厭氧模擬填埋反應器中生活垃圾和固化污泥共處置技術研究*

郭廣寨，孫 旭，蘇良湖，趙由才

（1.上海環境實業有限公司，上海 200060；2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

厭氧模擬填埋反應器中生活垃圾和固化污泥共處置技術研究*

郭廣寨1，孫 旭2，蘇良湖2，趙由才2

（1.上海環境實業有限公司，上海 200060；2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

在厭氧模擬填埋反應器（ASLR） 中考察了生活垃圾（MSW） 和固化污泥（SS） 共處置（MSW∶SS=1∶1、2∶1和1∶2）對惡臭氣體（H2S和NH3）、CH4的釋放速率以及滲瀝液性質的影響。結果表明：MSW∶SS=1∶1、2∶1和1∶2的ASLR，在49 d內的H2S釋放速率分別比生活垃圾單獨填埋時降低83.8%、96.6%和98.9%。不同比例固化污泥與生活垃圾共處置中，均提高了ASLR的CH4產生速率。在49 d內，生活垃圾單獨填埋時滲瀝液pH范圍為4.0～4.5，而 MSW∶SS=1∶1、2∶1和 1∶2的 ASLR，其pH范圍分別為 5.82～7.26、5.98～6.21和 5.70～7.55。共處置 ASLR 滲瀝液pH的提高，有利于加速填埋體的穩定化進程。共處置ASLR顯著增加了滲瀝液中NH3-N和TN的濃度，并不同程度上增加VFAs（主要為乙酸和丙酸）的濃度，但對COD和硫酸根濃度影響不大。

生活垃圾；固化污泥；惡臭；CH4；滲瀝液

隨著我國城市污水處理率的逐年提高，污水廠污泥的產生量急劇增加。據估計，2007年有超過3.102×109t的生活污水產生，其中的49.1%是通過生物法進行處理，并由此產生了約為1.43×107t的含水率為80%的污泥［1］。根據我國目前的污泥處理處置技術現狀，特別是考慮到我國污泥的處理率還很低，衛生填埋是近期污泥的主要處理處置方法。有研究表明，固化污泥加入到生活垃圾可以改善厭氧發酵條件，促進沼氣的產生，進而提高CH4的回收利用效率并加速填埋場穩定化。如M.Pawlowska等［2］將原生生物污泥和消化污泥引入生活垃圾填埋場，以提高填埋氣體的CH4濃度。S.?inar等［3］研究發現添加初沉池污泥和剩余污泥，可以加速生活垃圾的穩定化進程。J.A.Rintala等［4］研究認為添加污泥到生活垃圾可降解部分可以顯著增加CH4的產生量，并且其CH4產生速率和甲烷菌活性隨著污泥的添加而發生變化。但是，將污泥引入生活垃圾中可能對填埋場的滲瀝液各項參數產生影響，如COD、NH3-N、TN、電導率等，進而影響現有填埋場的滲瀝液處理工藝。

因此，筆者利用厭氧模擬填埋反應器（anaerobic simulated landfilling reactor， ASLR） 考察 生活垃圾與固化污泥共處置，對惡臭組分H2S和NH3釋放速率以及CH4產生速率的影響，并考察共填埋技術對滲瀝液的各項指標，如pH、TN、NH3-N、COD、硫酸根和VFAs等濃度的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

生活垃圾樣品取自上海市楊浦區生活垃圾中轉站，為了更好模擬真實填埋場的情況，除將大塊惰性垃圾（石塊、磚塊、玻璃等）剔除外，未經篩分和破碎。其基本性質如表1所示，為我國城市垃圾的典型組成。固化污泥取自上海市老港生活垃圾填埋場，污水廠脫水污泥經與堿性固化劑（商業級，主要成分包括氧化鎂、氧化鈣等）混合攪拌，養護后以提高污泥的機械作業強度。固化污泥的基本性質：pH為12.3，含水率為58.5%，VS為35.2%，有機質含量為26.8%，抗壓和抗剪強度分別為113.5 kPa和50.6 kPa。

表1 生活垃圾組分 %

1.2 實驗裝置

ASLR為體積50 L、直徑45 cm的柱狀PVC材質密閉容器，底部鋪有1層厚度為5～7 cm的雨花石（d＜2 cm），并設有滲瀝液導排口。物料按比例分散加入，使其最終在ASLR中分布較均勻，并在填埋過程中人工進行夯實。ASLR的頂部預留有空間（＞4 L） 用于貯存生物氣。每個ASLR填埋物料總質量均為25 kg，分別為固化污泥單獨填埋（SS）、生活垃圾單獨填埋（MSW）、生活垃圾與固化污泥比例為1∶1（MSW∶SS=1∶1）、生活垃圾與固化污泥比例為2∶1（MSW∶SS=2∶1）、生活垃圾與固化污泥比例為1∶2（MSW∶SS=1∶2）。

