污泥-生活垃圾混合填埋體降解產氣過程

寧順理，洪思遠，沈世龍，俞演名，李磊

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000;2.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210000)

污泥是污水處理后產生的以有機物為主的泥狀物質，其中的有機物主要為動植物殘渣、微生物及其代謝產物、細菌及其代謝產物。同時重金屬作為無機物成分在污泥中大量富集，若不進行適當處理，很容易造成污染物外泄，對環境產生二次污染。“十三五”期間我國污水排放量達到800億噸/年，污泥產量達到8000萬噸/年[1]。我國污泥處置的主要方式之一為送入垃圾填埋場進行填埋處理，經過填埋處置的污泥約占我國污泥總產量的65%[2]，如在成都長安、深圳下坪、南昌麥園及蘇州七子山等填埋場均對大量污泥進行填埋處置[3]。

將污泥送入垃圾填埋場進行混合填埋，可以大規模、大批量地處置污泥。目前，對污泥-生活垃圾混合填埋的基本物理力學性質和降解產氣規律的研究工作較少，污泥和生活垃圾(municipal solid waste，MSW)混合填埋場的設計、安全評價及運營等缺乏基本參數和理論依據，填埋場的封場工作也存在大量的技術難題。此外，污泥中含有大量的有機物，在微生物的作用下會產生氣體，會導致混合填埋體的孔隙水應力增加以及體積膨脹，引起堆體失穩等工程災害[4]。污泥進入生活垃圾填埋場填埋后，生活垃圾中微生物種群的種類和數量都發生較大改變，對有機質的降解產生明顯影響，導致降解產氣的總量也發生改變。由于污泥-生活垃圾混合填埋體在理化性質上與生活垃圾有著較大的區別，其產氣量、產氣速率以及成分等與生活垃圾不同[5]，生活垃圾產氣研究成果直接應用于污泥-生活垃圾混合填埋體產氣處理會產生較大的偏差。目前關于污泥產氣的研究成果較少，Debra等[6]發現污泥摻入垃圾后，加速了氣體的產生速率。Gülec等[7]將厭氧消化污泥和從填埋場采樣的生活垃圾按一定比例混合后進行填埋柱生化降解實驗，結果表明，當污泥質量為垃圾質量的25%時，有機質生化降解速率最快，污泥的混入會提高填埋氣的產氣速率，并且提高了填埋氣中甲烷的含量。朱英等[8]研究結果表明，化學計量法和動力學模型預測的氣體產生量和產生率更能反映污泥填埋場實際的氣體產生情況。目前國內外有很多種填埋氣的理論產氣量計算模型，主要分為動力學模型和統計模型。其中，動力學模型是根據CH4/CO2的產生機理，從原理上分析和模擬有機質降解的產氣規律，并通過室內實驗模擬計算相關模型參數，主要有Gardner模型[9]和Sheldon Arleta模型[10]等；統計模型有IPCC(intergovernmental panel on climate change)模型、化學計量式模型和COD估算模型[11]等。

為了明確污泥-生活垃圾混合填埋場的產氣過程，在實驗室人工模擬配置生活垃圾，采用室內試驗研究不同污泥添加量條件下污泥-生活垃圾混合填埋體的產氣過程，并采用動力學模型對棄置污泥的累計產氣量和產氣速率進行計算，為污泥-生活垃圾混合填埋場的設計、安全評價及運營等提供一定的參考。

1 實驗設計與方法

1.1 實驗材料

通過對國內外各個地區垃圾填埋場內生活垃圾組分進行統計分析[12-13]，確定適合我國國情的垃圾成分配比，為了控制影響實驗過程的因素，采用類似的材料代替生活垃圾中各種組分，詳見表1。

表1 生活垃圾的組分比例Table 1 Composition of MSW

實驗中污泥取自某市污水處理廠的脫水污泥，其物理指標見表2，指標的測試方法采用CJ/T 221—2005[14]和GB/T 50123—2019[15]的規定。從表2可以看出，相比軟土和淤泥，污泥屬于典型的高含水率、高有機質質量分數的有機廢棄物，且顆粒結構松散，存在較大的孔隙[16-17]。

表2 污泥的基本性質指標Table 2 Basic characteristics of sludge

1.2 制樣與養護

本次實驗中，根據表1的生活垃圾組分表，將廢報紙、廢舊輪胎、包裝袋、紡織品等剪碎至1 cm以下，黏土粉碎。金屬采用鐵絲和銅絲，剪成1 cm的小段。污泥來自污水處理廠，置于玻璃大棚內陰涼處，將取回的新鮮污泥均勻地攤鋪于干凈木板上風干晾曬，含水率降低至60%，將配置好的污泥和生活垃圾放置在塑料容器內，充分混合攪拌均勻后，放置于黑色塑料袋中密封養護1 d后，壓實裝填于產氣反應器內。6個產氣反應器參數設置見表3，其中污泥添加量是指污泥相比垃圾的濕重比。

