梁 峙，梁 骁，肖 扬，孙晓虎，刘喜坤

（1.徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221018；2.上海财经大学经济学院，上海200433；3.徐州市城区水资源管理处，江苏徐州221018）

循环经济与可持续发展

厌氧反应器对农村生活垃圾的降解研究

梁 峙1，梁 骁2，肖 扬1，孙晓虎3，刘喜坤3

（1.徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221018；2.上海财经大学经济学院，上海200433；3.徐州市城区水资源管理处，江苏徐州221018）

以江苏铜山区3个行政村生活垃圾为对象，设计了厌氧垃圾生物反应器，研究了农村生活垃圾在反应器中的变化情况。研究表明：潘塘村和姜楼村生活垃圾中含有大量的水分和蛋白质，促进了厌氧微生物的生长繁殖和甲烷产气发生，使渗滤液pH值迅速上升，30周pH达到最高点8.24和8.33。初期反应器中BOD浓度，3个行政村都呈上升趋势，16周左右达到最大值，30周后赵店村、潘塘村、姜楼村3个行政村渗滤液中BOD浓度分别下降到26 101 mg/L、16 121 mg/L、20 105 mg/L。

垃圾反应器；农村；生活垃圾；降解

随着我国经济的快速发展，农村经济水平有所提高，带动了人民生活水平的大幅度提升，纯粹的农业经济逐渐被现代化的工业和商品经济所取代，使农村的生产与消费模式发生了改变，导致农村生活垃圾数量与日俱增，垃圾种类也日趋复杂[1-5]。同时，人们对于农村环境保护的意识相对淡薄，对垃圾对环境造成的负面影响认识不清，这使得农村生活垃圾大量堆积，随处可见，造成了垃圾包围村庄、臭水充斥河塘的现象。这些垃圾被随意堆积在农村周边的河流、树林、池塘、农田等地方，造成了严重的环境污染问题，给环境带来了巨大的压力。同时，阻碍了我国农村城镇化建设的快速发展[6-7]。

1 试验装置设计

1.1 厌氧型生物反应器设计依据

为了解决上述技术问题，满足厌氧型生物反应器设计要求，达到垃圾处理由兼性氧降解到完全厌氧降解的目的，试验设计了厌氧型垃圾生物反应器，反应器包括了滤液浓缩罐、浓缩气提升装置、生化反应过滤罐、处理回流管、乏风输送装置、离心纯化罐、尾气排出装置、支架、封闭溢流槽。在厌氧型垃圾生物反应器的设计中，反应器顶部安装了生化反应过滤罐，在生化反应过滤罐下部设有支架，支架的下部设有滤液浓缩罐，与滤液浓缩罐左侧相邻的是离心纯化罐，生化反应过滤罐与滤液浓缩罐之间通过浓缩气提升装置连通；反应器中的离心纯化罐与生化反应过滤罐之间通过乏风输送装置连通，在生化反应过滤罐的左下方设有处理回流管，在处理回流管的下方设有离心纯化罐；在生化反应过滤罐的上部设有封闭溢流槽，如图1所示：

图1 厌氧型垃圾生物反应器

为了将处理后的物料实现固气分离，在生化反应过滤罐中设计了飞翼式分气槽、沼气分流板、生化触媒板和沼气汇集槽；其中飞翼式分气槽位于生化反应过滤罐池体的上部，其为二层结构设计，并与沼气分流板嵌套在一起。飞翼式分气槽的下部设有沼气分流板，其下部设有生化触媒板，生化触媒板的下部设有沼气汇集槽，如图2所示。

图2 生化反应过滤罐内部结构

1.3 分析方法

1.3.1 COD的测定方法

采用重铬酸钾法（CJ/T 3018.12—1999）在强酸性溶液中，利用一定量的重铬酸钾将水样中的还原性物质进行氧化，用亚铁作指示剂、硫酸亚铁溶液回滴过量的重铬酸钾，根据用量算出水样中还原性物质消耗氧的量[8]。

1.3.2 BOD的测定

采用稀释法（CJ/T 3018.11—1999）在20℃恒温中培养5 d，分别测定培养前后溶解氧，其差值为20℃、5 d的生化需氧量[9-10]。

2 试验结果与讨论

本试验以江苏铜山区潘塘街道办事处下辖的赵店村、潘塘村、姜楼村3个行政村的生活垃圾为研究对象，其垃圾成分符合大多数农村生活垃圾的成分组成，均有一定的代表性，试验通过研究较发达农村生活垃圾组分在厌氧生物反应器中的变化情况，并对3个行政村的生活垃圾渗滤液在反应器中pH值、COD、BOD的变化进行统计分析，如图3所示。

