生活垃圾填埋短期好氧预处理工艺优化研究
时间：2024-07-28
倪 哲,刘建国,周天航,张明武 (清华大学环境学院,固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京100084)
生活垃圾填埋短期好氧预处理工艺优化研究
倪 哲,刘建国*,周天航,张明武 (清华大学环境学院,固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京100084)
摘要：以模拟有机生活垃圾为底物,通过实验研究了通风和温度协同控制作用下,填埋短期好氧预处理过程垃圾VS、含水率和有机组分的代谢情况.结果表明,好氧预处理过程VS降解主要发生在反应前期(0～6d),占实验全过程降解量的68％～85％;同时垃圾含水量的15％～26％以渗滤液和气体的形式被去除,并且延长通风时间能够增加后者所占比例.反应前期堆体自发升温到高温状态(50～55℃)比控制堆体温度维持在中温状态 (42～47℃)更利于碳水化合物的代谢,但对粗蛋白降解的影响不明显.而在中温状态下粗脂肪和木质纤维素的降解率更高.继续延长预处理时间至14d,不同通风和温度的组合对VS和水分总体去除差距不大.控制填埋好氧预处理周期在6d并尽量维持堆体温度在50～55℃,成本-效益较高.
关键词：生活垃圾填埋；短期好氧预处理；协同作用；有机组分变化；三维荧光光谱
∗ 责任作者, 教授, jgliu@tsinghua.edu.cn
填埋是目前我国乃至世界上生活垃圾的主要处置方式.由于不恰当的运行和管理,传统厌氧填埋场往往面临恶臭污染严重,渗滤液产生量大且成分复杂,填埋气收集效率低,垃圾降解缓慢,封场后维护周期长等问题[1-3].为解决上述问题,需要在填埋前对垃圾进行一定程度的预处理,而各种预处理技术,主要包括机械生物预处理、水洗预处理、热处理、生活垃圾堆肥和干化技术等[4-8].
在众多预处理技术当中,机械生物预处理技术(MBT)的研究受到广泛关注,其工业化应用在欧洲已十分普遍并取得良好效果[9-10].然而该技术在国内的发展受到限制,究其原因主要是受制于我国生活垃圾高含水率、高有机物含量和高黏度等特性[11-12],使得以破碎、分选为主的机械处理阶段效率普遍较低;另一方面,垃圾中有机物完全稳定往往需要2～6个月的生物处理周期[4,13],而过长的停留时间无法应对生活垃圾产生量大的问题.为解决上述问题,国外学者逐步开展了生活垃圾填埋短期好氧生物预处理工艺的研究,垃圾停留时间被压缩到2～4周甚至更短的时间,同时后续厌氧填埋过程综合效益得到有效改善[4,14-15].从目前状况来看,将生活垃圾经过相对短期的好氧预处理后进行填埋,符合我国生活垃圾管理的需要,有助于应对垃圾直接填埋带来各种环境和社会问题.
然而,我国生活垃圾组成不同于欧、美生活垃圾,其中往往含有更高的易降解有机物和较少的木质素成分[12],致使上述报道提到的适宜预处理周期和预处理程度并不完全适用于我国的情况.特别是对于短期好氧预处理工艺的研究,目前的探索更多的是关注物料和能量的平衡计算[16-17],而对于垃圾中易降解组分在不同时间节点的代谢情况及水分释放并不注意.不同于传统的堆肥处理,以填埋为目标的短期好氧预处理工艺并不追求有机质的完全稳定,更理想的情况是对垃圾中的有机质组分进行有选择的去除,优先剔除其中在填埋环境下极易酸化的物质,而尽可能保留纤维类物质并调节适宜的C/N,进而满足后续产气的需要.然而目前尚少见相关方面的报道.
