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渗滤液循环是垃圾填埋场进行渗滤液控制和管理的重要方法之一，它可以通过提高营养物质、能量和水分等的均匀性，为微生物的生长提供适宜的生长环境，从而促进和加快固体废物的稳定化速度，减小渗滤液的产量和处理成本。根据微生物反应基本理论，固体废物厌氧降解主要包括产酸和产甲烷阶段，基于这种概念的传统处理实际上就是两阶段同时存在的组合处理。如果不加调节，固体废物降解初期阶段产生的挥发性有机酸不断积累，对甲烷的产生起一定的抑制作用，有研究表明，这将使甲烷的产生至少滞后1年，延长了垃圾的稳定化时间。如果能够有效解决固体废物降解过程中有机酸的累积对产甲烷的抑制问题或使固体废物的产酸和产甲烷阶段有效分离，就可加快固体废物稳定化的速度。已有研究表明，用分段法处理固体废物，其稳定化速度比用组合法快得多。随着渗滤液循环技术的不断发展，一些基于生物化学机理的生物反应器不断出现，如根据老垃圾渗滤液碱度高这一特点，将老生物反应堆的渗滤液用于新反应堆的循环，可以加快降解速度。
在理论上，调节pH，通风等措施都有利于实现固体废物产酸和产甲烷阶段的分离。随着通风技术的不断发展，气体的扩散率得到了提高，它可使不同阶段微生物对环境和营养的需求得到更大的优化。因此通风对解决这一问题更具潜力。笔者在此进行间歇通风对渗滤液循环生物反应器中固体废物稳定化的影响研究，主要包括间歇好氧通风对固体废物的产酸和产甲烷阶段的分离、加快固体废物稳定化的有效性；活性污泥接种微生物对固体废物稳定化的影响；原位处理固体废物填埋场中污染物的可行性和有效性。
1材料和方法
1.1实验设备
实验装置为3个有机玻璃柱（反应器），总长60cm，内径17cm。实验装置如图1所示，各反应器的配置见表1。
图1实验装置图
表1各反应器配置表 
1.2实验样品
实验用垃圾样品取自长春市金钱堡垃圾场的新鲜生活垃圾，样品过10mm筛分选，其物理化学特性见表2。渗滤液物理化学特性见表3。
1.3实验方法
每个反应器的渗滤液循环频率为3次/周，每次循环水量不超过1.8L，以避免反应器上部存积水。并且每天用鼓风机对反应器B和C强制通风2h。通风量根据理论公式进行估算：
D=kmc（0.0012t+0.28）/12 （1）
式中，D为理论需氧量，mol；k为调节系数，一般为0.5～1.5；m为垃圾的质量，g；t为温度；c为垃圾中总有机碳的质量分数，一般为10％～20％；12为1mol碳原子的质量（g/mol）。
表2固体废物的物理化学特性 
表3渗滤液物理化学特性（mg/L） 
2实验结果及分析
经过对水样实验监测数据的分析，作出了pH、CODcr、BOD5、NH4+、NO3-，总氮和重金属等指标的变化曲线图（见图2～10）。其中，横坐标PVN为孔隙水体积倍数（pore volume number，PVN），是累计出水量和反应器饱和孔隙水体积的比值，反映了实验过程中渗透出的水样量，其值与实验时间有线性关系，随实验时间的延长而不断地增大。PVN不但可以反映时间和各指标的变化关系，还能反映水量和各指标的变化关系。
2.1pH变化分析
由图2的pH变化曲线可看出，反应器A，B和C的pH分别从6.74，6.81和6.80下降到6.56，6.60和6.70后再开始回升。PVN小于2时，系统处于起始调节阶段，pH下降说明反应器中有机酸的去除和产生存在着不平衡，产生量大于去除量；PVN大于2时，各反应器的pH均有不同程度地升高，升高的程度为：反应器C＞反应器B＞反应器A。反应器A，B和C分别在PVN为11，10和5.5时，其pH分别升高至7.23，7.42和7.45，说明间歇通风对pH的变化有一定的影响。在通风时，部分有机酸直接转化为CO2和H2O释放，所以pH升高较快，在一定程度上缓解了pH对微生物生长的抑制，加快了固体废物的稳定化进程。另外，在通风过程中，CO2和部分有机酸被吹脱出来，对pH的降低有一定的缓解作用。从图2也可以看出，添加活性污泥接种微生物能够明显加快固体废物的稳定化速度。
图2各反应器中pH变化曲线
2.2有机物衰减分析
图3的CODcr变化曲线表明，起始调节阶段，即PVN小于2时，3个反应器的ρ（CODcr）由初始的1070，1209和1321mg/L分别升高至1502，1731和1654mg/L。这一阶段主要以溶滤作用为主，溶入水中的CODcr大于反应器去除量。而当PVN大于2时ρ（CODcr）下降，在PVN为3左右时，3个反应器的ρ（CODcr）分别下降到703，522和538mg/L，基本达到稳定状态。图4中ρ（BOD5）的变化趋势和ρ（CODcr）的变化趋势基本一致，其值分别从277，302和330mg/L升高到335，356和345mg/L，然后再降低到157，118和84mg/L，最终均降低到80mg/L以下。反应器B比反应器A对CODcr的去除率高15%～25%，反应器C比反应器B高15%～20%。由此可知，间歇通风通过调节生物反应器内的pH，优化了微生物的生长环境，有助于产酸菌和产甲烷菌之间的平衡生长，缓解了二者之间的相互抑制，有利于产酸和产甲烷阶段的分离，从而加快了有机物的降解。而且，接种微生物更能有效地加强有机物的降解。