2.1 反应器渗滤液中pH值变化分析

图3表示3个行政村在填埋试验期间产生的渗滤液pH值动态变化趋势。从图中可以分析得出，试验初期3个行政村生活垃圾渗滤液pH值均在6.0上下浮动。随着试验的继续，由于密封作用，反应器中氧气消耗后，生活垃圾所在容器迅速转变为厌氧环境，在微生物分解菌的作用下，脂肪、纤维素、和蛋白质等非溶解性的含氮有机物和碳氢类有机物转化为可溶性醇、有机酸，2～6周当三个行政村垃圾渗滤液进入水解酸化阶段时，上述有机酸的积累会导致pH值的下降。第6周，三个行政村垃圾渗滤液的pH值分别为赵店村5.45、潘塘村5.56、姜楼村5.78，均为最低点。之后各村垃圾渗滤液的pH变化出现差异，赵店村12周后pH值逐渐升高，但其上升速度缓慢，30周才达到7.23左右。

潘塘村和姜楼村生活垃圾的pH值回升期在第6～10周，并开始产生甲烷，第10周pH值达到6.94和7.54，此阶段pH值上升速率最快，之后逐渐缓步继续上升，在反应30周后达到最高点8.45和8.26。反应罐在设计中采用了渗滤液回流技术，这使得潘塘村和姜楼村生活垃圾带来了大量的水分和微生物，进一步改善了微生物在反应罐中的生活环境，促进了垃圾由产酸阶段向产甲烷阶段的快速推进，进而促进了渗滤液pH值迅速回升。反观赵店村生活垃圾在反应罐的降解历程，由于渗滤液的大量流失，垃圾水分含量迅速下降，使得厌氧微生物不能有效获得营养，微生物活性降低，微生物对水解酸化阶段所产生的大量有机酸分解缓慢，造成pH值长时间处于低值范围。

图3 3个行政村的生活垃圾在反应器中渗滤液pH值的变化

图4 3个行政村生活垃圾在反应器中渗滤液COD变化

2.2 反应器渗滤液中COD变化分析

图4为3个行政村生活垃圾在试验过程中COD浓度的变化情况。由图可见，在试验初期，3个行政村生活垃圾的COD浓度都呈上升趋势，赵店村在第20周达到最大值，浓度为150 102 mg/L；潘塘村和姜楼村在第16周左右达到最大值，浓度为120 103 mg/L和80 415 mg/L，此后开始呈现逐渐下降。在第30周试验结束时，赵店村渗滤液COD下降为110 102 mg/L，潘塘村生活垃圾渗滤液COD下降幅度较大，为51 421 mg/L，姜楼村生活垃圾内渗滤液COD下降到50 124 mg/L。

2.3 反应器渗滤液中BOD值变化及分析

图5 3个行政村生活垃圾在反应器中渗滤液BOD变化

图5为3个行政村生活垃圾在反应器中渗滤液BOD浓度的动态变化情况。由图可见，生活垃圾渗滤液中BOD变化情况与COD相似。在试验初期，3个行政村都呈上升趋势，潘塘村和姜楼村生活垃圾上升速度较快，在第16周左右达到最大值，其中潘塘村的浓度最高，达到38 142 mg/L，姜楼村BOD达到32 014 mg/L，赵店村在第20周达到最大值，浓度33 120 mg/L，然后开始逐渐下降，到达第30周试验结束时，赵店村生活垃圾渗滤液BOD下降到26 101 mg/L，潘塘村生活垃圾内渗滤液BOD下降速度依然最大，下降到16 121 mg/L，姜楼村生活垃圾渗滤液BOD下降到20 105 mg/L。2.4反应器渗滤液中BOD/COD变化及分析

图6 3个行政村生活垃圾在反应器中渗滤液BOD/COD变化趋势

由图6分析可知，潘塘村和姜楼村生活垃圾BOD/COD的比值始终大于0.31，具有良好的可生物降解性，赵店村的生活垃圾由于没有采用渗滤液的回流技术，初期处于产酸阶段时，因菌体分解有机物产生大量的有机酸，使BOD/COD比值升高，但是随着反应的不断进行，赵店村渗滤液含量减少，使微生物活性降低，同时大量可溶性有机物进入渗滤液，造成BOD/COD比值减小，可生化性降低。

