温度对好氧生物反应器填埋场稳定化进程的影响
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基金项目： 四川省科技支撑计划资助项目（2011SZ0229）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（SWJTU12CX052，SWJTU11BR055， SWJTU12CX020）
作者简介： 邱忠平（1967-），女，副教授，博士，研究方向为固体废弃物处理与资源化，电话： 028-87600921， E-mail：
文章编号： 0258-2724（2013）03-0574-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.028
摘要：
为研究填埋温度对好氧生物反应器填埋场稳定化进程的影响，通过模拟实验，探讨了渗滤液及填埋垃圾性质随温度变化的趋势.结果表明：在20～40 ℃温度下，随着温度提高，渗滤液化学需氧量和氨氮消减速度越快； 40 ℃条件下，氨氮在56 d达到国家生活垃圾填埋场污染控制标准（GB16889―2008）规定的垃圾填埋场渗滤液氨氮排放浓度限值，比20 ℃时早84 d；温度越高，填埋过程中渗滤液累计产量越少，固相垃圾含水率与总有机碳含量的下降速度越快，垃圾降解越彻底；填埋结束时，填埋场稳定速度较快，垃圾体的沉降性能好，表明较高温度有利于加速填埋场的稳定化进程.
关键词：
好氧生物反应器填埋场；填埋温度；稳定化；生物降解；渗滤液
中图分类号： X172文献标志码： A
好氧生物反应器填埋技术是一种安全快捷的垃圾最终处置技术[1-3].该技术通过曝气与渗滤液回灌等控制因素，为填埋场提供充足的氧气和水分供应，使得场内微生物种群结构良好，生长代谢旺盛，能充分发挥对有机物的生物降解与转化功能.故好氧生物反应器填埋场内的有机垃圾分解彻底，稳定快速，成为近年来国内外学者研究的热点之一[4-9].
填埋温度可直接影响场内微生物的生长代谢与酶促反应速度，影响填埋垃圾的生物降解与沉降，因此，温度是影响好氧生物反应器填埋场稳定化进程的重要因素之一.文献[10-13]的研究表明，在适宜的温度范围内，随着温度的升高，微生物增殖速率加快，理论上，酶促反应速度随温度升高而加快，温度每升高10 ℃，生化反应速率提高近1倍.因此，控制合适的填埋温度，对于保证填埋场中微生物与酶的活性、加速填埋垃圾的生物降解、加快填埋场的稳定化进程具有十分重要的意义.
本文通过模拟实验，研究填埋温度对好氧生物反应器填埋场稳定化进程的影响，以期通过控制填埋温度，加速填埋垃圾的生物降解与转化，为好氧生物反应器填埋场的工程化应用提供一定的工艺参数和技术支撑.
1
实验材料与方法
1.1
实验装置
好氧生物反应器填埋场模拟实验装置主体采用厚度为5 mm、直径为315 mm的聚乙烯管制作，由垃圾填埋柱、渗滤液收集系统、回灌系统、曝气系统与保温系统等组成，其中垃圾填埋柱高1 000 mm，集液器高250 mm，填埋柱的有效容积为73.06 L[6].
垃圾样品取自成都市二环路北一段附近的生活垃圾，剔除其中部分塑料、玻璃、金属、瓦砾等物质，填埋前将大块垃圾破碎到约5 cm左右，混匀以克服尺度效应的影响.垃圾组分的质量分数为：厨余65.0%～68.0%；竹木12.0%～15.0%；纸张5.0%～7.0%；塑料8.0%～10.0%；纺织类1.5%～2.0%；金属类0.5%～1.0%；其他成分1.0%～3.0%.各模拟生物反应器填埋场分别装填垃圾32.0 kg.采用好氧填埋方式，供氧量以MSW理论好氧分解的好氧量为基础，曝气量根据文献[23]确定.反应器温度分别保持在20、25、30、35和40 ℃，当反应器中垃圾体温度低于实验所控制的温度时，温控装置自动对模拟实验装置进行加温至控制温度.实验在实验室内进行，各模拟反应器的编号见表1.
1.2
监测方法
化学需氧量（chemical oxygen demand， COD）和氨氮分别采用重铬酸钾滴定法和纳氏试剂比色法[14]测定；垃圾含水率采用烘干法[15]测定；总有机碳（total organic carbon， TOC）采用砂浴重铬酸钾法[16]测定；总氮（total nitrogen， TN）采用凯式定氮法[17]测定；渗滤液产量和垃圾沉降量采用直接测定法测定.
2
结果
2.1
渗滤液的COD与氨氮
2.1.1COD
COD直接反映填埋垃圾中有机质的生物降解过程与渗滤液的污染强度[4].各反应器所产渗滤液的COD浓度均在填埋初期急剧上升，其后迅速下降，但由于填埋温度的差异，使得COD浓度变化不尽相同，见图1.
2.1.2
氨氮
2.2
渗滤液产量
2.3
固相垃圾理化性质
2.3.1总有机碳（TOC）与总氮（TN）
填埋过程中固相垃圾中TOC和TN是反映垃圾降解过程的重要指标之一，碳氮比（TOC/TN）是评价堆肥化过程垃圾腐熟度的参数[18，21-23]，但由于不同物料的初始和终点TOC/TN值的差异较大，影响了这一参数的广泛应用.本文借鉴评价堆肥腐熟度的指标T值， T=[（终点）TOC/TN]/[（初始）TOC/TN]，将T值作为评价垃圾填埋稳定化的参数[21-22]，各反应器在填埋过程中TOC与T值随时间的变化见图4.
