邱忠平 ，李明星 ，刘 洋 ，唐 建 ，王文灿 ，华建军 ，孟 涛 ，汤国雄

（1. 西南交通大学生命科学与工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都610031；3. 中铁西北科学研究院有限公司西南分院，四川 成都 610031）

随着人类社会的不断发展，生活垃圾的产生量越来越多，20世纪固体废物量增加了10倍，预计到2025年将增加至22亿吨[1]，采用有效的措施对垃圾进行处理是实现可持续发展的重要措施. 垃圾填埋技术是垃圾处理最常用、最有效的手段，但是传统的厌氧填埋场存在垃圾生物降解缓慢，渗滤液成分复杂难处理，不利于土地资源的再利用等缺陷，故加速填埋场稳定化进程的新型技术受到国内外学者的普遍关注[2-9].

好氧生物反应器填埋技术通过人工控制措施[2-3，10]，为填埋垃圾中好氧微生物提供合适的氧气供给和水分含量，使微生物保持旺盛的生长代谢与良好的种群结构，产生一系列有机物质水解酶、氧化酶等以利于有机垃圾的生物降解与转化，故好氧垃圾填埋场较厌氧填埋场和准好氧填埋场具有更高的有机物、氮、磷和碱金属去除效率，有机垃圾生物转化效率高，稳定周期短，成为广大学者研究的热点之一[10-13].

渗滤液回灌使填埋场成为一个复合“净化反应器”，可有效加速场内微生物对填埋场中有机垃圾的生物降解，降低渗滤液的污染负荷，加速生物反应器填埋场稳定化进程[14-15].研究表明[14-16]，合适的渗滤液回灌量可有效调节填埋场垃圾内部的含水率，促进微生物的生长代谢，加速有机垃圾的生物降解，最终实现加速填埋场的稳定化进程；同时渗滤液回灌还使得填埋场中溶解于液相的有机物、营养物质、微生物返还填埋垃圾中，促进物质在填埋场内的转移和降解；此外，回灌还可以促进渗滤液蒸发，降低渗滤液处理量和处理负荷等.因此，适宜的回灌量对于加速填埋场的稳定化进程、减少后期运行维护费用意义重大.

本文通过模拟生物反应器填埋场实验，研究渗滤液回灌量对好氧填埋场固相垃圾理化性质与渗滤液特性的影响，获得较优的回灌量，为好氧生物反应器填埋场的实际应用提供重要的技术支撑.

1 材料与方法

1.1 实验装置的运行

好氧填埋场模拟实验装置采用厚度5 mm、直径315 mm的聚乙烯管制作而成，总容积100 L，详细参数见文献[6] .

垃圾样品取自成都市二环路北一段附近的生活垃圾，剔除其中不能生物降解的垃圾组分，如玻璃、瓦砾、塑料制品及金属等，填埋前将大块有机垃圾采用人工破碎的方式破碎到5 cm左右，混匀[9]，均匀填埋至各个反应器中.各模拟生物反应器填埋场均采用好氧填埋方式，分别装填垃圾35.0 kg，压实密度635 kg/m3，曝气频率为1∶3，分别设置回灌量（回灌量与渗滤液产量的体积分数）为10%、15%、20%、30%、全回灌[16]，各反应器的运行参数见表1.

表1 各反应器编号与运行参数Tab.1 Code of simulated landfill bioreactor

1.2 监测方法

化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）和氨氮根据文献[17]提供的标准检测方法进行测定；渗滤液产量和垃圾沉降量采用直接测定法；总有机质、半纤维素、纤维素、木质素采用文献[18-19]所述的方法测定.

2 结果与讨论

2.1 固相垃圾的特性

2.1.1 Q值

利用垃圾中木质素不易生物降解的特性，可采用半纤维素、纤维素和木质素的比值Q衡量垃圾稳定化的程度，比值越低则垃圾稳定化程度越高[20]，填埋过程中Q值随时间t的变化趋势如图1.

