摘要: 本文选取我国东、中、西部3个地区6个典型村镇的生活垃圾,设计了两种淋滤强度:低强度(10 mm˙d-1)和高强度(20 mm˙d-1),采用室内降雨模拟实验,研究了生活垃圾污染物如CODCr、BOD5、TN和NH3-N等的动态淋滤释放特征.结果显示,两种淋滤强度下,3个地区淋滤液pH值整体随时间的增加呈现小幅的上升,变化范围分别在6.5~8.0(10 mm˙d-1)和5.5~8.0(20 mm˙d-1)之间;CODCr呈现显著下降(1~2周)、缓慢下降(2~7周)和相对平稳(7~10周)3个阶段.淋滤液BOD5在前6周降低明显,在第7和第8周基本达到了溶出的平衡点.淋滤液TN分别在第8周(10 mm˙d-1)和第7周(20 mm˙d-1)基本达到了溶出平衡,NH3-N分别在第8周(10 mm˙d-1)和第6周(20 mm˙d-1)基本达到了溶出平衡.整个淋溶周期内(10周),淋滤液CODCr、BOD5、TN和NH3-N浓度变化规律整体呈现:高强度(20 mm˙d-1)淋滤条件下浓度降低率高于低强度(10 mm˙d-1).
1 引言
近年来，随着我国经济社会的高速发展和人民群众生活水平的不断提高，农村生活垃圾的污染问题也日趋严重(赵晶薇等，2014).村镇环境的污染尤其是生活垃圾的污染已经逐渐成为村镇污染的主要形式(岳波等，2014).受到村镇区域人口密度、经济条件、资源环境等方面的限制，目前我国村镇生活垃圾的主要处理方式还是简易堆存、随意倾倒和焚烧等.约有1/3的农村生活垃圾处于随意堆存状态(朱慧芳等，2014;焦守田和冯建国，2008).侵占了大量的土地，不仅容易传播疾病，而且严重污染了村镇的水、土壤、空气以及人居环境(陈闯等，2012; 张立秋等，2013; 刘杰，2013)，成为区域生态环境恶化的主要因素(Wu et al., 2014).
已有诸多学者针对部分地区的村镇生活垃圾开展了相关研究.狄军贞等(2011)利用柱实验模拟研究了垃圾在堆存情况下经过降雨的淋洗，COD、Cl-、SO42-的溶出规律，结果显示COD溶出规律符合一级反应动力学方程，Cl-的溶出速度要快于SO42-.蒋惠忠等(2002)模拟研究了降雨条件下垃圾污染组分Cl-、SO42-、CODCr、NH4+的变化特征，结果表明，淋滤液中的CODCr、Cl-、SO42-和NH4+均随着淋滤时间呈现三个阶段的变化趋势，即急速下降，缓慢下降和基本稳定.
生活垃圾特性与当地经济发展水平息息相关(徐礼来等，2013).本文选取我国东、中、西部3个地区的村镇生活垃圾，通过降雨模拟实验比较分析各地区村镇生活垃圾污染物的溶出规律，旨在了解我国不同经济发展程度地区间生活垃圾中有害物质的溶出特性，为更好的管理和控制村镇生活垃圾提供理论参考.
2 材料与方法
2.1 采样方法
在每个典型村镇选择5个垃圾池或垃圾堆放点，每个点采集生活垃圾样品50 kg左右，混合均匀 后通过四分法缩减垃圾样品至25 kg左右，储存于便携式冷藏箱带回实验室分析理化性质，具体采样方法参照《城市生活垃圾采样和物理分析方法(CJ/T313—2009)》.
