宋 扬，刘惠玲，孟宪林

(哈尔滨工业大学 市政与环境工程学院，哈尔滨 150090)



对东北某垃圾堆场利用EM 菌加速稳定化的研究

宋 扬，刘惠玲，孟宪林

(哈尔滨工业大学 市政与环境工程学院，哈尔滨 150090)

对已封场的简易堆场垃圾，为加快其达到稳定化，采用不同梯度复合高效微生物制剂(EM菌种)加速垃圾稳定化来研究，EM菌添加快速提高了垃圾堆体内温度，72 h后堆内温度达到最高，在每吨垃圾添加5 kg以上EM菌时，堆内高温可达38 ℃；在实验进行到第12天时，垃圾的BDM由原来的30%降低至约5%、有机质从25%降至6%，垃圾基本达到稳定化.研究结果表明，简易堆场垃圾经过EM菌的高效降解作用，可以快速提高了其稳定化的过程.

垃圾堆场；生物降解；稳定化

当前，对于国内利用堆肥技术处理生活垃圾，国内在垃圾填埋场稳定化判别、对环境的影响分析及稳定化周期方面有许多研究[1-2]，有关垃圾填埋场稳定化过程中垃圾的不同组分规律的研究报道比较多[3]，对于市政垃圾的处理有较深入的研究[4-6]，但对简易垃圾场治理技术方面的研究并不多[7].在利用堆肥处理垃圾方面的研究主要集中在实验室的堆肥实验装置的设计[8-9]和利用生物反应器处理垃圾不同填埋方式进行的对比试验[10]，对于利用EM菌生物降解处理城市垃圾的试验却很少，尤其对于垃圾堆场的处理则更少.仅有少数城市的垃圾场[11]进行了这方面的尝试, 如青岛唐河路垃圾场、深圳盐田港保税区垃圾场[12-13]等,但其采用的技术方法也主要是搬迁法[14]和生化法.在我国东北地区，由于冬季气温低、冬季持续时间长(全年无霜期150 d左右，冬冰期190 d左右)，因此选择在8、9月份温度适宜EM菌繁殖时期进行堆肥试验.已有的研究表明，堆场垃圾要达到自然稳定化需要约17～19 a[15].在漫长的堆场垃圾稳定化过程中，垃圾中的有害有机物、重金属[16-17]等对周边地下水、地表水和土壤都会造成严重污染[18-19]，对堆场垃圾进行人工修复，利用EM菌加速其稳定化对于控制其对周边环境的污染、重新恢复堆场土地的生态功能、具有重要的理论和实际意义[20].

在该垃圾堆场进行垃圾取样，以及对垃圾堆肥EM菌降解实验的研究，调查该垃圾堆场的土壤结构，对该垃圾堆场的可降解实验的大规模实施有指导性作用，本研究旨在通过利用EM菌对简易堆场垃圾进行发酵分解，达到快速消除污染、加速垃圾稳定化、恢复堆场土地的生态功能的目的.从而预判堆肥EM菌对该垃圾堆场降解处理实施的可行性分析.

1 试验方法

1.1 试验场所与试验方法

1.1.1 试验场所与试验装置

该垃圾堆场1997年建场并于2006年封场，占地1.2×105m2，整个堆场垃圾堆高为0.8～7.1 m，垃圾填满量约为1×106m3.经勘探场地地貌单元属于该市一条河流的河漫滩.地层为第四纪冲积成因形成的黏性土及砂类土.图1为根据垃圾堆场地形进行土壤结构调查的打孔平行分布图，共13个钻探孔点.

图1 垃圾堆场平面图

1.1.2 EM菌生物制剂

EM菌：EM(Effective Microorganisms)即有效微生物群，是一种集乳酸菌、酵母菌、放线菌和光合细菌等5个科、10个属、80余种微生物组成的微生态制剂.EM是日本科学家比嘉照夫教授的研究成果，1992年开始用于生产，可用于农用、养殖业及环境保护等方面.EM菌堆肥与传统的堆肥存在原则性区别：传统的堆肥处理技术，只是把垃圾中的可堆肥有机质进行堆肥，是属氧化分解体系，是利用自然的微生物将有机物进行氧化分解，EM菌群处理垃圾是发酵分解过程，在有机物分解过程中所产生的氨、硫化氢、甲烷气体[21-22]等物质对人类来说是有害的，是污染源[23]，但它们却是EM有效微生物群的营养物质，它们通过新陈代谢作用，化害为利，生成有益的有机营养[24].实验的场所面积25 m2、划分为4个堆肥实验区(如图2)，在堆肥实验时2 t垃圾的堆体高约1 m左右.

图2 实验区平面示意图

1.1.3 常用仪器与药品

生物EM菌堆肥实验区、直流电源、鼓风机、研磨机、分筛仪、磅秤、粉碎机、马弗炉、瓷坩埚、鼓风干燥箱、COD恒温加热器、紫外-可见分光光度计、pH计、Perkin Elmer Ls-55荧光发光分光光度计、EM菌生物制剂

1.1.4 样品采集与制备

将堆肥分成8个梯度：每2 t的垃圾分别加入0、1、2、5、10、15、20、30 kg的堆肥.

