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原生垃圾直接填埋会造成渗滤液和填埋气体排放等二次污染问题[1]。欧盟国家较早提出了生活垃圾在填埋之前必须进行处理，以减少可降解有机物含量的要求[2]。发达国家的填埋政策反映了垃圾填埋技术的发展方向。我国的生活垃圾中厨余垃圾占很大比重，其含水率和易降解有机物含量高，原生垃圾直接填埋势必产生更严重的二次污染。所以，我国对生活垃圾在填埋前进行生物稳定化预处理相对于发达国家更有必要。生活垃圾填埋前进行生物稳定化预处理的方法很多，包括好氧、厌氧及两者的联用[3-6]。通过生物稳定化预处理能够降解有机物、降低垃圾的含水率、减轻垃圾填埋后污染影响、加速垃圾堆体稳定[7]。厌氧降解常需较长的处理时间和较复杂的设备条件，好氧降解则在这两方面具有优势。生物稳定化预处理与传统生物处理技术采用的工艺相似，但是两者最终目的不一样，传统生物技术的产物以应用于土地改良为目的，要求处理后产物必须杀灭致病微生物且施用后不会抑制植物生长，有机物稳定则是附带的要求；而生物稳定化预处理以填埋污染削减为目的，与污染相关的有机物稳定化为其直接要求。现有评价生活垃圾生物稳定性的指标主要有生物活性指标和理化指标：好氧呼吸速率（AT4）是一种较有效的生物活性指标[8]；垃圾的生物质组成，包括木质纤维素和易降解有机物的含量能够反映垃圾的稳定程度[9]；而垃圾浸出液的性质能在一定程度上反映渗滤液的污染潜力[10]。
本文针对中国生活垃圾特性，研究其在填埋前好氧生物稳定化预处理过程中，生活垃圾稳定性指标的变化特征，为改变原生生活垃圾直接填埋的替代技术发展提供依据。
1材料与方法
1.1实验材料
实验用城市生活垃圾采自上海某居民生活区，由厨余（60％，湿基比，下同）、纸类（23％）、塑料（11％）和其他（6％）组成。
1.2好氧稳定化处理过程
生活垃圾采集后先进行破袋处理。生物稳定化处理的快速降解阶段（第1阶段，16d）实验在实验室好氧装置（参见图1）中进行，装置为圆柱状PVC容器，高1.2m，内径0.4m；该柱子配有渗滤液导出装置和通风装置；柱体外侧设置上、中、下3个取样口，利于取样的均匀性；柱内设置温度探头，监测整个过程中物料温度的变化。在第1阶段，前4d进行微量通风，通风量为0.057m3•h-1•kg-1，通风频率为每24h通风6次，每次通风10min；后12d加大通风量，通风量为0.057m3•h-1•kg-1，每24h通风48次，每次通风7min，并且隔天翻堆。第0、8、16d分别从3个取样口取样混合后，分析垃圾性质。第1阶段结束后，垃圾从柱中取出开始后腐熟阶段（第2阶段，28d）实验，即进行简单堆置，每周翻堆1次，每次翻堆后采用4分法取样，分析垃圾性质。
图1实验装置图
1.3分析方法
生活垃圾样品制备及分析的具体流程按照图2进行。
图2样品分析流程图
1.3.1固体样品分析
测定经70℃、48h烘干前后样品的重量变化来确定样品含水率；挥发性有机物（VS）为550℃下烘至恒重的前后重量差；分选出玻璃和金属后的垃圾样品进行元素分析，测定碳含量（Elementar VARIO Ⅲ，德国）和其可降解有机物生物质组成；蛋白质以微量凯氏氮法测定，脂肪以索氏提取法测定，木质纤维素类以NDF-ADF法测定，淀粉以酸水解直接滴定法测定[11-14]。
1.3.2生活垃圾减重分析
生物稳定化过程中塑料可视为不变化，依据处理物料中塑料的重量比变化可以对垃圾减重进行分析。烘干样品经分选后测塑料的干基重量百分比，垃圾重量变化可以通过式（1）计算。
1.3.3浸出液性质分析
稳定化过程中的垃圾样品和蒸馏水按固液比1:10（湿基比）在室温下水平振荡24h，再经10000rmp离心10min后取上清液过0.45μm滤膜，滤出液即为浸出液。然后，测定浸出液化学需氧量（COD）（重铬酸钾消解法）、氨氮（NH4N）（蒸馏滴定法）、总有机碳（TOC）和总氮（TN）（TOCVCPH，岛津，日本）。
1.3.4好氧呼吸速率分析
好氧呼吸速率（AT4）按照He[15]等的方法进行测试。新鲜样品通过“拳头实验（fist test）”控制在一定的含水率，取10g在35℃下1L密闭锥形瓶中培养，每日测定其中的氧气变化（CYS-1数字式测氧仪，上海嘉定学联仪器，中国）。测定后，将瓶中气体置换为空气，继续培养，共测定4d，每组3个平行。
1.3.5填埋气体产量预测
依据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》的估算方法，计算经生物预处理后垃圾进行填埋时的甲烷年排放（Ln）。设Pn为第n与第0甲烷年排放估算值的比值，即Pn=Ln/L0。
2结果与讨论
2.1生物稳定化过程中生活垃圾的重量变化