为此,本文以模拟有机生活垃圾为底物,研究了填埋短期好氧生物预处理过程垃圾有机物和水分的代谢情况.在此基础上,探讨了通风和温度协同调控对有机组分选择性去除的可能性及预处理过程水溶性物质的三维荧光光谱特性,以期为生活垃圾填埋短期好氧预处理工艺提供参考.
1 材料与方法
1.1 实验设备
实验模拟短期好氧预处理过程通过9个小型反应器完成.每个反应器内径为180mm,总高度为320mm,其中有效填充高度为250mm.反应器外壁包裹了20mm厚的保温材料以防止热量流失.反应器顶部设导气阀门,反应器底部设渗滤液导排口和收集装置.距反应器底部50mm处设置孔径为5mm的穿孔板(穿孔率为14.5％),用于承接上部的填充垃圾并方便布气.
1.2 实验原料
为减少真实垃圾不均匀性造成的实验误差,增加各处理组的可比性,实验采用模拟的有机生活垃圾进行[14].模拟垃圾主要由厨余垃圾和纸张(50％含水率)组成(湿重比5:1).其中纸张部分主要来自办公室用纸.厨余垃圾的具体组成为(湿重比):60％蔬菜、10％米饭、10％馒头、15％肉类和5％豆制品.该模拟有机生活垃圾初始含水率为70.6％,VS为89％TS,其具体的有机组分组成见表1.模拟垃圾经人工破碎到20～40mm后均匀混合,用于后续的短期好氧预处理实验.
表1 模拟有机生活垃圾生化组成Table 1 Components of organic fraction of simulated municipal solid waste
1.3 短期好氧预处理实验
取3kg混合均匀的模拟垃圾装入到反应器内,控制压实密度为0.6t/m3左右.以好氧活性污泥作为好氧预处理接种物,接种比为7％(湿重比).接种污泥取自北京某污水处理厂曝气池,经重力浓缩后使用.其含水率为97％,VS含量为51％TS.
实验采取间歇式通风方式,初始通风量维持在0.5L/(kg⋅min),通风周期为7min通气/23min停,后根据反应器顶空部分氧气浓度和堆体温度对通风量进行人工调节.实验采用2种不同的温度范围作为反应的主要温区(50～55℃,Trial A;42～ 47℃,Trial B和C),通过人工调控通风使堆体温度尽可能长时间维持在此区间内.该温度范围的选择,已被证明可以满足有机物快速矿化的要求[18].另外,实验比较了2种不同通风方式对堆体温度和垃圾水分去除的影响(延长通风时间,Trial B;增加单位时间通风量,Trial C).在上述原则下,每个实验组3个反应器设计好氧预处理时间分别为6、10和14d.通过人工通风控制,实验整个周期内通风启动前各组反应器顶空氧气浓度基本维持在6.0％～14.7％、7.5％～15.2％和6.2％～ 14.9％范围内.
1.4 测定指标与方法
堆体温度通过pt100温度探头进行连续监测.温度传感器置于堆体中心位置,测量结果通过7000A数据记录仪(美控中国,杭州)进行记录,设定记录频率为1次/2min;预处理过程中每24h对通风前后反应器顶空气体浓度(O2和CO2)进行分析;产生的渗滤液每2d收集一次并测定其体积;预处理后固体样品通过70℃、48h烘干前后的重量变化来确定含水率.烘干样品经破碎后用于固相性质的分析,指标包括:VS、C和N元素含量、糖类、粗蛋白质、粗脂肪和木质纤维素含量等.
气体组成采用GC-2014气相色谱仪测定(岛津,日本),所用检测器为TCD;TS、VS按照标准方法测定;元素分析采用CE-440型有机元素测定仪(埃克公司,美国).粗蛋白质以凯氏氮法测定,粗脂肪以索氏提取法测定,木质纤维素以范式洗涤法测定,而碳水化合物的含量等于总有机物含量减去上述三者的比例.
