污泥和生活垃圾混合填埋体降解规律研究

王 佩， 李 磊， 宋新江， 徐海波

（1.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，合肥 230000；2.河海大学地球科学与工程学院，南京 210098）

在污水处理的过程中会产生大量污泥等二次产物，污水中的微生物、重金属物质以及大量的病原体也被带入污泥中. 由于污泥的特殊性质，在进行污泥处置时，易造成外界环境二次污染［1-5］.

填埋处置具有技术成熟、操作简便、成本低的优势，故目前仍是我国污泥处置的常用方式［6］. 污泥和生活垃圾进行混合填埋处置是目前国内外常用的污泥处置技术之一［5］. 2009年我国颁布实施的《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》（GB/T 23485—2009）也为污泥混合填埋处置提供了依据［7］. 目前对污泥和生活垃圾的单独填埋有广泛的研究，但对于污泥和生活垃圾混合填埋的研究缺乏系统性. 由于污泥和生活垃圾混合填埋体有机质降解规律缺少系统性研究，导致污泥和生活垃圾混合填埋场库容、污泥和生活垃圾配比以及填埋场的设计缺少技术支撑，容易发生污泥外泄、填埋场降解产气气压过大等现象，导致填埋场发生管涌、滑坡等填埋场失稳事故屡见不鲜［9］.

Kheradmanda等研究表明，污泥进入垃圾填埋场进行混合填埋处置有助于加速填埋场的稳定化进程［10］.张华等通过室内试验模拟不同性质污泥与矿化垃圾进行混合填埋的生化降解过程，预测污泥填埋场的稳定时间［11-13］. 污泥固化土中的有机物进行生化降解反应，使得污泥固化土体积减小、含水量增大、骨架软化、强度减小、压缩性增大、沉降量增大等［14］. 有机质的降解会导致填埋体宏观力学性质发生变化，影响填埋场的稳定运行.

污泥和生活垃圾在物质组成［15-16］、生化降解［13，17］等方面有着较大的差异，单独关于污泥和垃圾的相关研究成果不完全适用于混合填埋体. 因此，系统性研究污泥和生活垃圾混合填埋的有机质降解规律十分有必要. 本文设计了180 d有机物降解的室内试验，从不同污泥掺入量进行混合填埋体的生化降解试验开展研究，根据试验结果，建立不同污泥掺入量条件下混合填埋体的有机物降解的动力学模型，对其有机质降解规律进行系统的研究，为污泥进入垃圾填埋场进行填埋处置提供基础性数据，对今后进一步分析填埋处置中污泥和生活垃圾混合填埋场的库容计算、填埋体边坡稳定及污染物运移等问题具有一定的指导意义.

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验污泥取自某市污水处理厂的脱水污泥，其物理指标见表1.通过分析国内外不同填埋场的垃圾组成，室内模拟配置生活垃圾组成成分详见表2［18］.

表1 试验污泥的物理性质Tab.1 Physical properties of test sludge

表2 垃圾土的组分比例（干质量比）Tab.2 Composition of MSW（dry mass proportion）

1.2 试验方案

预先对污泥进行晾晒，使之含水率降至150%，室内配置生活垃圾含水率控制在60%［18］. 将含水率为150%的污泥和含水率为60%的生活垃圾按照污泥掺入量分别为0%、12.5%、20%、30%、40%的比例均匀混合，然后装入塑料桶中，并铺上一层黑色塑料袋，最后盖上盖子，试验周期为180 d，在密封条件下进行厌氧生化降解.

定期从塑料桶中取试样进行测量，将试样放入烘箱，设置温度65 ℃，烘干至恒重. 将干燥后的试样置于坩埚中置于马弗炉内，在550 ℃条件下灼烧至恒重.有机物测量计算公式：

式中：m1为坩埚质量；m2为灼烧前坩埚+干燥试样质量；m3为灼烧后坩埚+干燥试样质量.

2 试验结果分析

2.1 污泥掺入量对填埋体降解规律的影响

对不同污泥掺入量下的混合填埋体开展有机物降解试验，研究不同污泥掺入量下混合填埋体的有机物降解规律，其试验结果见图1.

从图1可知，混合填埋体的有机物降解规律整体趋势相同. 前30 d，垃圾和混合填埋体的有机物降解速率为0.023%～0.049%/d；30～120 d，垃圾和混合填埋体的有机物降解速率为0.043%～0.085%/d；120～180 d，垃圾和混合填埋体的有机物降解速率为0.033%～0.051%/d.

图1 有机物降解规律变化图Fig.1 Degradation law of organic matter

从垃圾和混合填埋体有机物降解速率的角度分析，可以将其大致划分为3 个阶段，即调整生化降解阶段、加速生化降解阶段和衰减生化降解阶段. 室内降解试验进行了180 d，垃圾以及混合填埋体的有机物含量为36.52%～45.27%，有机质含量相对较高，而相关研究表明，有机物生化降解进入稳定化阶段时有机物的含量在10%左右［19-20］. 因此，衰减生化降解阶段之后会出现一个稳定生化降解阶段. 从这个角度来说，垃圾以及混合填埋体的有机物生化降解全过程严格意义上可划分为4个阶段，即调整生化降解阶段、加速生化降解阶段、衰减生化降解阶段和稳定生化降解阶段. 其降解全过程4个阶段如图2.

