近年来城市生活垃圾的处理已经成为城市发展中的重要环境问题，而垃圾的转运过程是其中不可或缺的环节，在城市垃圾处置系统中扮演重要角色^[1,2]. 生活垃圾集装化运输可以使水陆运输成本降低，节约宝贵的建设用地，发挥内河航运优势，减少运输过程的二次污染，将成为城市生活垃圾转运的新模式^{[3, 4, 5, 6]}.

目前上海的集装化水上中转运输就是采取 “依托老港，集中处理”的模式，即将上海市内不同区域内的生活垃圾集装化，通过集装箱船水上运输到老港进行最终处置，这个过程通常需要数天时间. 在集装箱密闭的环境下，垃圾中的有机物会在微生物的作用下转化生成CH₄、 H₂S和VOC等污染气体和垃圾渗滤液，气体污染物可能在极端条件下具有易燃易爆性^[1,7]，而后者则会造成箱体腐蚀性、 散发恶臭的气味^{[8, 9, 10, 11]}，因此对这些污染气体和渗滤液的产生和变化进行研究显得尤为重要. 但目前尚无集装箱转运生活垃圾中箱体内的污染物产生方面系统的研究，数据的缺乏对垃圾中转站的污染控制和运行管理会带来困难.

本研究将通过对上海某垃圾中转站集装箱内压缩垃圾产生污染情况的调研，监测分析1 a不同季节中转站臭气气体和垃圾污水相关指标，探讨污染物产生的状况和规律，分析污染物的产生与环境条件(温度、 湿度等)和运行条件(垃圾量)之间的关系，通过对污染因子的识别和污染物关系的分析，摸清箱体内污染的状况和季节性变化规律及环境因子的相关性，以期为管理者优化上海垃圾中转站运行条件和实现污染的预防控制提供建议，同时也为国内城市垃圾中转过程污染的控制提供借鉴和参考. 1 材料与方法 1.1 实验装置设计

实验在上海市北部某垃圾中转站进行. 该垃圾中转站日处理量约为1 700 t，全部实行集装箱转运. 实验用集装箱箱体重约4.8 t，其有效长、 宽和高分别为5.7、 2 和2 m，如图 1. 垃圾通过压实机从箱体右侧水平压入. 集装箱在中转站装入压缩垃圾后，放置于中转站码头上进行实验，右侧关门处密封条为非完全密封. 右侧顶部设有排气口，用于采集气体样品. 集装箱左侧箱底部有出水口，用于采集渗滤液样品. 同时为了了解箱体内污水液位的变化情况，在箱体一侧设两个液位计(图 1中椭圆部分所指).

图 1

Fig. 1

图 1 实验用集装箱箱体 Fig. 1 Experimental container

从2011年8月-2012年7月，对集装箱共进行了7次采样，分别在8、 9、 10、 12、 3、 6、 7月进行，每次采样持续4~7 d. 每次采样的箱体内垃圾重量，箱体外温度和湿度的平均值如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 不同采样月份的垃圾量及平均温湿度 Table 1 Amount of refuse and average temperature and humidity in different month 项目 月份 8 9 10 12 3 6 7 质量/t 13.9 13.8 15.6 13.4 14.4 13.5 14.7 温度/℃ 31.9 32.5 22.9 18.9 27.1 27.1 35.8 湿度/% 76.6 43.2 45.6 46.5 42.6 75.5 43.1

表 1 不同采样月份的垃圾量及平均温湿度 Table 1 Amount of refuse and average temperature and humidity in different month

每日的采样时间从09:00左右至16:00左右，每隔1~2 h通过仪器监测箱体内气体污染指标，并读取实时的箱体内外温湿度； 每日采样结束后通过集装箱底部排水口取适量渗滤液带回实验室分析； 通过液位的高度来估算箱体内的水量变化.

气样中的H₂S、 CH₄和VOC使用六合一气体检测仪(MAX6 IBIRD，美国产)在采气口进行现场测定； NH₃使用室内空气现场氨测定仪(中国产GDYK-301S)通过采气口采集10 L箱体内气体，带回实验室分析.

渗滤液水样分析的指标有pH、 悬浮物SS、 COD、 BOD₅、 氨氮和总磷TP. 水质测定均参照文献^{[12, 13]}.

利用PASW Statistics 18.0统计分析软件，采用主成分分析(PCA)方法，选取H₂S、 VOC、 CH₄和NH₃这4项气体指标的月平均值，pH、 SS、 COD、 BOD₅、 氨氮和总磷6项水质指标的月平均值，再结合箱体内外温度、 湿度和垃圾量的月平均值来进行主成分分析，对这些指标提取相互独立的主成分，根据各指标在成分图中的分布来研究它们之间的相关关系^[1].

