效果不佳，无法作为绿化用地，需要后续处理处置［7～9］。针对现有工艺存在的缺陷，本研究结合项目经验，经过不断试验研究，研发出“好氧堆肥-浸提技术”，并驯化培养出好氧产酸微生物。通过好氧堆肥-浸提技术联用处理陈腐垃圾填埋场腐殖土，主要解决腐殖土含盐量、有机质、重金属超标的问题。首先将腐殖土通过好氧堆肥，能充分利用微生物来降解腐殖土中有机质，再利用特殊的浸提剂将腐殖土中可溶性的盐类和重金属离子转移至液相，从而使腐殖土中有机质、含盐量和重金属含量同时有效降低，通过控制过程参数可达到《绿化种植土壤》（CJ／T 340-2016）标准，实现腐殖土有效资源利用，适合推广使用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

在某生活垃圾填埋场随机采集陈腐垃圾，每个点位分层采集3个样品，每个样品重约50 kg。样品经风干后混合均匀，筛分得到粒径≤2 cm筛下腐殖土，密封保存。腐殖土污染指标及性能见表1。

表1 腐殖土污染指标及性能

1.2 试验方法及对比试验设计

1.2.1 试验方法

微生物菌剂制备：将陈腐垃圾中提取分离的青霉属、曲霉属真菌接种于斜面上，28～35℃培养6 d。摇瓶培养液采用去离子水中加入15%蔗糖、0.2%硝酸盐、0.1%磷酸二氢钾、0.25%七水硫酸镁，摇动容器直至溶质溶解，高温灭菌。用无菌水冲洗斜面微生物接种到摇瓶培养液中，置于恒温振荡培养箱中，培养6 d。经扩大培养后混合菌液中青霉属、曲霉属数量达到106 cfu／mL，最终分批接种到腐殖土中。

应用试验：腐殖土中加入粪尿+草木灰，调节腐殖土中C／N比。将腐殖土堆放成条垛形（宽∶高＝2∶1）后，往腐殖土中撒播微生物菌液，采用动态搅拌、静态通风相结合的方式，堆肥前3 d每天搅拌一次，后每2 d搅拌一次，实时监测好氧堆肥过程各项指标，控制好氧堆肥的温度为30～55℃，堆肥时间为10 d。

将腐熟的腐殖土转入固定池体中堆放后，腐殖酸配制成质量浓度为5%的浸提液，以一定体积比加入腐殖土中，浸提一段时间后，浸提废液排出；用腐殖酸浸提2次后再用清水浸提1次，浸提时间为8 h，浸提废水排出并统一收集后处理或回灌填埋场。腐殖土自然晾晒、脱水干化，测定腐殖土中有机质、含盐量、重金属含量。

腐殖土好氧堆肥-浸提工艺流程图如图1所示。

图1 腐殖土好氧堆肥-浸提工艺流程图

1.2.2 对比试验设计

设置四组对比试验，每组设置三组对比数据，确定好氧堆肥-浸提工艺中最优C／N比、微生物菌液添加量、浸提剂添加比例、浸提时间。对比试验设计见表2。

1.3 测定指标及方法

根据表1可知，本项目腐殖土主要污染指标为含盐量、有机质、铜、锌、镉。其中有机质采用《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》（LY／T1237）［10］测定；含盐量采用《森林土壤水溶性盐分分析》（Y／T 1251）［11］测定；铜、锌采用《土壤质量铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法标准》（GB／T 17138）［12］测定；镉采用《土壤质量铅、镉的测定 KIMIBK萃取火焰原子吸收分光光度法》（GB／T17140）［13］测定。

表2 对比试验设计

2 结果与分析

2.1 C／N比对腐殖土处理效果的影响分析

本组对比试验为单因子变量试验，调节腐殖土中 C／N比分别为15∶1、25∶1、35∶1，C／N比对腐殖土处理效果的影响如图2所示，从图2可以看出，随着腐殖土中C／N比例增大，有机质降减率随之减少，可溶性盐和重金属降减率有少量减幅。其中腐殖土中C／N比例为15∶1和25∶1时，有机质降减率均超过标准降减率34%。综合考虑腐殖土C／N比调节难度和操作成本，确定调节腐殖土中最优C／N比为25∶1。