3 结论

（1）三个行政村垃圾渗滤液进入厌氧酸化阶段，产生大量有机酸导致渗滤液中pH值的降低，到第6周，三个行政村垃圾渗滤液的pH值都达到最低点，潘塘村和姜楼村生活垃圾带来了大量的水分和微生物，进一步改善了微生物在反应罐中的生活环境，促进了垃圾由产酸阶段向产甲烷阶段的快速推进，进而促进了渗滤液pH值迅速回升；而赵店村生活垃圾由于渗滤液的大量流失，使垃圾水分含量迅速下降，使得厌氧微生物不能有效获得营养，微生物活性降低，微生物对水解酸化阶段所产生的大量有机酸分解缓慢，造成长时间pH处于低值范围。

（2）潘塘村、姜楼村生活垃圾含有大量的蛋白质、脂肪和碳水化合物，蛋白酶水解以及胞内酶的作用下被分解成为挥发性脂肪酸（VFA）、醇类、乙酸、氢气和二氧化碳，推动了COD、BOD和重金属离子的浓度上升，直至达到最大值。16周以后，在专性厌氧菌的作用下被有效地分解，成为简单的无机物或稳定的矿化物。

（3）潘塘村和姜楼村生活垃圾BOD/COD的比值始终大于0.31，表现出良好的可生物降解性，赵店村的生活垃圾没有采用渗滤液的回流技术，可生化性降低。

[1]徐蘇士，汪诚文，王迪，等.UV-Fenton工艺对垃圾渗滤液纳滤浓缩液的处理效果及影响因素研究[J].环境工程技术学报，2013，3（1）：65-70.

[2]钟剑.垃圾渗滤液膜过滤浓缩液处理技术综述[J].广东化工，2011，38（8）：264-265，267.

[3]陈万堂.多元微电解处理垃圾渗滤液浓缩液的研究[D].上海：华东师范大学，2016.

[4]姜薇.北京市生活垃圾渗滤液及浓缩液处理技术路线研究[D].北京：北京工业大学，2013.

[5]杨亚新.紫外催化湿式氧化处理垃圾渗滤液纳滤浓缩液的实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[6]王晓东.城市生活垃圾渗滤液—浓缩液厌氧/好氧回灌处理技术效能研究[D].长春：吉林建筑大学，2013.

[7]谌戡.城市生活垃圾厌氧生物反应器填埋技术试验研究[D].北京：中国工程物理研究院，2006.

[8]孟凡彤.基于养殖业发展的农村生活垃圾收运模式研究——以山东省即墨市上泊村为例[D].武汉：华中科技大学，2011.

[9]桂莉.农村生活垃圾热解污染物排放特征研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[10]邱才娣.农村生活垃圾资源化技术及管理模式探讨[D].杭州：浙江大学，2008.

（编辑：程俊）

A Study on Degradation of Rural Domestic Garbage by Anaerobic Reactor

Liang Zhi1,Liang Xiao2,Xiao Yang1,Sun Xiaohu3,Liu Xikun3
（1.School of Environmental Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou Jiangsu 221018,China；2.School of Economics,Shanghai University of Finance and Economics,Shanghai 200433,China；3.Xuzhou Water Resources Management Office,Xuzhou Jiangsu 221018,China）

Based on the domestic waste from three administrative villages in Tongshan Jiangsu, the anaerobic bioreactor was designed,and the changes of rural domestic refuse in the reactor were studied.Research showed that:Pan Tang and Jiang Lou garbage,contained a lot of water and protein,promoted the anaerobic microbial growth and reproduction,promoted the generation of methane gas,the leachate pH value increased rapidly in 30 weeks and reached the highest point of 8.24 and 8.33.The initial concentration of BOD in the reactor of three administrative villages (Zhao Dian，Pan Tang,Jiang Lou)increased in about 16 weeks and reached the maximum,after 30 weeks BOD concentration in leachate decreased to 26 101 mg/L,16 121 mg/L,20 105 mg/L.

refuse reactor,rural area,municipal solid waste,degradation

X172

A

1008-813X（2017）03-0046-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.12

2017-04-10

住建部科学技术计划项目《太阳能驱动一体化反应器处理分散型农村污水模块化研究》（2015-K6-018）；江苏省住建厅科技计划项目《农村生活垃圾高效处理技术研究》（2015JH07）；徐州市科技发展基金计划项目《典型企业周边土壤铅锌污染修复关键技术及综合治理示范》（KC15SM032）

梁峙（1961-），男，广东中山人，毕业于中国矿业大学环境工程专业，博士，教授，主要从事固体废弃物处置的研究工作。