2 结果与讨论 2.1 季节变化对集装箱箱体内污染物产生状况的影响

为了研究季节变化对箱体内污染物产生的影响，对2011年8月-12年7月期间不同月份所有采集的数据进行分析. 2.1.1 气体指标的变化情况

集装箱箱体内气体H₂S、 VOC、 CH₄和NH₃的在采样期间变化如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 集装箱中产生主要气体指标月份变化 Fig. 2 Monthly change of the gases indexes in container

从全年变化来看，各气体指标随季节变化的规律明显，H₂S、 CH₄和NH₃的峰值都出现在夏季，并且呈现出夏季高，冬季低的趋势，而VOC的变化趋势和它们相反.

图 2(a)显示H₂S在9月最高，值为10.3 mg ·m^-3±3.7 mg ·m^-3，3月份达到最低，值为0.3 mg ·m^-3±0.5 mg ·m^-3. 图 2(c)显示CH₄百分含量在7月最高，值为2.97%±1.02%，3月最低，值为0.02%±0.4%，可见H₂S和CH₄高峰值的产生一样都是在夏季，这是因为高温对微生物活动释放H₂S和CH₄具有明显的促进作用^[14]. 同时两者浓度的变化范围也随温度增高而增大，表明了夏季对其浓度变化的影响.

图 2(b)显示了VOC的浓度在10、 12月等相对低温月份比7、 8月等高温月份要高的变化，冬季12月最高，值为12.7 mg ·m^-3，6月最低，值为3.2 mg ·m^-3. 其原因是VOC主要是垃圾中的易挥发有机物，由于装置为非密闭性，夏季高温季节有利于气体的挥发，VOC物质容易逃逸到大气中，所以测定值较低； 而冬季温度较低，VOC物质挥发较慢，易于在箱体内累积^{[15, 16, 17]}.

如图 2(d)，NH₃的浓度7月最高，均值达到4.5 mg ·m^-3，3月最低，均值为0.7 mg ·m^-3. 随着温度降低，NH₃浓度降低，与H₂S和CH₄的变化趋势相仿.

在采样期内，集装箱箱体内渗滤液的水质指标pH、 COD、 BOD₅、 氨氮、 总磷和SS的数据变化趋势如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 集装箱中产渗滤液主要水质指标月份变化 Fig. 3 Monthly changes of the leachate parameters in container

从图 3(a)可见，渗滤液的pH值在5.4~6.3之间变化，呈酸性，夏季的pH低，冬季的pH最高，接近中性，这主要由于垃圾中的有机物质在微生物作用下发酵产生有机酸导致，夏季微生物作用强烈，夏季酸化程度高，冬季反之.

图 3(b)和3(c)显示了有机物的变化，其中COD的变化范围为41 633~84 060 mg ·L^-1，BOD₅在18 116~34 130 mg ·L^-1之间变化，最低值出现在6月，峰值出现在冬季12月. 通过对液位计监测记录，集装箱内液位高度的变化在40~60 cm，由于不同季节下的垃圾组成成分有很大的不同，通常夏季垃圾中瓜果蔬菜较多，其水分含量高，因此夏季的液位普遍高于冬季，而冬季垃圾中的水分相对较少，导致了冬季产水量小，污水中有机物冬季COD和BOD₅较夏季高.

如图 3(d)，氨氮的变化范围是537~1 222 mg ·L^-1，全年大部分月份在900-1 200 mg ·L^-1之间变化，波动幅度不大，均值为1 000 mg ·L^-1左右，氨氮的产生是含氮有机物分解的结果，最高值出现在8月，这可能是由于夏天细菌活性较高，分解了大量的有机氮所致. 而冬季的12月氨氮也达到了1 197 mg ·L^-1，这可能是水量较小，所以浓度较高所致. 相比较COD和氨氮，总磷的浓度不高，但其波动范围较大[图 3(e)]，在17.98~296 mg ·L^-1之间，除了夏季较低以外，其他月份浓度都在50 mg ·L^-1以上，这可能与垃圾组分的影响有较大关系.

污水中悬浮物SS的变化如图 3(f)，SS的最小值出现在10月，为9 120 mg ·L^-1，最大值在7月，均值为32 475 mg ·L^-1，是最小值的3.5倍，SS的波动大，而且没有明显的季节规律，实验过程中发现降水对悬浮固体的浓度有较大影响.

综上，在整个采样周期内，渗滤液中pH、 COD和BOD₅都呈现出冬高夏低的变化趋势； 总磷变化范围较大； 氨氮和SS在全年没有明显的季节变化规律； 这反映了不同垃圾组成，季节变化等因数对污水中污染物浓度会产生较大的影响.