固体样品水溶性有机化合物(WEOM)的萃取参考He等[19]的方法进行.萃取液经去离子水稀释后(15mg/L),其荧光特性通过F-7000荧光光谱仪测定(日立,日本).
2 结果与讨论
2.1 堆体温度、通气量和耗氧速率的变化
由图1a可知,实验过程中室温维持在20～ 30℃之间,3个实验组堆体温度较室温均有显著增加,各试验组的3个反应器在相应时段的温度变化基本一致.实验组A经升温后自然过渡到高温阶段(>50℃),并在50～55℃温度范围内停留了101h,最高温度为52.4℃.为控制实验组B和组C的温度尽可能长时间处于预设范围(42～47℃),利用更大的通风对堆体进行冷却处理,控制开始时间分别为第108h和120h (如图1a箭头所示).实验组B在42～47℃内停留了127h,最高温度为47.1℃;而实验组C尽管较实验组B采用更大的日通风量(图1b),但堆体温度在一段时间内(约68h)超出了实验预设的温度上限,最高达到48.6℃.这可能是由于两种通风方式造成的差异:延长通风时间比增大单位时间通风量有更好的布气和降温效果.各实验组堆体温度从第10d起逐渐降低,说明易降解有机物已大量消耗从而导致微生物活性降低,产热下降.至反应结束,各反应器基本都在35℃左右.
图1 堆体温度和通风量随时间的变化情况Fig.1 The file of pile temperature and aeration amount over time
氧气消耗速率是好氧生物处理过程中微生物活性的直接反映,本实验根据通风结束后与通风再次启动前反应器顶空氧气浓度的变化为依据对实验过程氧气消耗速率和积累消耗量进行了表征,结果如图2所示.从图2a可以看出,各实验组氧气消耗速率在开始阶段随预处理时间逐渐升高.实验组A在5d左右的时间里达到其最大耗氧速率413mL/(h·kg)(以消耗的初始垃圾计,下同),之后缓慢下降.实验组B和C最大耗氧速率出现在反应的第7d,分别为374,347mL/(h·kg),略低于实验组A的情况.至实验结束,各实验组耗氧速率基本下降到106～133mL/(h·kg)水平,差距不大,说明微生物代谢过程最终受垃圾组成影响较大.通过计算耗氧速率曲线下部梯形面积,得到各实验组的累积氧气消耗量[18],如图2b所示.整个实验过程中实验组A的累积氧气消耗量略高于实验组B和C的情况,其差异主要集中在实验前期和中期(0～10d左右).为了更好的说明堆体温度对于微生物代谢的影响,采用Gompertz模型和Logistic模型对累积氧气消耗量进行拟合[18](表2).可以看出两种模型对于实验结果的拟合程度都较高,尽管不同模型对于氧气消耗速率常数(kO2)的模拟结果差距较大,但实验A组的速率常数均略高于实验组B和C的情况(1.1～1.2倍和1.2～1.3倍),说明50～55℃的温度范围更适合发挥微生物的活性.
图2 氧气消耗速率和累积量随时间的变化情况Fig.2 The file of oxygen consumption rate and accumulated amount over time
表2 不同实验条件下Gompertz模型和Logistic模型的参数估算Table 2 Estimated parameters of the Gompertz model and Logistic model under different experimental conditions
2.2 水分和有机物的去除情况
水分的平衡计算按照“垃圾剩余水量=原垃圾含水+接种物含水+垃圾降解产生水量-通风去除水量-渗滤液量”进行,其中“垃圾降解产生水量按照VS降解量的70％核算[20].由图3a可知,实验组A、B和C在整个实验过程中水分净去除量(基于湿重)分别为441、427和452g/kg 垃圾,垃圾含水量由初始值分别下降了36.4％、34.3％ 和38.2％.从上述结果来看,温度和通风的协同作用对堆体水分去除并没有明显规律,实验组C略高于其余两种情况,这可能是由于其通风量和温度都相对较高所致.堆体水分释放与有机物细胞物质和结构的破坏有直接关系,加速有机物的水解和代谢可以显著增加水分的释放效率.因此结合VS去除效果来看(图3b),各实验组VS去除总量差别不大可能是其水分去除率相近的根本原因.尽管如此,采用更大的通风量对堆体进行水分吹脱,可以使更多的水分以水蒸气的形式逸散,从而减少渗滤液的生成量(图3a).实验组A、B和C以水蒸气的形式去除的水分含量分别占到了总去除量的41％、52％和47％.实验组B高于组C的情况,这可能是由于通风方式引起的差异.
