污泥-生活垃圾混合填埋体降解产气过程

宁顺理，洪思远，沈世龙，俞演名，李磊

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000;2.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210000)

污泥是污水处理后产生的以有机物为主的泥状物质，其中的有机物主要为动植物残渣、微生物及其代谢产物、细菌及其代谢产物。同时重金属作为无机物成分在污泥中大量富集，若不进行适当处理，很容易造成污染物外泄，对环境产生二次污染。“十三五”期间我国污水排放量达到800亿吨/年，污泥产量达到8000万吨/年[1]。我国污泥处置的主要方式之一为送入垃圾填埋场进行填埋处理，经过填埋处置的污泥约占我国污泥总产量的65%[2]，如在成都长安、深圳下坪、南昌麦园及苏州七子山等填埋场均对大量污泥进行填埋处置[3]。

将污泥送入垃圾填埋场进行混合填埋，可以大规模、大批量地处置污泥。目前，对污泥-生活垃圾混合填埋的基本物理力学性质和降解产气规律的研究工作较少，污泥和生活垃圾(municipal solid waste，MSW)混合填埋场的设计、安全评价及运营等缺乏基本参数和理论依据，填埋场的封场工作也存在大量的技术难题。此外，污泥中含有大量的有机物，在微生物的作用下会产生气体，会导致混合填埋体的孔隙水应力增加以及体积膨胀，引起堆体失稳等工程灾害[4]。污泥进入生活垃圾填埋场填埋后，生活垃圾中微生物种群的种类和数量都发生较大改变，对有机质的降解产生明显影响，导致降解产气的总量也发生改变。由于污泥-生活垃圾混合填埋体在理化性质上与生活垃圾有着较大的区别，其产气量、产气速率以及成分等与生活垃圾不同[5]，生活垃圾产气研究成果直接应用于污泥-生活垃圾混合填埋体产气处理会产生较大的偏差。目前关于污泥产气的研究成果较少，Debra等[6]发现污泥掺入垃圾后，加速了气体的产生速率。Gülec等[7]将厌氧消化污泥和从填埋场采样的生活垃圾按一定比例混合后进行填埋柱生化降解实验，结果表明，当污泥质量为垃圾质量的25%时，有机质生化降解速率最快，污泥的混入会提高填埋气的产气速率，并且提高了填埋气中甲烷的含量。朱英等[8]研究结果表明，化学计量法和动力学模型预测的气体产生量和产生率更能反映污泥填埋场实际的气体产生情况。目前国内外有很多种填埋气的理论产气量计算模型，主要分为动力学模型和统计模型。其中，动力学模型是根据CH4/CO2的产生机理，从原理上分析和模拟有机质降解的产气规律，并通过室内实验模拟计算相关模型参数，主要有Gardner模型[9]和Sheldon Arleta模型[10]等；统计模型有IPCC(intergovernmental panel on climate change)模型、化学计量式模型和COD估算模型[11]等。

为了明确污泥-生活垃圾混合填埋场的产气过程，在实验室人工模拟配置生活垃圾，采用室内试验研究不同污泥添加量条件下污泥-生活垃圾混合填埋体的产气过程，并采用动力学模型对弃置污泥的累计产气量和产气速率进行计算，为污泥-生活垃圾混合填埋场的设计、安全评价及运营等提供一定的参考。

1 实验设计与方法

1.1 实验材料

通过对国内外各个地区垃圾填埋场内生活垃圾组分进行统计分析[12-13]，确定适合我国国情的垃圾成分配比，为了控制影响实验过程的因素，采用类似的材料代替生活垃圾中各种组分，详见表1。

表1 生活垃圾的组分比例Table 1 Composition of MSW

实验中污泥取自某市污水处理厂的脱水污泥，其物理指标见表2，指标的测试方法采用CJ/T 221—2005[14]和GB/T 50123—2019[15]的规定。从表2可以看出，相比软土和淤泥，污泥属于典型的高含水率、高有机质质量分数的有机废弃物，且颗粒结构松散，存在较大的孔隙[16-17]。

表2 污泥的基本性质指标Table 2 Basic characteristics of sludge

1.2 制样与养护

本次实验中，根据表1的生活垃圾组分表，将废报纸、废旧轮胎、包装袋、纺织品等剪碎至1 cm以下，黏土粉碎。金属采用铁丝和铜丝，剪成1 cm的小段。污泥来自污水处理厂，置于玻璃大棚内阴凉处，将取回的新鲜污泥均匀地摊铺于干净木板上风干晾晒，含水率降低至60%，将配置好的污泥和生活垃圾放置在塑料容器内，充分混合搅拌均匀后，放置于黑色塑料袋中密封养护1 d后，压实装填于产气反应器内。6个产气反应器参数设置见表3，其中污泥添加量是指污泥相比垃圾的湿重比。