1)试验材料工具:垃圾易堆腐物(陈旧)16 t，取自垃圾填埋场；菌剂83 kg由生物工程研究所提供; 堆肥翻动工具.2)试验方法：采用发酵工程技术，运用生物工程研究所研制的微生物菌剂，以0～15/1 000的比例处理垃圾易堆腐物.处理周期4周.温度控制在20～60 ℃，湿度控制在60～70%.对发酵微生物处理的垃圾易堆腐物定期翻动(4次/d)；通过防雨、排水发酵简易发酵棚防止雨水冲淋.3)不同菌量梯度下的堆内温度、BDM、有机质随时间的变化，头两天每天取两次样之后每两天取一次样测值.

1.1.5 垃圾样品成分分析前处理

垃圾样品成分分析前处理步骤如下：

1)按规定的方法取来的垃圾样品置于烘箱内，在105 ℃下烘至恒重；

2)从烘干后的垃圾样品中剔除大块金属、渣石和玻璃等无机硬废物和无法降解[25]的橡胶和塑料；

3)将其余垃圾样品装入球磨机，研磨6 h，用分筛仪过20目筛，过筛后的垃圾即为垃圾成分分析对象.

1.2 分析方法

1.2.1 生物可降解物质BDM(Biologically Degradable Material)

生物可降解物(BDM)的测定：

垃圾的降解过程可以看作是有机物由生物利用，合成自身物质，再由生物的代谢转化成无机物质的过程.垃圾中的生物可降解物多少，间接反映了垃圾的降解程度.垃圾中的生物可降解物很低的时候，垃圾中可以被生物降解的物质就非常少，也说明垃圾降解达到稳定.

原理：本方法是一种以化学手段估算生物可降解度的间接测试方法.根据生物可降解有机质应比生物不可降解有机质更易于被氧化这一特点，在原有“湿烧法”测定固体总有机质方法基础上，采用了常温反应，降低溶液的氧化程度，使之选择性地氧化生物可降解物质.其具体测定方法为：在强酸性条件下，以强氧化剂重铬酸钾在常温下氧化样品中有机质，过量的重铬酸钾以硫酸亚铁回滴.根据所消耗的氧化剂的量，计算样品中有机质的量，再换算为生物可降解度[25].

步骤：称取试样0.5 g(称准至0.000 1 g)置于250 mL容量瓶中，加入重铬酸钾溶液15 mL，浓硫酸20 mL，置于振荡器中振荡1 h(振荡频率每分钟100次左右).同时做空白试验.取下容量瓶，加水至标准，摇匀.取25 mL于锥形瓶中，加入试亚铁灵指示液3滴，用(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液回滴.

计算方法如下：

其中：V0为空白试验所消耗的(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液(mL)；V1为样品测定所消耗的(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液(mL)；C为(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液的浓度(mol/L)；6.383为换算系数(碳的换算系数3.0除以生物可降解物质的平均含碳量47%)；W为样品质量(g).

1.2.2 有机质的测定—灼烧法(CJ/T 96-1999)

垃圾的降解过程相当复杂，是物理、化学及生物等综合作用的结果，可以将垃圾的降解过程看作是一个有机大分子分解成许多有机小分子，再由有机小分子转化成无机物的过程，因此垃圾中的有机质含量能直接反映垃圾降解的程度.可以在监测垃圾固体中的有机质来分析垃圾的降解过程[26-28].

原理：垃圾中的有机物质在高温下灼烧，经过一段时间后，几乎可以全部被氧化为气态物质，从垃圾中清除.灼烧后的剩余灰分可以认为是垃圾中所含的无机物质.因此，可以通过灼烧的方法来测定垃圾中有机物(挥发性固体)的含量.

步骤：称取2.0g试样(精确至0.000 1g)，置于已恒重的瓷坩埚内一起称重(坩埚事先空烧2h).将坩埚放入马福炉内升温至600 ℃，恒温6～8h后关闭马福炉，待温度降至200 ℃时取出坩埚，置于干燥器内放冷，称重.再将坩埚重新放入马福炉中同样温度下灼烧10min，同样冷却称重，直至恒重.

计算方法如下：

其中：W1为垃圾和坩埚总重(g)；W2为灼烧后灰分加坩埚重(g)；W0为空坩埚重(g).

2 结果与讨论

2.1 堆肥试验中EM菌加速垃圾稳定化过程中的温度变化的研究

不同梯度菌种堆内外温度变化曲线规律可以看出(图3、4)，在开始时外界温度始终不低于20 ℃时，堆内垃圾在连续堆肥192 h(8 d)左右基本达到稳定(温度维持在25～30 ℃)，其中实验的前96 h(4 d)达到相对最高温度，随着时间的变化堆内温度平缓降低直到维持稳定，其中与外界温度的昼夜温差变化相对比，堆内温度相对有相应的波动规律，在垃圾达到稳定化时温度也会相对稳定.