图1 Q值随时间的变化趋势Fig.1 Variation of Q during landfill

由图1可知，各反应器中垃圾的Q值先上升后快速下降，然后维持较低值至稳定. 填埋初期由于水解酶的水解作用，使得垃圾中易降解有机物快速水解，同时，木质纤维素类物质的生物降解过程中，会形成大量中间代谢产物，导致垃圾中易水解物的含量大大增加，因此，各反应器中垃圾的Q值于14～21 d达到峰值，其后由于半纤维素和纤维素类物质的生物降解，而木质素等难降解物质的降解速度缓慢，Q值急剧下降，至填埋结束时维持在0.61～0.74之间，回灌量为20%的反应器垃圾中Q值为0.62，比其他反应器低9.9%～16.9%，表明20%的回灌量可优化填埋场内微生物的种群结构，促进含碳有机垃圾的生物降解与转化，有利于加速填埋场的稳定化进程，为较优的回灌量.

2.1.2 总有机质

垃圾中总有机质含量是表征填埋垃圾稳定化程度最为直观的参数，填埋垃圾中总有机质含量越低，填埋场垃圾稳定化程度越高[9]. 填埋过程中垃圾总有机质的变化规律见图2.

图2 总有机质含量的变化趋势Fig.2 Variation of total organic

由图2可知，填埋初期的0～7 d，由于微生物处于适应期，故对有机质的降解速度较慢，总有机质含量基本稳定，7～28 d快速下降，至56 d以后趋于稳定. 回灌量为20%的反应器中总有机质含量较其余回灌量的下降速度快，且至填埋结束时，20%回灌量中总有机质含量最低，为0.49，较其他反应器低8.9%～14.6%. 表明回灌量为20%有利于垃圾的生物降解，使垃圾降解速度更快更彻底.

2.1.3 垃圾沉降率

填埋垃圾中成分十分复杂，压缩性高，填埋过程中垃圾中有机物不断生物降解，所以填埋场的沉降会持续很长一段时间才能趋于稳定，垃圾体的沉降性能作为衡量填埋场的稳定化程度的一项重要指标，可直观显示垃圾填埋场中有机物生物降解的效果. 各反应器中填埋垃圾均于填埋初期快速沉降，中后期沉降速度减慢并趋于稳定，与邱忠平等[6，21]的研究结果类似，见图3. 0～38 d填埋垃圾快速沉降，回灌量为20%的反应器垃圾沉降速度最快，38 d时沉降量为48.0 cm，达到终沉降量的80.0%，38 d以后垃圾体缓慢沉降，并于94 d左右趋于稳定，至填埋结束时，回灌量为20%的反应器的沉降量较其他反应器高6.6%～13.3%.

图3 沉降量随时间的变化趋势Fig.3 Variation of deposition of solid waste

2.2 渗滤液的水质特性

渗滤液水质变化与其中的溶解氧含量及微生物数量、种类等因素密切相关. 厌氧条件下渗滤液中的溶解氧较低，主要以厌氧或兼性厌氧微生物为主，对渗滤液中的COD、氨氮的分解转化能力较差. 而好氧条件下渗滤液中溶解氧浓度较高，且通过不断的渗滤液回灌，为COD降解菌、氮素转化菌、絮凝剂产生菌等功能菌提供了充足的养分，使其不断繁殖而大量分解渗滤液中的有机物，导致COD快速降低[2，10]，同时好氧条件下加速了微生物的氨化、亚硝化、硝化、反硝化等作用，增强了微生物对氨氮的去除[3].

2.2.1 COD

COD表征填埋垃圾中有机质生物降解过程中所溶于渗滤液的还原性有机物的污染强度[6，9，21]，各反应器所产渗滤液COD浓度随时间的变化趋势见图4.

