渗滤液回流对垃圾填埋场加速稳定化的影响研究

王 琪^* 董 路 黄启飞 薛咏海
( 中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所，北京 100012 )

　　摘要：垃圾填埋场中有机物的分解速度是制约垃圾填埋场稳定的关键因素。加快垃圾填埋场中有机物的分解是控制垃圾填埋场污染的重要手段。本文通过实验证明，垃圾渗滤液的回流对于加速垃圾填埋场中有机物的分解有着明显的效果。但是在厌氧条件下，渗滤液的回流不能降低渗滤液中氨氮浓度，甚至增加氨氮的浓度；在厌氧条件下渗滤液的回流对于填埋场的结构稳定没有明显的效果。因此在厌氧条件下渗滤液回流对垃圾填埋场的稳定效果是有限的。通过工程措施在填埋层中扩大好氧区域对于加速填埋场稳定有着明显的效果。
　　关键词：垃圾；填埋；渗滤液；回流；稳定

Research on Effect of Leachate Recirculation on Stabilizing of MSW Landfills
WANG Qi*, DONG Lu, HUANG Qi-fei, XUE Yong-hai
(Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

Abstract: The rate of organic decomposition in municipal solid wastes (MSW) landfill site is key factor in stabilization of landfill site. Accelerating organic decomposition in landfill site is an important method of controlling pollution of landfilling. In our experiment it was found that the leachate recirculation could accelerate organic decomposition obviously. But in anaerobic condition, the recirculation of leachate could not play down NH₃-N concentration of leachate. Indeed it could increase NH₃-N concentration. In the experiment, it was found that the effect of anaerobic recirculation of leachate on stabilization of landfilling was limited. And enlarging aerobic area in landfilling layer by engineering measure could accelerate stabilization of landfilling obviously.
Key words: MSW, landfill, leachate, recirculating, stabilization

　　生活垃圾中含有大量有机质。由于独特的生活习惯和经济发展水平，中国的城市生活垃圾中所含的有机质较高，其中厨余物的含量在50%以上^[1]。如果包括草木和废纸等可腐物，则可腐物的含量可以达到60～70%。目前在我国无论什么区域，生活垃圾中可腐类废物都是占大多数^[1]。
　　目前在中国，垃圾的直接填埋是垃圾处理的主要方式^[2]。当这些垃圾进入垃圾填埋场后，由于微生物的作用，可腐类废物中的有机物被分解。在分解过程中，会产生大量的污染释放物，特别是高浓度有机污水——垃圾渗滤液。这些释放物会对环境造成巨大的压力^[3]。同时垃圾中有机物的分解造成垃圾填埋场长时间的不稳定，而在这一不稳定期间内垃圾填埋场无法进行土地的再开发利用，从而减少填埋场的土地利用价值。因此加快有机物的分解，尽快使垃圾填埋场达到稳定，是垃圾填埋场污染控制的重要手段^[4]。
　　一般加快填埋场稳定所采取的主要方式包括渗滤液回流、在填埋层中创造并扩大好氧区域等^[4]。本文通过实验探讨了不同方式对垃圾填埋场稳定化的影响程度。实验表明，在厌氧条件下高浓度渗滤液回流对垃圾填埋场稳定的影响并不明显，比较而言填埋场中好氧区域的存在对垃圾填埋场稳定的影响更强。在准好氧条件下采用渗滤液的回流可以最大程度地加速垃圾填埋场的稳定和减少渗滤液对环境的威胁。

1 实验条件

1.1 实验设备
　　本实验采用两套实验柱进行。其中小型实验柱C为直径0.2m，有效高度1.0m的玻璃柱。C装置共有4只实验柱，分别为C1、C2、C3、C4柱。中型实验柱A为直径0.6m，有效高度3.0m的有机玻璃柱。A装置也有4只实验柱，分别为A1、A2、A3、A4柱。填埋柱的材料可以保证在整个实验过程中不会与实验样品发生反应。
　　由于四季的变化和垃圾填埋层中微生物活性的影响，在实际的气候变化中垃圾填埋的稳定时间非常长。为了加快实验的进度，本实验的C柱实验在恒温恒湿箱中进行。恒温恒湿箱内部空间尺寸为1650（L）×1650（W）×2200（H）mm；恒温范围为0～40℃±5℃，恒湿范围30～90%RH±15%。实验中采用的湿度为50%，温度为25℃。
　　C柱采用两种填埋构造，同时采用不同的渗滤液回流工艺。表1为C柱的实验条件。
　　A柱根据C柱实验结果，采用两种填埋构造，并分别采用渗滤液回流与不回流的工艺。表2为A柱的实验条件。在实验后期，为验证空气流通的效果和排气管道的通气效果，分别在A1柱和A4柱中安装蛇形导渗导气竖管。竖管长度5m，直径35mm；竖管管壁打孔，孔径3～4mm，孔间距30mm。竖管内填充砾石，砾石粒径10～20mm。