在生物稳定化过程中，由于翻堆、强制通风和温度上升等作用，生活垃圾中水分主要以沥滤液和水蒸气两种方式排出。从表1中可以发现，在初始、第1和第2阶段结束时，垃圾含水率分别为72.5％、53.5％和45.9％，表明水分下降主要发生在第1阶段。水分是垃圾发生生物化学反应、营养物质转移和微生物活动的介质，有机物好氧降解的最佳含水率变化范围为50％~70％[16]，含水率过低，微生物的活性会下降；同时，含水率下降后，进入填埋场垃圾的重量明显减少，填埋后渗滤液产量也会降低。通过式（2）计算，生活垃圾重量在第1和第2阶段结束时分别减少至原重的36％和30％。显然，经生物稳定化处理后，生活垃圾的重量明显减小，而且主要发生在第1阶段。
表1垃圾生物稳定化过程中含水率和塑料比例的变化
2.2生物稳定化过程中生活垃圾浸出液的变化
在生物稳定化第1阶段，浸出液中的有机物迅速矿化，COD和TOC都显著下降。但在第2阶段，可降解基质和操作条件的变化，使水解微生物在初始阶段显现优势，浸出液的COD和TOC小幅上升，而后再因基质进一步地下降而再次下降。经过第2阶段处理后，能够更大程度地减小生活垃圾填埋后渗滤液的污染负荷，COD和TOC最终下降都达到了90％以上。结果表明，生活垃圾的渗滤液污染产生潜力大大地削减了，并且垃圾生物稳定性得到相应提高[17]。
图3垃圾生物稳定化过程中浸出液COD和TOC的变化
生活垃圾填埋后，其中蛋白质等含氮类物质的降解会累积大量NH4-N，从而形成植物养分污染。图4反映了浸出液中氮元素的变化特征。TN和NH4-N的变化趋势相似，在第30d时出现最大值，分别为123mg•L-1和49mg•L-1，此后下降并趋于稳定；NH4-N在第1阶段开始先出现下降的趋势。这可能是因为在第8d时，垃圾的pH值上升，导致NH3/NH4-N的电离平衡向生成NH3的方向发展[18-19]，并且由于正处于高温期和翻堆频繁高等原因，N元素损失主要由NH3挥发导致[20-21]，浸出液中NH4-N浓度反而不高。由于微生物的降解，蛋白质等含氮有机物含量减少，浸出液中TN和NH4-N含量在30d后开始下降。处理产物的浸出液TN和NH4-N浓度分别下降至峰值的60％和20％。
图4垃圾生物稳定化过程中浸出液N的变化
2.3生活垃圾生物稳定化过程中生物活性指标变化
生活垃圾中可降解有机组分主要包括木质纤维素类、脂肪、蛋白质和淀粉，这4类物质的比例变化规律见图5。从图5可以看出，淀粉等易降解的有机组分在第1阶段急剧降解，比例明显减少，而木质纤维素类物质的比例持续增长；第2阶段与前阶段规律相似，但变化幅度减小；到第44d，生活垃圾中主要成分是难降解的纤维素类物质，约占有机组分干重的62％。难降解物质比例的上升，垃圾的可降解性降低，表明其稳定性提高。
图5垃圾生物稳定化过程中主要有机组分的变化
图6反映了AT4的变化规律，图中4d的叠加值即为单个样品4d测试过程中累计的氧气消耗量。
AT4较适合稳定程度较高的样品，如果其中易降解的有机物含量较高，会产生测试开始阶段因抑制氧消耗量而导致测定值偏低等情况[8]。从图6中可以看出，由于受到抑制作用，初始样品在第1d的氧气消耗量略低于后3d。在生物稳定化处理过程中，易降解有机物含量逐渐减少，微生物活性下降，呼吸速率减缓，AT4一直在下降。到第44d时，AT4下降达到80％，表明已达到了较稳定的程度。
比较图5和图6可以发现，从第8d开始，生物质组分已基本稳定，但AT4仍然呈下降趋势，到第37d以后才逐渐趋于平稳。这表明AT4能够更好地反映生物稳定化过程中生活垃圾稳定程度的变化。
2.4填埋气产量预测
生物稳定化过程中，生活垃圾可降解有机碳含量（DOC）的变化，会导致其产甲烷潜力也随之变化。垃圾经生物稳定化预处理后，能够明显减少其进入填埋场后CH4等温室气体的产生。从图7可以看出，由于垃圾中可降解组分明显减少，估算的甲烷年排放值也随之减小。垃圾在经44d处理后，甲烷年排放估算值降至未经过处理垃圾的20％。
图6垃圾生物稳定化过程中AT4的变化
图7垃圾生物稳定化过程中甲烷年排放估算值
3结论
两阶段共44d的生物预处理可有效地使生活垃圾可降解有机物的稳定性提高，处理产物的填埋环境影响水平明显下降。其中：
（1）生活垃圾含水率自72.5％下降至45.9％，重量减少了70％。生物预处理的含水率和重量下降主要出现在第1阶段（16d）；含水率和重量下降有助于减少垃圾填埋占地和渗滤液的产生量。
（2）经处理后，生活垃圾浸出液中COD和TOC均比初始状态下降90％；COD和TOC下降在两个处理阶段均有分布。在处理过程中，生活垃圾浸出液的TN和NH4-N呈先上升、后下降的变化，处理产物的浸出液TN和NH4-N浓度分别下降至峰值的60％和20％。表明生物预处理有利于降低渗滤液的污染潜力。
（3）生活垃圾经处理后，易降解有机物比重减小，木质纤维素类等难降解物质比重上升，约占有机物的62％；好氧呼吸速率（AT4）也下降了80％；估算的甲烷年排放值比初始状态下降了80％。
参考文献：略