2.2 实验材料与装置
垃圾样品采集于不同地区的典型村镇，分别是重庆市永川区板桥镇和龙门滩村;湖北省麻城市铁门岗乡和蔡大村;北京怀柔区九渡河镇和杏树台村.实验采用6个圆柱形透明有机玻璃柱.将每个地区村和镇的均匀混合新鲜垃圾用剪刀破碎，过50 mm筛，取筛下物填充两个柱子，分别模拟不同淋洗强度.每个柱子装填垃圾4.5 kg，填充密度为275 kg ˙ m-3.实验装置见图 1，柱高为1.0 m，内径为0.15 m，底部穿孔，柱底均匀装填约5 cm厚，粒径为0.5～1.2 mm石英砂.顶部均匀铺垫厚度约为2 cm厚度的石英砂，顶部加盖一个穿孔有机玻璃盖以保证布水均匀.供实验用垃圾样品的理化性质及物理组分分别见表 1、表 2.
图1 实验装置
表1 典型村镇生活垃圾理化性质
表2 典型村镇生活垃圾物理组分
2.3 分析方法
生活垃圾理化性质分析指标及方法：pH、含水率、电导率、有机质、全磷、全氮，其中pH用城市生活垃圾玻璃电极法测定，含水率用烘干法测定，电导率用DDS-11A型电导率仪测定，有机质、全磷、全氮测定方法分别为灼烧法、偏钼酸铵分光光度法、半微量开式法测定.垃圾物理组分采用现场分拣称重的方式测定.
根据每个地区的降雨强度设计两个淋洗强度分别为10 mm ˙ d-1和20 mm ˙ d-1，每周淋洗1次，每次2 h，模拟日降雨量.每周取样一次分析，主要分析指标为：pH、BOD5、CODCr、NH3-N和TN，其中pH值用pHS-25型数显酸度计测定，BOD5、CODCr、NH3-N和TN浓度测定分别为5日生化需氧量稀释与接种法、标准重铬酸钾氧化法、纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾氧化法测定.测定的数据用Excel、SPSS进行分析，Origin 8.5作图.
3 结果与分析
3.1 pH值的变化规律
动态淋滤实验垃圾淋滤液pH值随时间变化规律如图 2所示.由图 2可知，淋洗强度为10 mm ˙ d-1和20 mm ˙ d-1时，淋滤液pH值变化趋势基本一致，整体随时间的增加均呈现小幅的上升趋势，pH值变化范围分别在6.5～8.0之间(10 mm ˙ d-1)和5.5～8.0之间(20 mm ˙ d-1).随着淋洗次数的增加，实验柱内的垃圾在微生物的作用下逐渐降解，特别是一些中间产物如小分子有机酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)不断地被分解(吴慧芳和孔火良，2005)，减弱了有机酸的积累，导致pH呈现上升的趋势.后期柱内发生硝化作用，硝化过程消耗碱度，使得有机酸与碱度之间处于动态平衡，造成后期pH值较为稳定.比较不同地区生活垃圾淋滤液pH值可知，北京市九渡河镇生活垃圾淋滤液pH整体要高于麻城市铁门岗乡和重庆市板桥镇，这与垃圾的组分有直接的关系.
图2 典型村镇生活垃圾淋滤液pH的变化规律
3.2 CODCr的变化规律
动态淋滤实验垃圾淋滤液CODCr随时间的变化趋势如图 3所示.由图 3可知，在两种不同淋洗强度下，CODCr变化趋势基本相同.前两周下降趋势较为明显，从第2周持续缓慢降低至第7周，第8～10周，变化相对稳定.在淋洗强度为10 mm ˙ d-1，整个淋滤周期(10周)内，重庆市板桥镇、麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾淋滤液CODCr变化范围分别为：从第1周的21765.0 mg ˙ L-1、9125.0 mg ˙ L-1和18812.5 mg ˙ L-1降低到第10周的518.5 mg ˙ L-1、368.5 mg ˙ L-1和315.0 mg ˙ L-1，分别降低了97.62%，95.96%和98.33%.由图 3b可知，在淋洗强度为20 mm ˙ d-1时，重庆板桥镇、麻城铁门岗乡和北京九渡河镇生活垃圾淋滤液CODCr变化范围分别从第1周的37960.0 mg ˙ L-1、10155.0 mg ˙ L-1和11955.0 mg ˙ L-1降低到第10周的277.5 mg ˙ L-1、127.0 mg ˙ L-1和150.5 mg ˙ L-1，分别降低了99.26%，98.75%和98.74%.
