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垃圾場環境中的微生態效應初探
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垃圾場環境中的微生態效應初探

摘要:在垃圾堆埋環境中的微生態特征較為復雜,其微生態效應是其中各種超背景聚集有害物質發生降解、轉化的表現。它既存在有利于生態環境防護的一面,也存在造成一定時段內局部生態系統中的物質循環失調而引發的生態環境污染。本文對調查的北京市垃圾場地中的典型場地,進行了以細菌總數、大腸桿菌、硝化菌、反硝化菌、硫酸鹽還原菌、排硫桿菌、脫氮硫桿菌和鐵細菌等為側重點的微生態特征研究。文中主要基于調查評價和污染治理目的,側重闡述了上述菌群在相關垃圾場地中的含量分布與效應特征,以期為相關研究或工程治理提供科學依據。

關鍵詞:微生物菌群微生態效應垃圾堆埋場

前言

微生物是生物技術作用的主要承擔者之一,它們利用各自不同的降解酶系統,通過降解作用將大量有機污染物轉化成了對生態系統繁衍有利的無機物質(周德慶等,1991)。使某些物質的不良富集引發的環境平衡破壞而導致的污染得到消散和轉化,促進了生態環境的保護。

1 垃圾場區概況

根據對北京市垃圾場地的分布調查,選擇了在堆放類型或地質條件等方面較典型的北天堂、篤慶堂等11個垃圾場地作為進行微生態特征研究的目標靶區,以市區西北部董家墳上游山間礦泉水源地作為背景值參照。調查垃圾場地主要分布在北京市四環路以外的環近郊區。這些垃圾場區坐落在北京平原之上,該平原地帶第四系沉積物較厚,且松散多孔隙,是北京市的地下水天然倉儲地。第四系含水層由山前至平原大致可分為:山前地帶、山前沖洪積扇頂部地帶、沖洪積扇地下水溢出帶和沖洪積平原等地帶。其中,研究的垃圾場區主要涉及到了上述山前沖洪積扇頂部地帶,該地帶含水層主要由砂、卵、礫石組成,導水性良好,是平原區地下水的主要補給區;以及沖洪積平原地帶,其含水層由淺部潛水層及深部多層承壓水組成,含水層巖性主要為砂、砂礫石。隔水層巖性主要為粘土或粉粘土。經查明主要為生活垃圾、混合垃圾、建筑垃圾及工業鋼渣等類垃圾。多數為隨意自然堆放,堆放時間多在2~10 a不等。并且有些垃圾場直接簡單堆放在了地下水源補給區中的巨大采砂坑中,對地下水環境構成污染。

2 菌群確定

垃圾場的污染影響到了場地周圍及其下部土壤環境以及地下水環境,其污染物的運移主要通過垃圾淋濾液以及地表水、地下水、土壤包氣帶水等水體載運實現。研究中首先選擇了已作為水質評價指標之一的細菌總數和大腸桿菌(國家技術監督局發布,1991)來作分布特征研究。針對篤慶堂、沈家墳、單店等垃圾場地污染的淺部地下水多半被用在農業灌溉上,加之該地在垃圾類型、地質條件等方面較為典型,所以又選擇了與影響農業肥效的氮素循環相關的硝化菌、反硝化菌、脫氮硫桿菌以及與危害農作物生長的硫素循環相關的硫酸鹽還原菌、排硫桿菌和產生重金屬鐵污染的常見鐵細菌(洪慶文,1985)等來作相應的分布特征研究(1)

3 微生物細菌的分布與效應分析

3.1 不同類型垃圾場微生物細菌分布與效應分析

由表1調查數據可知,不同類型垃圾場中的微生物菌群分布含量存在較顯著的差別。以細菌總數和大腸桿菌為例,在生活垃圾淋濾液中(或是在生活垃圾環境中,下同),細菌總數含量平均在140×104/mL,最高可達3 800×104/mL,大腸桿菌含量平均也達到2.5×104/mL,最高達4.2×104/mL(沈家墳垃圾場6號樣),微生物菌群數量很高。在工業垃圾中,如溫莊子鋼渣場的27號鋼渣淋濾液的細菌總數僅為3.6/mL,大腸桿菌沒有檢出,微生物菌群數量很小。在混合垃圾中,細菌總數平均為32×104/mL,大腸桿菌平均為0.515×104/mL,最高為54×104/mL0.83×104/mL(單店和舊宮混合垃圾場22號和16號樣),微生物菌群數量相對較高。在建筑垃圾中,細菌總數平均為1.28×104/mL,大腸桿菌平均為0.04×104/mL,最高為2.3×104/mL0.045×104/mL(中灘村垃圾場18號樣),微生物菌群數量相對較少。硝化菌、反硝化菌、脫氮硫桿菌、硫酸鹽還原菌、排硫桿菌、鐵細菌等其他目標菌群在上述環境體中的含量分布也呈現不同的變化(1)