表3 產氣反應器參數Table 3 Parameters of different gas producers

1.3 實驗裝置與方法

產氣實驗所用的裝置如圖1所示，整個反應器放置于塑料大棚地下室內，地下室內溫度變化較小，溫度基本保持在20～30 ℃。裝置采用排液法(飽和NaHCO3溶液)收集氣體，將集液瓶的瓶口用塑料薄膜包裹(塑料薄膜上預留有細小的排氣孔，防止集液瓶氣壓太大，影響集氣瓶中液體順利排出)，防止溶液蒸發消散。根據氣量間隔5～10 d對收集的氣體成分進行檢測。

圖1 污泥-生活垃圾混合填埋產氣試驗裝置Fig.1 Gas producers of sludge-MSW mixed landfill

本實驗測試項目為污泥-生活垃圾混合填埋的產氣速率、總產氣量以及氣體中甲烷的體積分數。總產氣量用圖1的裝置采用排水法測定，降解產氣中的甲烷含量采用南京科捷-GC5890氣相色譜儀測定。產氣速率為一定時間內產氣量與時間的比值。

本文對6組不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合物填埋進行室內產氣實驗。定期收集降解產氣，研究污泥的添加量對污泥-生活垃圾混合填埋體的生化降解特性的影響，并建立合適的產氣動力學模型，分析生化降解規律。

2 污泥-生活垃圾混合填埋體的產氣規律研究

2.1 累計產氣量分析

將污泥與生活垃圾充分攪拌混合后，裝填進模擬反應器后密封，進行模擬產氣實驗，經過近270 d的產氣收集，純生活垃圾和不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合填埋反應器產氣基本處于穩定降解階段。圖2給出了不同污泥添加量條件下污泥-生活垃圾混合填埋的累計產氣量對比實驗結果。

圖2 污泥添加量和降解時間對污泥-生活垃圾混合填埋體累計產氣量的影響Fig.2 Effect of sludge addition and degradation time on accumulative gas production by sludge-MSW mixed landfill

從圖2可以看出，在裝填后25 d左右，各個反應器才有填埋氣的產生，產氣過程具有明顯的滯后階段。這是由于本次試驗中的生活垃圾是在室內人工配置的，模擬反應器中的生化降解條件以及微生物種群與實際填埋場相差很多，因此本次實驗的降解產氣過程有一個明顯的調整階段。在此階段，微生物大量繁殖，反應器內部的生化降解條件得到調整。由于各個反應器裝填垃圾后沒有采取充氮處理以排除空氣，所以調整階段厭氧微生物群落調整時間較長。

由圖2可以發現累計產氣量與污泥添加量有著明顯的關系，其累計產氣量見表4。由圖2和表4可以發現：隨著污泥添加量的增加，累計產氣量逐漸增大；但是當污泥添加量超過30%后，隨著污泥添加量的增加，累計產氣量反而逐漸減少。

表4 污泥-生活垃圾混合填埋體268 d的累計產氣量Table 4 Total amount of gas produced by sludge-MSW mixed landfill after 268 d

污泥中含有大量的厭氧微生物，向生活垃圾中混入污泥，為混合填埋體引入了大量的微生物[18-19]。在生化降解過程中，產甲烷菌的生長對填埋產氣的總量和產氣速率有至關重要的影響，隨著反應器內的氧氣消耗殆盡，混合填埋體中厭氧菌繁殖迅速、種群優勢十分明顯，有機質降解更加徹底充分，產生大量的填埋氣[18-19]。同時由于污泥中含有大量簡單有機質，為微生物的活動和繁殖提供了所必須的營養物質，使得微生物快速建立種群優勢，提高了有機質降解速率，使填埋氣的產量增長。但是，當污泥添加量繼續增大時，由于污泥含有大量的含氮有機物，導致氨氮濃度過高，氨氮濃度過高會對微生物的活性和繁殖產生相對抑制作用，進而抑制了垃圾的降解和填埋氣的產生，所以當污泥添加量過高時，其累計產氣量反而會逐漸降低。