1.3 分析方法

定期對ASLR頂空的惡臭組分（H2S和NH3）和CH4濃度進行分析，并考察MSW和SS共填埋對ASLR滲瀝液中pH、COD、NH3-N、TN、硫酸根以及VFAs等參數的影響。其中，pH采用玻璃電極法進行測定（PHB-4，上海雷磁儀器廠）；H2S含量采用亞甲基藍分光光度法（GB/T 11742—1989）；NH3和NH3-N含量采用納氏試劑比色法（HJ 533—2009）；CH4采用便攜式氣相色譜儀測定（GA2000，英國Geo-tech公司）；COD采用重鉻酸鉀標準法；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）；硫酸根濃度采用離子色譜測定（ICS5000，美國戴安公司）；VFAs采用氣相色譜進行分析［5］（6890N，美國 Agilent公司）。

2 結果與討論

2.1 MSW和SS共處置對惡臭氣體釋放的影響

生活垃圾與固化污泥共處置可以大幅度降低H2S的釋放量。從圖1可以看出，生活垃圾單獨填埋時，在49 d內H2S累積釋放量為268.0μg/kg，而當生活垃圾與固化污泥以1∶1、2∶1和1∶2比例共填埋時，其H2S釋放量分別為43.3、9.1、2.9μg/kg。即H2S釋放速率分別降低83.8%、96.6%和98.9%。固化污泥的加入顯著降低生活垃圾的H2S釋放量，其原因在于污泥在固化過程中加入堿性固化劑（含有氧化鈣、氧化鎂等組分），其中的堿度與生活垃圾的酸性發酵液相中和，提高填埋體的pH，從而降低填埋體的H2S釋放量。此外，有一部分SRB等產生的H2S直接被固化污泥所吸收，進一步降低填埋體系的H2S釋放量。

生活垃圾和固化污泥以不同比例共處置并不會提高NH3的釋放量。生活垃圾和固化污泥單獨填埋時，在49 d內，其產生的NH3累積量分別為753.4、878.5 μg/kg。當 MSW∶SS=1∶1、2∶1 和 1∶2共處置時，在49 d內其產生的NH3累積量分別為763.2、686.4、475.0μg/kg。理論上，固化污泥的加入，一方面會改變體系的酸堿環境，使得經散逸途徑產生的NH3增多，另一方面會增加體系中微生物的種類和數量，提高蛋白質的降解，進而增加NH3的釋放，但是本實驗中共處置ASLR并未增加NH3的釋放。

2.2 MSW和SS共處置對CH4產生速率的影響

由圖2可知，固化污泥的加入均不同程度上促進了共處置ASLR中CH4的產生速率。特別是，當生活垃圾與污泥以2∶1的比例共處置時，填埋氣中CH4含量明顯高于其他ASLR，并在35 d左右達到最大值，為8.4%。不同物料混合填埋的CH4含量隨時間的變化規律大致相同，隨著填埋時間的增加，CH4濃度不斷上升，并逐漸保持穩定。本實驗測定的CH4含量均低于傳統填埋場的CH4含量，在于CH4測試過程中通過抽吸式采樣，從而導致沼氣濃度被稀釋，但是其依舊明顯表明固化污泥可以強化生活垃圾填埋體的CH4釋放速率。在pH=5.0～6.5，生活垃圾為水解酸化階段，而pH=6.6～7.5，則處于產甲烷階段［6］。固化污泥加入到生活垃圾中，提高填埋體系的pH，使體系更適合于產甲烷菌的代謝繁殖，進而提高CH4的產生速率。而生活垃圾單獨填埋的滲瀝液pH僅為4.0～4.5（見圖3），故其產CH4速率相對較低。而且，固化污泥的加入，增加了填埋體系的有機負荷，也可以增加填埋體的CH4釋放。固化污泥強化生活垃圾的CH4釋放，不僅可以用于提高填埋氣能量回收利用，而且可以加速填埋體的穩定化進程［7］。

2.3 MSW和SS共處置對滲瀝液性質的影響

固化污泥加入到生活垃圾中，使OH-釋放到填埋體系中，進而導致共處置ASLR的滲瀝液pH較高。由圖3可以看到，生活垃圾單獨填埋使滲瀝液的pH為4.0～4.5，而固化污泥的加入均不同程度上提高滲瀝液的堿度。MSW∶SS=1∶1、2∶1和1∶2共處置時，實驗期間的pH范圍分別為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較高pH的滲瀝液，有利于使填埋體系處于產甲烷階段和水解酸化階段，進而加速填埋體的穩定化進程，減少所需的穩定化時間。

