宋 揚，劉惠玲，孟憲林

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

?

對東北某垃圾堆場利用EM 菌加速穩(wěn)定化的研究

宋 揚，劉惠玲，孟憲林

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

對已封場的簡易堆場垃圾，為加快其達(dá)到穩(wěn)定化，采用不同梯度復(fù)合高效微生物制劑(EM菌種)加速垃圾穩(wěn)定化來研究，EM菌添加快速提高了垃圾堆體內(nèi)溫度，72 h后堆內(nèi)溫度達(dá)到最高，在每噸垃圾添加5 kg以上EM菌時，堆內(nèi)高溫可達(dá)38 ℃；在實驗進(jìn)行到第12天時，垃圾的BDM由原來的30%降低至約5%、有機質(zhì)從25%降至6%，垃圾基本達(dá)到穩(wěn)定化.研究結(jié)果表明，簡易堆場垃圾經(jīng)過EM菌的高效降解作用，可以快速提高了其穩(wěn)定化的過程.

垃圾堆場；生物降解；穩(wěn)定化

當(dāng)前，對于國內(nèi)利用堆肥技術(shù)處理生活垃圾，國內(nèi)在垃圾填埋場穩(wěn)定化判別、對環(huán)境的影響分析及穩(wěn)定化周期方面有許多研究[1-2]，有關(guān)垃圾填埋場穩(wěn)定化過程中垃圾的不同組分規(guī)律的研究報道比較多[3]，對于市政垃圾的處理有較深入的研究[4-6]，但對簡易垃圾場治理技術(shù)方面的研究并不多[7].在利用堆肥處理垃圾方面的研究主要集中在實驗室的堆肥實驗裝置的設(shè)計[8-9]和利用生物反應(yīng)器處理垃圾不同填埋方式進(jìn)行的對比試驗[10]，對于利用EM菌生物降解處理城市垃圾的試驗卻很少，尤其對于垃圾堆場的處理則更少.僅有少數(shù)城市的垃圾場[11]進(jìn)行了這方面的嘗試, 如青島唐河路垃圾場、深圳鹽田港保稅區(qū)垃圾場[12-13]等,但其采用的技術(shù)方法也主要是搬遷法[14]和生化法.在我國東北地區(qū)，由于冬季氣溫低、冬季持續(xù)時間長(全年無霜期150 d左右，冬冰期190 d左右)，因此選擇在8、9月份溫度適宜EM菌繁殖時期進(jìn)行堆肥試驗.已有的研究表明，堆場垃圾要達(dá)到自然穩(wěn)定化需要約17～19 a[15].在漫長的堆場垃圾穩(wěn)定化過程中，垃圾中的有害有機物、重金屬[16-17]等對周邊地下水、地表水和土壤都會造成嚴(yán)重污染[18-19]，對堆場垃圾進(jìn)行人工修復(fù)，利用EM菌加速其穩(wěn)定化對于控制其對周邊環(huán)境的污染、重新恢復(fù)堆場土地的生態(tài)功能、具有重要的理論和實際意義[20].

在該垃圾堆場進(jìn)行垃圾取樣，以及對垃圾堆肥EM菌降解實驗的研究，調(diào)查該垃圾堆場的土壤結(jié)構(gòu)，對該垃圾堆場的可降解實驗的大規(guī)模實施有指導(dǎo)性作用，本研究旨在通過利用EM菌對簡易堆場垃圾進(jìn)行發(fā)酵分解，達(dá)到快速消除污染、加速垃圾穩(wěn)定化、恢復(fù)堆場土地的生態(tài)功能的目的.從而預(yù)判堆肥EM菌對該垃圾堆場降解處理實施的可行性分析.

1 試驗方法

1.1 試驗場所與試驗方法

1.1.1 試驗場所與試驗裝置

該垃圾堆場1997年建場并于2006年封場，占地1.2×105m2，整個堆場垃圾堆高為0.8～7.1 m，垃圾填滿量約為1×106m3.經(jīng)勘探場地地貌單元屬于該市一條河流的河漫灘.地層為第四紀(jì)沖積成因形成的黏性土及砂類土.圖1為根據(jù)垃圾堆場地形進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)調(diào)查的打孔平行分布圖，共13個鉆探孔點.