填埋初期，因填埋垃圾中易降解有机物经微生物及其所分泌的酶的作用，被快速分解为可溶性小分子物质而溶出于垃圾渗滤液中[13]，导致渗滤液中COD浓度在0～10 d急剧上升并快速达到峰值，回灌量为20%的反应器中所产渗滤液的COD在第6 天时就达到峰值33 500 mg/L，其他回灌量下的反应器则在9 d以后才达到峰值，且峰值较其他回灌量高，表明20%的回灌量可促进上述生化反应的进行；其后，由于微生物的进一步作用，垃圾中易降解和中等易降解有机垃圾不断被降解，填埋初期所产生的可溶性小分子有机物被微生物快速利用，各反应器所产渗滤液COD浓度急剧降低，20%回灌量的反应器在第17 天时下降到9 600 mg/L，较其他回灌量低1 600～6 400 mg/L，其他反应器直至24 d时才降低至10 000 mg/L以下；31 ～52 d各反应器COD缓慢下降，至填埋结束时稳定在3 000 mg/L左右. 在整个填埋周期，回灌量为20%的反应器较其他回灌量的反应器中COD去除效果最好，其所产渗滤液中的还原性有机物的量分别较10%、15%、30%和全回灌的反应器低9.8%、12.5%、17.8%和14.9%. 表明20%的回灌量可为填埋场中微生物创造较优的生长环境，有利于微生物对有机垃圾的生物降解和对渗滤液中COD的去除，可促进填埋场的稳定化进程.

图4 填埋过程中COD的变化趋势Fig.4 Variation of COD of leachate

2.2.2 氨氮

渗滤液中氨氮浓度的变化，可反映填埋垃圾中含氮物质的生物转化与氮素的消减情况[6，9，21]. 各反应器所产渗滤液中氨氮浓度随时间的变化趋势见图5.

由图5可以看出，填埋整个阶段，各反应器的渗滤液氨氮含量都迅速上升并到达峰值，随后呈下降趋势，直至稳定. 实验初期，各反应器渗滤液的氨氮变化趋势相似，都快速升高，在第13 天时，各反应器所产渗滤液中氨氮都达到了峰值，在500 mg/L左右.回灌量为20%的反应器氨氮在52 d降至25 mg/L，达到GB 1889—2008所规定的垃圾填埋场渗滤液氨氮排放浓度限值，较其他回灌量达标排放提前7～21 d. 表明20%的回灌量有利于提高氮素转化相关微生物活性，通过加强亚硝化、硝化作用促进氨氮向硝态氮转化[10，21]，同时也加强了反硝化及同步硝化反硝化等生物脱氮作用，促进了填埋场中氮素向N2、N2O等气态氮转化[14]，加快氮素的生物转化，降低填埋场中氮污染.

图5 氨氮随时间的变化趋势Fig.5 Variation of ammonia nitrogen of leachate

3 结 论

（1） 渗滤液回灌使垃圾保持合适的含水率以利于微生物的生物降解，回灌量为20%的反应器总有机质含量、Q值与沉降量速度最快，至填埋结束时，回灌量为20%的反应器填埋垃圾的总有机质含量与Q值较其他反应器低8.9%～14.6%和9.9%～16.9%，沉降量较其他反应器提高6.6%～13.3%.

（2） 20%的回灌量较其他回灌量的反应器中COD去除效果好，整个填埋周期，其所产渗滤液中的还原性有机物的量分别较10%、15%、30%和全回灌的反应器低9.8%、12.5%、17.8%和14.9%. 氨氮在52 d降至25 mg/L，达到GB 16889—2008所规定的垃圾填埋场渗滤液氨氮排放浓度限值，较其他反应器提前7～21 d.

（3） 20%的回灌量可为填埋场中微生物提供较优的生长环境，优化填埋场内微生物的种群结构，提高垃圾降解与转化相关微生物的生长代谢活性，促进含碳有机垃圾的生物降解与转化，并加快氮素的生物转化，从而加速好氧生物反应器填埋场的稳定化进程，是较优的渗滤液回灌量.

致谢：成都市科技惠民技术研发项目资助（2016-HM01-00502-SF）.