污泥-生活垃圾混合填埋体降解过程试验研究

王佩 李磊

摘要：污泥中含有大量的微生物和易降解有机质，向垃圾填埋场中混入污泥会对生活垃圾的生化降解过程产生一定的影响，从而影响填埋场的稳定化进程。针对这种问题，开展污泥-生活垃圾混合填埋体室内模拟生化降解试验研究，从渗滤液的pH、化学需氧量COD、氨氮浓度以及产气规律等角度研究混合填埋体降解过程变化规律。结果表明：生化降解初期，填埋体渗滤液的COD浓度和氨氮浓度逐渐增大，当生化降解进入稳定阶段后，填埋体渗滤液的COD浓度和氨氮浓度逐渐减小；有机质降解产生的有机酸等小分子有机质在渗滤液中积累导致COD浓度增加；随着污泥掺入量的增加，累计产气量逐渐增大，但是当污泥掺入量超过30%后，累计产气量逐渐减少；垃圾中掺入污泥可以促进垃圾的生化降解过程，但污泥的掺入量并不是越多越好，污泥掺入量超过30%时，反而会抑制生化降解过程。

关键词：污泥； 生活垃圾； 混合填埋体； 渗滤液； 产气规律； 最佳掺入量； 生化降解

中图法分类号： X172

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.012

0引 言

随着社会经济的发展、人口增加、污水处理能力的提高等，污泥产生量迅猛增加，截至2019年底，全国共有污水处理厂5 476座，年累计处理污水量为656.5亿m3，年污泥产量3 923万t（80%含水率），对生态环境安全造成严重威胁［1］。目前，不少城市出现了“污泥围城”的现象，引起严重的环境污染问题［2］。

从经济、技术、发展水平而言，在填埋场对污泥和生活垃圾进行混合填埋处置是目前符合中国国情的污泥处置技术之一［3］。目前，国内外对生活垃圾生化降解特性已经开展了大量研究，取得了一定的研究成果。Ivanova［4］、Bareither［5］、Fei［6］等研究指出在渗滤液中，随着时间的进行，微生物水解垃圾产生产物并消耗水解产物，导致渗滤液中可溶性化学需氧量浓度（sCOD）、挥发性脂肪酸（VFAs）以及pH的变化。邓舟等［7］研究表明增加渗滤液回灌量能加速垃圾填埋体生化降解进入稳定阶段，每周回灌垃圾湿重53%渗滤液的试验柱最快达到加速产甲烷阶段，并且垃圾有机质降解最充分，能最快地加速垃圾生化降解进入稳定阶段。谢冰［8］对堆场垃圾开展了生化降解试验，将COD、BOD、NH3-N、有机质含量、BDM作为降解稳定评价指标，提出COD不超过100 mg/L，BOD不超过30 mg/L，NH3-N不超过15 mg/L时，渗滤液稳定化需要11 a；有机质含量不超过7%，BDM不超过5%时，垃圾中有机物降解稳定需要19 a。Zhang等［9］通过试验研究，指出垃圾成分的破碎可以增加生化降解的速率和改变垃圾的物理、力学等特性。

由于污泥中含有大量的微生物和易降解有机质，向生活垃圾填埋场中混入污泥会对填埋场中生活垃圾的生化降解过程产生一定的影响，随着降解的进行，进而影响填埋场的稳定化进程。如Galleguillosa等［10］通过对污泥填埋中渗滤液生化指标变化的分析，研究了其稳定化过程。单华伦［11］通过对污泥和生活垃圾不同质量比混合填埋，研究混合填埋时污泥占比对混合填埋体有机质降解的影响，结果表明当污泥添加量为25%时，对生活垃圾生化降解的促进效果最好。但是，针对污泥-生活垃圾混合填埋体生化降解规律的相关研究较少，研究成果相对缺乏。

由于污泥进入填埋场的量越来越多，污泥-生活垃圾混合填埋体生化降解过程研究的重要性日渐凸显。本文开展污泥-生活垃圾混合填埋体室内模拟生化降解试验研究，通过测定不同生化降解阶段混合填埋体渗滤液生化指标，并定期进行填埋体降解产气收集及气体成分的测定，对混合填埋体生化降解规律开展研究，为实际混合填埋工程的设计提供理论依据。

