刘 婷１，杨 列２，陈朱蕾２，李 仕１，邓忠强１，汪 佳２
（１．湖北理工学院，湖北 黄石，４３５００３； ２．华中科技大学，武汉 ４３００７４）
摘要：以模拟的中国南北方生活垃圾为对象，分析了生物预处理的效果。试验结果表明， 短期的生物预处理可以有效地减少我国南北方生活垃圾的水分、质量、有机物及总氮。在生物预处理过程中，南方生活垃圾的水分、质量、有机物及总氮减少量大于北方生活垃圾。南北方垃圾在模拟的雨季环境下，有机物降解较快。生物预处理技术适用于我国南北方生活垃圾的处理，有助于后续处理焚烧、填埋的操作及减少二次污染。
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关键词 ：生活垃圾；生物预处理；南北方；效果
中图分类号：Ｘ７０５ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）07－1693-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.07.041
生活垃圾中可生物降解有机物含量较高，可生物降解有机物是垃圾处理中恶臭散发、填埋气排放、渗滤液负荷高等问题的主要原因，减少生活垃圾中可生物降解有机物含量得到了发达国家的高度关注［１，２］。近年来，生物预处理技术在欧洲国家的城市生活垃圾处理中得到广泛应用［１－３］，生物预处理是对城市生活垃圾进行好氧或厌氧生物降解［１］，目的是使垃圾中的可生物降解有机物稳定化，以减少填埋气的排放，降低渗滤液负荷，减少垃圾处理量。亚洲许多发展中国家如泰国、印度、越南、斯里兰卡等国的城市生活垃圾与中国有类似的特点［４－６］，也在开展生物预处理技术的应用研究。近年来，中国研究人员也开展了生活垃圾生物预处理的应用研究，杨列等［７，８］研究了时间、通风和水分对生物预处理的影响，优化生物预处理的实际应用工艺；鞠茂伟［９］研究了机械生物预处理对混合垃圾的燃烧特性和填埋特性的影响；宋彩红等［１０］研究了生物预处理工艺对生活垃圾Ａｓ、Ｐｂ、Ｃｒ总量和生物有效性的影响。
中国地域辽阔，南北温差大，东西经济发展不平衡， 燃料结构差别大， 生活习惯也有很大不同。杜吴鹏等［１１］对我国７３座城市生活垃圾成分分析表明，我国南北方城市生活垃圾的组分构成有较大差别，其中南方城市生活垃圾中的有机物和可回收物所占比例高于北方城市，而灰土等无机物的含量则低于北方。由于我国南北方生活垃圾的差异性，十分有必要研究生物预处理技术对南北方生活垃圾的处理效果，为生物预处理技术在我国南北方城市推广应用提供技术支撑。
１ 材料与方法
根据南北方生活垃圾组成情况，配制南北方混合生活垃圾［１１］。另外生物预处理过程如果在露天进行，还会受到天气的影响，又增加了雨季和非雨季的模拟生活垃圾样品。模拟混合生活垃圾的主要成分为纸类、塑料、织物、树叶、厨余垃圾、灰土和煤渣。各组分比例见表１。
本次试验分４组，分别模拟南方雨季、南方非雨季、北方雨季、北方非雨季的生活垃圾， 每组２个平行样。各组分破碎后按配比充分混合得到模拟垃圾，然后将垃圾堆置于圆柱形塑料框中，每框垃圾重量２ ５００ ｇ左右。在生物预处理过程中，监测垃圾的温度、质量、含水率、ｐＨ、可挥发性有机物含量、总氮等指标，测定方法参考ＣＪ／Ｔ３１３—２００９《生活垃圾采样和分析方法》。
２ 结果及讨论
经过近２０ ｄ的生物预处理，有机物被微生物降解，南北方模拟生活垃圾的理化参数有不同的变化。
２．１ 温度的变化
各组堆体温度随时间的变化见图１。