圖1 垃圾堆場平面圖

1.1.2 EM菌生物制劑

EM菌：EM(Effective Microorganisms)即有效微生物群，是一種集乳酸菌、酵母菌、放線菌和光合細(xì)菌等5個科、10個屬、80余種微生物組成的微生態(tài)制劑.EM是日本科學(xué)家比嘉照夫教授的研究成果，1992年開始用于生產(chǎn)，可用于農(nóng)用、養(yǎng)殖業(yè)及環(huán)境保護(hù)等方面.EM菌堆肥與傳統(tǒng)的堆肥存在原則性區(qū)別：傳統(tǒng)的堆肥處理技術(shù)，只是把垃圾中的可堆肥有機質(zhì)進(jìn)行堆肥，是屬氧化分解體系，是利用自然的微生物將有機物進(jìn)行氧化分解，EM菌群處理垃圾是發(fā)酵分解過程，在有機物分解過程中所產(chǎn)生的氨、硫化氫、甲烷氣體[21-22]等物質(zhì)對人類來說是有害的，是污染源[23]，但它們卻是EM有效微生物群的營養(yǎng)物質(zhì)，它們通過新陳代謝作用，化害為利，生成有益的有機營養(yǎng)[24].實驗的場所面積25 m2、劃分為4個堆肥實驗區(qū)(如圖2)，在堆肥實驗時2 t垃圾的堆體高約1 m左右.

圖2 實驗區(qū)平面示意圖

1.1.3 常用儀器與藥品

生物EM菌堆肥實驗區(qū)、直流電源、鼓風(fēng)機、研磨機、分篩儀、磅秤、粉碎機、馬弗爐、瓷坩堝、鼓風(fēng)干燥箱、COD恒溫加熱器、紫外-可見分光光度計、pH計、Perkin Elmer Ls-55熒光發(fā)光分光光度計、EM菌生物制劑

1.1.4 樣品采集與制備

將堆肥分成8個梯度：每2 t的垃圾分別加入0、1、2、5、10、15、20、30 kg的堆肥.

1)試驗材料工具:垃圾易堆腐物(陳舊)16 t，取自垃圾填埋場；菌劑83 kg由生物工程研究所提供; 堆肥翻動工具.2)試驗方法：采用發(fā)酵工程技術(shù)，運用生物工程研究所研制的微生物菌劑，以0～15/1 000的比例處理垃圾易堆腐物.處理周期4周.溫度控制在20～60 ℃，濕度控制在60～70%.對發(fā)酵微生物處理的垃圾易堆腐物定期翻動(4次/d)；通過防雨、排水發(fā)酵簡易發(fā)酵棚防止雨水沖淋.3)不同菌量梯度下的堆內(nèi)溫度、BDM、有機質(zhì)隨時間的變化，頭兩天每天取兩次樣之后每兩天取一次樣測值.

1.1.5 垃圾樣品成分分析前處理

垃圾樣品成分分析前處理步驟如下：

1)按規(guī)定的方法取來的垃圾樣品置于烘箱內(nèi)，在105 ℃下烘至恒重；

2)從烘干后的垃圾樣品中剔除大塊金屬、渣石和玻璃等無機硬廢物和無法降解[25]的橡膠和塑料；

3)將其余垃圾樣品裝入球磨機，研磨6 h，用分篩儀過20目篩，過篩后的垃圾即為垃圾成分分析對象.

1.2 分析方法

1.2.1 生物可降解物質(zhì)BDM(Biologically Degradable Material)

生物可降解物(BDM)的測定：

垃圾的降解過程可以看作是有機物由生物利用，合成自身物質(zhì)，再由生物的代謝轉(zhuǎn)化成無機物質(zhì)的過程.垃圾中的生物可降解物多少，間接反映了垃圾的降解程度.垃圾中的生物可降解物很低的時候，垃圾中可以被生物降解的物質(zhì)就非常少，也說明垃圾降解達(dá)到穩(wěn)定.