表1 C柱实验条件
Table 1 Experimental conditions in simulation columns of Group C

表2 A柱实验条件
Table 2 Experimental conditions in simulation columns of Group A

1.2 实验样品
　　在整个实验过程中，采用了两种实验样品。由于C柱结构尺寸较小，为保证实验的稳定性和均匀性，采用了半人工配置的垃圾，即用中国环境科学研究院食堂垃圾配入部分废塑料、废纸、废金属、草木树枝等。样品均破碎至1cm见方。样品配置参照北京市垃圾成分调制，其组成比例见表3。表4为C柱实验样品的特性分析值。
　　A柱实验采用北京市清洁车辆四场收集的朝阳区城市生活垃圾。垃圾组成见表5。表6为A柱实验垃圾样品的特性。

表格3 C柱垃圾实验样品组成成分（重量 百分比）
Table 3 Composition of garbage sample used in the experiments of Group C (%)

表格4 C柱垃圾实验样品特性（平均）
Table 4 Garbage properties in experiments of Group C (average)

表5 A柱垃圾实验样品组成成分（重量 百分比）
Table 5 Composition of garbage sample used in the experiments of Group A (%)

表格6 A柱垃圾实验样品特性（平均）
Table 6 Garbage properties in experiments of Group A (average)

1.3 分析方法
　　本次实验主要进行了渗滤液中pH值、COD、BOD₅、NH₃-N和垃圾（固体）样品的水分、挥发分、灰分、有机物含量以及垃圾组分等项目的测定。分析方法分别采用相应的国家标准和行业标准^[5]。

2 实验结果

2.1 C柱实验渗滤液变化
　　图1所示为C柱实验过程中渗滤液中COD浓度变化曲线。从图中可以看出，在实验的前期，进行渗滤液回流的C3柱产生的渗滤液COD浓度变化与回流清水的C1柱、无回流的C4柱产生的渗滤液COD浓度变化基本一致。从实验的第21周开始，三个实验柱的渗滤液水质变化出现不同，C3柱渗滤液COD浓度的下降速度明显加快，而C1柱渗滤液COD浓度的下降速度却相对缓慢。
　　C4柱渗滤液COD浓度的下降速度也较快。实际上这是由于没有外界水分进入填埋柱，渗滤液产生量极少，COD测定结果难以代表填埋层中实际渗滤液有机物浓度。在实验的第50周向C4柱中注入清水，则产生的渗滤液COD浓度为35000mg/L。而这时C1、C2、C3柱产生的渗滤液中COD浓度分别为905、739和3203mg/L。这说明如果填埋层中水分不充足，其中的有机物就无法充分降解，当有外界水分进入时，未分解完全的有机物大量溶入水中，从而产生含高浓度有机物的渗滤液。
　　渗滤液回流对于渗滤液稳定时间的影响是明显的。C1柱渗滤液水质变化在第41周开始平缓，在60周达到最低点；C3柱在第27周开始平缓，在33周达到最低点。也就是说渗滤液回流可以使渗滤液水质在最短的时间里达到稳定。但是在达到稳定后，C1、C3柱渗滤液中NH₃-N浓度较高，特别是C3柱达到3100 mg/L（见表7^[6]）。这主要是由于渗滤液的回流使NH₃-N在填埋层中积累造成其浓度增高。
　　C2柱在整个实验中的效果明显。其渗滤液COD浓度下降最快。在第20周，C2柱出水水质变化趋于平缓，但是在以后的30周内渗滤液水质仍然继续发生变化，直至第52周达到最低点；这时，与其他柱渗滤液相比C2柱渗滤液COD和NH₃-N浓度最低。