图3 好氧预处理不同阶段水分和VS的去除情况Fig.3 Removal of water and VS content under different stages of pre-aeration
不同实验组在VS去除效率方面表现出一定差异(图3b).在主要的温度控制阶段(0～10d),实验组A 的VS去除量为570g/kg VS,占总VS去除量的96％.而中温状态导致VS的去除相对滞后(实验组B和C),在10d的时间里,其VS去除量分别为516和478g/kg VS,占总VS去除量的87％和83％,均小于A组的情况.继续延长预处理时间至14d,实验所设的两种温度范围并没有对VS总去除率产生明显影响,3个实验组的VS去除率分别为58.9％、59.2％ 和57.5％.Adani等[6]在对生活垃圾生物干化工艺的研究中也得到了相似的结果,不同温度控制组在整个实验过程中(14d)总VS去除率差距不大.
以温度为调控目标,通过通风量的改变来控制堆体温度,从而调节有机物和水分的代谢规律是生物质堆肥控制的一种重要机制.通风操作为好氧微生物代谢提供所需的氧气,采用更大程度的通风可以使堆体降温,同时使更多的垃圾水分以气体的形式逸散,这在本文(图3)和之前的报道中都有所体现[21-22].Zhou等[23]在污泥堆肥试验中运用模型解释了通风量对于堆体温度、水分去除和VS降解的影响,认为高通风量可以显著降低堆体温度,但是当通风量达到一定程度之后,继续提高通风对于水分的吹脱和VS降解没有额外效果,这与本文的实验结果基本一致(图3).一般认为,控制通风量在0.04～3.0L/(min·kg) (以VS计)即可为堆体提供充足氧气[20,24].温度变化是好氧堆肥过程中微生物更替的重要驱动力.多数研究认为控制堆体温度在50～60℃,可以有效地加速有机物的降解速度[25].Zhang等[26]对生活垃圾生物干化过程中酶活性进行了研究,结果发现在反应开始后6d左右,堆体中蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶达到最大值,此时堆体温度基本维持在50～ 55℃范围内.然而不同的研究结果存在一定的差异性.例如Liang等[27]认为维持堆体温度在43℃能够明显加速污泥代谢的耗氧速率,这可能是底物组成不同造成的.结合本文的研究结果来看,预处理前期维持合适的供风量,使堆体温度自然升温到50～55℃,并维持一段时间(1～2d),可以为易腐生活垃圾短期快速矿化提供适宜条件(实验组A的情况).然而继续延长预处理时间至10d和14d,实验A组VS去除仅提高了14％和18％,同时水分去除量增加了34％和47％,但相应通风能耗增加了105％和150％,成本-效益大幅降低.
2.3 垃圾固相有机组分的变化情况
碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪和纤维素构成了本研究模拟有机垃圾的主要有机组分,而木质素含量相对较少(表1).
