污泥与生活垃圾混合填埋对渗滤液导排系统堵塞的影响

孙伟新; 刘意立; 刘建国

doi:10.12030/j.cjee.201807231

污泥与生活垃圾混合填埋对渗滤液导排系统堵塞的影响

1.
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
基金项目:
环保公益性行业科研专项（201509055）

Effect of mixed landfill of sludge and MSW on clogging of leachate collect system

1.
Key Laboratory for Solid Waste Management and Environment Safety, Ministry of Education, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Fund Project:

摘要: 污泥经预处理达到入场标准后与生活垃圾混合填埋是我国现阶段污泥处理的主要方式。由于污泥与生活垃圾特性差异较大，会影响渗滤液物理、化学、生物特性，进而对填埋场渗滤液导排系统产生不利影响。通过柱实验对比了污泥与生活垃圾混填前后产生的渗滤液水质变化，结果表明：污泥与生活垃圾混填后渗滤液中颗粒物浓度及大颗粒物占比均有显著提升；采用生石灰对污泥预处理提高了污泥自身有机质（VFAs等）的释放速率；8%的生石灰预处理污泥（10%混合比例）掺加量会提高生活垃圾产生的渗滤液中Ca2+浓度31.6%。通过分析可知，结合填埋场导排系统堵塞的影响因素有微细颗粒物沉淀、微生物膜生长及钙基化合物沉积，从减缓填埋场导排系统堵塞、延长填埋场使用年限的角度出发，污泥宜单独分区填埋，生石灰预处理污泥不宜与生活垃圾混填。
- 污泥 /
- 生石灰 /
- 填埋 /
- 渗滤液 /
- 导排系统 /
- 堵塞
Abstract: The main sludge disposal method in China is to pretreat sludge to meet the landfill admission standard, and then mix it with municipal solid waste (MSW) for landfill. Because of the conspicuous difference between the sludge and MSW, mixing process will influence the physical, chemical and biological characters of leachate and then have a bad influence on the landfill leachate collection system. The leachate properties of sludge and MSW are compared through the column experiments and the corresponding results are as following: mixing sludge with MSW for landfill increased the concentration of total suspended solid (TSS) and the proportion of large particles significantly. The releasing rate of the organic materials in sludge was improved after being pretreated with the quick lime. Adding 8% of quick lime pretreated sludge (mixing ratio 10%) in the mixture of sludge and MSW can raise calcium ion concentration in leachate by 31.6%. Considering the influence factors causing clogging of leachate collection system (LCS ): the sediment of fine particles，the growth of biofilm and the precipitation of calcium carbonate, as well as the aspects of slowing down the clogging of LCS and prolonging running time of landfill, sludge should be buried separately in landfill, the quick lime pretreated sludge should not be mixed with MSW for landfill.
- sludge /
- calcined lime /
- landfill /
- leachate /
- leachate collection system /
- clogging