图1 C柱实验渗滤液水质变化
Fig. 1 COD concentration of leachate as a function of time from Group C

表7 C柱各填埋模拟柱填埋初期与稳定期渗滤液水质
Table7 Leachate quality and stabilization time of Group C

2.2 A柱实验渗滤液变化
　　图2所示为A柱渗滤液COD浓度变化曲线^[7]。与C柱实验相比，A柱实验更接近实际情况。而且对准好氧填埋构造实验柱也分别进行了渗滤液回流的对比实验。实验表明，进行渗滤液回流的实验柱产生的渗滤液COD浓度下降速度均比相应的实验柱要快。但是在图3所示的A柱渗滤液NH₃-N浓度变化显示，在同样的时间内NH₃-N浓度却没有明显变化。
　　为加强A1柱和A2柱的空气流通效果，在实验的91周对这两个实验柱结构进行了改造，加入了蛇形导渗导气竖管^[4]。实际上，结构改造后对渗滤液水质的影响是决定性的，这从图2和图3中可以看出。当A1柱和A2柱结构改造后，渗滤液COD浓度均大幅度下降。特别需要说明的是，渗滤液中氨氮的变化行为受结构改造的影响最大。在改造之前，即使A1柱渗滤液出现COD浓度大幅度下降，氨氮浓度仍然非常高。但是在结构改造后，A1柱和A4柱渗滤液氨氮浓度均大幅度下降。
　　与此相反，A2和A3柱渗滤液NH₃-N浓度在实验的两年内基本没有大的变化，甚至在后期还有升高的趋势。因此可以看出，渗滤液回流对渗滤液NH₃-N浓度变化的影响不是很大。
2.3 C柱拆柱实验
　　在2001年8月对已经进行了4年实验的C柱进行了拆柱。拆柱后对柱内残存垃圾进行了各项分析，

图2 A柱实验渗滤液COD浓度变化
Fig. 2 COD concentration of leachate as a function of time from Group A

图3 A柱渗滤液氨氮变化曲线
Fig. 3 NH₃-N concentration of leachate as a function of time from Group A

　　表8是拆柱后的实验分析结果^[7]。在厌氧构造实验数据中出现奇怪现象，即没有进行渗滤液回流也没有模拟降水的C4柱的物料和有机物的降低率高于进行了渗滤液回流、微生物分解活性应该强于C4柱的C1和C3柱。其中的原因尚不清楚，可能是分析或操作误差造成的。而比较C1和C3柱数据，一直进行渗滤液回流的C3柱有机物分解率低于回流清水的C1柱。这说明在厌氧条件下渗滤液回流对垃圾填埋场中有机物的分解并没有明显的影响。
　　C2柱数据却以非常明显的优势表明在垃圾填埋过程中空气流通对加速稳定的作用，即通过工程手段造成填埋层中的好氧区域，将会大大加快填埋场的稳定速度，进而减小填埋场对环境的风险压力。

3 讨论

3.1 渗滤液回流对有机物降解的影响程度
　　从实验结果可以看出，渗滤液回流可以加快有机物的降解，可以使渗滤液COD浓度较快地下降。但是渗滤液回流对于渗滤液中NH₃-N浓度变化的影响并不明显，而且由于积累作用有可能造成NH₃-N浓度升高。在厌氧条件下渗滤液回流不能使渗滤液NH₃-N浓度下降，这在两组实验中都得到明确结论。这是因为在厌氧条件下微生物不能进行NH₃-N的硝化反应，所以NH₃-N不能被分解^[8]。因此，在厌氧条件下渗滤液回流对NH₃-N的去除没有任何作用。相反，由于渗滤液回流造成NH₃-N的积累，会使NH₃-N浓度升高；再加上其他生物代谢反应产物的积累，有可能抑制微生物的活性，降低生物分解的效应。