1试验材料与试验方案

1.1试验材料

试验污泥取自南京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［12］。

1.2试验方案

预先对污泥进行晾晒，降低含水率至60%；为了减小实验误差，在本次试验中，人工配置生活垃圾，严格控制垃圾组分及各组分的尺寸，室内配置生活垃圾含水率控制在60%［12］。

试验采用有机玻璃填埋柱进行混合填埋体降解试验，在填埋柱底部设计一个反滤层用以收集渗滤液，填埋柱底部设置阀门作为渗滤液采样口，顶部设置加水口，试验装置如图1所示。将污泥和室内配置的生活垃圾按照一定的掺入比（污泥：垃圾（湿重比）为0%，125%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%）混合搅拌均匀，装入塑料袋内闷料养护1 d后分层击实装入填埋柱内封闭填埋柱，然后回灌蒸馏水淹没混合填埋体1 h，使其饱和后打开阀门排水，直至全部液体排出，随后关闭阀门，最后通过顶部加水口回灌1 000 mL蒸馏水。此后定期收集渗滤液，渗滤液排除完毕后回灌1 000mL蒸馏水，及时测定渗滤液的pH、化学需氧量COD以及氨氮浓度等指标，研究掺入污泥对垃圾填埋场降解规律的影响。生化降解过程中采用排液法（饱和NaHCO3溶液）收集气体，并定期对不同污泥掺入量下混合填埋体的气体成分进行检测，研究掺入污泥对垃圾填埋场生化降解过程产气规律的影响。

2试验结果分析

2.1渗滤液COD浓度变化规律

渗滤液COD浓度是反映渗滤液中有机物含量的重要指标，通过长期追踪填埋场渗滤液COD浓度的变化情况，可以了解填埋场内垃圾的有机质降解情况。在填埋场作业早期，混合填埋体过程中不可避免地会带入大量的氧气，该阶段填埋场内优势菌种为好氧微生物，好氧菌直接利用氧气和有机质（碳水化合物等）发生氧化反应。随著氧气含量逐渐减小，填埋场中建立了厌氧环境，好氧微生物的活性受到严重抑制，厌氧微生物成为优势菌种，有机物在厌氧微生物的作用下发生厌氧降解反应。随着垃圾降解的进行，产生大量的各种有机酸等易降解有机物，渗滤液中的COD浓度主要是由该类有机物贡献的。因此，定期收集渗滤液，测定渗滤液的COD浓度，通过研究COD浓度变化规律可以从侧面反映有机质的生化降解规律。根据定期测定的COD浓度数据，绘制不同污泥掺入量的污泥-生活垃圾混合填埋柱COD浓度变化趋势，如图2所示。从图2可知：

（1） 随着生化降解时间的增加，垃圾以及混合填埋体的渗滤液COD浓度均先增加后又减小；相比纯垃圾，混合填埋体的COD浓度峰值较大，其COD浓度增加较快，同时减小也较快。这与刘疆鹰等［13］的研究相一致。

（2） 纯垃圾柱的COD浓度相对比较平稳，没有明显的峰值，其水解发酵产酸阶段速率比较小。污泥掺入量为30%的填埋柱COD浓度增加最快，混合填埋后42 d，其COD浓度达到最大，CODmax为122 400 mg/L，这表明其水解发酵产酸阶段速率比较大。

（3） 向生活垃圾中掺入污泥，可以加速生活垃圾中微生物生化降解有機质的速度，但污泥掺入量不是越多越好，污泥掺入量在20%～30%时，混合填埋体的生化降解最为明显。

为了更直观地分析COD浓度峰值发生时间与污泥掺入量的关系，将各填埋柱浓度峰值出现时间与污泥掺入量的关系绘制如图3所示，可以更加直观地发现各填埋柱降解速率与污泥掺入量的关系。

从图3可以看出，污泥掺入量不同，各填埋柱渗滤液COD浓度峰值出现的时间差异较大。其中，污泥掺入量为30%的填埋柱时间最短，42 d即可达到峰值，没有掺入污泥的纯垃圾柱时间最长，需要85 d才能到峰值。可以明显地发现污泥掺入量低于30%时，COD浓度峰值出现时间随污泥掺入量的增加逐渐提前，说明污泥掺入会加速有机质的降解；污泥掺入量超过30%后，增加污泥不能进一步加快有机质降解稳定的时间，但仍然较纯垃圾柱快。