截至2016年，全国投入运营的城镇污水设施共3 892座，总设计处理能力1.62亿 m³·d⁻¹，日产含水率80%的污泥约11万t^[1]。预计到2020年，污泥年产量将达到6 000万t。作为二次废物，污泥需进一步妥善处理处置。目前，国内污泥的主要处置方式有填埋、焚烧、堆肥等^[2]，填埋由于其投资少、容量大等优势，综合环境及经济效益2个方面进行考虑，现阶段及今后相当长的时间内，仍将作为我国污泥处置的主要方式之一^[3]。由于污泥自身高流动性、高含水率、颗粒细小等特点^[4]，填埋前需进行预处理，以减少难以压实的施工操作困难及后续造成的填埋堆体滑坡、失稳等安全隐患^[5]。目前，常用的污泥预处理方式有2种：1）掺加生石灰、水泥、粉煤灰等无机惰性物质^[6-7]；2）利用板框压滤等物理手段将污泥进行机械脱水^[8]，以降低含水率，调节颗粒结构，使其满足填埋要求。我国填埋场普遍出现了堆体内水位雍高的现象，主要是场底导排系统的堵塞所致^[9-10]，其原因主要为：生物膜相互黏结形成网状结构，拦截渗滤液的微细颗粒物^[11]、微生物降解渗滤液中有机物引起的生物膜的生长^[12-13]、降解有机物过程中生成的CO₃²⁻与渗滤液中的Ca²⁺、Mg²⁺等金属离子结合形成的难溶性金属盐在砾石层表面沉积^[14]，其共同作用最终导致导排系统孔隙度减少、发生淤堵、难以排水，导致堆体内水位雍高，造成填埋场失稳。APPELS等^[15]的研究发现，采用物理化学等预处理方法能够加快污泥中有机物释放，提高渗滤液当中的VFA含量。UCISIK等^[16]的研究也发现，在碱性环境条件下，剩余污泥更容易释放有机物，为微生物累积VFA创造适宜环境。相关研究^[17]表明，生石灰等预处理能够破坏污泥自身体系的絮状结构，调整其颗粒结构，增加小颗粒段的占比。因此，当污泥掺加到生活垃圾当中混合填埋时，污泥当中微细颗粒物含量较高，会增加渗滤液当中的TSS浓度，其次，污泥当中微生物、有机物含量较高，也会增加浸出液当中的有机物浓度，加速垃圾的降解过程。此外，生石灰预处理污泥掺加也会增加渗滤液当中的钙离子浓度，结合前述渗滤液导排系统的堵塞因素，污泥的掺加无疑会对其产生不利的影响。张美兰等^[18]从堆体稳定性的角度出发，发现对于含水率70%~86%的污泥，占比超过50%时，填埋作业只能坑填，不可堆高作业。CABBAI等^[19]对污泥对生活垃圾降解的影响进行了中试研究，发现污泥能够有效加速生活垃圾中有机组分的降解，提高产气速率。但没有研究集中于污泥添加到生活垃圾当中对于导排系统的影响。

因此，为探究污泥掺加后对填埋场导排系统的影响，本研究对生石灰预处理污泥与生活垃圾混填前后、电渗析干化污泥与生活垃圾混填前后等场景下的沥出液性质进行检测，为后续研究其对填埋场导排系统实际造成的影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究以厨余垃圾^[20]：纸张：塑料品=8：1：1的自配生活垃圾为基础，并向其内部掺加8%（《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》标准上限）脱水污泥。实验所用污泥取自北京市某生活污水处理厂，其污泥脱水流程为：消化→浓缩→机械脱水→板框压滤→电渗析干化。其机械脱水环节的污泥含水率可以降低至84.89%，有机质含量为50.91%。

化学预处理下生石灰添加比例取10%，该比例下即可满足短时间内污泥脱水至60%含水率。物理预处理采用电渗析干化后污泥，其含水率为60%。这些均满足《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》中对于污泥填埋含水率的要求。

1.2 实验设计

本次研究过程中采用实验柱模拟实际场景，研究其沥出液性质，实验柱相应尺寸见图1。

图1 实验柱模型图
Fig. 1 Schematic of experiment column

实验柱上下均设置多孔筛；顶部设置封口膜，减少空气的影响，底部设置出水阀取样口。根据实际填埋场垃圾压实密度^[21]，柱内填充后压实密度为0.63 g·cm⁻³。柱体处于实验室环境，整个实验周期内温度维持在27.5~35.0゜C范围内，与初期填埋场内温度环境基本相吻合。

设置5个场景，每个场景下设置平行样，各个场景对应的填充物质见表1。

表1 各场景及其对应的填充组分
Table 1 Landfill composition of each scenarios

表1 各场景及其对应的填充组分
**Table 1** Landfill composition of each scenarios
场景1	场景2	场景3	场景4	场景5
100%自配生活垃圾	92%自配生活垃圾+ 8%生石灰预处理污泥	92%自配生活垃圾+ 8%电渗析污泥	100%生石灰预处理污泥	100%电渗析污泥

实验过程采取模拟降雨形式，以周为单位进行，初期从实验柱上部一次性加入蒸馏水，加入过程保持均匀、缓慢，以模拟降雨，后用封口膜密封处理。每次从底部取样，取样后再次补充相应体积的蒸馏水。水量依据北京市近20年的年均降雨量及降雨特点，并结合实验柱截面积，确定每周进水流量为45 mL。