原理：本方法是一種以化學(xué)手段估算生物可降解度的間接測試方法.根據(jù)生物可降解有機質(zhì)應(yīng)比生物不可降解有機質(zhì)更易于被氧化這一特點，在原有“濕燒法”測定固體總有機質(zhì)方法基礎(chǔ)上，采用了常溫反應(yīng)，降低溶液的氧化程度，使之選擇性地氧化生物可降解物質(zhì).其具體測定方法為：在強酸性條件下，以強氧化劑重鉻酸鉀在常溫下氧化樣品中有機質(zhì)，過量的重鉻酸鉀以硫酸亞鐵回滴.根據(jù)所消耗的氧化劑的量，計算樣品中有機質(zhì)的量，再換算為生物可降解度[25].

步驟：稱取試樣0.5 g(稱準(zhǔn)至0.000 1 g)置于250 mL容量瓶中，加入重鉻酸鉀溶液15 mL，濃硫酸20 mL，置于振蕩器中振蕩1 h(振蕩頻率每分鐘100次左右).同時做空白試驗.取下容量瓶，加水至標(biāo)準(zhǔn)，搖勻.取25 mL于錐形瓶中，加入試亞鐵靈指示液3滴，用(NH4)2Fe(SO4)2標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴.

計算方法如下：

其中：V0為空白試驗所消耗的(NH4)2Fe(SO4)2標(biāo)準(zhǔn)溶液(mL)；V1為樣品測定所消耗的(NH4)2Fe(SO4)2標(biāo)準(zhǔn)溶液(mL)；C為(NH4)2Fe(SO4)2標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)；6.383為換算系數(shù)(碳的換算系數(shù)3.0除以生物可降解物質(zhì)的平均含碳量47%)；W為樣品質(zhì)量(g).

1.2.2 有機質(zhì)的測定—灼燒法(CJ/T 96-1999)

垃圾的降解過程相當(dāng)復(fù)雜，是物理、化學(xué)及生物等綜合作用的結(jié)果，可以將垃圾的降解過程看作是一個有機大分子分解成許多有機小分子，再由有機小分子轉(zhuǎn)化成無機物的過程，因此垃圾中的有機質(zhì)含量能直接反映垃圾降解的程度.可以在監(jiān)測垃圾固體中的有機質(zhì)來分析垃圾的降解過程[26-28].

原理：垃圾中的有機物質(zhì)在高溫下灼燒，經(jīng)過一段時間后，幾乎可以全部被氧化為氣態(tài)物質(zhì)，從垃圾中清除.灼燒后的剩余灰分可以認(rèn)為是垃圾中所含的無機物質(zhì).因此，可以通過灼燒的方法來測定垃圾中有機物(揮發(fā)性固體)的含量.

步驟：稱取2.0g試樣(精確至0.000 1g)，置于已恒重的瓷坩堝內(nèi)一起稱重(坩堝事先空燒2h).將坩堝放入馬福爐內(nèi)升溫至600 ℃，恒溫6～8h后關(guān)閉馬福爐，待溫度降至200 ℃時取出坩堝，置于干燥器內(nèi)放冷，稱重.再將坩堝重新放入馬福爐中同樣溫度下灼燒10min，同樣冷卻稱重，直至恒重.

計算方法如下：

其中：W1為垃圾和坩堝總重(g)；W2為灼燒后灰分加坩堝重(g)；W0為空坩堝重(g).

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥試驗中EM菌加速垃圾穩(wěn)定化過程中的溫度變化的研究

不同梯度菌種堆內(nèi)外溫度變化曲線規(guī)律可以看出(圖3、4)，在開始時外界溫度始終不低于20 ℃時，堆內(nèi)垃圾在連續(xù)堆肥192 h(8 d)左右基本達(dá)到穩(wěn)定(溫度維持在25～30 ℃)，其中實驗的前96 h(4 d)達(dá)到相對最高溫度，隨著時間的變化堆內(nèi)溫度平緩降低直到維持穩(wěn)定，其中與外界溫度的晝夜溫差變化相對比，堆內(nèi)溫度相對有相應(yīng)的波動規(guī)律，在垃圾達(dá)到穩(wěn)定化時溫度也會相對穩(wěn)定.