2.2渗滤液氨氮浓度变化规律

垃圾中掺入污泥，会引入有机氮，而氨氮过高的含量将会抑制微生物的生化降解活动［11，14］，在有氧的条件下，混合填埋体中含氮的有机物（蛋白质等）发生如下生化反应：

有机物+O2→CO2+H2O+NH3+热量

在氧气充足的条件下，会继续和氧气产生硝化反应：

NH3+O2→NO3

在缺氧或者无氧的条件下，有机物发生如下生化反应［15］：

有机物→CO2+CH4+NH3+H2S

通过测定渗滤液中的氨氮浓度不仅可以分析垃圾以及混合填埋体中有机物的生化降解情况，也可以分析掺入污泥是否会引起氨氮浓度的变化，进而研究其对有机物生化降解的影响。渗滤液氨氮浓度变化规律如图4所示。由图4可以发现：

（1） 随着生化降解的进行，微生物数量和活性均增加，纯垃圾以及混合填埋体渗滤液氨氮浓度呈增加趋势，氨氮浓度逐渐增加到峰值。当有机物生化降解进入厌氧完全分解阶段后，氨氮浓度逐渐减小。相比

纯垃圾，混合填埋体的氨氮浓度峰值较大，其氨氮浓度增加较快，同时达到峰值后氨氮浓度减小也较快。

（2） 随着污泥掺入量增多，混合填埋柱的初始氨氮浓度逐渐增加。这是由于污泥中含有大量的易降解有机物，被微生物分解为氨氮等简单有机物。在降解初期，各个填埋柱的氨氮浓度随着污泥掺入量的增加逐渐增加，在降解初期纯垃圾柱的氨氮浓度最低。污泥掺入量为50%的填埋柱初始氨氮浓度最大，其氨氮浓度的峰值也最大，主要原因是混入大量污泥后，填埋柱被引入大量的有机氮等物质，这些含氮有机质很容易混入渗滤液中被排出；并不是因为该填埋柱的有机物降解速率最快而产生的大量氨氮。

（3） 结合渗滤液COD浓度和氨氮浓度的变化趋势综合分析可以发现，向垃圾中混入污泥进行混合填埋会促进有机质的生化降解过程。但当污泥掺入量比较多的时候，污泥中大量的含氮物质被引入生活垃圾中，导致混合填埋柱渗滤液中的氨氮浓度过高。过高浓度的氨氮会抑制微生物的繁殖和活性，使得微生物不能形成种群优势。因此，过量掺入污泥反而会抑制降解的进行。

2.3渗滤液pH变化规律

填埋场中发生的有机质降解为酶催化反应，酸碱度对有机质降解速率有明显的影响，酸碱度不同对酶的催化活性有很大的影响［15］。通过定期测定渗滤液的pH，可以宏观反映各个填埋柱的生化降解趋势。纯垃圾以及混合填埋体的渗滤液pH变化关系见图5。由图5可知：

（1） 污泥-生活垃圾混合填埋体渗滤液pH与降解时间的关系在整体上呈现相同的趋势，都是先下降然后逐渐升高，最后逐渐趋于稳定。相较于纯垃圾，掺入污泥的混合填埋体渗滤液pH下降速度更快，达到最小值后，其pH增大速度也更快。

（2） 污泥掺入量为30%的混合填埋体产生的渗滤液pH下降最快，最早达到最低值，pHmin=5.46；随着降解的进行，脂肪酸被进一步分解，该填埋体渗滤液的pH迅速增加，这表明该填埋体的产酸阶段最早出现并且降解速率最快。相对而言，纯垃圾渗滤液的pH变化趋势相对平滑，且最晚达到产酸阶段。其他污泥掺入量的填埋体渗滤液pH最小值及其对应的降解时间均处于污泥掺入量30%的填埋体和纯垃圾柱之间。

（3） 当生化降解时间进行到70 d左右时，相比垃圾和其他的混合填埋体，污泥掺入量为30%的混合填埋体的pH已经增加为最高，说明相较于其他填埋柱，污泥掺入量为30%的填埋柱最先达到降解稳定化阶段。

结合上文中COD浓度变化规律，可以发现每一个填埋柱pH达到最低值时，其COD浓度也基本达到峰值。这说明各填埋柱的渗滤液COD浓度最高值出现时间和pH最低值的出现时间大致相同。