2.2 產氣速率分析

利用累計產氣量計算不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合填埋的產氣速率隨降解時間的變化，結果如圖3所示。從圖3可以看出，產氣過程具有明顯的滯后階段。隨后各個反應器的產氣速率維持在一個較低的水平，該階段定義為調整階段。調整階段結束后，各個反應器的產氣速率快速增加，可以發現隨著污泥添加量的增加，產氣速率逐漸增大，污泥添加量為30%時，產氣達到峰值時產氣速率超過了300 mL/(kg·d)；污泥添加量進一步增大時，產氣速率卻有減小的趨勢，這與上文中累計產氣量的變化趨勢完全相同。

圖3 污泥添加量對填埋氣產生速率的影響Fig.3 Relationship between sludge addition and the rate of gas production

在產氣速率到達峰值后，反應器內形成厭氧條件，各個反應器的產氣速率逐漸衰減，直到保持穩定狀態；產氣速率也呈現出與累計產氣量相同的變化趨勢，污泥添加量為20%和30%時的產氣速率仍然在100 mL/(kg·d)左右波動，而純垃圾的產氣速率僅有20 mL/(kg·d)左右，污泥添加量50%的產氣速率也僅有50 mL/(kg·d)左右。

此外，各個反應器在裝填之后100 d左右各個反應器的產氣速率才開始快速增大，一般生活垃圾填埋場產氣滯后時間為5～15 d[20]。這說明室內人工配制的生活垃圾填埋產氣的滯后時間比實際填埋場的滯后時間長，這是由于實際進入填埋場的城市生活垃圾的廚余垃圾在進入填埋場之前已經有了一個初步調整階段，在此期間微生物群落大量繁殖以及生化條件發生改變。另外在實驗室人工配置的生活垃圾中用麥麩替代廚余垃圾，與實際填埋場中的廚余垃圾相比，麥麩生化降解相對困難，且垃圾中的微生物以及降解條件與填埋場中的厭氧生化降解條件差別極大。所以，本次實驗中的調整階段周期較長，劉富強等[21]的實驗也得到類似結果。

2.3 產氣成分分析

間隔5～10 d對反應器的產氣成分進行檢測，對各個模擬反應器產氣中的甲烷體積分數隨降解時間變化關系進行繪制，如圖4所示。

圖4 填埋氣CH4體積分數的變化規律Fig.4 CH4 content at different degradation stages

分析圖4可以看出，產氣前期，所有的反應器收集的氣體中均未檢測到CH4的產生，直到80 d左右，各反應器產生的填埋氣中才第一次檢測到CH4。然后隨著時間的推進，各反應器產生的填埋氣中CH4體積分數逐漸升高，添加污泥的反應器的CH4體積分數的增長速度大于純垃圾。污泥與垃圾混合的反應器產生的氣體中，CH4體積分數最高達到45%，而純垃圾的反應器產生的氣體中，CH4體積分數最高為35%。當污泥添加量為30%時，CH4體積分數在130 d左右達到40%以上，進入穩定的產甲烷階段；而污泥添加量小于30%時，CH4體積分數基本在35%以下。隨著污泥添加量的增加，污泥-生活垃圾混合填埋產氣過程的產甲烷階段明顯提前。摻入污泥可使生活垃圾降解進入產甲烷階段的時間提前，提高降解產氣中CH4體積分數，提高了降解產氣的產量，提高了利用填埋氣進行發電等資源化利用率[19]。

3 污泥-生活垃圾混合填埋體的產氣模型研究

將污泥送入垃圾填埋場進行混合填埋，掌握填埋氣的累計產氣量和產氣速率變化規律對垃圾填埋管理具有重要的意義。這二者是確定進入垃圾填埋場的污泥量的最優方案的關鍵指標，也是填埋場設計、運行、評價和檢測的關鍵指標之一。

盡管國內外學者已經建立了大量的產氣模型[9-11]，但由于國內外的生活垃圾特性有很大的差異，且污泥-生活垃圾混合填埋的降解產氣過程與純生活垃圾的降解產氣過程有較大的區別，已有的產氣模型不能很好地描述污泥-生活垃圾混合填埋的產氣過程。因此，有必要針對污泥-生活垃圾混合填埋建立累計產氣量和產氣速率的模型，為污泥-生活垃圾的混合填埋提供技術支持。

通過對圖2～3進行分析，可以將污泥-生活垃圾混合填埋體的產氣過程分為三個階段：調整階段、加速階段和衰減階段，如圖5所示。

(a)產氣速率 (b)累計產氣量圖5 污泥-生活垃圾混合填埋產氣過程示意圖Fig.5 Diagram of gas generation process in the sludge-MSW mixed landfill

(1)調整階段：本次實驗中，25 d左右才開始有填埋氣的產生，降解產氣一直維持在一個很低的水平甚至沒有填埋氣的產生，在本階段產氣速率可以近似等于常數。

(1)