圖3 2011年8月份不同梯度菌種堆內(nèi)外溫度變化曲線

圖4 2011年9月份不同梯度菌種堆內(nèi)外溫度變化曲線

2.2 堆肥試驗中EM菌加速垃圾穩(wěn)定化過程中的BDM變化的研究

東北的土壤中有機質(zhì)百分含量一般為2%～7%、BDM為2%～5%，因此可以認(rèn)為垃圾中有BDM 5%以下、機質(zhì)達(dá)到7%以下垃圾即達(dá)到穩(wěn)定，即可以用這兩個指標(biāo)來評價垃圾堆場的穩(wěn)定化程度.通過EM菌加速垃圾穩(wěn)定化實驗使垃圾趨于穩(wěn)定后，2 t垃圾接種20 kgEM菌的BDM降低最多(表1)，因此可以推斷EM菌對垃圾達(dá)到穩(wěn)定的有效最大化比例應(yīng)為接種1%高溫EM菌(即2 t垃圾接種20 kg)，同時采用1%EM菌加速垃圾穩(wěn)定化實驗14 d生物可降解物質(zhì)降解了約70%，BMD曲線已趨于水平，可以表征垃圾達(dá)到穩(wěn)定化程度.見圖5、6.從曲線趨勢得出，除接種1 kg EM菌堆內(nèi)BDM在堆肥14 d變化不明顯外，其他接種梯度的堆內(nèi)BDM均有明顯變化，實驗初期由于堆內(nèi)微生物處于適應(yīng)階段使得4 d內(nèi)堆內(nèi)BDM變化不大，適應(yīng)了堆內(nèi)環(huán)境一段時間后，微生物迅速生長使得BDM迅速下降，在第4 d時BDM下降速率最高，隨后BDM的量隨著實驗時間延長呈緩慢下降趨勢.見圖5,6.

圖5 2011年8月份不同梯度堆內(nèi)BDM變化曲線

圖6 2011年9月份不同梯度堆內(nèi)BDM變化曲線

表1 2011年的8、9月份垃圾穩(wěn)定前后BDM對比數(shù)據(jù)

2.3 堆肥試驗中EM菌加速垃圾穩(wěn)定化過程中的有機質(zhì)變化的研究

2011年的8、9月份的試驗數(shù)據(jù)表明(表2)，在EM菌對樣品垃圾進(jìn)行加速穩(wěn)定化過程中，均在第12天就可使堆體內(nèi)有機質(zhì)降低到7%以下，并且在第14天時最低數(shù)值可降低為6.31%. 見圖7、8.表2.

圖7 2011年8月份不同梯度堆內(nèi)機質(zhì)變化曲線

圖8 2011年9月份不同梯度堆內(nèi)機質(zhì)變化曲線

表2 2011年的8、9月份垃圾穩(wěn)定前后有機質(zhì)對比數(shù)據(jù)

2.4 討 論

把此堆肥實驗在與以往在實驗室進(jìn)行的反應(yīng)器堆肥實驗相比較，在東北高緯度地區(qū)進(jìn)行的非反應(yīng)器內(nèi)堆肥的堆內(nèi)外溫度變化并不是隨時間一直升高直到達(dá)到穩(wěn)定溫度的，而是與外界溫度有相關(guān)聯(lián)的波動的，當(dāng)外界溫度很低時堆內(nèi)溫度也會表現(xiàn)出一定幅度的降低，堆肥一定時間后才表現(xiàn)為堆內(nèi)溫度先升高再平緩降低直到維持穩(wěn)定，在垃圾達(dá)到穩(wěn)定化時溫度才會相對穩(wěn)定.與溫度表現(xiàn)不同的是BDM和有機質(zhì)在非反應(yīng)器的堆肥中隨時間的變化與以往在反應(yīng)器中堆肥的變化趨勢是基本一致的，變化是隨時間平緩減低直至最后達(dá)到穩(wěn)定.