表3 产气反应器参数Table 3 Parameters of different gas producers

1.3 实验装置与方法

产气实验所用的装置如图1所示，整个反应器放置于塑料大棚地下室内，地下室内温度变化较小，温度基本保持在20～30 ℃。装置采用排液法(饱和NaHCO3溶液)收集气体，将集液瓶的瓶口用塑料薄膜包裹(塑料薄膜上预留有细小的排气孔，防止集液瓶气压太大，影响集气瓶中液体顺利排出)，防止溶液蒸发消散。根据气量间隔5～10 d对收集的气体成分进行检测。

图1 污泥-生活垃圾混合填埋产气试验装置Fig.1 Gas producers of sludge-MSW mixed landfill

本实验测试项目为污泥-生活垃圾混合填埋的产气速率、总产气量以及气体中甲烷的体积分数。总产气量用图1的装置采用排水法测定，降解产气中的甲烷含量采用南京科捷-GC5890气相色谱仪测定。产气速率为一定时间内产气量与时间的比值。

本文对6组不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合物填埋进行室内产气实验。定期收集降解产气，研究污泥的添加量对污泥-生活垃圾混合填埋体的生化降解特性的影响，并建立合适的产气动力学模型，分析生化降解规律。

2 污泥-生活垃圾混合填埋体的产气规律研究

2.1 累计产气量分析

将污泥与生活垃圾充分搅拌混合后，装填进模拟反应器后密封，进行模拟产气实验，经过近270 d的产气收集，纯生活垃圾和不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合填埋反应器产气基本处于稳定降解阶段。图2给出了不同污泥添加量条件下污泥-生活垃圾混合填埋的累计产气量对比实验结果。

图2 污泥添加量和降解时间对污泥-生活垃圾混合填埋体累计产气量的影响Fig.2 Effect of sludge addition and degradation time on accumulative gas production by sludge-MSW mixed landfill

从图2可以看出，在装填后25 d左右，各个反应器才有填埋气的产生，产气过程具有明显的滞后阶段。这是由于本次试验中的生活垃圾是在室内人工配置的，模拟反应器中的生化降解条件以及微生物种群与实际填埋场相差很多，因此本次实验的降解产气过程有一个明显的调整阶段。在此阶段，微生物大量繁殖，反应器内部的生化降解条件得到调整。由于各个反应器装填垃圾后没有采取充氮处理以排除空气，所以调整阶段厌氧微生物群落调整时间较长。

由图2可以发现累计产气量与污泥添加量有着明显的关系，其累计产气量见表4。由图2和表4可以发现：随着污泥添加量的增加，累计产气量逐渐增大；但是当污泥添加量超过30%后，随着污泥添加量的增加，累计产气量反而逐渐减少。

表4 污泥-生活垃圾混合填埋体268 d的累计产气量Table 4 Total amount of gas produced by sludge-MSW mixed landfill after 268 d

污泥中含有大量的厌氧微生物，向生活垃圾中混入污泥，为混合填埋体引入了大量的微生物[18-19]。在生化降解过程中，产甲烷菌的生长对填埋产气的总量和产气速率有至关重要的影响，随着反应器内的氧气消耗殆尽，混合填埋体中厌氧菌繁殖迅速、种群优势十分明显，有机质降解更加彻底充分，产生大量的填埋气[18-19]。同时由于污泥中含有大量简单有机质，为微生物的活动和繁殖提供了所必须的营养物质，使得微生物快速建立种群优势，提高了有机质降解速率，使填埋气的产量增长。但是，当污泥添加量继续增大时，由于污泥含有大量的含氮有机物，导致氨氮浓度过高，氨氮浓度过高会对微生物的活性和繁殖产生相对抑制作用，进而抑制了垃圾的降解和填埋气的产生，所以当污泥添加量过高时，其累计产气量反而会逐渐降低。

