（市政工程专业论文）城市生活垃圾填埋处置中的温度—化学耦合作用研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 填埋场垃圾稳定化的实质即是有机组分不断生化降解的过程，从生化反应 动力学角度分析，温度对其降解进程必然产生重要的影响；从化学反应热力学 角度进行分析，化学反应过程的热效应则不断改变着填埋体内的温度分布。因 此，填埋场处于一个温度、化学等多种环境因素相互作用、相互影响的动态平 衡体系之中。 本文通过垃圾有机组分厌氧降解的生化反应机理及其化学表达，分析研究 了垃圾有机组分厌氧降解反应过程的热效应，并通过室内垃圾柱模拟实验研究 了温度对垃圾有机组分厌氧降解的影响，在此基上研究了温度一化学耦合作用 下填埋场垃圾体内径向温度的模拟分布。 有机垃圾成分复杂，其化学组分主要由碳水化合物、蛋白质和脂肪组成， 典型的化学概化分子式可分别由( c h 2 0 ) 6 、c 4 6 h 7 7 0 1 7 n 1 2 s 和c 5 5 h 1 0 4 0 6 来表达。 垃圾厌氧降解过程可分三个阶段，本文根据各阶段降解机理研究了其降解 过程的化学表达，并进一步对其进行简化和量化分析。结果表明，在整个厌氧 降解过程中，蛋白质最终转化为甲烷和二氧化碳的量分别是0 3 4 k g k g 。和0 9 0 k g k g 一，碳水化合物最终转化为甲烷和二氧化碳的量分别是o 2 7 k g k g 1 和 o 7 3 k g k g ，脂肪最终转化为甲烷和二氧化碳的量分别是o 7 2 k g k g 。和 0 8 2 k g k g 。 通过对成都垃圾厌氧降解反应过程进行的简化定量方程表达，对厌氧降解 各阶段反应过程的热效应进行了量化。结果表明，湿鲜垃圾在整个降解进程中 的总体产生能量为1 8 1 7l 【j k 一；以有机碳降解量计( 由固相转化为气 相) ，其释放的能量为1 4 5 7 k j m o l 一；以甲烷产生量计，其释放的能 量为2 6 4 6k j m o l 一。 通过五个不同温度的垃圾柱实验研究表明：在2 9 - 4 5 温度范围内，较高 的温度有利于填埋有机垃圾快速进入产酸阶段，且温度越高，越有利于填埋垃 圾的降解进入产甲烷阶段，从而缩短填埋垃圾的稳定化时间。垃圾降解产气过 程中，运行温度控制在4 1 的垃圾模拟柱填埋气体中甲烷含量最高且稳定。 借鉴化学反应热力学的相关理论，分析了温度对填埋有机垃圾厌氧降解产 甲烷阶段典型方程平衡常数的影响。若不考虑温度对微牛物影响，因产甲烷阶 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 段属吸热过程，温度越高，越有利于反应的正向进行，有利于甲烷的生成。 由于填埋有机垃圾厌氧降解的实质是一个由多种微生物参与的多阶段复杂 的生物化学反应过程。温度对微生物和降解的化学反应均产生重要影响。结合 实验结果及分析表明，两种影响作用中，温度对微生物的影响作用占主导地位。 本文以渗滤液c o d 降解系数来体现有机垃圾厌氧降解，确立了温度对垃圾 厌氧降解影响的定量关系式。结果表明垃圾厌氧降解过程的最佳降解温度出现 两个峰值，峰值温度分别为3 0 8 和3 9 7 ，偏离峰值，渗滤液c o d 浓度衰减 系数均呈下降趋势。第一个峰值体现在对水解、酸化两阶段的促进作用，这是 由于放热反应导致峰值向较低温度偏移；第二个峰值体现在对产甲烷阶段的促 进作用，这则是因吸热反应所致。这一结论可解释许多前人的实验研究结果。 基于以上研究，本文建立了垃圾填埋的温度一化学耦合方程，并模拟预测 温度一化学耦合条件下垃圾填埋体径向温度分布状况。结果表明，温度随填埋 深度而升高，且初期升温较快，最高可达5 5 - - 6 0 ，中后期升温较缓。由于忽略 了垃圾降解的热效应对垃圾降解的生化反应的反馈影响作用，不考虑耦合作用 的模拟结果高于实际。因此，考虑耦合作用能使模拟结果更加切合实际，更加 可靠。 关键词：填埋垃圾：厌氧降解；温度；化学；耦合模型 西南交通大学博士研究生学位论文第1ii 页 a b s t r a c t t h es t a b i l i z a t i o no fw a s t ei nl a n d f i l li se s s e n t i a l l yab i o d e g r a d a t i o np r o c e s so ft h e o r g a n i cc o m p o n e n t a n a l y z i n gf r o mt h ec h e m i c a l r e a c t i o nk i n e t i c s ，t e m p e r a t u r e e x e r t si m p o r t a n ti n f l u e n c eu p o nd e g r a d a t i o np r o c e s so fo r g a n i cw a s t e o nt h eo t h e r h a n d ，t h et h e r m a le f f e c to fc h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s sc h a n g e st e m p e r a t u r ef i e l d d i s t r i b u t i o ni nl a n d f i l lb o d ya n a l y z e db yt h e r m o d y n a m i c sm e t h o d t h e r e f o r et h e l a n d f i l l b o d yi s i na l l e q u i l i b r i u ms y s t e mu n d e rt h ei n t e r a c t i o n o fm u l t i p l e e n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r ea n dc h e m i s t r y a c c o r d i n gb i o c h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s m sa n dt h ec h e m i c a le x p r e s s i o n so f a n a e r o b i cb i o d e g r a d a t i o no fo r g a n i cc o m p o n e n t ，t h et h e r m a le f f e c to fa n a e r o b i c d e g r a d a t i o nr e a c t i o np r o c e s so fo r g a n i cw a s t ew a sa n a l y z e d b yt h el a b o r a t o r y c o l u m n ss i m u l a t e de x p e r i m e n t ，t h ee f f e c t so f t e m p e r a t u r et oa n a e r o b i cd e g r a d a t i o no f o r g a n i cw a s t ew e r er e s e a r c h e d t h e nt h es i m u l a t e dd i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei n l a n d f i l lb o d yu n d e rc o u p l i n ge f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dc h e m i s t r yw a sf u r t h e r r e s e a r c h e d t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t so fm s wm a i n l ya r ec o n s t i t u t eb yc a r b o h y d r