3 結(jié) 語

利用不同梯度復(fù)合高效微生物制劑(EM菌種)在對樣品垃圾進(jìn)行加速其穩(wěn)定化過程中發(fā)現(xiàn)，高效的EM菌的添加使得樣品垃圾堆體內(nèi)溫度快速提高，在72 h后堆內(nèi)溫度達(dá)到最高，在對每噸樣品垃圾添加5 kg以上EM菌時，堆內(nèi)高溫最高可達(dá)38 ℃；在實驗進(jìn)行到第12天時，樣品垃圾中的BDM百分含量由原來的30%降低至約5%、有機質(zhì)百分含量從25%降至6%，在第14天時垃圾基本達(dá)到穩(wěn)定化.研究結(jié)果表明，簡易堆場垃圾經(jīng)過EM菌的高效降解作用，而且傳統(tǒng)的治理污染設(shè)備存在投資大運行費用貴的毛病，EM菌堆肥技術(shù)可以大大的減低這些費用和縮減治理流程，目前還未有大規(guī)模的應(yīng)用EM菌堆肥加速垃圾穩(wěn)定化過程，因此大力開展EM的生產(chǎn)技術(shù)和推廣EM菌的應(yīng)用很有必要，在適宜溫度下的城市中應(yīng)用可以解決快速提高了生活垃圾的穩(wěn)定化的過程.

[1] 李玉春, 李彥富, 榮 波, 等. 北京市生活垃圾堆肥現(xiàn)狀及存在問題分析[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2005, 13(4): 24-28.

[2] 王 靜, 裴佳欽. 生活垃圾簡易堆放場的穩(wěn)定化判別及綜合整治. 中國資源綜合利用. 2006, 24(9): 21-24.

[3] CASTAGNOLY O, MUSMECI L, ZAVATTIERO E,etal. Holmic substances and humiliation rate in a municipal refuse disposed in a landfill [J]. Water, Air and Soil Pollution, 1990, 53: 1-12.

[4] HAM R K, NORMAN M R, FRITSCHEL P R. Chemical characterization of fresh kills landfill refuse and extracts [J]. Journal of Environmental Engineering, 1993, 119(6): 1176-1195.

[5] WALL D K, ZEISS C. Municipal landfill biodegradation and settlement [J]. Journal of Environmental Engineering, 1995, 121(3): 214-224.

[6] TOUNSEND J G, MILLER W L, HYUNG-JIB LEE,etal. Acceleration of landfill stabilization using leach ate recycle[J]. Journal of Environmental Engineering, 1996, 22(4): 263-268.

[7] 歐陽培. 城市生活垃圾處理現(xiàn)狀與處理方式比較研究[J]. 再生資源研究, 2007(4): 33-36.

[8] 王里奧, 林建偉, 劉元元. 城市生活垃圾簡易堆放場穩(wěn)定化周期的研究[J]. 上海環(huán)境科學(xué). 2003, 22(2): 89-94.

[9] 曾現(xiàn)來, 張增強, 張永濤. 城市生活垃圾堆肥試驗裝置的設(shè)計[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2006, 10(7): 109-112.

[10] 李 兵, 董志穎, 趙勇勝. 2種MSW好養(yǎng)生物反應(yīng)器型填埋方式的對比實驗[J]. 環(huán)境科學(xué), 2005, 26(3): 180-185.

[11] 梁舜文, 廖 利. 深圳市鹽田港保稅區(qū)垃圾場無害化處理工程方案[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 1998, 6(3): 99-103.

[12] 廖 利, 全宏東. 深圳鹽田垃圾場對周圍土壤污染狀況分析[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，1999, 12(3):51-53.

[13] 趙樹青, 廖 利, 吳學(xué)龍. 深圳鹽田垃圾場處置工程方案研究[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程， 2001, 9(4):167-169.

