简易垃圾堆场渗滤液降解过程的试验研究

谢冰，石洪影，张妮，刘慧玲

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101;2.黑龙江中科瑞合环保技术服务有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090;3哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

随着生活水平的提高，我国垃圾的产生量也大大增加。生活垃圾经常采用的处理方式主要有填埋法、焚烧法和堆肥法[1－2]，我国绝大部分地区均采用填埋法[3－4]。但在20世纪80年代我国大部分城市对生活垃圾的填埋处理均属于简单堆放的方式，导致现在很多城市周围被这些历史遗留下来的垃圾堆场所包围[5－6]。随着城市的发展，这些不符合卫生标准的垃圾堆场所在的原市郊的地区已经逐渐成为城市居民聚居地，对城市环境造成更大的危害[7－8]。尽快关闭这些垃圾堆场，并且将垃圾堆场的土地再重新利用已经成为城市建设的重要问题，因此垃圾堆场的稳定化与再利用问题也倍受关注[9]。

目前国内外主要针对垃圾填埋场的垃圾降解进行研究，对这种简易垃圾堆场的研究也仅仅针对南方潮湿多雨地区[10－11]，对北方寒冷地区的简易垃圾堆场的研究未见报道。本研究利用模拟试验研究哈尔滨市生活垃圾简易堆场内垃圾渗滤液的降解过程，通过对人工模拟环境和自然环境下的垃圾渗滤液降解情况的比较，分析影响北方寒冷地区垃圾渗滤液降解的环境因素，为加速垃圾堆场的稳定化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验分为两组试验进行:人工模拟条件试验装置为高175cm、长100cm、宽75cm的立方体铁桶，底部呈漏斗状，以便收集垃圾渗滤液。渗滤液收集口下接阀门，作为垃圾渗滤液取样口，试验装置置于一无采暖建筑内，采用人工加水模拟降水条件。自然环境条件试验装置为高175cm、直径100cm的圆柱形铁桶，底部呈漏斗状，最下面为直径10cm的圆柱形，以便汇集和采集垃圾渗滤液，自然环境条件试验装置埋于地面以下。

人工模拟条件试验和自然环境条件试验的垃圾用量分别为230kg和280kg，堆放高度均为150cm。向装置内堆埋生活垃圾后，在垃圾层上覆土10cm。

试验所用新鲜垃圾采自哈尔滨六个居民区，并经人工混匀。两组试验的装置内的垃圾的原始组成如表1所示。

表1 垃圾的原始组成 %

人工模拟条件试验在试验过程中人工定量加水，加水量由哈尔滨往年的降水量和陆地蒸发量的差值计算，即每星期将1.88L水均匀喷淋在人工模拟条件试验装置内。

1.2 样品采集

试验第一年每星期取一次渗滤液，以后每月采样一次，共采集水样34次，测定垃圾渗滤液的COD、BOD和氨氮在试验期间的变化。

1.3 分析方法

垃圾渗滤液指标均采用国标方法进行测定。具体的分析方法如表2所示。

表2 垃圾渗滤液的分析方法

2 试验结果与讨论

2.1 不同环境条件下垃圾渗滤液的降解情况

2.1.1 垃圾渗滤液COD的降解过程

两组模拟试验的垃圾渗滤液COD变化情况如图1所示。

由图1中可以看出，哈尔滨等北方地区的垃圾渗滤液变化情况有明显的特点:垃圾渗滤液的COD值在每年春天不仅没有下降反倒有所上升，垃圾渗滤液COD值随试验时间呈波浪形下降的趋势。

图1 两组模拟试验的垃圾渗滤液COD变化情况

哈尔滨地区气候特点是夏季短暂多雨、冬季干燥寒冷。从150～500d这个试验年来看，150～300d为夏秋季，温度相对较高，COD浓度下降也主要集中在这段时间，下降速度也很快，表现出明显的温度影响。

具体来看，试验的150～200d处于夏季，两组试验的COD浓度的下降速度都很快;但到了秋季，即200～300d，自然环境条件试验的COD下降速度明显降低。比较起来，人工环境条件优势主要就是降水量不变，所以这段时间人工模拟条件试验的COD的下降速度变化不大，这说明一定的温度下降水量对垃圾渗滤液的降解有明显的影响。

试验结束时，人工模拟条件试验的COD浓度为42000mg/L，比试验期间最大值下降了47.22%;自然环境条件试验的COD浓度为24192mg/L，比试验期间最大值下降了65.67%。自然环境条件试验的渗滤液COD降解率为人工模拟条件试验的1.39倍，自然环境条件试验的渗滤液COD降解速度明显快于人工模拟条件试验。