2.3.2含水率
垃圾的含水率对有机垃圾的生物降解有显著影响，可作为表征填埋垃圾中微生物活性的指标之一，填埋过程中垃圾含水率的变化如图5所示.
2.4
固相垃圾的沉降性能
垃圾体的沉降量可从宏观上反映垃圾生物降解的效果与沉降性能，是衡量填埋场稳定程度的重要指标之一.各反应器中垃圾沉降率的变化趋势相似，均于填埋初期快速沉降，其后趋于稳定.如图6所示，在20～40 ℃的范围内，较高的温度可有效加快填埋垃圾的生物降解速度，故填埋温度为40 ℃和35 ℃的反应器，在填埋过程中沉降最快，温度为20 ℃的填埋条件下，填埋垃圾沉降最慢，到填埋结束时，低于35和40 ℃的反应器沉降量，分别低3.8%和4.8%.
3
讨论
（1） 较高温度有利于降低渗滤液的污染负荷.30～40 ℃的填埋温度，有利于垃圾的生物降解，温度越高，渗滤液中COD、氨氮的衰减速度越快；20 ℃的条件下，渗滤液中污染物降解缓慢.在20～40 ℃之间，温度的差异导致各反应器中微生物代谢速率出现差异，如部分纤维素降解菌在高温下迅速增殖，氨化菌与硝化菌的最适生长温度为37～42 ℃，当温度低于15 ℃时，硝化细菌的活性大幅度降低，硝化速度明显下降[13，19].较高温度为场内微生物提供了良好的生长环境，有利于提高场内有机垃圾生物降解与转化多种功能菌的生物量与活性，提高微生物分泌相关水解酶和氧化还原酶的能力[8，11，13]，提高场内生化反应速率，因此，较高的填埋温度可促进污染物的生物降解，改善渗滤液的水质，降低渗滤液的污染负荷.
（2） 较高温度可加速填埋垃圾的生物降解.在20～40 ℃之间，温度越高，填埋前期渗滤液中COD与氨氮浓度升高并达到峰值的时间越短，垃圾TOC下降与垃圾体的沉降速度越快，表明高温有利于提高场内微生物对垃圾中易降解有机物的水解速率.其后由于微生物生长所需的营养成分越来越少，使得COD和氨氮的浓度急剧下降，填埋垃圾的沉降与TOC的下降速率也趋于缓慢.温度越高，有机垃圾的生物降解速度越快，至填埋结束时，填埋温度为40 ℃的填埋垃圾TOC与T值比20 ℃低15.7%和13.0%，沉降量增加4.8%.表明高温促进了垃圾中易降解和难降解有机物的生物降解，并使其降解更为彻底[4]，提高了垃圾体的沉降性能，对于加速填埋场的稳定化进程具有积极作用.
（3） 温度影响渗滤液的产量与垃圾的含水率.不同温度下，填埋场所产渗滤液量与垃圾含水率变化的差异，主要源于垃圾的持水能力、填埋场生化反应以及曝气所致水分蒸发量的差异.填埋初期，由于高温提高了微生物与酶的活性，加速了酶促反应的过程，使得垃圾中易降解物质快速降解，场内生化反应速度加快，剧烈的生化反应又使得填埋场中温度进一步升高，导致填埋体系中水分蒸发速度加快.在40 ℃的条件下，渗滤液量的峰值的时间最短但并非最大，但渗滤液产量下降速度最快，整个填埋周期累计渗滤液产量最低，垃圾含水率快速下降， 42 d以后就基本上维持在50%左右；其他温度条件下垃圾中含水率下降速度均较之慢，在20～25 ℃之间，由于场内微生物生长繁殖能力较弱，垃圾降解速度缓慢，渗透性能较差，持水能力强，水分蒸发量小，故含水率下降最慢，填埋过程中累计渗滤液产量也最多.表明在20～40 ℃的温度范围内，较高温度有利于降低填埋场渗滤液产量.
4
结论
（1） 20～40 ℃之间，温度越高，渗滤液COD和氨氮消减速度也越快，40 ℃的反应器所产渗滤液的COD浓度于第7天达到68 000 mg/L，其后急剧下降并维持在较低水平，20 ℃时至填埋后期COD仍处于较高的水平， 40 ℃时的氨氮在56 d就能达标排放，较20 ℃早84 d.
（2） 温度为20～25 ℃的条件下，填埋过程中垃圾渗滤液累计产量高，至填埋后期一直处于较高水平，渗滤液累计产量分别较40 ℃时高48.8%和48.3%.较高温度可有效降低渗滤液的产量，减轻填埋场渗滤液处理的压力.
（3） 填埋温度越高，固相垃圾含水率与TOC含量下降的越快.填埋结束时， 40 ℃条件下垃圾的含水率与TOC值分别较20～25 ℃低16.0%～21.1%和6.6%～15.7%； 30～40 ℃时， 56 d时的T值低于0.6，比20～25 ℃早30 d，至填埋结束时， 40 ℃较20 ℃时T值低13.0%；温度越高，填埋垃圾的沉降性能越好，沉降速度越慢，至填埋结束时， 20 ℃的条件下填埋垃圾沉降量低于35 ℃和40 ℃的垃圾沉降量，分别低3.8%和4.8%.
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