1.3 检测方法

pH采用梅特勒Fe20 pH电极直接测量；利用总有机碳测定仪进行高温燃烧测量TOC（total organic carbon）/TIC（total inorganic carbon）；采用岛津GC-2014测定仪测量VFAs（volatile fatty acid）；Ca²⁺采用PE-Optima8000电感耦合等离子体发射光谱仪进行测量；采用激光粒度仪进行粒度分布测量；利用电子天平、马弗炉进行重量法测定TSS（total suspended solids）、VSS（volatile suspended solids）。

按照1.2所述实验步骤进行实验，分别对沥出液当中的上述指标进行了测定。初期以周为单位取样，待数据稳定后改为15 d周期取样，及时对各指标测定分析，最终实验周期确定为87 d。

2 结果与讨论

2.1 对颗粒物沉积的影响

物理堵塞是渗滤液中的细小颗粒随水流流动，在过滤层（土工布与粗颗粒排水材料）中沉淀、截留并不断累积所造成的堵塞。影响物理堵塞因素包括有渗滤液当中的悬浮颗粒物浓度、颗粒粒度分布、过滤层材料粒径等^[22]。本研究对各场景下产生的渗滤液中的总悬浮物（TSS）及颗粒粒度分布进行了测试，结果如图2所示。掺加了生石灰预处理污泥的生活垃圾，其产生的渗滤液的TSS浓度实验周期内基本维持在4 000 mg·L⁻¹以上，而生活垃圾单独填埋场景下TSS浓度在第65 天时已经降低至1 000 mg·L⁻¹以下。对比场景4、5可以发现，生石灰预处理污泥相对于电渗析污泥更容易浸出微细颗粒物，少量生石灰的添加易于造成微生物细胞的破裂，相互之间黏结度降低，造成微细颗粒物更易浸出，电渗析污泥由于未对其进行预处理过程，污泥自身高持水性造成的实验过程中吸水饱和、孔隙度降低、渗透系数K值减少，实验过程中对场景5下的实验柱进行排水性能测试发现，在第57 天时，实验柱10 cm水头下出水流量已经低于0.1 mL·min⁻¹，发生排水困难，模拟降雨过程很难带走其中的微细颗粒物，因此，其TSS浓度较低，同时排水困难造成未能得到充足样品进行后续检测。KIM等^[23]的研究表明，污泥单独填埋时最主要的问题是由于污泥自身高持水性造成的自身渗透系数K值迅速降低，形成堆体中的低渗透区域，导致渗滤液难以下渗、堆体上方水头雍高。

图2 各场景渗滤液TSS浓度对比
Fig. 2 Comparison of TSS concentration in each scenarios

本研究对实验周期内各场景的TSS均值进行计算，结果如表2所示。以场景1为基准，场景2（掺加生石灰预处理污泥的生活垃圾）的TSS平均浓度超出104.5%，掺加电渗析污泥的场景3的TSS平均浓度超出55.2%。污泥单独填埋场景下，其渗滤液中的TSS浓度也显著高于场景1，由此可见，由于污泥自身微细颗粒物含量高的特点，与生活垃圾混合后，其颗粒结构得到分散，其颗粒物更容易进入渗滤液当中^[24]。从图2可以看出，即使8%污泥添加也能够显著提升渗滤液中的TSS浓度，生石灰预处理污泥的掺加造成的影响更为显著。

表2 各场景下TSS浓度均值
Table 2 Mean concentration of TSS in each scenarios mg·L⁻¹

表2 各场景下TSS浓度均值
**Table 2** Mean concentration of TSS in each scenarios mg·L⁻¹
场景1	场景2	场景3	场景4	场景5
1 987	4 339	3 150	2 681	2 325

此外，本研究还对各场景下渗滤液的粒径分布进行了检测，为减少前后渗滤液粒度分布的不一致性，此处取实验周期内各场景下的粒度分布频度均值，结合TSS均值进行计算，得到各场景下颗粒物粒径分布与对应TSS量的关系，结果如图3所示。