为了研究极端温度对污染物产生的影响，选取温度最高的7月和温度最低的12月作为两个极端温度条件与年平均情况进行对比研究.

7月、 12月和年平均箱体内气体指标H₂S、 VOC、 CH₄和NH₃的数据对比如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 7月、 12月和年平均气体指标的平均值 (平均值±方差) Table 2 Averages gas concentration in July and December (average±S. D.) 项目 H2S /mg·m-3 VOC /mg·m-3 CH4 /% NH3 /mg·m-3 7月 5.6±3.2 8.4±2 2.97±1 4.5±1.9 12月 0.9±0.9 12.7±10.5 0.2±0.8 2.1±2.8 年平均 4±3.4 8.4±3.4 1.26±1.23 2.4±1.6

表 2 7月、 12月和年平均气体指标的平均值 (平均值±方差) Table 2 Averages gas concentration in July and December (average±S. D.)

极端气候条件对箱体内气体污染指标的影响很明显，从表 2中可见，7月的H₂S、 CH₄和NH₃都要远高于12月，也要高于年平均值，其中CH₄和NH₃要高出年平均一倍左右. 由于极端高温天气对微生物生长有促进作用，因此会产生比平时更多的气体污染物，其中CH₄是易燃易爆气体，空气中5%的含量会引起爆炸^[18]. 可见在高温下要注意防范集装箱内产生的可能导致易燃易爆的污染气体.

7月、 12月和年平均箱体内渗滤液的水质指标pH、 COD、 BOD、 氨氮、 总磷和SS的数据对比如表 3所示.

由表 3可以看出，pH在夏季最低，酸性较强，冬季较弱； 有机物COD和BOD₅都是在冬季达到最大，高于夏季和年平均值； 而氨氮在极高和极低温度的条件下的数据和年平均差别不大； 总磷在夏季远低于冬季和年平均值； 悬浮物SS的变化波动较大，并没有在极端温度下表现出明显差异.

表 3(Table 3)

表 3 7月、 12月水质指标 (平均值±方差) Table 3 Leachate parameters of July and December (average±S.D.) 项目 pH COD /mg·L-1 BOD5 /mg·L-1 氨氮 /mg·L-1 总磷 /mg·L-1 SS /mg·L-1 7月 5.5±0.55 66 460±7 331 19 150±629 1 162±275 36.07±24.75 32 475±4 216 12月 6.3±0.07 84 060±9 797 32 070±3 872 1 197±176 102.05±25.3 19 744±11 839 年平均 5.8±0.32 58 378±14 581 24 667±7 102 1 003±235 110.12±94.03 18 066±8 405.26

表 3 7月、 12月水质指标 (平均值±方差) Table 3 Leachate parameters of July and December (average±S.D.)

8、 10和12月箱体内产生气体指标H₂S、 VOC、 CH₄和NH₃的数据日变化如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 主要气体污染物指标日变化 Fig. 4 Daily variation of gas pollutant indexes

图 4所示分别为H₂S、 VOC、 CH₄和NH₃的数据日变化，可见各月份的主要气体污染物指标在整个采样周期内都随着堆放时间在1~2 d内达到峰值，然后逐渐减小，4~5 d后趋于稳定. 所有气体污染物浓度的降低原因是箱体为非严格密封，产生的气体外溢，所测得的数据是气体产生和逃逸的瞬时平衡浓度，而非集装箱气体产生累积浓度. 当污染气体的产生速率降低从而小于其逃逸到箱体外的速率，箱体内所测得的实时浓度逐渐降低，最后趋于稳定.

由于是露天堆放，气温对集装箱放置过程中气体的产生浓度影响较大，除VOC指标，其他的气体指标都呈现8月明显高于10月和12月的变化，H₂S和CH₄指标中8月的浓度更是高出其他月份数倍. 各污染指标在每日内的变化趋势和温度变化基本一致，都是先高后低，在每日的午后达到最高； 其中H₂S在8月第1 d的午后达到最高的18.2 mg ·m^-3，VOC在12月的第2 d达到最高的49 mg ·m^-3，CH₄在8月第1 d的午后就达到了临近爆炸极限的5%. 不同月份的气体指标中，10月和12月的气体指标比较接近，这可能是和这两个月接近的温度有关(表 1). 有些指标的异常变化也和温度有关，如8月的H₂S在第3 d出现了第二峰值，当天的数据也要普遍高于第2 d，其原因是第2 d全天中到大雨，气温普遍低于采样周期内的平均值所致. 而8月的NH₃在第5 d值陡然下降，其原因可能有样品采集操作失误造成.