式中：R為單位質量混合填埋試樣的產氣速率，mL/(kg·d)；G為單位質量混合填埋試樣累計產氣量，mL/kg；t為降解時間，d；tn為降解加速階段開始時間，d；k1為常數，mL/(kg·d)。

(2)加速階段：隨著微生物群落大量繁殖以及生化條件的改變，到一定階段，產氣過程進入加速階段。該階段，由于有機質質量分數較高，微生物繁殖迅速，產氣速率迅速增加達到峰值，填埋氣的產氣速率與時間呈線性增長趨勢(圖5)。

(2)

式中：tm為混合填埋試樣產氣速率最大時的降解時間，d；k2為常數，mL/(kg·d2)。

(3)衰減階段：達到產氣高峰后，產氣速率逐步下降，此時填埋氣的產氣潛力和底物濃度呈一級動力學關系：

(3)

式中：C為tm時刻后剩下的混合填埋試樣的產氣潛力，mL/kg；k3為常數，d-1。

由式(3)得：

(4)

整理得，

C=C0e-k3(t-tm)，

(5)

式中：C0為tm時刻混合填埋試樣產氣潛力，mL/kg。因此，在產氣衰減階段產氣量為：

G=C0-C=C0(1-e-k3(t-tm))，

(6)

式中，G為tm時刻單位質量混合填埋試樣的累計產氣量。

對式(6)進行微分：

(7)

由式(1)、(2)和(7)，污泥-生活垃圾的產氣速率模型如下式：

(8)

對式(8)積分得，

(9)

整理得，

(10)

根據模擬反應器的產氣實驗結果，結合污泥-生活垃圾混合填埋的降解原理，建立了污泥-生活垃圾混合填埋產氣模型。該模型考慮了垃圾降解初期“非常明顯”的初始調整階段和加速階段，相對于其他產氣模型，能更加真實地反映填埋氣產生過程，且模型中的參數較少，應用更為簡便。模型參數取值如表5所示。

表5 污泥-生活垃圾混合填埋產氣模型參數值Table 5 Dynamic model parameters of sludge-MSW mixed landfill

對6組模擬反應器的實驗數據進行模擬，得到產氣模型的各個參數。從表5中可以看出，向生活垃圾中混入污泥進行混合填埋，會加速混合填埋體進入產氣穩定期，其中污泥添加量為30%時，有機質降解最充分，累計產氣量最多。模型參數結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，污泥的最佳添加量為30%時，既加快了有機質降解速率，亦縮短了生活垃圾填埋進入穩定階段所需的時間。另外，本次實驗進行270 d時，各個產氣反應瓶的累計產氣量的變化規律與產氣模型擬合的各個產氣反應瓶的累計產氣量G變化規律相似，該模型很好地反映了污泥的混入對生活垃圾生化降解產氣規律的影響。

4 結論

(1)采用室內人工配置的方法對生活垃圾和污水處理廠的污泥按照一定比例進行混合，模擬產氣過程。實驗結果表明，室內人工配置生活垃圾填埋產氣的滯后時間比現實中長，并且有一個明顯的調整階段；然后隨降解時間延長，產氣速率迅速達到峰值，隨后產氣速率逐漸衰減維持在一個較低的水平。

(2)對混合填埋體產氣速率、累計產氣量變化規律進行分析，以及建立污泥-生活垃圾混合填埋產氣動力學模型，研究結果表明添加污泥有助于加速生活垃圾中有機質的降解，加快產氣速率，提高填埋氣中甲烷的體積分數，縮短生活垃圾填埋達到穩定所需的時間。但是過多污泥的添加并不能加速混合填埋體的有機物降解速率，在本文設計的不同的污泥添加量中，污泥添加量為30%的混合填埋體的降解速率最快。

(3)本次實驗采用的材料為室內人工配置的生活垃圾及風干后降低含水率的污泥，且實驗周期僅有270 d左右，為了使該產氣規律及模型能夠用于實際工程中，還需延長室內降解產氣實驗的時間以及進行填埋場現場實驗，利用長期的室內實驗數據和現場原位實驗數據對該模型進行修正。

(4)污泥進入生活垃圾填埋場進行處置，改變了生活垃圾原有的生化條件，對其產氣速率及最終產氣量都會產生一定的影響。現有的生活垃圾填埋場填埋氣動力學模型尚未考慮污泥對混合填埋后狀況的影響，本文所建立的產氣模型較好地彌補了這一不足，可以為污泥-生活垃圾混合填埋場填埋氣導排及收集處理系統的設計提供相關的理論支撐。