消化污泥作為垃圾填埋場覆蓋材料
隨著城市生活污水處理技術的日趨成熟，我國年產干污泥量約為500萬t，且呈不斷上升趨勢。污泥的處理和處置刻不容緩，如處理不當，會造成二次污染。為解決這一問題，實現污泥“減量化、無害化、穩定化、資源化”的目標，研究者提出將污泥作為垃圾填埋場覆蓋物的設想，并對其進行綜合利用。其中，MALMSTEAD等利用小型試驗填埋場研究一種高有機質土——造紙廠污泥作覆蓋材料的可行性，但該試驗只是在小范圍進行，對環境影響因素分析較少；KIM等利用轉爐爐渣對城市污泥進行改性，研究了污泥作為垃圾填埋場覆蓋材料的可能性；楊石飛等用自來水廠脫水污泥與石灰混合進行試驗，結果表明污泥經過改性后有望達到作垃圾填埋場覆蓋材料的各項指標。借鑒國內外成功的經驗，研究了城市污水處理廠改性污泥作為填埋場覆蓋物的技術可行性和具體的污泥改性方法。
1 實驗材料與方法
1.1 實驗材料
消化污泥取自重慶市唐家橋污水處理廠；石灰為化學純；爐渣取自重慶市同興垃圾焚燒廠，其含水率約為15%。
1.2 實驗方法
模擬降雨實驗中滲透系數的測定方法：取樣品5kg放入樣桶(截面積855cm2，高度60 cm，桶底透水)中，壓實密度為1 kg/L，即壓實到距桶底5.8cm的高度，簡易模擬降雨裝置，降雨強度控制在80mm/h(參照重慶市氣象局提供的重慶市歷史上的降雨強度)，降雨量取 5 L，降雨歷時為44 min，然后通過式(1)計算滲透系數。
滲透系數( cm/s) =總滲透量(mL)/（桶截面積×滲透時間(s)） (1)
其他指標的測定儀器或方法見表1。
表1 各指標的測定儀器或方法
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1.3 參照標準
根據生活垃圾填埋污染控制標準規定，生活垃圾填埋場的防滲層的滲透系數應小于10-7cm/s。因此，污泥作為覆蓋材料時的滲透系數應小于或接近該值；污泥作為垃圾填埋場覆蓋材料使用后，為了使污水水質不超過污水處理廠的設計工作負荷，其浸出液的污染因子濃度應與垃圾滲濾液的相當。故模擬降雨實驗浸出液的COD、氨氮以及pH等應在垃圾填埋場滲濾液中各指標的濃度范圍之內(見表2)。
表2 垃圾填埋場滲濾液污染指標質量濃度
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2 實驗結果與討論
2.1 消化污泥本底指標的測定
按照1.2節中的實驗方法，進行多組平行實驗，得出消化污泥本底的含水率為77.0%，揮發性固體質量分數為37.6%。
2.2不同含水率消化污泥各指標的測定
依據1.2節中的實驗方法，先將消化污泥預處理(烘干)到不同含水率，測定不同含水率消化污泥在模擬降雨實驗中的滲透系數、COD、氨氮和pH，根據所得數據作含水率與各指標間的關系圖(見圖1)。
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從圖1可看出，消化污泥的含水率從20%增加到60%，滲透系數下降約32%，其中含水率從20%增加到40%，滲透系數只下降了3%左右，下降速率較慢；含水率從40%上升到60%時，滲透系數下降約29%，其下降速率較快。COD下降83%，其中含水率從20%增加到50%時，COD下降約79%；而含水率從50%上升到60%時，COD下降只有4%左右。氨氮下降約77%，其中含水率從20%增加到40%，氨氮下降13%；而含水率從40%上升到 60%時，氨氮下降64%。pH基本維持在7左右。
污泥含水率較低時，形成堅硬的顆粒難以壓實，顆粒之間縫隙大和孔較多，雨水很快就能滲出，并且許多有機物顆粒能夠隨著水通過縫隙帶出，致使滲透系數較大，同時浸出液的COD、氨氮含量較高。隨著含水率的升高，污泥顆粒的表面張力減小，同樣壓力下其壓實度提高，污泥間縫隙小和孔較少，滲透系數隨之減小，除pH之外的各指標隨之降低。由于壓實度提高，雨水能夠帶出的有機物顆粒銳減，COD降幅較大，當污泥含水率為50%時，COD主要來自于浸出的可溶有機物，再增大含水率COD變化較小；滲透系數、氨氮的變化與污泥含水率之間存在一個臨界點 (即含水率為40%)，當污泥含水率到達40%時，再增大含水率，滲透系數和氨氮的變化幅度增大。對于較高含水率時，污泥層比較緊密，雨水浸出的污染物較少，故各種污染物負荷較低。消化污泥出廠時基本為中性，在預處理和實驗過程中未添加酸或堿，浸出液的pH基本不變。
2.3 消化污泥改性后模擬降雨實驗各指標的測定
由于較高含水率時滲透系數較小且污染負荷較低，改性達標的可能性比低含水率時大，故分別選擇50%和60%含水率的消化污泥，改性后做模擬降雨實驗。石灰可與污泥中的水分反應，然后吸收空氣中的CO2，最后變成堅硬的碳酸鈣；爐渣顆粒堅硬，可作為凝結中心，且來源廣泛、成本低。因此，選石灰和爐渣作為改性材料。