图3 2011年8月份不同梯度菌种堆内外温度变化曲线

图4 2011年9月份不同梯度菌种堆内外温度变化曲线

2.2 堆肥试验中EM菌加速垃圾稳定化过程中的BDM变化的研究

东北的土壤中有机质百分含量一般为2%～7%、BDM为2%～5%，因此可以认为垃圾中有BDM 5%以下、机质达到7%以下垃圾即达到稳定，即可以用这两个指标来评价垃圾堆场的稳定化程度.通过EM菌加速垃圾稳定化实验使垃圾趋于稳定后，2 t垃圾接种20 kgEM菌的BDM降低最多(表1)，因此可以推断EM菌对垃圾达到稳定的有效最大化比例应为接种1%高温EM菌(即2 t垃圾接种20 kg)，同时采用1%EM菌加速垃圾稳定化实验14 d生物可降解物质降解了约70%，BMD曲线已趋于水平，可以表征垃圾达到稳定化程度.见图5、6.从曲线趋势得出，除接种1 kg EM菌堆内BDM在堆肥14 d变化不明显外，其他接种梯度的堆内BDM均有明显变化，实验初期由于堆内微生物处于适应阶段使得4 d内堆内BDM变化不大，适应了堆内环境一段时间后，微生物迅速生长使得BDM迅速下降，在第4 d时BDM下降速率最高，随后BDM的量随着实验时间延长呈缓慢下降趋势.见图5,6.

图5 2011年8月份不同梯度堆内BDM变化曲线

图6 2011年9月份不同梯度堆内BDM变化曲线

表1 2011年的8、9月份垃圾稳定前后BDM对比数据

2.3 堆肥试验中EM菌加速垃圾稳定化过程中的有机质变化的研究

2011年的8、9月份的试验数据表明(表2)，在EM菌对样品垃圾进行加速稳定化过程中，均在第12天就可使堆体内有机质降低到7%以下，并且在第14天时最低数值可降低为6.31%. 见图7、8.表2.

图7 2011年8月份不同梯度堆内机质变化曲线

图8 2011年9月份不同梯度堆内机质变化曲线

表2 2011年的8、9月份垃圾稳定前后有机质对比数据

2.4 讨 论

把此堆肥实验在与以往在实验室进行的反应器堆肥实验相比较，在东北高纬度地区进行的非反应器内堆肥的堆内外温度变化并不是随时间一直升高直到达到稳定温度的，而是与外界温度有相关联的波动的，当外界温度很低时堆内温度也会表现出一定幅度的降低，堆肥一定时间后才表现为堆内温度先升高再平缓降低直到维持稳定，在垃圾达到稳定化时温度才会相对稳定.与温度表现不同的是BDM和有机质在非反应器的堆肥中随时间的变化与以往在反应器中堆肥的变化趋势是基本一致的，变化是随时间平缓减低直至最后达到稳定.

3 结 语

利用不同梯度复合高效微生物制剂(EM菌种)在对样品垃圾进行加速其稳定化过程中发现，高效的EM菌的添加使得样品垃圾堆体内温度快速提高，在72 h后堆内温度达到最高，在对每吨样品垃圾添加5 kg以上EM菌时，堆内高温最高可达38 ℃；在实验进行到第12天时，样品垃圾中的BDM百分含量由原来的30%降低至约5%、有机质百分含量从25%降至6%，在第14天时垃圾基本达到稳定化.研究结果表明，简易堆场垃圾经过EM菌的高效降解作用，而且传统的治理污染设备存在投资大运行费用贵的毛病，EM菌堆肥技术可以大大的减低这些费用和缩减治理流程，目前还未有大规模的应用EM菌堆肥加速垃圾稳定化过程，因此大力开展EM的生产技术和推广EM菌的应用很有必要，在适宜温度下的城市中应用可以解决快速提高了生活垃圾的稳定化的过程.

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Accelerated stabilization of landfill in high latitude area by effective microorganisms

SONG Yang, LIU Hui-ling, MENG Xian-lin

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The stabilization of an enclosed landfill was successfully accelerated by using different concentrations of effective microorganism (EM). The results showed that the inner temperature of the landfill was increased by the addition of EM. The maximum temperature can be reached after 72 h of composting. The inner temperature of the compost can be increased to 38 °C with 5 kg EM added to per ton of compost. The landfill compost was stabilized with in 12 d, while the biodegradable material (BDM) was reduced from 30% to 5%, and the organic matter was reduced from 25% to 6%, which indicating the stabilization of the enclosed landfill was accelerated by the efficient degradation of EM.

municipal; compost; biological degradation; stabilization

2016-02-29.

宋 扬(1982-)，男，硕士，研究方向：固体废弃物处理.

刘惠玲(1972-)，女，博士生导师，研究方向：固体废弃物处理，水处理.

X799

A

1672-0946(2016)06-0672-06