（4） 从渗滤液pH变化规律来看，污泥掺入量为30%的填埋柱在40 d左右的时间就达到了产酸高峰期，也就是说污泥掺入量为30%的填埋柱在试验进行到40 d左右的时候就己经完成调整阶段。相较于污泥掺入量为30%的填埋柱，其他填埋柱产酸阶段都有明显的滞后现象。另外，填埋柱的pH随污泥掺入量的增加逐渐减小，这是因为污泥里的大量易降解有机物更容易酸化水解。

（5） 图5中渗滤液pH均小于7，其主要原因在于垃圾以及混合填埋体中的微生物生化降解有机质，产生有机酸，并在渗滤液中积累［15-16］，而COD浓度的变化主要是由于这类有机物引起的［11］。这说明生化降解过程中最小pH出现的时间大致上可以对应最高COD浓度出现的时间。图2中COD浓度变化关系，也验证了这点。

2.4生化降解过程产气规律

由于污泥中含有大量微生物，向生活垃圾中混入污泥后，会引入大量的微生物，导致生活垃圾中微生物种群的种类和数量都发生了较大改变，对有机质的降解产生明显影响，导致降解产气的总量也发生改变。累计产气量随降解时间变化规律如图6所示。从图6可知：

（1） 填埋柱密封25 d后，各填埋柱开始产生气体，与渗滤液性质变化规律相比较，生化降解产气过程具有滞后特征。产气过程滞后是由于各个填埋柱密封时未完全排除空气，导致厌氧微生物群落适应调整时间较长；另外，污泥中含有大量的含氮有机物，导致填埋柱内氨氮浓度过高，对微生物的活性和繁殖会产生相对抑制作用。

（2） 不同填埋柱累计产气量与污泥的掺入量具有正相关关系。随着污泥掺入量增大，填埋柱累计产气量逐渐增大；污泥掺入量为30%时，累计产气量最大，累计产气量达到512.3 L；随着污泥掺入量继续增大，累计产气量逐渐减少。

产气过程中CH4含量随降解时间变化规律如图7所示，由图7可知：

（1） 生化降解过程中，掺入污泥的填埋柱中CH4含量先于纯垃圾柱达到峰值，其峰值范围在50%～60%，而纯垃圾填埋柱中CH4含量峰值达到48%左右。因此，垃圾中掺入污泥可以加快CH4的产生速率，但是污泥掺入量超过30%之后，CH4的产生速率反而变慢，这与前文的累计产气总量变化规律相一致。这说明垃圾中掺入污泥可以加速进入产CH4阶段［17-18］。

（2） 在生化降解过程中，产甲烷菌的生长对填埋产气的总量和CH4产量有至关重要的影响。随着填埋柱内空气逐渐减少，混合填埋体中厌氧菌迅速繁殖形成种群优势，加速生化降解过程，产生大量的气体［17-18］。污泥中含有大量的厌氧菌和简单有机质，使得掺入污泥的填埋柱迅速产生具有种群优势的微

生物种群，提高生化降解程度，提高产气总量。但是，由于污泥中氨氮浓度过高，反而会抑制微生物的活性和繁殖速率，导致生化降解过程缓慢，所以当污泥掺入量过高时，填埋柱的累计产气总量反而减少，产气中CH4产量也会降低。

3结 论

（1） 生化降解初期，填埋体的渗滤液COD浓度和氨氮浓度逐渐增大，污泥的掺入会加速渗滤液COD浓度和氨氮浓度增长的速率；当生化降解进入厌氧完全分解阶段后，填埋体的渗滤液COD浓度和氨氮浓度逐渐减小。

（2） 生化降解过程渗滤液最小pH出现时间与最高COD浓度出现时间基本一致，这是由于填埋体中微生物生化降解有机质，产生有机酸，在渗滤液中积累，导致COD浓度的增加。

（3） 累计产气总量变化规律研究结果表明掺入污泥有助于加速生化降解过程。但是，污泥掺入量过多导致累计产气总量减少，污泥掺入量为30%的混合填埋体降解速率最快。

（4） 垃圾中掺入污泥可以促进垃圾的生化降解过程，但污泥的掺入量并不是越多越好，污泥掺入量超过30%时，反而会抑制生化降解过程。这是由于随着污泥掺入量增加，混合填埋体中引入更多的有机物和氨氮，导致渗滤液的pH降低，氨氮浓度过高和pH过低对有机物降解都有抑制作用。因此，混合填埋体污泥最佳掺入量为30%。

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（编辑：刘 媛）