图3各反应器中CODcr变化曲线图
图4各反应器中BOD5变化曲线
ρ（BOD5）/ρ（CODcr）是评价有机物可生物降解性能的一个重要指标，当发生生物降解反应时，其值会随之下降。在实验中监测到，初始阶段ρ（BOD5）/ρ（CODcr）的最高值为0.35，反应器C在PVN为4.15时出现了ρ（BOD5）/ρ（CODcr）的最低值（0.11），而此时，反应器A和B的该值分别为0.30和0.25.也说明了间歇通风对固体废物稳定化的促进作用，同时还说明，在固体废物填埋场中添加活性污泥引入微生物是有利和必要的。
2.3氮变化分析
在间歇好氧通风反应器B和C中，物质的迁移和反应如图5所示。渗滤液把剩余的氮从厌氧区带到好氧区进行硝化，再通过渗滤液循环运到顶部缺氧层，然后和其他物质，如硫等一起被去除。有研究表明，氮的转化效率与运行方式有密切关系，若采用渗滤液循环，分段法和组合法对氮的去除率都能达到95%，若没有渗滤液循环，组合法每次只能有30%～52%的氮用于硝化有16%～25%的氮用于反硝化。
图5反应器内物质转化示意图
从铵离子的变化曲线（见图6）可看出，在厌氧反应器（反应器A）中进行单纯的渗滤液循环对NH4+的去除效果并不明显。而反应器B和C中ρ（NH4+）分别从270和245mg/L下降到50和30mg/L，去除率分别达81.4%和87.8%。对NH4+的去除主要有以下3个作用：①硝化和反硝化作用。由于铵离子在间歇好氧反应器内形成的好氧区、厌氧区和缺氧区之间进行相应的氮转化，有利于NH4+的去除，而经过适应后接种微生物对脱氮有明显的强化作用。②厌氧铵氧化作用。利用微生物过程将铵离子和亚硝酸氮一起转化为氮气释放，反应方程为：NH4+＋NO2-→N2＋2H2O。③化学沉淀。渗滤液中存在一定量的Mg2+和PO43-，它们可以生成磷酸铵镁沉淀（在0℃时磷酸铵镁的溶解度仅为0.23g/L）而去除一定量的铵离子，其生成反应式为：Mg2+＋NH4+＋PO43←→MgNH4PO4•6H2O。 图7的硝酸根离子变化曲线表明，3个反应器中硝酸根离子的变化趋势基本相似，且对硝酸根都有较好的去除效果。从图8的总氮变化曲线可看出，3个反应器中总氮的变化趋势都是先增后减，但是在ρ（总氮）达到最大值时的PVN是不同的，反应器A，B和C分别在PVN约为6.2，3.5和2.2时ρ（总氮）达到最大值，即1260，1532和1430mg/L，总氮的最终去除率分别达57%，72%和83%。由此说明，间歇通风有利于硝化和反硝化作用的进行，可加快固体废物稳定化的速度；添加微生物增强了系统对氮的降解能力。
图7各反应器中硝酸根离子变化曲线
图8各反应器中总氮变化曲线
2.4重金属变化分析
一般来讲，降低pH，重金属的溶解度就会升高。因此在固体废物的产酸阶段，渗滤液中重金属的含量较高，而在产甲烷阶段重金属则以硫化物、碳酸盐和氢氧化物等沉淀形式存在，含量较低。重金属在渗滤液中的含量主要取决于4个作用：沉淀、络合、吸附和氧化还原。有研究表明，在初始阶段的还原环境中，90%的重金属衰减是以硫化物等沉淀形式进行的，而且在还原条件下，渗滤液循环有助于将SO42-转变为S-。
为了研究通风对重金属的去除影响，选择反应器A和B进行对比。从图9，10可知，反应器B对重金属具有很好的去除效果。因此，间歇好氧对重金属的降解起了一定的作用。主要原因可能有：①沉淀作用。从pH的变化曲线（见图2）可知，整个系统处在偏碱性条件下，重金属容易以氢氧化物和碳酸盐的形式沉淀。②络合作用。好氧通风和渗滤液循环大大加快了固体废物的腐殖化进程，而腐殖质易与重金属形成稳定的络合物或螯合物。③微生物作用。由于反应器B中的微生物生长繁殖较好，甚至形成菌胶团，因此微生物不仅对重金属有良好的吸附作用，而且还有吸收作用。
图9反应器A和B中铜离子变化曲线
图10反应器A和B中重金属去除率
3结论与建议
a.渗滤液循环对固体废物中的营养物质、水分和能量等进行了再分配，促进了微生物的生长，有利于城市固体废物的稳定化。
b.通过对pH的影响，间歇好氧有利于固体废物产酸和产甲烷阶段的分离，缩短了固体废物的产酸阶段，优化了微生物的生长环境，更加提高了微生物对固体废物的降解效率。
c.间歇好氧通风和添加活性污泥都能有效加快CODcr的降解。在PVN相同时，间歇好氧通风比不通风对对CODcr的去除率高15%～25％；在通风条件下，添加污泥比不添加污泥对CODcr的去除率高15%～20％。
d.间歇好氧通风和添加活性污泥能够加速氮的转化和去除。单纯的渗滤液循环对总氮的最终去除率达57%，间歇好氧通风对其去除率可达72%，若添加活性污泥则对其去除率可提高到83％。
e.间歇好氧通风也有利于重金属的去除。通风比不通风对重金属的去除率高5%～55%。
综上所述，用间歇好氧法对渗滤液中的主要污染物，如CODcr，BOD5，氮和重金属等进行原位去除是可行的。
参考文献：略