[14] 廖 利, 樊曉明, 何偉香, 等. 深圳市鹽田保稅區(qū)垃圾場搬遷過程中的安全防范措施[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 1998, 6(3): 118-122.

[15] 謝 冰, 劉惠玲, 楊義飛, 等. 哈爾濱市簡易垃圾堆場的垃圾降解及穩(wěn)定化研究[J]. 中國給水排水. 2009, 25(23): 123-125.

[16] KANMANI S, GANDHIMATHI R. Assessment of heavy metal contamination in soil due to leachate migration from an open dumping site [J]. Appl Water Sci, 2013, 3(1): 193-205.

[17] TAGHIPOUR H, MOSAFERI M, ARMANFAR F. Heavy metals pollution in the soils of suburban areas in big cities: a case study [J]. International journal of environmental science and technology,2013, 10(2): 243-250.

[18] GHOSH P, GUPTA A, THAKUR I S. Combined chemical and toxicological evaluation of leachate from municipal solid waste landfill sites of Delhi [J]. India Environ Sci Pollut Res, 2015, 22(12): 9148-9158.

[19] VITHANAGE M, WIJESEKARA S S R M D H R, SIRIWARDANA A R,etal. Management of municipal solid waste landfill leachate: A global environmental issue [J]. Environmental Deterioration and Human Health, 2013, 263-288.

[20] 唐翔宇. 垃圾衛(wèi)生填埋場微量氣體的產(chǎn)生及環(huán)境影響[J]. 上海環(huán)境科學(xué), 1997, 16(9):24-36.

[21] 鄒世春, 張淑娟, 張展霞, 等. 垃圾填埋場空氣中微量揮發(fā)性有機物的組成和分布[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2000, 20(1): 77-81.

[22] KWON E E., CASTALDI M J. Urban energy mining from municipal solid waste (MSW) via the enhanced thermo-chemical process by carbon dioxide (CO2) as a reaction medium [J]. Bioresource Technology, 2012, 125 (338): 23-29.

[23] 彭國華, 袁 鏗, 彭衛(wèi)東. 城市生活垃圾的危害性和無害化處理[J]. 中國公共衛(wèi)生管理, 2007, 23(5): 476-478.

[24] 廖 利. 陳垃圾特性分析及其實用性評價[J]. 重慶環(huán)境科學(xué), 1999, 21(5): 53-54.

[25] 廖 利, 吳學(xué)龍, 黎青松, 深圳鹽田垃圾場主場垃圾特性的分析研究[J]. 環(huán)境與開發(fā), 1999, 14(1): 8-9.

[26] 李志華, 勾紅英. 城市生活垃圾可生物降解組分降解規(guī)律的研究[J]. 山西建筑. 2008, 34(29): 339-340.

[27] 王羅春, 趙由才, 陸雍森. 垃圾BDM分析及其應(yīng)用[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2003, 11(1): 6-8.

[28] 路文圣，李俊生，蔣寶軍.營養(yǎng)物添加對生活垃圾降解及滲濾液水質(zhì)的影響[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，32(1)：21-24.

Accelerated stabilization of landfill in high latitude area by effective microorganisms

SONG Yang, LIU Hui-ling, MENG Xian-lin

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The stabilization of an enclosed landfill was successfully accelerated by using different concentrations of effective microorganism (EM). The results showed that the inner temperature of the landfill was increased by the addition of EM. The maximum temperature can be reached after 72 h of composting. The inner temperature of the compost can be increased to 38 °C with 5 kg EM added to per ton of compost. The landfill compost was stabilized with in 12 d, while the biodegradable material (BDM) was reduced from 30% to 5%, and the organic matter was reduced from 25% to 6%, which indicating the stabilization of the enclosed landfill was accelerated by the efficient degradation of EM.

municipal; compost; biological degradation; stabilization

2016-02-29.

宋 揚(1982-)，男，碩士，研究方向：固體廢棄物處理.

劉惠玲(1972-)，女，博士生導(dǎo)師，研究方向：固體廢棄物處理，水處理.

X799

A

1672-0946(2016)06-0672-06