在极端温度下集装箱在露天停放的最初2 d是气体污染物浓度的峰值，特别是午后高温，气体产生量大，来不及逃逸，会导致CH₄达到危险的浓度，所以减少箱体在码头的停放时间，避免高温暴露，是管理者在转运操作安排中应当重视的重要问题. 建议在生产操作中，可以通过遮阳和喷水等措施对集装箱体降温，减少污染气体的排放，同时排气口避免明火作业，防止意外事故.

8、 10和12月箱体内渗滤液的水质指标pH、 COD、 BOD₅、 氨氮、 总磷和SS的数据变化趋势如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 渗滤液中主要水质指标日变化 Fig. 5 Daily variation of leachate pollutant indexes

由图 5可知，pH在8月偏低，在采样周期内从4.6开始略有上升，其他月份在6左右变化不大； 主要水质指标中COD、 BOD₅和氨氮在采样周期内虽然都略有波动，但总体来说有机物呈现升高、 氨氮呈现下降趋势； 10月和12月的总磷随堆放时间表现出明显的上升趋势，而8月的数据变化则非常稳定； 悬浮物SS的波动相对其他指标最为明显，这可能是由于集装箱内渗滤液的流质不均匀造成的. COD、 BOD₅、 氨氮和总磷在各月份间的差异同之前季节影响分析时的结果一样，都是冬季的12月要高于夏季的8月，而10月和12月的数据较为接近.

夏季产生的污水pH较低，有一定的腐蚀性，对设备防腐有一定的要求. 3 箱体内污染物指标与环境因子的相关性分析

利用PASW Statistics 18.0统计分析软件，对采样期间所选各污染指标及环境指标进行了主成分分析，所得成分图如图 6所示.

图 6

Fig. 6

图 6 箱体内污染指标PCA成分 Fig. 6 PCA composition diagram of pollution parameters in container

图 6所示为各指标在以主成分1和主成分2为坐标系建立的二维坐标系中的分布，其中，主成分1提取总体39.7%的信息，主成分2提取总体34.2%的信息，其中4个指标(箱体内温度、 箱体外温度、 CH₄和H₂S)在坐标系中位置比较靠近，表现出较高的相关性； 垃圾量、 NH₃和氨氮，VOC和COD以及pH和BOD₅的相关性也较高； 以上结果表明，温度与主要气体指标H₂S和CH₄表现出较高的相关性； 同时水质指标和气体指标也存在一定相关性. 而总磷，SS和湿度等指标相关性不明显.

由此可见，气体污染物中CH₄和 H₂S与温度的关系较为密切，水质指标中的pH和BOD₅关系较密切，气体指标中的NH₃和水质指标中的氨氮以及垃圾量关系密切，气体指标中的VOC和水质指标中的COD关系密切. 这说明高温是主要气体污染物产生的主要原因，避免高温是减少气体污染物产生的重要手段，同时降低污水中的氨氮和有机物等污染物也有利于减少空气中的NH₃和VOC浓度.

本实验是首次针对垃圾转运过程中集装箱体内污染物产生规律所进行的研究调查，所得的数据和结论可为垃圾中转和转运的管理者优化工作条件提供参考和理论依据. 4 结论

(1)集装箱内垃圾产生气体指标中H₂S的变化范围为0.3~10.3 mg ·m^-3； CH₄和 NH₃的峰值都出现在夏季，而VOC的峰值出现在12月. 渗滤液水质指标中，pH值在5.4~6.3之间变化； COD和 BOD₅呈现出冬季高于夏季的特点； 氨氮和总磷的变化范围分别为537~1 222 mg ·L^-1和17.98~296 mg ·L^-1之间. 悬浮物波动较大，和季节之间的变化规律不明显.

(2)极端温度对箱体内气体污染指标的影响很明显，夏季高温下的H₂S、 CH₄和NH₃都要远高于极端低温，也要高于年平均值，但是VOC要低于冬季箱体内的浓度，与年平均值大小接近. 渗滤液在夏季呈现较强的酸性，对设备防腐有一定要求.

(3)集装箱中垃圾在停放初期排放气体污染物浓度达到峰值，特别是午后高温时浓度最大，会导致CH₄达到危险的浓度. 所以在极端温度下转运应减少箱体的停放时间，避免高温暴露.

(4)PCA相关性分析表明：箱体内外温度与CH₄和H₂ S气体指标之间表现出较高的相关性，这说明温度是影响气体污染物产生的主要原因，避免高温是减少气体污染物产生的重要手段，同时减少污水中的氨氮和有机物等污染物也有利于减少空气中NH₃和VOC的浓度.