2.2 产气速率分析

利用累计产气量计算不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合填埋的产气速率随降解时间的变化，结果如图3所示。从图3可以看出，产气过程具有明显的滞后阶段。随后各个反应器的产气速率维持在一个较低的水平，该阶段定义为调整阶段。调整阶段结束后，各个反应器的产气速率快速增加，可以发现随着污泥添加量的增加，产气速率逐渐增大，污泥添加量为30%时，产气达到峰值时产气速率超过了300 mL/(kg·d)；污泥添加量进一步增大时，产气速率却有减小的趋势，这与上文中累计产气量的变化趋势完全相同。

图3 污泥添加量对填埋气产生速率的影响Fig.3 Relationship between sludge addition and the rate of gas production

在产气速率到达峰值后，反应器内形成厌氧条件，各个反应器的产气速率逐渐衰减，直到保持稳定状态；产气速率也呈现出与累计产气量相同的变化趋势，污泥添加量为20%和30%时的产气速率仍然在100 mL/(kg·d)左右波动，而纯垃圾的产气速率仅有20 mL/(kg·d)左右，污泥添加量50%的产气速率也仅有50 mL/(kg·d)左右。

此外，各个反应器在装填之后100 d左右各个反应器的产气速率才开始快速增大，一般生活垃圾填埋场产气滞后时间为5～15 d[20]。这说明室内人工配制的生活垃圾填埋产气的滞后时间比实际填埋场的滞后时间长，这是由于实际进入填埋场的城市生活垃圾的厨余垃圾在进入填埋场之前已经有了一个初步调整阶段，在此期间微生物群落大量繁殖以及生化条件发生改变。另外在实验室人工配置的生活垃圾中用麦麸替代厨余垃圾，与实际填埋场中的厨余垃圾相比，麦麸生化降解相对困难，且垃圾中的微生物以及降解条件与填埋场中的厌氧生化降解条件差别极大。所以，本次实验中的调整阶段周期较长，刘富强等[21]的实验也得到类似结果。

2.3 产气成分分析

间隔5～10 d对反应器的产气成分进行检测，对各个模拟反应器产气中的甲烷体积分数随降解时间变化关系进行绘制，如图4所示。

图4 填埋气CH4体积分数的变化规律Fig.4 CH4 content at different degradation stages

分析图4可以看出，产气前期，所有的反应器收集的气体中均未检测到CH4的产生，直到80 d左右，各反应器产生的填埋气中才第一次检测到CH4。然后随着时间的推进，各反应器产生的填埋气中CH4体积分数逐渐升高，添加污泥的反应器的CH4体积分数的增长速度大于纯垃圾。污泥与垃圾混合的反应器产生的气体中，CH4体积分数最高达到45%，而纯垃圾的反应器产生的气体中，CH4体积分数最高为35%。当污泥添加量为30%时，CH4体积分数在130 d左右达到40%以上，进入稳定的产甲烷阶段；而污泥添加量小于30%时，CH4体积分数基本在35%以下。随着污泥添加量的增加，污泥-生活垃圾混合填埋产气过程的产甲烷阶段明显提前。掺入污泥可使生活垃圾降解进入产甲烷阶段的时间提前，提高降解产气中CH4体积分数，提高了降解产气的产量，提高了利用填埋气进行发电等资源化利用率[19]。

3 污泥-生活垃圾混合填埋体的产气模型研究

将污泥送入垃圾填埋场进行混合填埋，掌握填埋气的累计产气量和产气速率变化规律对垃圾填埋管理具有重要的意义。这二者是确定进入垃圾填埋场的污泥量的最优方案的关键指标，也是填埋场设计、运行、评价和检测的关键指标之一。

尽管国内外学者已经建立了大量的产气模型[9-11]，但由于国内外的生活垃圾特性有很大的差异，且污泥-生活垃圾混合填埋的降解产气过程与纯生活垃圾的降解产气过程有较大的区别，已有的产气模型不能很好地描述污泥-生活垃圾混合填埋的产气过程。因此，有必要针对污泥-生活垃圾混合填埋建立累计产气量和产气速率的模型，为污泥-生活垃圾的混合填埋提供技术支持。

通过对图2～3进行分析，可以将污泥-生活垃圾混合填埋体的产气过程分为三个阶段：调整阶段、加速阶段和衰减阶段，如图5所示。

(a)产气速率 (b)累计产气量图5 污泥-生活垃圾混合填埋产气过程示意图Fig.5 Diagram of gas generation process in the sludge-MSW mixed landfill

(1)调整阶段：本次实验中，25 d左右才开始有填埋气的产生，降解产气一直维持在一个很低的水平甚至没有填埋气的产生，在本阶段产气速率可以近似等于常数。

(1)