图4 有机组分的去除情况Fig.4 Organic components change during the treatment
如图4可知,整个实验周期内(0～14d)各有机组分去除量从高到低依次为:碳水化合物>蛋白质>脂肪>木质纤维素.不同有机组分的降解主要发生在反应前期(0～6d),构成了VS变化的主要原因(图3).作为有机垃圾中主要的易降解物质,实验组A和B碳水化合物、蛋白质和脂肪在这一阶段的去除率分别达到47％、64％、66％和40％、58％、70％.碳水化合物和蛋白质的降解发生在整个实验过程中(0～14d);而脂肪的代谢更倾向于反应前、中期(0～10d),后期的变化不明显;相比之下,木质纤维素降解量的23％～26％来自于反应的中、后期(7～14d),此时较高的纤维素含量和易降解碳源的缺失使得该物质成为生物代谢的重要底物.实验前、中期蛋白质的大量去除和木质纤维素的相对富集导致物料C/N有所升高.至好氧预处理第10d,实验组A和B物料C/N分别达到27:1和27.4:1.然而继续延长预处理时间至14d,实验组A 和B物料C/N趋于下降,分别为26.2:1和24.9:1.上述结果说明,垃圾经短期好氧预处理后,一方面可以保留部分有机物以满足后续厌氧产气的需要;另一方面,短期好氧预处理有助于对垃圾中过量的氮素形成去除,在一定程度上调节了高氮低碳垃圾的C/N,有利于垃圾后续的厌氧产气.
通过通风对堆体温度进行控制,可以在一定程度上对微生物的优势种群进行筛选,结合其他物化条件的变化(通风和物质组成等),有望对不同有机组分的代谢速率产生影响[28-29],这也是本文尝试在填埋短期好氧预处理过程中通过控制堆体温度差异从而达到有机物选择性去除的理论基础.邵立明等[30]认为,对于好氧生物处理最适温度的选择,更合适的做法是根据底物的类型进行判断.例如对于易腐类蔬菜废弃物来说,其在高温状况(55℃)下的代谢要远高于中温(37℃)的情况下;而对于处理高木质纤维素含量的蔬菜废物来说,中温条件(37℃)反而有利于纤维素的降解.Eklind等[29]认为嗜热微生物更倾向于利用淀粉和脂肪作为主要碳源;而当堆体进入到降温和腐熟阶段时,半纤维素和纤维素将成为主要底物.Raut等[31]对好氧生物处理过程中酶的活性进行研究,认为碳水化合物和脂肪的水解产物是好氧生物处理前期的主要碳源,并且不同处理之间堆体淀粉酶和磷脂酶变化趋势基本一致;而蛋白酶和纤维素酶的活性在整个实验周期内逐步提高.从本文的研究结果来看,通过温度调控对于垃圾可降解组分选择性去除效果因有机物组分的不同而异:高温条件(50～55℃) 使反应前期碳水化合物降解速率有所增加,但是对于粗蛋白代谢的影响不显著,而粗脂肪在中温状态(42～47℃)下降解效率更高.同时,高温在一定程度上促进了木质纤维素类物质在反应中期的降解,但从整个反应过程来看(0～14d),堆体长时间处于中温状态会增加木质纤维素类物质的消耗.因此,控制填埋短期好氧预处理周期为6d,一方面大部分小分子有机物在这一阶段发生降解,特别是蛋白类物质大量代谢,有助于后续填埋过程中恶臭气体的消减(氨气、硫化氢等);另一方面,在这一阶段纤维类物质降解较少,相对被富集,可以作为后续填埋过程的主要碳源.另外,为实现上述目标,实验组A的效果要优于实验组B的情况,因此尽可能维持垃圾堆体处于高温状态(50～55℃)比控制堆体处于中温状态(42～47℃)更适合作为生活垃圾填埋短期好氧预处理的工艺参数.
图5 实验组A和B预处理样品WEOM三维荧光特性随时间的变化情况Fig.5 Three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopies of WEOM at different stages of short-term aerobic pretreatment in trial A and B
2.4 预处理产物水溶性有机物的荧光特征
三维荧光技术体现的是荧光强度随荧光激发和发射波长同时间变化的信息,该技术可为生物处理过程溶解性有机物变化提供直观、快速的测量方法,各种荧光峰强度的变化、位置的红移、新峰的生成和过渡峰的消失代表着荧光物质产生和降解的过程.选取实验组A和B为研究对象,通过对其预处理后固相产物的水溶性有机化合物(WEOM)三维荧光特性进行测试,对比分析堆体温度对于垃圾有机物降解的影响,结果见图5.