2.1.2 垃圾渗滤液BOD的降解过程

两组试验的垃圾渗滤液BOD变化情况如图2所示。

从图2可以看出，两组试验的垃圾渗滤液BOD降解趋势跟COD基本一致均呈现波浪型逐渐下降的趋势，试验结束时自然环境条件试验的垃圾渗滤液BOD浓度为7021.5mg/L，试验期间BOD下降了82.90%;人工模拟条件试验的 BOD浓度为10359mg/L，试验期间BOD下降了75.53%。自然环境条件试验的渗滤液BOD降解率为人工模拟条件试验的1.10倍，自然环境条件试验的渗滤液BOD降解速度明显快于人工模拟条件试验。

图2 两组模拟试验的垃圾渗滤液BOD变化情况

2.1.3 垃圾渗滤液氨氮的降解过程

两组试验的垃圾渗滤液氨氮的变化情况如图3所示。

由图3可以看出，两组模拟试验的氨氮浓度在试验初期由于含氮有机物的分解释放氨氮而不断增加。在试验的中期，氨氮的浓度达到最大值，持续约250d。试验中后期(550d后)两组试验垃圾渗滤液中氨氮浓度开始下降，并且下降速率很快。

图3 两组模拟试验的垃圾渗滤液氨氮变化情况

试验结束时自然环境条件试验的氨氮浓度为130.89mg/L，试验期间渗滤液的氨氮值下降了86.31%;人工模拟条件试验的氨氮浓度在试验结束时为602.5mg/L，试验期间人工模拟条件试验的渗滤液氨氮浓度下降了54.06%。自然环境条件试验的渗滤液氨氮转化率为人工模拟条件试验转化率的1.60倍，自然环境条件试验的渗滤液氨氮转化率明显高于人工模拟条件试验。

2.2 垃圾渗滤液降解规律的数学拟合

在理论上，垃圾的降解过程属于一级反应，所以可以尝试将垃圾可降解组分的含量随时间变化的曲线进行数学拟合。即可假设垃圾中可降解组分含量呈指数形式衰减，其含量变化与时间的关系可以表示为:

式中:t为垃圾堆场封场进入完全厌氧阶段后的时间，d;Ct为t时刻垃圾中可降解组分的含量，mg/L;C0为垃圾堆场封场时垃圾中可降解组分的含量，mg/L;k为垃圾中可降解组分的衰减系数。

由以上公式，可以把两组试验垃圾渗滤液的指标随时间变化规律进行数学拟合，得到各自的拟合方程。

2.2.1 渗滤液COD降解规律的数学拟合

两组模拟试验的垃圾渗滤液COD浓度随堆放时间变化规律的数学拟合方程如表3所示。

由表3的人工模拟条件试验和自然环境条件试验的垃圾渗滤液COD降解拟合方程可以看出，在试验的第一年两组试验垃圾渗滤液的COD降解速率差不多，而第二年自然环境条件试验的渗滤液COD降解速率明显地大于人工模拟条件试验，甚至达到人工模拟条件试验降解速率的2倍。

2.2.2 渗滤液BOD降解规律的数学拟合

两组模拟试验的垃圾渗滤液BOD浓度随堆放时间变化规律的数学拟合方程如表4所示。

由表4看出，试验的第一年人工模拟条件试验的BOD衰减系数0.0041略高于自然环境条件试验的衰减系数0.0034，试验的第二年自然环境条件试验的衰减系数0.0053明显高于人工模拟条件试验的0.0028，几乎为人工模拟条件试验衰减系数的2倍，说明自然环境条件试验的垃圾渗滤液中可以被生物利用的有机物质降解速率比人工模拟条件试验快。

表4 垃圾渗滤液BOD随堆放时间的拟合方程比较

2.2.3 渗滤液氨氮降解规律的数学拟合

两组模拟试验的垃圾渗滤液氨氮浓度随堆放时间变化规律的数学拟合方程如表5所示。

由表5可以看出，人工模拟条件试验和自然环境条件试验中垃圾渗滤液的氨氮值在试验的中后期才开始急速下降，并且自然环境条件试验的衰减系数(0.0054)略高于人工模拟条件试验的衰减系数(0.0049)。

表5 垃圾渗滤液氨氮随堆放时间的拟合方程比较

3 结论

试验显示北方寒冷地区垃圾渗滤液的降解规律有明显的特点，渗滤液各组分浓度总体呈波浪式下降趋势。说明北方寒冷地区简易垃圾堆场的稳定化过程明显受到季节性因素影响，冬季降解极为缓慢。

两组试验中，自然环境模拟试验中垃圾渗滤液的降解速率明显高于人工模拟试验，COD与BOD的衰减系数几乎为人工模拟条件试验2倍。两组试验垃圾成份基本类似，主要区别为降水方式与热量散失情况。试验表明在受季节影响的同时，与自然降水有关的微生物多样性以及热量散失情况对北方寒冷地区简易垃圾堆场的稳定化过程具有重要作用。因此可以利用渗滤液回灌增加含水量和微生物数量或者直接投加有利于垃圾降解的微生物菌剂等方式来加速垃圾堆场的稳定化，对垃圾堆场的再利用有重要的意义。

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