王 琪^* 董 路 黃啟飛 薛詠海
( 中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所，北京 100012 )

　　摘要：垃圾填埋場中有機物的分解速度是制約垃圾填埋場穩定的關鍵因素。加快垃圾填埋場中有機物的分解是控制垃圾填埋場污染的重要手段。本文通過實驗證明，垃圾滲濾液的回流對于加速垃圾填埋場中有機物的分解有著明顯的效果。但是在厭氧條件下，滲濾液的回流不能降低滲濾液中氨氮濃度，甚至增加氨氮的濃度；在厭氧條件下滲濾液的回流對于填埋場的結構穩定沒有明顯的效果。因此在厭氧條件下滲濾液回流對垃圾填埋場的穩定效果是有限的。通過工程措施在填埋層中擴大好氧區域對于加速填埋場穩定有著明顯的效果。
　　關鍵詞：垃圾；填埋；滲濾液；回流；穩定

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機質。由于獨特的生活習慣和經濟發展水平，中國的城市生活垃圾中所含的有機質較高，其中廚余物的含量在50%以上^[1]。如果包括草木和廢紙等可腐物，則可腐物的含量可以達到60～70%。目前在我國無論什么區域，生活垃圾中可腐類廢物都是占大多數^[1]。
　　目前在中國，垃圾的直接填埋是垃圾處理的主要方式^[2]。當這些垃圾進入垃圾填埋場后，由于微生物的作用，可腐類廢物中的有機物被分解。在分解過程中，會產生大量的污染釋放物，特別是高濃度有機污水——垃圾滲濾液。這些釋放物會對環境造成巨大的壓力^[3]。同時垃圾中有機物的分解造成垃圾填埋場長時間的不穩定，而在這一不穩定期間內垃圾填埋場無法進行土地的再開發利用，從而減少填埋場的土地利用價值。因此加快有機物的分解，盡快使垃圾填埋場達到穩定，是垃圾填埋場污染控制的重要手段^[4]。
　　一般加快填埋場穩定所采取的主要方式包括滲濾液回流、在填埋層中創造并擴大好氧區域等^[4]。本文通過實驗探討了不同方式對垃圾填埋場穩定化的影響程度。實驗表明，在厭氧條件下高濃度滲濾液回流對垃圾填埋場穩定的影響并不明顯，比較而言填埋場中好氧區域的存在對垃圾填埋場穩定的影響更強。在準好氧條件下采用滲濾液的回流可以最大程度地加速垃圾填埋場的穩定和減少滲濾液對環境的威脅。

1 實驗條件

1.1 實驗設備
　　本實驗采用兩套實驗柱進行。其中小型實驗柱C為直徑0.2m，有效高度1.0m的玻璃柱。C裝置共有4只實驗柱，分別為C1、C2、C3、C4柱。中型實驗柱A為直徑0.6m，有效高度3.0m的有機玻璃柱。A裝置也有4只實驗柱，分別為A1、A2、A3、A4柱。填埋柱的材料可以保證在整個實驗過程中不會與實驗樣品發生反應。
　　由于四季的變化和垃圾填埋層中微生物活性的影響，在實際的氣候變化中垃圾填埋的穩定時間非常長。為了加快實驗的進度，本實驗的C柱實驗在恒溫恒濕箱中進行。恒溫恒濕箱內部空間尺寸為1650（L）×1650（W）×2200（H）mm；恒溫范圍為0～40℃±5℃，恒濕范圍30～90%RH±15%。實驗中采用的濕度為50%，溫度為25℃。
　　C柱采用兩種填埋構造，同時采用不同的滲濾液回流工藝。表1為C柱的實驗條件。
　　A柱根據C柱實驗結果，采用兩種填埋構造，并分別采用滲濾液回流與不回流的工藝。表2為A柱的實驗條件。在實驗后期，為驗證空氣流通的效果和排氣管道的通氣效果，分別在A1柱和A4柱中安裝蛇形導滲導氣豎管。豎管長度5m，直徑35mm；豎管管壁打孔，孔徑3～4mm，孔間距30mm。豎管內填充礫石，礫石粒徑10～20mm。

表1 C柱實驗條件
Table 1 Experimental conditions in simulation columns of Group C

表2 A柱實驗條件
Table 2 Experimental conditions in simulation columns of Group A

1.2 實驗樣品
　　在整個實驗過程中，采用了兩種實驗樣品。由于C柱結構尺寸較小，為保證實驗的穩定性和均勻性，采用了半人工配置的垃圾，即用中國環境科學研究院食堂垃圾配入部分廢塑料、廢紙、廢金屬、草木樹枝等。樣品均破碎至1cm見方。樣品配置參照北京市垃圾成分調制，其組成比例見表3。表4為C柱實驗樣品的特性分析值。
　　A柱實驗采用北京市清潔車輛四場收集的朝陽區城市生活垃圾。垃圾組成見表5。表6為A柱實驗垃圾樣品的特性。