图3 典型村镇生活垃圾淋滤液CODCr的变化规律
由图 3可知，第一次收集的淋滤液CODCr都很高，主要是因为垃圾在水的冲洗作用下，柱内垃圾中的一些可溶还原性有机物和无机物被大量淋洗出来，造成CODCr很高.之后，实验柱内的垃圾一方面在微生物的作用下发生降解反应，有机物质被不断分解且速度较快，无机物质也逐渐的被氧化，而且在水冲洗作用下，起到了物理稀释作用，共同导致CODCr显著下降.
随着有机质被微生物不断分解，模拟淋滤过程带入的柱内氧气浓度可能不足以满足好氧微生物需求，抑制了部分微生物活性，使得CODCr缓慢下降最终趋于稳定(龙焰等，2006).比较可知，在整个淋滤周期内(10周)，两种淋洗强度间淋滤液CODCr变化整体呈现：高强度(20 mm ˙ d-1)的淋滤液CODCr降低率高于低强度的
.这主要是由于水分是影响微生物生命活动的重要因素，含水率高的垃圾降解速率高于含水率低的垃圾(Kasali，1986; Shen et al., 2001).淋滤液CODCr变化整体呈现：重庆市板桥镇>北京市九渡河镇>麻城市铁门岗乡，这主要与生活垃圾的组分(主要是有机物和无机物如亚硝酸盐和一些硫化物)有着直接的关系，也与装填垃圾的形状等因素相关.
3.3 BOD5的变化规律
动态淋滤试验垃圾淋滤液BOD5随时间的变化趋势如图 4所示.由图 4可知，在两种不同淋洗强度下，BOD5变化趋势基本相同.其中，在前6周下降趋势较为明显，6～10周，变化相对稳定.由图 4a可知，在淋洗强度为10 mm ˙ d-1时，整个淋滤周期(10周)内，重庆市板桥镇、麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾淋滤液BOD5变化范围分别从第1周的2755.0 mg ˙ L-1、2585.0 mg ˙ L-1和3760.0 mg ˙ L-1降低到第10周的264.0 mg ˙ L-1、172.0 mg ˙ L-1和225.0 mg ˙ L-1分别降低了90.41%、93.34%和94.01%.在淋洗强度为20.0 mm ˙ d-1时，整个淋滤周期(10周)内，重庆市板桥镇、麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾淋滤液BOD5变化范围分别从第1周的3514.5 mg ˙ L-1、3515.0 mg ˙ L-1和3480.0 mg ˙ L-1降低到第10周的122.0 mg ˙ L-1、146.0 mg ˙ L-1和103.0 mg ˙ L-1，分别降低了96.53%，95.85%和96.07%.
图4 典型村镇生活垃圾淋滤液BOD5的变化规律
随着淋洗时间的增加，淋滤液BOD5整体呈现下降的趋势，且在前6周降低趋势较为明显，在第7和第8周基本达到了溶出的平衡点，之后，淋滤液BOD5变化相对较为稳定.主要是由于第一次的淋洗，大量可溶性有机物被淋洗出来，造成BOD5很高.随着易降解有机物被微生物不断降解，使得淋滤液可生化性降低.所以，BOD5缓慢下降，最终趋于稳定.比较可知，在整个淋滤周期内(10周)，两种淋洗强度间淋滤液BOD5变化整体呈现：高强度(20 mm ˙ d-1)的淋滤液BOD5降低率高于低强度的.与两种淋洗强度下的CODCr降低率相吻合.