图2 C／N比对腐殖土处理效果的影响

适当的碳氮比例，有助于微生物发酵分解。当腐殖土中C／N大于25∶1时，微生物不能大量繁殖，而且从有机物中释放同的氮素全部为微生物自身生长所利用。当腐殖土中C／N小于25∶1时，微生物繁殖快，堆肥材料分解也快，而且有多余的氮素释放，施到土壤后供作物利用，也有利于腐殖质形成［14］。本项目选用粪尿+草木灰调节腐殖土中C／N比。

2.2 微生物菌液添加量对腐殖土处理效果的影响分析

本组对比试验为单因子变量试验，分别添加20 L、45 L、60 L微生物菌液，微生物菌液添加量对腐殖土处理效果的影响如图3所示，从图3可以看出，随着微生物菌液添加量的增大，有机质、可溶性盐、重金属降减率也随之增加。其中腐殖土微生物菌液添加量为45 L时，有机质降减率超过标准降减率34%，而当微生物菌液添加量继续增大时有机质降减率仍有少量增幅。综合考虑操作成本及处理效率，确定微生物菌液最优添加量为45 L。

图3 微生物菌液添加量对腐殖土处理效果的影响

本项目微生物菌液中主要为青霉属、曲霉属真菌，在好氧堆肥过程中溶解性的有机物可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收；不溶胶体和固体有机物，先附着在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞［15］。在通过微生物的自身合成和氧化分解后，可实现有机质的有效降解。

好氧产酸微生物不但可以降解腐殖土中的有机质，而且可以产生有机酸物质，如在好氧堆肥过程中好氧产酸微生物将糖转化成多种有机酸，再使草酰醋酸和乙酰辅酶A缩合成柠檬酸等，这些有机酸物质可以活化腐殖土中的重金属及盐类，有利于后续的浸提过程金属离子的溶出，从而可有效提高重金属、盐类浸提效率，且降低浸提剂的消耗量。

2.3 浸提剂添加比对腐殖土处理效果的影响分析

本组对比试验为单因子变量试验，分别添加1∶1、2∶1、3∶1（腐殖土∶浸提液体积比）腐殖酸浸提剂，浸提剂添加比对腐殖土处理效果的影响如图4所示，从图4可以看出，随着浸提剂添加比例的减小，腐殖土中可溶性盐和重金属降减率也随之降低。其中腐殖酸浸提剂添加比为1∶1时，可溶性盐、重金属降减率均超过标准降减率。因此，确定腐殖酸浸提剂最优添加比为1∶1。

图4 浸提剂添加比对腐殖土处理效果的影响

本项目浸提剂为腐殖酸，腐殖酸作为有机酸具有络合增溶作用，能提高土壤中钙、镁盐的溶解度，钙、镁离子与土壤胶体中金属阳离子盐置换，置换出的阳离子盐溶于水中，随浸提废液排出，可实现可溶性盐和重金属的有效浸出。

2.4 浸提时间对腐殖土处理效果的影响分析

本组对比试验为单因子变量试验，分别保持腐殖酸浸提液的浸提时间为4 h、8 h、10 h，浸提时间对腐殖土处理效果的影响如图5所示，从图5可以看出，随着浸提时间的增加，腐殖土中可溶性盐和重金属降减率也随之增大。其中腐殖酸浸提时间为8 h和10h时，可溶性盐、重金属降减率均超过标准降减率。综合考虑处理效率及时间成本，确定腐殖酸最优浸提时间为8 h。

图5 浸提时间对腐殖土处理效果的影响

随着浸提时间的增加，腐殖酸将腐殖土中可溶性盐和重金属置换出来，随浸提废液排出，有效降低腐殖土中可溶性盐和重金属含量。

3 结 论

1.本项目采用好氧堆肥+浸提联合处理方法，协同增效作用明显，能满足腐殖土中有机质、含盐量、重金属的有效降低，处理后的腐殖土能满足《绿化种植土壤》（CJ／T 340-2016）标准，可作为绿化用地使用。

2.微生物好氧堆肥过程可产生较多的有机酸、活化腐殖土中重金属溶出，结合浸提技术可有效提高重金属、盐类浸提效率，降低浸提剂的使用量。

3.C／N比、微生物菌液添加量、浸提剂添加比例、浸提时间都是腐殖土中有机质、可溶性盐和重金属降减的重要因素，腐殖土处理的最佳条件为：调节C／N为25∶1后，添加45 L微生物菌液，保持好氧堆肥条件后，以1∶1（腐殖土∶腐殖酸体积比）添加比例加入浸提剂，浸提8 h，反复两次后，再用清水浸提一次，处理后腐殖土能满足《绿化种植土壤》（CJ／T 340-2016）标准。