表格3 C柱垃圾實驗樣品組成成分（重量 百分比）
Table 3 Composition of garbage sample used in the experiments of Group C (%)

表格4 C柱垃圾實驗樣品特性（平均）
Table 4 Garbage properties in experiments of Group C (average)

表5 A柱垃圾實驗樣品組成成分（重量 百分比）
Table 5 Composition of garbage sample used in the experiments of Group A (%)

表格6 A柱垃圾實驗樣品特性（平均）
Table 6 Garbage properties in experiments of Group A (average)

1.3 分析方法
　　本次實驗主要進行了滲濾液中pH值、COD、BOD₅、NH₃-N和垃圾（固體）樣品的水分、揮發分、灰分、有機物含量以及垃圾組分等項目的測定。分析方法分別采用相應的國家標準和行業標準^[5]。

2 實驗結果

2.1 C柱實驗滲濾液變化
　　圖1所示為C柱實驗過程中滲濾液中COD濃度變化曲線。從圖中可以看出，在實驗的前期，進行滲濾液回流的C3柱產生的滲濾液COD濃度變化與回流清水的C1柱、無回流的C4柱產生的滲濾液COD濃度變化基本一致。從實驗的第21周開始，三個實驗柱的滲濾液水質變化出現不同，C3柱滲濾液COD濃度的下降速度明顯加快，而C1柱滲濾液COD濃度的下降速度卻相對緩慢。
　　C4柱滲濾液COD濃度的下降速度也較快。實際上這是由于沒有外界水分進入填埋柱，滲濾液產生量極少，COD測定結果難以代表填埋層中實際滲濾液有機物濃度。在實驗的第50周向C4柱中注入清水，則產生的滲濾液COD濃度為35000mg/L。而這時C1、C2、C3柱產生的滲濾液中COD濃度分別為905、739和3203mg/L。這說明如果填埋層中水分不充足，其中的有機物就無法充分降解，當有外界水分進入時，未分解完全的有機物大量溶入水中，從而產生含高濃度有機物的滲濾液。
　　滲濾液回流對于滲濾液穩定時間的影響是明顯的。C1柱滲濾液水質變化在第41周開始平緩，在60周達到最低點；C3柱在第27周開始平緩，在33周達到最低點。也就是說滲濾液回流可以使滲濾液水質在最短的時間里達到穩定。但是在達到穩定后，C1、C3柱滲濾液中NH₃-N濃度較高，特別是C3柱達到3100 mg/L（見表7^[6]）。這主要是由于滲濾液的回流使NH₃-N在填埋層中積累造成其濃度增高。
　　C2柱在整個實驗中的效果明顯。其滲濾液COD濃度下降最快。在第20周，C2柱出水水質變化趨于平緩，但是在以后的30周內滲濾液水質仍然繼續發生變化，直至第52周達到最低點；這時，與其他柱滲濾液相比C2柱滲濾液COD和NH₃-N濃度最低。

圖1 C柱實驗滲濾液水質變化
Fig. 1 COD concentration of leachate as a function of time from Group C

表7 C柱各填埋模擬柱填埋初期與穩定期滲濾液水質
Table7 Leachate quality and stabilization time of Group C

2.2 A柱實驗滲濾液變化
　　圖2所示為A柱滲濾液COD濃度變化曲線^[7]。與C柱實驗相比，A柱實驗更接近實際情況。而且對準好氧填埋構造實驗柱也分別進行了滲濾液回流的對比實驗。實驗表明，進行滲濾液回流的實驗柱產生的滲濾液COD濃度下降速度均比相應的實驗柱要快。但是在圖3所示的A柱滲濾液NH₃-N濃度變化顯示，在同樣的時間內NH₃-N濃度卻沒有明顯變化。
　　為加強A1柱和A2柱的空氣流通效果，在實驗的91周對這兩個實驗柱結構進行了改造，加入了蛇形導滲導氣豎管^[4]。實際上，結構改造后對滲濾液水質的影響是決定性的，這從圖2和圖3中可以看出。當A1柱和A2柱結構改造后，滲濾液COD濃度均大幅度下降。特別需要說明的是，滲濾液中氨氮的變化行為受結構改造的影響最大。在改造之前，即使A1柱滲濾液出現COD濃度大幅度下降，氨氮濃度仍然非常高。但是在結構改造后，A1柱和A4柱滲濾液氨氮濃度均大幅度下降。
　　與此相反，A2和A3柱滲濾液NH₃-N濃度在實驗的兩年內基本沒有大的變化，甚至在后期還有升高的趨勢。因此可以看出，滲濾液回流對滲濾液NH₃-N濃度變化的影響不是很大。
2.3 C柱拆柱實驗
　　在2001年8月對已經進行了4年實驗的C柱進行了拆柱。拆柱后對柱內殘存垃圾進行了各項分析，