表8 C柱拆柱实验数据
Table 8 Data of survey on disassembling experiment of Group C

　　因此在厌氧条件下，渗滤液回流对于加快渗滤液水质稳定的效果是有限的。
3.2 渗滤液回流对填埋场结构稳定的影响
　　在C柱的拆柱实验数据（见表9）中可以看出，C1柱的物料沉降高度要大于C3柱，而且C1柱的物料重量降低度和有机物重量降低度也都要大于C3柱。这一实验结果与渗滤液回流可以促进有机物分解的论断是完全不同的。
　　造成这一现象的原因可能有以下几点：
　　① 渗滤液回流在填埋早期可以加快填埋场中微生物的生物量，使得微生物分解有机物的能力加大。但是这一效应是有限的，在微生物量增加到一定程度后分解有机物的能力不会随微生物量的增加而加大。相反，由于渗滤液回流造成NH₃-N以及其他代谢产物的积累而抑制微生物的活性，造成有机物分解速度的下降。而回流清水可以带走一部分代谢产物，可以促进微生物的活性；
　　② 高浓度渗滤液回流实际是增加了填埋场内有机物量。在厌氧条件下微生物分解有机物的能力有限，有机物的增多加重了生物分解的负担，使得有机物分解率下降。而回流清水可以带走大量的可溶解有机物，造成了填埋场中有机物的下降；
　　③ 长时间实验过程中产生的实验误差。
　　造成这种现象的具体原因需要在进一步的实验中确认。但是与C2柱实验数据相比较至少可以说明，在厌氧条件下渗滤液回流对于填埋场结构稳定性没有明显的效果。
3.3 填埋构造对填埋场稳定的影响
　　实验表明，无论是否采用渗滤液回流，采用准好氧填埋构造的有机物分解率、渗滤液COD浓度和NH₃-N浓度的下降速度都比厌氧构造的实验结果要好。而在准好氧构造条件下渗滤液回流可以大大降低其中有机物的浓度（包括NH₃-N浓度），可以起到渗滤液处理器的作用。
　　在A柱实验过程中，为增加填埋柱内空气流通的效果，为A1柱和A4柱安装了导气竖管。从图2和图3中可以看出，导气竖管的安装对于垃圾填埋的稳定起着关键作用。对于A1柱，在安装导气竖管之前渗滤液COD浓度已经大幅度下降，但是渗滤液NH₃-N浓度却没有发生明显的变化。与填埋初期相比，第90周时（安装导气竖管前）渗滤液COD已经下降了95%，而渗滤液NH₃-N 只下降了49%。在填埋初期，渗滤液COD：NH₃-N（浓度比）为100：3.5，而在此时这一比值变为100：35。出现这一现象的主要原因是由于在A1柱内大部分区域是厌氧区域。在A1柱底部和顶部，虽然垃圾层与大气接触，但是空气渗入影响区域不能包括所有的垃圾。C柱实验中的C2柱实验数据表明，当垃圾层厚度低于一定值时，虽然实验柱内没有导气竖管，渗滤液NH₃-N浓度依然会在很短的时间内大幅度降低（见表7）。这说明填埋场作业面的暴露对于垃圾填埋层有机物的降解有促进作用，但是作用是有限的，因为空气的渗透厚度是有限的。由于好氧区域有限，氨氮的硝化效应有限，氨氮的分解率低；同时渗滤液回流造成氨氮的积累。所以造成了安装导气竖管之前渗滤液NH₃-N浓度高。
　　A4柱渗滤液COD和NH₃-N浓度在安装导气竖管之前没有出现大幅度下降的现象。与填埋初期相比，第90周时（安装导气竖管前）渗滤液COD仅下降了21%，而渗滤液NH₃-N 也仅下降了29%；但是渗滤液COD：NH₃-N（浓度比）却由100：3.5变为100：3.1。这是由于没有渗滤液回流，没有微生物的接种效应。而由于空气的渗透厚度有限，填埋层中大部分区域处于厌氧状态，微生物的繁殖速度和有机物的分解速度都很低。但是由于存在好氧区域和微氧区域，可以部分完成氨氮的硝化和反硝化，使得氨氮浓度的降低率大于COD的降低率。
　　在安装导气竖管后，由于导气竖管的作用，在填埋层中大大扩大了好氧区域，使得好氧菌成为优势菌种。而好氧菌的有机物分解速度要大大高于厌氧分解。与安装导气竖管前的第90周相比，安装后的第92周渗滤液COD浓度下降了62.3%, NH₃-N浓度下降了58.8%。
　　由以上分析可以看出，相对于渗滤液回流，填埋场结构的好氧改造对氨氮的去除更有效。当安装导气竖管后，在导气竖管周围形成好氧区域；在好氧区域和厌氧区域之间会有一个含氧量逐渐减少的过度区，即存在着含氧量较低的微氧区域。由于垃圾层密度不均匀和孔隙率的不均匀，使得这些区域的厚度不均匀。因此当渗滤液在填埋层内迁移过程中，不断交替穿过好氧、微氧区和厌氧区域，完成硝化和反硝化反应，达到脱氮的目的。