3.1.1 生活垃圾

在生活垃圾環境中,由于富含有機物、營養氮素、磷素、硫素及其他一些礦物質營養素,使得各類微生物競相繁殖生長,數量巨大,其代謝作用大大加速了各種垃圾成分的降解、轉化,產生了各類較復雜的降解物質(聶永豐等,2000)。①垃圾場中的高含量有機物質為微生物的生命繁殖提供了充足的能量補給和機體組成的碳素來源。如在調查的北天堂和沈家墳垃圾場的1號和6號垃圾淋濾液中,有很高的生化需氧量值(BOD53 300 mg/L)和化學耗氧量值(COD8 600 mg/L),反映此垃圾環境中有高含量的有機營養物分布,這些豐富的營養源培育滋生了大量的各類菌群,并出現高數量的細菌總數分布,為包括大腸桿菌在內的好氧和厭氧化能異養菌提供了豐富的食物,經菌群的發酵、降解利用,該類垃圾中的各種大分子有機物得以分解轉化成小分子有機物或部分無機物,并最終通過形成CO2H2OCH4CO等無機物得到降解和凈化(聶永豐等,2000);②垃圾淋濾液中還有高含量的有機氮素物質和相關代謝產物NH4+NO3-NO2-等,它們既是微生物生長需要的營養元素,又是植物生長需要的營養氮素。更重要的是這些豐富的營養氮素又促使垃圾環境中的氨化細菌、硝化細菌、亞硝化細菌、反硝化細菌及脫氮硫桿菌等進一步大量繁殖,加速氮素的循環轉換過程。這些菌群的生命代謝活動,或轉化、降低了垃圾環境中高含量的氮素對環境的污染,或產生了有利于提高農業肥效的無機氮素養分。一般其過程是先由氨化細菌將垃圾環境中的有機氮代謝成了無機氮NH4+NH3的形式,又由硝化細菌及亞硝化細菌在好氧或兼氧環境下將NH4+NH3代謝轉化成了NO3-NO2-形式,最后由反硝化細菌及脫氮硫桿菌等在厭氧或兼性厭氧環境下將NO3-還原成N2等,以致無害化;③此垃圾淋濾液中同樣還有較高的硫素含量,是垃圾爐灰中的含量組成部分,也是生物蛋白質的必要組成物質,這些物質的富集,促進了垃圾環境中的排硫桿菌、硫酸鹽還原菌等的活躍。排硫桿菌首先在好氧條件下將垃圾中的硫化物或硫氧化成硫酸鹽(SO42-)物質,使垃圾淋濾液中的SO42-含量增高,加重形成了對土體、水體環境的污染。而硫酸鹽還原菌又在厭氧環境下將SO42-還原成H2S氣體,降低了垃圾淋濾液中高含量SO42-對環境的污染,但也產生了有毒H2S臭氣;④此垃圾淋濾液中還具有較高的鐵素含量,鐵細菌是使含鐵化合物氧化沉淀的好氣性細菌之一,它的代謝可降低垃圾中Fe2+Fe3+對環境的污染。由此可看出,生活垃圾環境中的微生物菌群豐富而活躍,其污染質中的多數能夠成為它們代謝活動的營養基,這對找到有效治理其污染的方法將是十分有益的。

3.1.2 工業垃圾

在工業垃圾中(如鋼渣),由于富含金屬元素貧營養碳素及氮素等,對微生物生長既是抑制和殺滅又受到了營養補充不足的限制,所以其中的微生物菌群含量分布或活性也就很低了。

3.1.3 其他類型垃圾

對于其他類型垃圾環境中的微生物菌群作用效應的強弱,則是介于上述兩類垃圾環境之間,但混合垃圾場環境比建筑垃圾場環境的微生物作用效應要強,建筑垃圾滲濾液中的金屬元素含量相對較高,這可能與建筑用材料中的礦物質含量高有關。

