PAM保水剂对生物反应器填埋场持水性能及生物活性影响研究

第32卷第8期2012年8月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.8Aug.,2012基金项目:国家高技术研究发展计划项目(No.2007AA06Z350);国家科技支撑计划(No.2006BAC06B05);国家自然科学基金(No.40872151)SupportedbytheNationalHigh-TechResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2007AA06Z350),theStateKeyProjectforNationalScienceandTechnology(No.2006BAC06B05)andtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.40872151)作者简介:陆文静(1973—),女,副研究员,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者)Biography:LUWenjing(1973—),female,associateprofessor,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor陆文静,朱勇,龙於洋,等.2012.PAM保水剂对生物反应器填埋场持水性能及生物活性影响研究[J].环境科学学报,32(8):1934-1941LuWJ,ZhuY,LongYY,etal.2012.EffectofwaterretentionagentPAMonwaterretentionpropertyandbiologicalactivityofbioreactorlandfill[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(8):1934-1941PAM保水剂对生物反应器填埋场持水性能及生物活性影响研究陆文静1,∗,朱勇2,龙於洋1,3,王洪涛1,吴华勇1,杜渊1,段振菡1,迟子芳11.清华大学环境学院,北京1000842.浙江省城乡规划设计研究院,杭州3100073.浙江工商大学环境科学与工程学院,杭州310012收稿日期:2011-07-18　　　修回日期:2012-02-12　　　录用日期:2012-03-05摘要:填埋垃圾的含水率是生物反应器填埋场中垃圾降解和渗滤液产生的重要影响因素.本文将农业上广泛应用的聚丙烯酰胺(PAM)高分子保水剂用于垃圾填埋场保水持水性能的改善,以提高填埋场微生物活性,促进有机物降解.选取了典型的非水溶性高分子保水剂JB和水溶性高分子保水剂WSN20,通过考察填埋过程中介质含水率、渗滤液产量及水质,填埋气组分和微生物活性的变化,评价保水剂种类及添加量对填埋介质持水性能和垃圾降解过程的影响.结果表明,保水剂的添加量对介质的持水能力和微生物活性具有较大的影响.适量高分子保水剂的添加可有效减少渗滤液的产生并改善其水质.其中非水溶性保水剂JB的效果尤为显著,0.1%的投加比时能使填埋装置内介质的含水率增加12%,提高填埋体系中的微生物活性3.3倍,渗滤液产生量的削减达到75.6%.关键词:生物反应器填埋场;保水剂;持水性能;渗滤液;微生物活性文章编号:0253-2468(2012)08-1934-08　　　中图分类号:X705　　　文献标识码:AEffectofwaterretentionagentPAMonwaterretentionpropertyandbiologicalactivityofbioreactorlandfillLUWenjing1,∗,ZHUYong2,LONGYuyang1,3,WANGHongtao1,WUHuayong1,DUYuan1,DUANZhenhan1CHIZifang11.SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing1000842.ZhejiangUrban&RuralPlanningDesignInstitute,Hangzhou3100073.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310012Received18July2011;　　　receivedinrevisedform12February2012;　　　accepted5March2012Abstract:Moisturecontentisthemainfactoraffectingbiodegradationprocessaswellasleachateproductioninbioreactorlandfills.Inthestudy,twotypesofpolyacrylamide(PAM)waterretentionagentswhicharecommerciallyavailablewereselected.Oneisawater-solublePAMagentdesignatedasWSN20andtheotherisawater-insolublePAMagentdesignatedasJB.Bothwereappliedintolandfillmediumtostudytheirfunctiononwaterretentionandthebiologicalactivityenhancement.Duringthedegradationprocess,thevariationofmoisturecontent,quantityandqualityofleachate,landfillgasandelectrontransportsystem(ETS)activityinthesimulatedlandfillreactorsweredetermined.ResultshowedthatdosageandtypeofPAMhadsignificantimpactonthewaterretentionpropertyandbiologicalactivityoflandfill.Waterretentionagentofappropriatedosagecouldreducethequantityofleachateproductionandimproveitsqualitysimultaneously.JBshowedbettereffectthanWSN20.WhenthedosageofJBwas0.1%(wt/wt),themoisturecontentandETSactivityinthewasteincreasedby12%and3.3times,respectively,whiletheproductionofleachatesignificantlydecreased.Keywords:bioreactorlandfill;waterretentionagent;waterretentionproperty;leachate;biologicalactivity1　引言(Introduction)随着城市规模不断扩大和城市人口数量的迅速增加,人们的生活水平日益提高,导致城市生活垃圾产量剧增.截至2009年底,我国城市生活垃圾8期陆文静等:PAM保水剂对生物反应器填埋场持水性能及生物活性影响研究累积堆存量已达70亿t,占地约5万多hm2,并且将继续以每年8%~9%的速度增长.“垃圾围城”已赫然成为制约城市发展的瓶颈难题之一.填埋是我国生活垃圾最主要的处理方式,统计数据显示,2008年全国垃圾填埋处理量约占生活垃圾总处置量的81.7%(中国环境保护产业协会城市生活垃圾处理委员会,2010).由于填埋的垃圾消纳量大,设施建设费用较低,工艺相对简单,垃圾处理成本较为低廉,注定了该技术在今后的较长时间内仍将是我国主要的垃圾处理手段之一(中国环境保护产业协会城市生活垃圾处理委员会,2010).然而,传统的厌氧填埋具有稳定化过程缓慢、占地面积大等缺点,从而导致土地资源紧张,选址困难.20世纪70年代以来,欧美各国陆续开展了生物反应器填埋场研究(李启彬等,2001;Carson,1995).生物反应器填埋场是一种通过一定的调控手段提高填埋场内微生物活性,从而促进垃圾中可降解有机组分转化和加速稳定化的填埋方式(Reinhartetal.,2002;Warith,2002;蒋建国等,2007;陈朱蕾等,2007;何若等,2004).其中,尤以填埋垃圾含水率的调控最为关键.填埋垃圾的含水率是生物反应器填埋场中垃圾降解和渗滤液产生的主要影响因素之一(Barlazetal.,1990;Nobleetal.,1991;何若等,2001a;赵由才等,2000).一般情况下,垃圾填埋处理时适宜的含水率为50%~70%,当其低于40%时,微生物降解能力显著下降,而低于20%时,微生物降解则处于抑制状态.目前,对于填埋场内含水率的调控研究主要集中于渗滤液回灌(何若等,2001b;Gawandeetal.,2003;Mccreanoretal.,2000),关于如何提高填埋垃圾本身的持水性能,从而提高微生物活性,促进有机物降解和加速稳定化还鲜有研究.大量研究表明,聚丙烯酰胺(PAM)在增加土壤的湿润性及持水能力方面具有显著功效,并已在农业上得到广泛应用(杨红善等,2005;高超等,2005;杨俊华,1992).本文利用PAM保水剂开展其对提高填埋垃圾的保水和持水性能的影响研究.基于前期对适用于填埋场的保水剂筛选研究(陆文静等,2010),本文建立了生物反应器填埋场模拟装置,选择典型的非水溶性高分子保水剂JB和水溶性高分子保水剂WSN20,研究不同剂型及添加量对填埋场介质/垃圾持水性能和生物活性的影响,研究结果为开发适于我国垃圾特性的生物反应器填埋工艺提供了关键技术.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　高分子保水剂目前常用的土壤保水剂聚丙烯酰胺(PAM)分为水溶性和非水溶性两类.本文作者曾从饱和水合度、重复使用性能、抗外因子干扰性能以及成本等方面对不同保水剂进行了评价,结果表明水溶性保水剂WSN20和非水溶性保水剂JB性能最佳(陆文静等,2010).其中WSN20和JB分别为两种保水剂的商品型号,WSN20为阴离子水溶性保水剂、JB为非水溶性保水剂,基本性质如表1所示.本试验选取JB和WSN20作为研究对象.表1　保水剂JB和WSN20的基本性质Table1　CharacteristicsofwaterretentionagentsJBandWSN20产品编号离子类型离子度相对分子质量粒径/mm吸水倍率价格/(元·kg-1)WSN20阴5%30022JB0.3~0.7400352.2　填埋垃圾由于从垃圾填埋场采回的垃圾样品已经过一段时间的降解,有机质含量较低,代表性较差.因此,本实验采用自配垃圾,即在实际填埋场垃圾样品中加入新鲜厨余垃圾,提高有机质的含量,并将含水率调至60%~65%.具体垃圾配比如表2所示.表2　垃圾填埋模拟实验填埋介质配比Table2　Compositionoflandfillmediumusedinlandfillingsimulition原料质量/kg质量百分比含水率填埋场垃圾3030%32.67%芹菜2020%94.67%白菜1515%95.93%萝卜55%91.01%肥肉55%15.09%米饭1010%63.29%馒头1515%48.34%混合物合计100100%62.01%5391环　　境　　科　　学　　学　　报32卷2.3　生物反应器填埋模拟装置生物反应器填埋模拟装置均为直径70cm、有效高度30cm的圆柱体,内设一根直径为50mm带孔的导气管,用以模拟厌氧填埋场导气石笼;装置上部设有气室,用于填埋气采集、检测;下部为漏斗状的渗滤液收集室,底部有阀门,用于渗滤液的定期排放和采样.垃圾