a t e s ， p r o t e i n sa n df a t s ，w h i c hc o u l db ec o r r e s p o n d i n ge x p r e s s e db yt y p i c a la n ds i m p l i f i e d c h e m i c a lm o l e c u l a r ：( c h 2 0 ) 6 ，c 4 6 h 7 7 0 1 7 n 1 2 sa n dc 5 5 h 1 0 4 0 6 t h ea n a e r o b i cd e g r a d a t i o np r o c e s sc o u l db ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s a c c o r d i n g t ot h ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s mi ne a c hs t a g e s ，t h ed e g r a d a t i o np r o c e s sw a se x p r e s s e d b yc h e m i c a le x p r e s s i o n sw h i c hh a db e e nf u r t h e rs i m p l i f i e da n dq u a n t i z e d t h e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a t ，d u r i n gt h ew h o l ed e g r a d a t i o np r o c e s s e so f r e f u s e ， a b o u t0 3 4k g k g 。1m e t h a n ea n do 9 0k g k g 1c a r b o nd i o x i d ew e r eg e n e r a t e df r o m p r o t e i n 0 2 7k g k g 。1m e t h a n ea n do 7 3k g k g 1c a r b o nd i o x i d ew e r eg e n e r a t e df r o m c a r b o h y d r a t e , o 7 2k g k g - lm e t h a n ea n d0 8 2k g k g - 1c a r b o nd i o x i d ew e r eg e n e r a t e d f i ：o mf a t o nt h eb a s i so fm s wo fc h e n g d uc i t ya sa ne x a m p l e ，i tw a ss t u d i e dt h et h e r m a l e f f e c to ft h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cw a s t ed u r i n gw h o l et h r e es t a g e s t h er e s u l t s s h o w e dt 1 1 她d u r i n gt h ew h o l ed e g r a d a t i o np r o c e s s e so fr e f u s ei nl a n d f i l l ，i tr e l e a s e s 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 6 8 9 7 1 0 k g a n di tr e l e a s e s1 4 3 71 0 m o l 一1e n e r g yo f o r g a n i cc a r b o nd e g r a d a t i o n f r o mt h es o l i dp h a s et r a n s f o r mi n t ot h eg a sp h a s e , a n di tr e l e a s e s2 6 0 8k j m o l 一1 e n e r g yo f m e t h a n ep r o d u c e dd u r i n gt h ew h o l et h r e es t a g e s i tw a ss h o w nf r o mt h es i m u l a t e de x p e r i m e n t a ls t u d yb yc o n d u c t i n gf i v ew a s t e c o l u m n ss i m u l a t e d e x p e r i m e n tu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e st h a t ：t h eh i g h 盯 t e m p e r a t u r ew a s ，t h em o r ea d v a n t a g e o u st oe n t e ra c i d o g e n i ca n dm e t h a n o g e n i cs t a g e i nt h er a n g eo f2 9 - 4 5 。c ，t h u sh i g h e rt e m p e r a t u r ea c c e l e r a t e ds t a b i l i z a t i o n m e t h a n e c o n t e n tw a st h em o s ts t a b l ei nt h em e t h a n o g e n i cs t a g ew h e nt h ec o n t r o lt e m p e r a t u r e w a s 4 1 a n d i t w a sb e n e f i c i a l f o rr e c y c l e o f l a n d f i l lg a s u s i n gt h er e l a t i v et h e r m o d y n a m i ct h e o r i e s ，t h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r eo nt h e e q u i l i b r i u mc o n s t a n to ft h et y p i c a lr e a c t i o ni nt h em e t h a n o g e n i cs t a g ew a sa n a l y z e d i ft a k i n g0 0a c c o u n to fm i c r o b i a le f f e c t , t h eh i g h e rt e m p e r a t u r ew a s t h em o r e d i s a d v a n t a g e o u st od e g r a d a t i o no f o r g a n i cw a s t ea n dt r a n s f o r m a t i o nf r o ms o l i dp h a s e t ol i q u i dp h a s e ；w h e r e a si tw a sc o n t r a r yf o rt h em e t h a n o g e n i cs t a g e b e c a u s et h ee s s e n e 2o ft h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cw a s t ei na n a e r o b i cl a n d f i l li sa c o m p l i c a t e db i o c h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s s ，w h i c hi n v o l v e ss e v e r a lk i n d so fb a c t