3.2 垃圾污染在不同距離松散層中細菌含量的變化與效應分析

3.2.1 在包氣帶土壤層中的變化

淺部土壤層是微生物最活躍的地帶,這一地帶既是農作物生長活動必須依存的場所,又是阻截污染質隨水下滲地下水中的第一道防護屏障,研究中重點選擇了底部有較厚土層分布的篤慶堂生活垃圾場。在該垃圾場東側相距0 m5 m15 m等地做了定深0.25 m的橫向變化研究(2)。由表2看出,垃圾場邊土層中各目標菌群含量均很高,隨著距離的加大呈逐漸減小變化。其中,細菌總數變化從140×104/mL0.52×104/mL之間;大腸桿菌變化從15×104/mL0.05×104/mL之間;硝化菌變化從19.5×104/mL0.773×104/mL之間,反硝化菌變化從12×104/mL0.15×104/mL之間;脫氮硫桿菌變化從1.5×104/mL0.15×104/mL之間;硫酸鹽還原菌變化從2.0×104/mL0.25×104/mL之間,排硫桿菌活性檢測,由呈陽性較強反應到呈陰性較弱反應,鐵細菌不突出。無菌對照測試均為零。隨著距離的增大,環境中過剩聚集的各類營養物質分布相對減少,致使微生物菌群的繁殖活性降低;在經歷了一定距離的土層過濾后,多數微生物被吸附在了土壤中,活動到水體中去的相對就少,尤其是大腸桿菌,菌體要大一些,容易被阻濾掉(張勝等,1998)。在該垃圾場東側0 m距離處做了深度為0.25 m0.75 m1.25 m1.75 m2.25 m2.75 m等的垂向變化研究(2)。由表2看出上述目標菌群含量垂向變化除大腸桿菌表現出了總體隨土層深度增大而遞減的變化趨勢外,其余菌群則表現出隨土層深度增大先遞減再上升的變化趨勢(2)。其中,細菌總數先從140×104/mL依次減小到1.1×104/mL,再上升到了180×104/mL;硝化細菌變化先從19.5×104/mL依次減小到2.1×104/mL,再上升到了28×104/mL;反硝化細菌先從12×104/mL依次減小到0.15×104/mL,再上升到了14×104/mL;硫酸鹽還原菌先從2.0×104/mL依次減小到0.0004×104/mL,再上升到了1.5×104/mL;脫氮硫桿菌先從1.5×104/mL依次減小到0.015×104/mL,再上升到了2.0×104/mL;鐵細菌先從4.5×104/mL依次減小到0.41×104/mL,再上升到了40×104/mL;排硫桿菌活性檢測,先呈陽性較強反應,后呈陰性較弱反應,再呈陽性較強反應變化;大腸桿菌先從15×104/mL依次減小到0.05×104/mL,再減小到了0/mL。反映土層對大腸桿菌的過濾凈化作用明顯,隨土層深度的加大,其受到的阻濾作用成倍增強而不能隨水遷移出相對較大的距離,以至其含量或活性很快衰減。而其他菌群則因其菌體微小,易隨水遷移至相對較大的距離。當然,可能主要還是受到了其他環境條件的更適宜性變化的影響,如土層結構松散、土層孔隙變大,土層中局部礦物質富集,局部pHEh、溫度更適宜,地表的營養物質隨入滲水遷移富集在了這一深度部位等因素的正相關影響,而造成其他菌群在一定深度的含量分布又出現了升高。不過這只是一種局部深度的現象,因取樣的最大深度僅2.75 m,還不能完全說明其他菌群在土壤中垂向上的變化規律。據有關資料,隨著土層深度增大,上述菌類的含量分布或活性強度總體是隨環境的變化而變化(任福弘等,2002)

3.2.2 在地下含水層中的變化

地下含水層是地表入滲水的收容場所,其水溫、氧化還原電位以及營養元素等含量較地面環境有所差異(一般其水溫在9-18℃之間,Eh200-400mV之間,營養物含量較少),微生物菌群在其中的生長受到一定減弱,垃圾滲濾液是否會影響其中的微生物菌群繁殖,影響程度怎樣,就這一問題選擇了垃圾場底直接坐落于含水層上的北天堂生活垃圾場,在距垃圾場80m180 m300 m遠的3眼水井作了以細菌總數、大腸桿菌為目標菌群的取樣調查研究(1中的345號樣)。在該含水層中的細菌總數、大腸桿菌的含量均隨遠離垃圾場而降低,細菌總數和大腸桿菌分別從距垃圾場80 m遠處的0.043×104/mL4.6×10/mL漸次遞減到相距300 m遠處的3.2×10/mL7/mL。這一方面反映隨著遠離垃圾場,含水層的過濾性與水量在不斷加大,將垃圾場的污染影響進行了阻控減弱;另一方面,也反映出地下含水層中的水溫、氧化還原電位、營養元素等不太適宜微生物菌群的生長繁殖。

3.3 垃圾污染在不同地質條件下導致微生物細菌

含量的變化與效應分析北京平原區的下伏淺部地質情況較復雜,垃圾場地坐落位置的地質條件變化大,垃圾場所處不同地質條件,導致微生物細菌含量與效應不同。為此選擇了場地地質條件有差別的篤慶堂和單店垃圾場來作對比(191011號樣和222324號樣)

3.3.1 篤慶堂垃圾場

其場底有較厚的粘土層分布,在垃圾場旁取9號淋濾液混合樣及在相距40m110 m遠處取1011號地下水樣分析測試,結果顯示,微生物菌群的分布按由近及遠變化排序為,細菌總數:2.3×104/mL4.5×102/mL4.1×10/mL;大腸桿菌:2.25×102/mL2.3×10/mL0/mL;硝化菌: 1. 1×103/mL1.6×10/mL6.04×10/mL;反硝化菌:1.4×103/mL1.4×10/mL4.5×10/mL;脫氮硫桿菌:1.4×103/mL1.4×10/mL1.5×10/mL等均表現出了較快的下降幅度。顯示場地的粘土層對垃圾污染質及微生物群具有正比于土體質量的較強阻濾與凈化作用,隨著遷移距離的加大,上述菌群的活動強度受到減弱影響,體現出良好的地層條件對垃圾污染質的有效阻隔作用(劉長禮等,2000)

3.3.2 單店垃圾場

其場底直接通過底部砂層和薄粘土層互層狀況與含水層接觸,同樣在垃圾場旁取22號淋濾液混合樣及在相距80 m160 m遠處取2324號地下水樣分析測試,結果顯示,由近及遠的變化排序為,細菌總數:54×104/mL0.85×104/mL0.80×104/mL;大腸桿菌:0.20×104/mL0.023×104/mL2.5×10/mL;硝化菌: 14. 8×104/mL0. 077×104/mL0.027×104/mL;反硝化菌:14×104/mL0.14×104/mL0.14×104/mL;脫氮硫桿菌:1.1×104/mL0.011×104/mL0.014×104/mL等,基本表現出了相對較緩的下降幅度。顯見,單店垃圾場所處的地質條件,是砂層或砂、粘土交互層,其阻濾作用弱于粘土層。但因經歷了一定距離的砂層、土層的過濾作用,所以也有一定程度的減小變化。

在垃圾場及周圍環境中,微生物細菌既是生態環境的重要標識性指標,又是可利用降解、轉化垃圾中各類污染物的有生力量(張自杰等,1993)。其含量多少不僅反映環境受垃圾污染的程度,同時也指示出可為人們利用于環境保護的程度。在垃圾環境中的微生態特征已成為提供環境信息的傳感器(張勝等,1998)

4 結論

(1)細菌總數和大腸桿菌不僅是評價垃圾污染環境的重要指標,也是反映垃圾場中微生物活性及所處垃圾轉化、降解階段的主要指示性指標之一。

(2)各種微生物細菌的作用效應是垃圾堆埋場中污染質得以轉化、降解的主要生物作用之一,為有效治理垃圾污染生態環境方法提供了科學依據。

(3)垃圾場是個嚴重的污染源體,它不僅污染了周圍的土壤環境,有的還污染到了淺層地下水甚至深層地下水體。

(4)在良好地質條件下的垃圾場地(如下有較厚粘土阻隔層),其表層包氣帶中的微生物細菌生長及繁殖旺盛,這一地帶既是微生物細菌生長繁衍的大本營,又可作為阻控污染質運移擴散的天然屏障。尤其是其中的2~2.5 m,可作為阻控污染質的人為利用層,對污染物質加以阻截。

參考文獻

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