固化污泥與生活垃圾共填埋均顯著增加了ASLR滲瀝液的NH3-N和TN的濃度。由圖4可知，生活垃圾單獨填埋的NH3-N和TN的濃度范圍分別為 182～513 mg/L 和 436～1 054 mg/L。MSW∶SS=1∶1、1∶2和2∶1共處置時，滲瀝液的NH3-N濃度范圍分別是 707～2 165、385～1 967、692～1 818 mg/L；TN濃度范圍分別是3 032～3 862、2 340～3 702、2 744～3 979 mg/L。該現象是由于，一方面固化污泥與生活垃圾混合填埋時，兩者中的厭氧發酵微生物起到協同的作用，加速了填埋物料的降解，使得填埋滲瀝液中NH3-N的濃度較高；另一方面在于固化污泥本身所含有的較高濃度有機氮和硝氮、亞硝氮等在淋溶作用下轉移到滲瀝液中所致。

不同ASLR滲瀝液的COD隨時間而波動，波動范圍為40 000～80 000 mg/L，但是總體上有下降的趨勢，見表2。固化污泥和生活垃圾共填埋時，對滲瀝液中COD的濃度影響不大。而固化污泥的加入還在一定程度上降低滲瀝液的硫酸根濃度，這可能是由于固化污泥中的溶解性硫酸根強度較低導致（見圖5）。其中當MSW∶SS=1∶2時，填埋初期的硫酸根濃度最低，為2 090 mg/L。各ASLR滲瀝液中硫酸根濃度均隨著填埋時間的延長而迅速下降，至實驗結束時，其滲瀝液硫酸根濃度均相差不大，為1 000～1 600 mg/L。滲瀝液中硫酸根的濃度隨時間降低，一方面在于硫酸鹽還原菌等在代謝過程中消耗并轉化硫酸根成硫化物等形態，另一方面與填埋物料的厭氧發酵程度有密切關系。

表2 MSW和SS共處置對滲瀝液COD的影響 mg/L

污泥與生活垃圾共處置對滲瀝液VFAs濃度的影響如圖6所示。生活垃圾單獨填埋時滲瀝液的乙酸和丙酸（主要的VFAs種類） 濃度分別為94.7、14.5 mg/L。而 MSW∶SS=1∶1、1∶2 和 2∶1共處置時，填埋滲瀝液的乙酸濃度分別是212.0、99.9、67.3 mg/L；丙酸濃度分別是52.0、32.1、22.5 mg/L。即固化污泥的加入提高了滲瀝液的VFAs濃度。固化污泥的加入，豐富了填埋體系的微生物種類，提高填埋體系的有機負荷，強化了填埋物料的厭氧發酵過程，進而導致滲瀝液VFAs濃度的提高。經過49 d的厭氧發酵，ASLR的滲瀝液VFAs濃度發生了明顯的變化，即生活垃圾單獨填埋時，滲瀝液的乙酸和丙酸的濃度分別顯著降至 25.5、9.8 mg/L；MSW∶SS=1∶1 則為 202.2、50.4 mg/L；MSW∶SS=1∶2 的乙酸降至 49.6 mg/L，但是丙酸濃度則升至52.7 mg/L；MSW∶SS=2∶1則大幅度上升至161.6、38.8 mg/L。由于共處置條件下的滲瀝液pH較生活垃圾單獨填埋要高，故滲瀝液中VFAS負荷的提高可以提升填埋體的產CH4速率，加速填埋體的穩定化進程。

3 結論

1） MSW∶SS=1∶1、2∶1 和 1∶2 的 ASLR，在49 d內的H2S釋放速率分別比生活垃圾單獨填埋時降低83.8%、96.6%和98.9%。固化污泥的添加顯著降低了生活垃圾的H2S釋放，有利于減少生活垃圾填埋場的惡臭釋放。

2）不同比例固化污泥加入到生活垃圾中，增加了填埋體系的有機負荷并強化了厭氧發酵過程，均提高了ASLR的CH4產生速率。

3） 在49 d內，生活垃圾單獨填埋時滲瀝液pH 范圍為 4.0～4.5，而 MSW∶SS=1∶1、2∶1 和 1∶2的ASLR，其pH范圍分別為5.82～7.26、5.98～6.21和5.70～7.55。共處置ASLR滲瀝液pH的提升，有利于加速填埋體的穩定化進程。

4）） 共處置ASLR顯著增加了滲瀝液中NH3-N和TN的濃度，并不同程度上增加VFAs（主要為乙酸和丙酸）的濃度，但對COD和硫酸根濃度影響不大。

［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］ ?inar S，Onay T T，Erdin?ler 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年度科技創新行動計劃社會發展領域重大科技項目（10DZ1200104）；上海市科委資助項目（10231202102）

2011-12-03

郭廣寨（1964—），高級工程師，主要從事固體廢物處理處置與資源化工作。

（責任編輯：劉冬梅）