微生物利用有机物和氧气形成自身细胞的过程中会放出热量，从图１中可以看出，在生物预处理前２周４组堆体中的温度总体均呈上升趋势，第１５天堆体温度有所下降，随后堆体温度又开始上升。由于模拟垃圾的用量不大，堆体的保温效果不太好，但堆体温度均高于室温。４组堆体中，南方非雨季的生活垃圾在前１５ ｄ温度最高，这由于垃圾中有机物含量高，微生物分解过程中产生热量多的缘故。
２．２ 质量的变化
各组堆体质量随时间的变化见图２。经过生物降解，４组垃圾堆体的质量均有降低，其中南方雨季、南方非雨季、北方雨季、北方非雨季质量的减少量分别为１ １４９、６６９．５、８９０、５０９．５ ｇ，质量的减少率分别为４０．２％、３３．５％、３３．４％、２５．５％。南方生活垃圾的减少量高于北方生活垃圾。主要原因是南方雨季（非雨季）的生活垃圾的含水率、有机物含量均高于北方雨季（非雨季），在堆体温度升高时，有利于微生物生长繁殖，加快了垃圾中有机物的分解及水分的利用，故南方生活垃圾质量减少得较快。
２．３ 含水率的变化
各组堆体含水率随时间的变化见图３。在生物预处理过程中，４组堆体的含水率逐渐降低，这是由于堆体温度的升高造成水分的散发，有一部分水分损失了。其中南方雨季、南方非雨季、北方雨季、北方非雨季含水率的减少量分别为１４．０个百分点、１０．４个百分点、１３．８个百分点、７．９个百分点，水分的减少率分别为２１．５％、２０．８％、２５．２％、１９．６％，南方雨季、非雨季，北方雨季的含水率减少都在２０％以上，水分减少较快。
２．４ 堆体ｐＨ的变化
各组堆体ｐＨ随时间的变化见图４，生物预处理过程中４组堆体ｐＨ均呈上升趋势。预处理初期，ｐＨ为弱酸性到中性，一般为６．５～６．８。随着预处理的进行，ｐＨ升高较快，预处理２周后４组堆体的ｐＨ达到了７．５～７．８。这是由于生活垃圾含有有机物，生物降解过程中含氮有机物质的分解产生大量氨氮，同时一部分有机酸氧化分解和挥发也会使得ｐＨ升高较快。
２．５ 可挥发性有机物含量的变化
可挥发性有机物通常用来表示垃圾中有机物的含量，各组堆体的可挥发性有机物随时间变化见图５，４组垃圾堆体的可挥发性有机物均呈下降趋势。在预处理的前１周内，可挥发性有机物下降较快，其中南方雨季、南方非雨季、北方雨季、北方非雨季的可挥发性有机物减少量分别为１５．４个百分点、１５．０个百分点、１１．５个百分点、９．９个百分点，可挥发性有机物的减少率分别为２４．４％、２２．３％、１８．７％、１５．５％。生物预处理过程中，微生物的生长、繁殖需要一定的水分，适宜的含水率有利于微生物对有机物的分解，进而实现生活垃圾的减量化。南方生活垃圾的含水率为５０％～６５％，较有利于微生物分解有机物，因此南方生活垃圾的有机物减少量高于北方。
２．６ 总氮的变化
各组堆体总氮随时间的变化见图６。生物预处理过程中，４组堆体的总氮含量均呈下降趋势，其中南方雨季、南方非雨季、北方雨季、北方非雨季总氮的减少率分别为２０．０％、１４．４％、１４．３％、１２．１％。南方生活垃圾的总氮的减少率高于北方。在预处理的前２周内，南方雨季堆体中总氮含量下降较快，这可能是由于此堆体中厨余垃圾的含量最大，同时温度较高，有机态氮通过微生物分解转化为铵态氮并进一步挥发所致。
３ 结论
本研究用模拟的南北方生活垃圾进行了短期生物预处理试验，得到如下结论。
１）短期的生物预处理可以有效地减少我国南北方生活垃圾的水分、质量、有机物及总氮。
２）在生物预处理过程中，南方生活垃圾的水分、质量、有机物及总氮减少量大于北方生活垃圾。
３）在生物预处理过程中，南北方垃圾在雨季的模拟环境下，有机物降解较快。
生物预处理技术适用于我国南北方生活垃圾的处理，可以有效地减少垃圾的水分、质量、有机物及总氮，有助于后续处理焚烧、填埋的操作及减少二次污染。
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