图3 各场景下的颗粒粒径分布图
Fig. 3 Distribution of particle diameter in each scenarios

由图3（a）可以看出，对比场景1、2、3，掺加了污泥的生活垃圾产生的渗滤液中颗粒物粒径集中分布于大颗粒范围，场景1产生的渗滤液中颗粒物集中分布于较小粒径范围内。生活垃圾单独填埋下几乎所有颗粒物粒径均<100 μm，掺加污泥后的颗粒粒径有了显著提升，集中分布于10~1 000 μm之间，且场景2当中的较大颗粒物（100~1 000 μm）占比高于场景3。对比场景2、4、5可以发现，在10~100 μm颗粒段，场景2与场景4较为接近；在100~1 000 μm颗粒范围内，场景2的颗粒物占比显著高于场景4。此外，污泥单独填埋下产生的渗滤液中1 000~2 000 μm也有颗粒物分布，说明污泥中微细颗粒物对于产生的渗滤液中较大粒径颗粒物占比的提升效果显著。

相关研究^[25]表明，渗滤液当中悬浮颗粒物粒径越大，对于导排系统造成的堵塞作用越明显。本研究以10~2 000 μm粒径占比大小作为评价各场景预期对导排系统堵塞造成的影响，结果如表3所示。

表3 各场景100~2 000 μm粒径颗粒物占比
Table 3 Proportion of 100~2 000 μm particles of each scenarios %

表3 各场景100~2 000 μm粒径颗粒物占比
**Table 3** Proportion of 100~2 000 μm particles of each scenarios %
场景1	场景2	场景3	场景4	场景5
0.23	36.71	23.45	33.42	27.69

综上，污泥混填能够显著提高渗滤液中的TSS浓度，同时还能提高平均粒径及大颗粒（100~2 000 μm）的占比，结合物理作用下造成的导排系统堵塞失效来看，高TSS浓度、高大颗粒占比将会加速导排系统的堵塞，因此，污泥混填对导排系统的稳定运行是不利的。

2.2 对有机物释放的影响

生物膜的生长是造成导排系统堵塞失效的另一主要因素^[26]，微生物在降解渗滤液中有机物的同时，自身也在繁殖生长，最终导致有效排水孔隙度的降低。因此，对不同场景下产生的渗滤液中的TOC、VFAs等物质的浓度进行了检测，结果如图4所示。场景2、3下渗滤液TOC与VFAs浓度值均高于其他场景，在第21天时，达到最大值，而后缓慢下降，原因来自于污泥在第21天时有机物的释放量达到最大，生活垃圾在第21天时，其降低速率达到最大，从而导致VFAs的释放达到最大值。实验后期除场景5之外，各场景下渗滤液中TOC与VFAs浓度值相差较小，均已经稳定。对比场景4、5可以发现，生石灰预处理污泥产生的渗滤液中有机物浓度显著高于电渗析污泥，结合UCISIK等^[16]的研究：一方面掺加生石灰有利于污泥中微生物细胞的碎裂，加速释放有机物，提高渗滤液中有机物含量；另一方面，掺加生石灰有助于污泥颗粒结构的改善，增加渗滤液中粒径较大颗粒物的占比，有利于有机物浸出。而电渗析预处理污泥过程仅是利用物理手段将污泥压缩脱水，有机物仍然保留在污泥自身细胞内，相较于生石灰预处理脱水污泥其有机物释放量较低。ROWE等^[27]与MCLSAAC等^[28]分别对渗滤液负荷对于导排系统影响作了研究，结果表明渗滤液负荷大的地方产生的堵塞越严重，从这一角度来看，有机物浓度的提升将会加速导排系统的堵塞过程。

图4 各场景下渗滤液TOC以及VFA浓度变化
Fig. 4 TOC and VFAs concentration of leachate in each scenarios