圖2 A柱實驗滲濾液COD濃度變化
Fig. 2 COD concentration of leachate as a function of time from Group A

圖3 A柱滲濾液氨氮變化曲線
Fig. 3 NH₃-N concentration of leachate as a function of time from Group A

　　表8是拆柱后的實驗分析結果^[7]。在厭氧構造實驗數據中出現奇怪現象，即沒有進行滲濾液回流也沒有模擬降水的C4柱的物料和有機物的降低率高于進行了滲濾液回流、微生物分解活性應該強于C4柱的C1和C3柱。其中的原因尚不清楚，可能是分析或操作誤差造成的。而比較C1和C3柱數據，一直進行滲濾液回流的C3柱有機物分解率低于回流清水的C1柱。這說明在厭氧條件下滲濾液回流對垃圾填埋場中有機物的分解并沒有明顯的影響。
　　C2柱數據卻以非常明顯的優勢表明在垃圾填埋過程中空氣流通對加速穩定的作用，即通過工程手段造成填埋層中的好氧區域，將會大大加快填埋場的穩定速度，進而減小填埋場對環境的風險壓力。

3 討論

3.1 滲濾液回流對有機物降解的影響程度
　　從實驗結果可以看出，滲濾液回流可以加快有機物的降解，可以使滲濾液COD濃度較快地下降。但是滲濾液回流對于滲濾液中NH₃-N濃度變化的影響并不明顯，而且由于積累作用有可能造成NH₃-N濃度升高。在厭氧條件下滲濾液回流不能使滲濾液NH₃-N濃度下降，這在兩組實驗中都得到明確結論。這是因為在厭氧條件下微生物不能進行NH₃-N的硝化反應，所以NH₃-N不能被分解^[8]。因此，在厭氧條件下滲濾液回流對NH₃-N的去除沒有任何作用。相反，由于滲濾液回流造成NH₃-N的積累，會使NH₃-N濃度升高；再加上其他生物代謝反應產物的積累，有可能抑制微生物的活性，降低生物分解的效應。

表8 C柱拆柱實驗數據
Table 8 Data of survey on disassembling experiment of Group C

　　因此在厭氧條件下，滲濾液回流對于加快滲濾液水質穩定的效果是有限的。
3.2 滲濾液回流對填埋場結構穩定的影響
　　在C柱的拆柱實驗數據（見表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機物重量降低度也都要大于C3柱。這一實驗結果與滲濾液回流可以促進有機物分解的論斷是完全不同的。
　　造成這一現象的原因可能有以下幾點：
　　① 滲濾液回流在填埋早期可以加快填埋場中微生物的生物量，使得微生物分解有機物的能力加大。但是這一效應是有限的，在微生物量增加到一定程度后分解有機物的能力不會隨微生物量的增加而加大。相反，由于滲濾液回流造成NH₃-N以及其他代謝產物的積累而抑制微生物的活性，造成有機物分解速度的下降。而回流清水可以帶走一部分代謝產物，可以促進微生物的活性；
　　② 高濃度滲濾液回流實際是增加了填埋場內有機物量。在厭氧條件下微生物分解有機物的能力有限，有機物的增多加重了生物分解的負擔，使得有機物分解率下降。而回流清水可以帶走大量的可溶解有機物，造成了填埋場中有機物的下降；
　　③ 長時間實驗過程中產生的實驗誤差。
　　造成這種現象的具體原因需要在進一步的實驗中確認。但是與C2柱實驗數據相比較至少可以說明，在厭氧條件下滲濾液回流對于填埋場結構穩定性沒有明顯的效果。
3.3 填埋構造對填埋場穩定的影響
　　實驗表明，無論是否采用滲濾液回流，采用準好氧填埋構造的有機物分解率、滲濾液COD濃度和NH₃-N濃度的下降速度都比厭氧構造的實驗結果要好。而在準好氧構造條件下滲濾液回流可以大大降低其中有機物的濃度（包括NH₃-N濃度），可以起到滲濾液處理器的作用。
　　在A柱實驗過程中，為增加填埋柱內空氣流通的效果，為A1柱和A4柱安裝了導氣豎管。從圖2和圖3中可以看出，導氣豎管的安裝對于垃圾填埋的穩定起著關鍵作用。對于A1柱，在安裝導氣豎管之前滲濾液COD濃度已經大幅度下降，但是滲濾液NH₃-N濃度卻沒有發生明顯的變化。與填埋初期相比，第90周時（安裝導氣豎管前）滲濾液COD已經下降了95%，而滲濾液NH₃-N 只下降了49%。在填埋初期，滲濾液COD：NH₃-N（濃度比）為100：3.5，而在此時這一比值變為100：35。出現這一現象的主要原因是由于在A1柱內大部分區域是厭氧區域。在A1柱底部和頂部，雖然垃圾層與大氣接觸，但是空氣滲入影響區域不能包括所有的垃圾。C柱實驗中的C2柱實驗數據表明，當垃圾層厚度低于一定值時，雖然實驗柱內沒有導氣豎管，滲濾液NH₃-N濃度依然會在很短的時間內大幅度降低（見表7）。這說明填埋場作業面的暴露對于垃圾填埋層有機物的降解有促進作用，但是作用是有限的，因為空氣的滲透厚度是有限的。由于好氧區域有限，氨氮的硝化效應有限，氨氮的分解率低；同時滲濾液回流造成氨氮的積累。所以造成了安裝導氣豎管之前滲濾液NH₃-N濃度高。
　　A4柱滲濾液COD和NH₃-N濃度在安裝導氣豎管之前沒有出現大幅度下降的現象。與填埋初期相比，第90周時（安裝導氣豎管前）滲濾液COD僅下降了21%，而滲濾液NH₃-N 也僅下降了29%；但是滲濾液COD：NH₃-N（濃度比）卻由100：3.5變為100：3.1。這是由于沒有滲濾液回流，沒有微生物的接種效應。而由于空氣的滲透厚度有限，填埋層中大部分區域處于厭氧狀態，微生物的繁殖速度和有機物的分解速度都很低。但是由于存在好氧區域和微氧區域，可以部分完成氨氮的硝化和反硝化，使得氨氮濃度的降低率大于COD的降低率。
　　在安裝導氣豎管后，由于導氣豎管的作用，在填埋層中大大擴大了好氧區域，使得好氧菌成為優勢菌種。而好氧菌的有機物分解速度要大大高于厭氧分解。與安裝導氣豎管前的第90周相比，安裝后的第92周滲濾液COD濃度下降了62.3%, NH₃-N濃度下降了58.8%。
　　由以上分析可以看出，相對于滲濾液回流，填埋場結構的好氧改造對氨氮的去除更有效。當安裝導氣豎管后，在導氣豎管周圍形成好氧區域；在好氧區域和厭氧區域之間會有一個含氧量逐漸減少的過度區，即存在著含氧量較低的微氧區域。由于垃圾層密度不均勻和孔隙率的不均勻，使得這些區域的厚度不均勻。因此當滲濾液在填埋層內遷移過程中，不斷交替穿過好氧、微氧區和厭氧區域，完成硝化和反硝化反應，達到脫氮的目的。