4 结论

　　(1) 在垃圾填埋场中，渗滤液的回流对于垃圾场中有机物的降解有着明显的促进效果，可以大幅度降低渗滤液中有机物浓度。但是在厌氧条件下，渗滤液回流没有明显的脱氮效果，甚至造成渗滤液含氮量增高；同时实验数据表明，在厌氧条件下渗滤液回流对填埋场的结构稳定没有明显的效果。因此，在厌氧条件下渗滤液回流对填埋场稳定作用是有限的。
　　(2) 准好氧填埋构造可以有效地加快填埋场中有机物的分解。但是如果没有有效的空气流通渠道，垃圾填埋层中好氧区域太小，不能完全发挥其功效；而正确、恰当地安装导气竖管可以使空气在填埋层中顺畅流动，形成较大的好氧区域，使渗滤液可以在厌氧、微氧和好氧区域之间流动，顺利完成有机物的分解和含氮有机物的氨化、亚硝化、硝化和反硝化的整个脱氮过程，促进垃圾填埋场的稳定化和有效地控制垃圾填埋场的污染。因此，导气竖管的安装是发挥准好氧填埋效果的关键因素。
　　(3) 鉴于在厌氧条件下渗滤液回流对填埋场稳定的效果有限，同时考虑到中国目前大多为厌氧填埋，所以应该寻找新的填埋工艺。首先可以在填埋场中设置与渗滤液集水管连通的排气管，创造好氧区域。这种改造的效果已在实验中得到验证（见图2和图4）。下一步需要进行改造工艺和方法研究。其次考虑到完全厌氧环境无法完成NH₃-N的硝化反应，造成渗滤液NH₃-N的积累，从而使渗滤液NH₃-N浓度升高。所以设想在渗滤液循环过程中增加渗滤液曝气的过程，使之完成NH₃-N的硝化反应，从而可以彻底分解NH₃-N，解决渗滤液回流造成NH₃-N浓度高的问题。目前我们正在进行这一回流工艺的实验研究。

参考文献：

[1] 国家环境保护总局污染控制司. 城市固体废物管理与处理处置技术. 北京：中国石化出版社，2000.
[2] 建设部综合财务司. 2003年中国城市建设统计年. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
[3] Zhou Beihai, Wang Qi and Dong Lu. Component Variation and Its Analysis of Emission from MSW Landfill, in Modern Landfill Technology and Management (Proceeding of the Asian Pacific Symposium). Edited by Masataka Hanashima, JSWME, October, 2000.
[4] Wang Qi, Matsufiji Yasushi and Yamamoto Takeshi. The Function And Effect of the Gas Vent-Pipe on Pollution Control of Msw Lanfill Site. Proceedings of Sardinia 2003 (Ninth International Waste Management and Landfill Symposium), October 2003, Environmental Sanitary Engineering Centre, Italy.
[5] 魏复盛. 水和废水监测分析方法. 北京：中国环境科学出版社，2002.
[6] 王琪等. 废物填埋场渗滤液回流技术研究.环境科学研究. 2000, 13(3):1～5.
[7] Wang Qi, Matsufiji Yasushi and Hirano Fumiaki. Effect of Leachate Recirculation on Stabilizing of Landfills, in Landfill Technology and Management for Sustainable Society (Proceedings of the 3^rd Asian Pacific Landfill Symposium). Edited by Masataka Hanashima, JSWME, October, 2004.
[8] 张自杰. 排水工程. 北京：中国建筑工业出版社，1999.

基金项目: 国家863高科技研究发展项目(2001AA644010)

作者简介: 王琪(1957～), 男，研究员，所长，固体废物污染控制首席科学家，主要研究方向为固体废物管理和处理处置技术。

*通讯作者：E-mail:[email protected]