2.3 对Ca²⁺沉淀的影响

渗滤液当中的Ca²⁺与CO₃²⁻结合形成CaCO₃沉淀也是造成导排系统堵塞失效的一个重要因素。FLEMING等^[29]分别对封场4年的Keel Valley Landfill（KVL）以及德国的某填埋场中的砾石导排层堵塞物质干基的化学组成进行分析，发现其钙基化合物的比例均超过50%。利用生石灰对污泥进行脱水有可能会造成产生的渗滤液中的Ca²⁺浓度的增加，因此，本研究对各场景下渗滤液中Ca²⁺浓度值进行了检测，结果如图5所示。

图5 各场景下渗滤液中钙离子浓度值
Fig. 5 Calcium concentration of leachate in each scenarios

如图5所示，场景2产生的渗滤液中的Ca²⁺浓度值显著高于其他场景。对比场景4、5可以看出，生石灰预处理污泥产生的渗滤液当中的Ca²⁺浓度值虽高于机械脱水污泥，但由于10%的添加量较低，因此二者之间的Ca²⁺浓度差异较少。对各场景下的Ca²⁺浓度均值进行计算，结果如表4所示。

表4 各场景下钙离子浓度均值
Table 4 Mean concentration of Calcium in each scenarios mg·L⁻¹

表4 各场景下钙离子浓度均值
**Table 4** Mean concentration of Calcium in each scenarios mg·L⁻¹
场景1	场景2	场景3	场景4	场景5
3 936	5 179	4 081	3 522	2 749

场景2产生的渗滤液中Ca²⁺浓度值最大，显著高于其他场景。对比场景4、5，添加10%的生石灰可以增加渗滤液中Ca²⁺浓度约28%。对比场景1、2，8%的生石灰预处理污泥（10%混合比例）的掺加能够提升渗滤液中Ca²⁺浓度约31.6%。研究表明，当渗滤液中有机物与Ca²⁺浓度越高时，CaCO₃沉积形成的硬壳层在渗滤液收集管处积聚的量越多^[30]，从该角度出发，生石灰预处理污泥的掺加对导排系统是极为不利的。

2.4 对pH的影响

当CO₂分压一定时，pH升高显著提高CO₃²⁻在渗滤液TIC中的占比，促进了其与渗滤液中的Ca²⁺结合，从而加速碳酸钙沉积物的形成，堵塞导排系统。因此，本研究对各场景下渗滤液的pH进行了检测，结果如图6所示。生石灰预处理污泥掺加能够一定程度上提高沥出液的pH，由于掺加量较少，因此对结果的影响较小。对比场景4、5，电渗析污泥产生的渗滤液pH显著低于生石灰预处理污泥，说明生石灰的掺加对污泥自身pH环境提高较明显。随着pH的升高，CO₃²⁻占TIC的比例也会逐渐上升^[31]，会加速CaCO₃沉积物的形成。

掺加污泥到生活垃圾中混合填埋一方面会提高CO₃²⁻在TIC当中的占比，另一方面提升渗滤液中的钙离子浓度，因此，从导排系统化学堵塞这一角度来讲，掺加污泥到生活垃圾中混合填埋是极为不利的。

图6 各场景渗滤液pH比较
Fig. 6 Comparison of leachate pH in each scenarios

3 结论

1）生活垃圾掺加污泥能够显著提升渗滤液中总悬浮物（TSS）浓度，同时能够提升渗滤液较大粒径颗粒物的占比，将会加速填埋场底部导排系统物理堵塞过程。

2）生石灰中较高的CaO含量导致其与污泥混合时，会提升产生渗滤液的pH，从而提高TIC中CO₃²⁻的占比；同时生石灰预处理污泥掺加到生活垃圾中会显著增加渗滤液中的Ca²⁺浓度，当生活垃圾中掺加8%的生石灰预处理污泥（10%混合比例）时，其产生的渗滤液中Ca²⁺浓度提升31.6%，将会加速CaCO₃沉淀的生成。

3）结合前述引起填埋场导排系统堵塞失效的主要因素，从减缓填埋场导排系统堵塞、延长填埋场使用年限的角度出发，污泥宜单独分区填埋，生石灰预处理后的脱水污泥不宜与生活垃圾混填。

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