式中：R为单位质量混合填埋试样的产气速率，mL/(kg·d)；G为单位质量混合填埋试样累计产气量，mL/kg；t为降解时间，d；tn为降解加速阶段开始时间，d；k1为常数，mL/(kg·d)。

(2)加速阶段：随着微生物群落大量繁殖以及生化条件的改变，到一定阶段，产气过程进入加速阶段。该阶段，由于有机质质量分数较高，微生物繁殖迅速，产气速率迅速增加达到峰值，填埋气的产气速率与时间呈线性增长趋势(图5)。

(2)

式中：tm为混合填埋试样产气速率最大时的降解时间，d；k2为常数，mL/(kg·d2)。

(3)衰减阶段：达到产气高峰后，产气速率逐步下降，此时填埋气的产气潜力和底物浓度呈一级动力学关系：

(3)

式中：C为tm时刻后剩下的混合填埋试样的产气潜力，mL/kg；k3为常数，d-1。

由式(3)得：

(4)

整理得，

C=C0e-k3(t-tm)，

(5)

式中：C0为tm时刻混合填埋试样产气潜力，mL/kg。因此，在产气衰减阶段产气量为：

G=C0-C=C0(1-e-k3(t-tm))，

(6)

式中，G为tm时刻单位质量混合填埋试样的累计产气量。

对式(6)进行微分：

(7)

由式(1)、(2)和(7)，污泥-生活垃圾的产气速率模型如下式：

(8)

对式(8)积分得，

(9)

整理得，

(10)

根据模拟反应器的产气实验结果，结合污泥-生活垃圾混合填埋的降解原理，建立了污泥-生活垃圾混合填埋产气模型。该模型考虑了垃圾降解初期“非常明显”的初始调整阶段和加速阶段，相对于其他产气模型，能更加真实地反映填埋气产生过程，且模型中的参数较少，应用更为简便。模型参数取值如表5所示。

表5 污泥-生活垃圾混合填埋产气模型参数值Table 5 Dynamic model parameters of sludge-MSW mixed landfill

对6组模拟反应器的实验数据进行模拟，得到产气模型的各个参数。从表5中可以看出，向生活垃圾中混入污泥进行混合填埋，会加速混合填埋体进入产气稳定期，其中污泥添加量为30%时，有机质降解最充分，累计产气量最多。模型参数结果也表明添加污泥有助于加速生活垃圾的降解，但污泥添加量不是越大越好，污泥的最佳添加量为30%时，既加快了有机质降解速率，亦缩短了生活垃圾填埋进入稳定阶段所需的时间。另外，本次实验进行270 d时，各个产气反应瓶的累计产气量的变化规律与产气模型拟合的各个产气反应瓶的累计产气量G变化规律相似，该模型很好地反映了污泥的混入对生活垃圾生化降解产气规律的影响。

4 结论

(1)采用室内人工配置的方法对生活垃圾和污水处理厂的污泥按照一定比例进行混合，模拟产气过程。实验结果表明，室内人工配置生活垃圾填埋产气的滞后时间比现实中长，并且有一个明显的调整阶段；然后随降解时间延长，产气速率迅速达到峰值，随后产气速率逐渐衰减维持在一个较低的水平。

(2)对混合填埋体产气速率、累计产气量变化规律进行分析，以及建立污泥-生活垃圾混合填埋产气动力学模型，研究结果表明添加污泥有助于加速生活垃圾中有机质的降解，加快产气速率，提高填埋气中甲烷的体积分数，缩短生活垃圾填埋达到稳定所需的时间。但是过多污泥的添加并不能加速混合填埋体的有机物降解速率，在本文设计的不同的污泥添加量中，污泥添加量为30%的混合填埋体的降解速率最快。

(3)本次实验采用的材料为室内人工配置的生活垃圾及风干后降低含水率的污泥，且实验周期仅有270 d左右，为了使该产气规律及模型能够用于实际工程中，还需延长室内降解产气实验的时间以及进行填埋场现场实验，利用长期的室内实验数据和现场原位实验数据对该模型进行修正。

(4)污泥进入生活垃圾填埋场进行处置，改变了生活垃圾原有的生化条件，对其产气速率及最终产气量都会产生一定的影响。现有的生活垃圾填埋场填埋气动力学模型尚未考虑污泥对混合填埋后状况的影响，本文所建立的产气模型较好地弥补了这一不足，可以为污泥-生活垃圾混合填埋场填埋气导排及收集处理系统的设计提供相关的理论支撑。