2.3.1 用石灰改性后消化污泥的模擬降雨實驗結果
分別用含水率為50%和60%的消化污泥與石灰以2∶1(質量比，下同)、3∶1、4∶1混合，然后再做模擬降雨實驗，測定各指標，根據實驗數據作出消化污泥和石灰質量比與各指標間的關系圖(見圖2)。
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從圖2可以看出，含水率為50%的消化污泥與石灰混合，當質量比從2∶1上升到4∶1時，模擬降雨浸出液的滲透系數從6.8×10-4cm/s左右降低到 4.8×10-4cm/s左右，COD從2.5×104mg/L降到2.2×104mg/L，氨氮從4.2×102mg/L上升到1.2×103mg /L，pH維持在11左右。含水率為60%的消化污泥與石灰混合，當質量比從2∶1上升到4∶1時，模擬降雨浸出液的滲透系數從1.1×10-5cm/s 左右降到1.0×10-5cm/s左右，COD從約1.4×104mg/L升到約1.5×104mg/L，氨氮從約5.7×102mg/L上升到 1.1×103mg/L，pH維持在11左右。
將含水率為50%和60%的消化污泥以相同質量比與石灰混合改性后的實驗結果對比發現，后者模擬降雨的滲透系數、浸出液的COD小得多，氨氮含量稍大，而兩者的pH差不多。這是由于前者較后者易形成顆粒，模擬雨水沿顆粒縫隙下流，帶出的有機物量較大，從而使其滲透系數、COD要比后者大。氨氮主要來源于銨鹽的溶出，滲透系數越小，雨水在污泥中停留的時間越長，銨鹽越容易溶出，故后者的氨氮較高。
相同含水率的消化污泥與石灰以不同的質量比混合，當石灰所占比例越大(即質量比越小)時，越能與消化污泥中的水分反應，從而使整個污泥層變得疏松多孔，致使滲透系數越大；同時，消化污泥中的銨鹽與強堿發生反應，導致氨氣逸出，石灰比例越大接觸越充分、銨鹽消耗量越大，則浸出液中的氨氮就越低。這3種質量比中的石灰含量都比較高，其在水中的溶解度基本達到飽和。
2.3.2用爐渣改性后消化污泥的模擬降雨實驗結果
分別用含水率為50%和60%的消化污泥與爐渣以2∶1(質量比，下同)、3∶1、4∶1混合，然后做模擬降雨實驗，測定各指標，根據實驗數據作出消化污泥和爐渣質量比與各指標間的關系圖(見圖3)。
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從圖3可以看出，含水率為50%的消化污泥與爐渣混合，當質量比從2∶1上升到4∶1時，模擬降雨浸出液的滲透系數從1.5×10-3cm/s左右降到 1.4×10-3cm/s左右，COD從8.1×103mg/L升到1.2×104mg/L，氨氮從7.4×102mg/L上升到1.1×103mg /L，pH維持在6.5左右。含水率為60%的消化污泥與爐渣混合，當質量比從2∶1上升到4∶1時，模擬降雨浸出液的滲透系數從5.4×10-6cm /s左右升到5.6×10-6cm/s左右，COD從6.9×103mg/L升到7.3×103mg/L，氨氮從5.2×102mg/L上升到 1.1×103mg/L，pH維持在7.0左右。
將含水率為50%和60%的消化污泥以相同質量比與爐渣混合改性后的實驗結果對比發現，后者模擬降雨的滲透系數比前者小很多，約為前者的1/300，浸出液的COD、氨氮也比前者低，而兩者的pH相差不大。
含水率為60%的消化污泥與爐渣混合后，模擬降雨實驗的滲透系數達到10-6數量級，主要是由于污泥含水率較高而易壓實，混合物間的縫隙小，參入的爐渣在混合后作為凝結中心，有利于增大混合物的剪切性；模擬雨水所能帶出的有機物、銨鹽濃度低，而使COD、氨氮隨著爐渣所占比例的增加而減小；污泥本底就是中性，爐渣并不改變其酸堿性，所以浸出液的pH維持中性。
3 結論
由實驗結果可知，含水率為60%的消化污泥與爐渣以2∶1混合時，滲透系數達到10-6數量級，已經接近垃圾填埋場防滲層對滲透系數的要求，且各種污染物負荷較小，如再稍微增大壓實力度，各項指標能達到污泥作為垃圾填埋場覆蓋材料的要求。因此，可選用爐渣作為改性材料。但重慶主城區處于酸雨區，雨水pH為4.11，垃圾填埋場滲濾液的pH接近該值，故需向1 L滲濾液中投加少量堿(如石灰約3.7 mg)，既降低其氨氮濃度又將pH調到6.0，便于后續處理。爐渣來自垃圾焚燒廠，可實現固體廢棄物的綜合利用，且基本不造成額外的費用，經濟可行性較好。
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