4 結論

　　(1) 在垃圾填埋場中，滲濾液的回流對于垃圾場中有機物的降解有著明顯的促進效果，可以大幅度降低滲濾液中有機物濃度。但是在厭氧條件下，滲濾液回流沒有明顯的脫氮效果，甚至造成滲濾液含氮量增高；同時實驗數據表明，在厭氧條件下滲濾液回流對填埋場的結構穩定沒有明顯的效果。因此，在厭氧條件下滲濾液回流對填埋場穩定作用是有限的。
　　(2) 準好氧填埋構造可以有效地加快填埋場中有機物的分解。但是如果沒有有效的空氣流通渠道，垃圾填埋層中好氧區域太小，不能完全發揮其功效；而正確、恰當地安裝導氣豎管可以使空氣在填埋層中順暢流動，形成較大的好氧區域，使滲濾液可以在厭氧、微氧和好氧區域之間流動，順利完成有機物的分解和含氮有機物的氨化、亞硝化、硝化和反硝化的整個脫氮過程，促進垃圾填埋場的穩定化和有效地控制垃圾填埋場的污染。因此，導氣豎管的安裝是發揮準好氧填埋效果的關鍵因素。
　　(3) 鑒于在厭氧條件下滲濾液回流對填埋場穩定的效果有限，同時考慮到中國目前大多為厭氧填埋，所以應該尋找新的填埋工藝。首先可以在填埋場中設置與滲濾液集水管連通的排氣管，創造好氧區域。這種改造的效果已在實驗中得到驗證（見圖2和圖4）。下一步需要進行改造工藝和方法研究。其次考慮到完全厭氧環境無法完成NH₃-N的硝化反應，造成滲濾液NH₃-N的積累，從而使滲濾液NH₃-N濃度升高。所以設想在滲濾液循環過程中增加滲濾液曝氣的過程，使之完成NH₃-N的硝化反應，從而可以徹底分解NH₃-N，解決滲濾液回流造成NH₃-N濃度高的問題。目前我們正在進行這一回流工藝的實驗研究。

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基金項目: 國家863高科技研究發展項目(2001AA644010)

作者簡介: 王琪(1957～), 男，研究員，所長，固體廢物污染控制首席科學家，主要研究方向為固體廢物管理和處理處置技術。

*通訊作者：E-mail:wangqi@craes.org.cn