图2 有机物降解全过程示意图Fig.2 Schematic diagram of organic degradation process

室内试验进行了180 d，垃圾的有机物降解率为12.57%；污泥掺入量为12.5%、20%、30%和40%时，混合填埋体的有机物降解率分别为14.74%、19.09%、25.03%和19.15%. 可以看出，向生活垃圾中掺入污泥可以加速生活垃圾中有机质的生化降解过程，但当污泥掺入量超过30%时，反而会抑制生化降解过程. 产生这种现象的原因是由于污泥含有有机形式的氮，垃圾中掺入污泥，也就引入了有机氮，厌氧微生物的生化降解作用会将有机氮转化为氨氮等；当污泥掺入量较大时，向垃圾中引入了过量的氨氮，氨氮浓度过高会对微生物的活性和繁殖产生相对抑制作用，进而抑制了有机质的降解.

2.2 有机质降解模型研究

为了明确垃圾填埋场中的有机质降解规律，胡龙生等通过长期监测垃圾填埋场有机质含量变化过程，利用指数关系模拟填埋场生化降解过程中有机质的含量的变化规律［19-20］：

式中：k为降解常数；λ0为未降解时有机质含量；λ为t时间降解后试样有机质含量.

根据上述公式对垃圾以及混合填埋体有机质生化降解试验数据进行拟合，可以获得相应条件下的生化降解常数k，进而可获取不同污泥掺入量下的有机质降解动力学模型.

纯垃圾有机质降解动力学模型：

污泥掺入量12.5%：

污泥掺入量20%：

污泥掺入量30%：

污泥掺入量40%：

由上述动力学方程，将污泥掺入量和所对应的生化降解常数k绘制成表3. 由表3可知：随着污泥掺入量的增加，有机质降解常数k值越来越大，促进垃圾的生化降解，表明有机质降解速率也越来越快；当污泥掺入量为30%时，k值为1.73×10-3，达到最大；当污泥掺入量超大于30%后，k值反而减小；污泥掺入量继续增大，会抑制有机质生化降解过程. 这也反映出向生活垃圾中掺入污泥会加速填埋体的降解，但污泥掺入量并非越多越好，污泥掺入量也有一个最佳值.

表3 污泥掺入量与生化降解常数的关系Tab.3 The relationship between biochemical degradation constant and sludge addition amount

上述有机质降解动力学模型拟合相关度均大于0.95，这说明该模型可以适用于污泥和生活垃圾混合填埋体的有机质降解过程预测.

2.3 混合填埋体的有机质降解动力学模型的应用

经过长期的生化降解后，垃圾以及混合填埋体有机质降解逐渐稳定化，形成矿化填埋体. 将土壤中有机质含量上限100 mg/g作为判断混合填埋体矿化稳定化的标准［20-21］，其所对应的生化降解时间即为矿化稳定化时间. 垃圾以及混合填埋体的矿化稳定化阶段出现的内在原因在于其自身物质组分的性质，容易生化降解的物质和部分难生化降解的物质在前3个阶段被微生物消耗，而余下部分难生化降解的物质基本上难以被微生物消耗［20］. 根据2.2节得到的不同污泥掺入量条件下混合填埋体的有机物降解动力学模型，预测有机质含量达到100 mg/g时所需的时间（图3）.

图3 有机物降解矿化稳定化时间Fig.3 Stabilization time of organic degradation and mineralization

从图3可知，纯垃圾填埋体达到矿化稳定化状态需要5.76 a；污泥掺入量为12.5%时，混合填埋体达到矿化稳定化状态需要4.89 a；污泥掺入量为20%时，混合填埋体达到矿化稳定化状态需要3.64 a；污泥掺入量为30%时，混合填埋体达到矿化稳定化状态需要2.55 a；污泥掺入量为40%时，混合填埋体达到矿化稳定化状态需要3.38 a. 这也说明了垃圾中掺入污泥可以促进有机质的生化降解过程，但是并不是污泥的掺入量越多越好，污泥掺入量超过30%时，反而会抑制生化降解过程. 产生这种现象的原因，前文已经进行了详细解释，这里不再进行重复说明.

3 结论

1）垃圾中掺入污泥可以促进垃圾的生化降解过程，但当污泥掺入量超过30%时，生活垃圾中被引入了过量的氨氮，氨氮浓度过高会对微生物的活性和繁殖产生相对抑制作用，反而会抑制填埋体中有机质生化降解速率.

2）通过不同污泥掺入量条件下污泥和生活垃圾混合填埋体生化降解试验，获得混合填埋体的有机物降解动力学模型，利用该动力学模型可以对其生化降解稳定时间等进行预测. 混合填埋体的生化降解稳定时间大致为2.55～5.76 a.