根据Chen等[32]的研究,荧光图谱可以根据荧光物质的种类和位置划分成5个区域:芳香类蛋白-I(区域I:Ex<330nm,Em<250nm);芳香类蛋白-II(区域II:330nm
从上述结果可以看出,不同预处理时间(或程度)垃圾的WEOM荧光特性呈现一定规律性,以荧光手段评价短期预处理进程具有可行性.但是如何确定相关定性和定量的评价指标或是阈值,还需要进一步研究.
3 结论
3.1 生活垃圾填埋短期好氧预处理过程VS和水分去除主要发生在反应前期.特别是垃圾堆体升温到50～55℃后保持一段时间,其VS和水分去除率在6d的时间内分别达到总去除率的85％和68％,效果明显优于控制在中温(42～47℃)时的情况.随着预处理时间的增加,两种温度和通风协同控制条件下垃圾VS和水分去除率逐渐接近,最终结果差异不明显.
3.2 反应前期的高温状态(50～55℃)有利于促进垃圾中碳水化合物的降解,而对粗蛋白代谢的影响并不明显;而中温状态(42～47℃)更适合粗脂肪和木质纤维素的降解.
3.3 通风量的调整可以显著控制堆体温度,增大通风量可以使更多的水分以气体的形式排出.同时,延长通风时间比单纯增大单位时间通风量能够更好的起到布气和堆体降温的作用.
3.4 水溶性有机物的三维荧光特性随预处理时间发生显著变化,高温状态(50～55℃)有助于增强产物水溶性有机化合物在Ⅳ区的荧光强度.而在短期生物好氧预处理过程中,腐殖酸类物质形成十分有限.
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Optimization of short-term aerobic pretreatment process for municipal solid waste landfilling.
NI Zhe, LIU Jian-guo*, ZHOU Tian-hang, ZHANG Ming-wu (Key Laboratory for Solid Waste Management and Environment Safety, Ministry of Education, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：476～484
Abstract：Synergetic effect of aeration and pile temperature on VS and water content removal and biochemical components degradation during short-term aerobic pretreatment process prior to municipal solid waste (MSW) landfilling were investigated. Simulated organic fraction of MSW (OFMSW) was used as substrate. The results showed that VS rapid degradation was obviously occurred in the initial stage (0～6d), accounting for 68％～85％ of total VS degraded in the whole experimental period; simultaneously, approximate 15％～26％ water was removed in the forms of leachate and vapor, and extending aeration time could evaporate more water. In the initial stage, the temperature of pile increased to thermophilic condition (50 to 55℃) by self-heating, which was more beneficial for carbohydrates degradation than the mesophilic condition (42 to 47℃) of the controlled pile, while was insignificant to crude protein degradation. Yet, crude fat and lignocellulose have higher degradation rate under mesophilic condition (42 to 47℃). As the pretreatment period extended to 14 days, different synergetic operations combined aeration and pile temperature exhibited minor difference on the removal of VS and moisture. This study showed that a 6 day aerobic process with the pile temperature between 50 to 55℃ was a cost-efficient pretreatment method prior to MSW landfilling.
Key words：municipal solid waste landfilling；short-term aerobic pretreatment；synergetic effect of temperature and aeration；organic components change；three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy
作者简介：倪 哲(1985-),男,山东淄博人,清华大学环境学院博士研究生,主要从事生活垃圾可持续填埋工艺集成和强化产气方面的研究.发表论文6篇.
基金项目：国家自然科学基金(51478240)
收稿日期：2015-07-10
中图分类号：X705
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2016)02-0476-09
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