3.4 TN和NH3-N的变化规律
典型村镇生活垃圾淋滤液中TN和NH3-N的变化规律如图 5所示.由图 5a可知，淋洗强度为10 mm ˙ d-1时，淋滤液TN浓度整体呈现：1～8周内持续降低，后逐渐趋于稳定.整个淋滤周期(10周)内，重庆市板桥镇、麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾淋滤液TN浓度分别降低了65.07%，82.07%和75.91%.由图 5b可知，淋洗强度为20 mm ˙ d-1时，淋滤液TN浓度整体呈现：1～7周持续降低，7～10周相对稳定.在整个淋滤周期(10周)内，重庆市板桥镇、麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾淋滤液TN浓度分别降低了89.76%，88.73%和90.53%.由图 5c可知，淋洗强度为10 mm ˙ d-1时，淋滤液NH3-N浓度整体呈现：1～8周持续降低，8～10周相对稳定.整个淋滤周期(10周)内，重庆市板桥 镇、麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾淋滤
图5 中文名典型村镇生活垃圾淋滤液中TN和NH3-N的变化规律
液TN浓度分别降低了77.47%，77.22%和69.05%.由图 5d可知，淋洗强度为20 mm ˙ d-1时，淋滤液NH3-N浓度整体呈现：第1～6周持续降低，后逐渐稳定.在整个淋滤周期(10周)内，重庆市板桥镇、麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾淋滤液TN浓度分别降低了90.99%，95.09%和90.40%.
整个淋滤周期内，垃圾中的氮的转化形式主要有：氨化作用、硝化作用和反硝化作用(Onay and Pohl and ，1998).比较可知，整个淋滤周期内(10周)，TN与NH3-N含量，总体趋势为，北京地区>麻城地区>重庆地区.这与表 1中不同地区垃圾含氮量高低相吻合.两种淋洗强度淋滤液TN和NH3-N浓度变化规律整体呈现：高强度(20 mm ˙ d-1)的淋滤液TN和NH3-N浓度降低率高于低强度时.主要是因为在淋洗的过程中，垃圾中部分含氮物质被淋滤液带出，高强度的淋洗条件对垃圾的冲洗作用较大，含氮物质被带出的量可能相对就较多，所以在相同的淋洗周期内，高强度淋洗时垃圾淋滤液中TN和NH3-N的浓度降低较快.此外，高强度的淋洗条件下，单位时间通过柱子的水量相对较大，相应的垃圾被水浸湿程度较大，含水率较高，有利于垃圾的降解.
4 结论
1)淋洗强度为10 mm ˙ d-1和20 mm ˙ d-1时，淋滤液pH值变化趋势基本一致，整体随时间的增加均呈现小幅的上升趋势，pH值变化范围分别在6.5～8.0之间(10 mm ˙ d-1)和5.5～8.0之间(20 mm ˙ d-1)变化，且不同村镇生活垃圾淋滤液pH值呈现：北京市九渡河要高于重庆市板桥镇和麻城铁门岗乡.
2)淋滤液CODCr浓度呈现3个阶段的变化趋势即：显著下降(1～2周)、缓慢下降(2～7周)和相对平稳(7～10周).整个淋滤周期内(10周)，两种淋洗强度淋滤液CODCr浓度变化整体呈现：高强度(20 mm ˙ d-1)的淋滤液CODCr浓度降低率高于低强度.
3)淋滤液BOD5浓度随淋洗时间的增加整体呈现降低的趋势，且在前6周降低趋势较为明显，在第7和第8周基本达到了溶出的平衡点，之后，淋滤液BOD5浓度变化相对较为稳定.且整个淋溶周期内(10周)，两种淋洗强度间淋滤液BOD5浓度变化整体呈现：高强度(20 mm ˙ d-1)的淋滤液BOD5浓度降低率高于低强度.
4)淋洗强度为10 mm ˙ d-1时，淋滤液TN和NH3-N浓度整体呈现：第1～8周持续降低，第8～10周相对稳定;淋洗强度为20 mm ˙ d-1时，淋滤液TN浓度整体呈现：第1～7周持续降低，第7～10周相对稳定;淋滤液NH3-N浓度整体呈现：第1～6周持续降低，第6～10周相对稳定.整个淋滤周期内(10周)，两种淋洗强度淋滤液TN和NH3-N浓度变化规律整体呈现：高强度(20 mm ˙ d-1)的淋滤液TN和NH3-N浓度降低率高于低强度.