e r i a b i o c h e m i c a la n dd e g r a d a t i o np h a s e s ，a n dt e m p e r a t u r eh a si m p o r t a n te f f e c t so n m i c r o o r g a n i s ma n dd e g r a d a t i o nr e a c t i o n ，t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r eo na n a e r o b i c d e g r a d a t i o nc o u l db ee x p r e s s e db yt h e s et w oa s p e c t s i tw a ss h o w nf r o mt h e s i m u l a t e de x p e r i m e n t a ls t u d ya n da n a l y s i st h a t ，t h e r e i nt o ，t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e o nm i c r o o r g a n i s mp l a y e dal e a d i n gr o l e t a k i n gt h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n to fc o dc o n c e n t r a t i o nf r o ml e a c h a t e a st h e e m b o d i m e n to f a n a e r o b i cd e g r a d a t i o no f o r g a n i cw a s t e ，a n dt h eq u a n t i t a t i v ef o r m u l a s f o re f f e c t so ft e m p e r a t u r eo na n a e r o b i cd e g r a d a t i o nw e r ee s t a b l i s h e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r et w op e a kv a l u e sa m o n gt h eo p t i m u mt e m p e r a t u r e s t h e a t t e n u a t i o nc o e 衢c i e n to fc o dc o n c e n t r a t i o nf r o ml e a c h a t ea c h i e v e dm a x i m u m v a l u ea t3 0 8 ca n d3 9 7 w h e nl o w e ro rh i g h e rt h a nt h e s et w ot e m p e r a t u r e s t h e c o e f f i c i e n ts h o w e de v i d e n td o w n t r e n d s t h ef i r s tp e a kv a l u er e f l e c t e dt h ep r o m o t i o n o ft e m p e r a t u r eo nh y d r o l y t i ca n da c i d o g e n i cs t a g e ，a n dt h er e a s o nf o rt h i sw a st h e e x o t h e r m i cr e a c t i o nw h i c hi n d u c e dm i g r a t i o nt ol o wt e m p e r a t u r e t h es e c o n dp e a k 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 v a l u er e f l e c t e dt h ep r o m o t i o no ft e m p e r a t u r eo nm e t h a n o g e n i cs t a g e ，a n dt h er e a s o n f o rt h i sw a st h ee n d o t h e r m i cr e a c t i o nw h i c hi n d u c e dm i g r a t i o nt oh i g ht e m p e r a t u r e m a n ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o u l db ee x p l a i n e db y t h i sc o n c l u s i o n 。 b a s e do na b o v er e s e a r c h e s ，t h em o d e lo fc o u p l e dt e m p e r a t u r ea n dc h e m i c a l p r o c e s s e si nl a n d f i l lw a se s t a b l i s h e d t h e n , t h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei nl a n d f i l l b o d yw a sp r e d i c t e db yt h em o d e l t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o w e dt h a t ：a st e m p e r a t u r e i n c r e a s e dw i t ht h el a n d f i l lt i m e ，t e m p e r a t u r ea l s oi n c r e a s e dw i t ht h el a n d f i l ld e p t h ； t e m p e r a t u r ei n c r e a s e dr a p i d l yi nt h ei n i t i a lt i m ew i t ht h em a x i m u mv a l u eo f 5 5 6 0 a n dt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ds l o w l yi nt h el a t e rt i m e ；h o w e v e r , t h ev a l u eo fs i m u l a t c d t e m p e r a t u r ew a sh i 曲e rt h a na c t u a lv a l u ed u et on e g l e c t i n gt h ef e e d b a c ke f f e c to ft h e t h e r m a le f f e c to nb i o c h e m i c a lr e a c t i o ni n d e g r a d a t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sc o n s i d e r i n gc o u p l i n ge f f e c tw e r em o r ep r a c t i c a la n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：l a n d f i l l ；a n a e r o b i cd e g r a d a t i o n ；t e m p e r a t u r e ；c h e m i c ；c o u p l i n gm o d e l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 适用本授权书。 学位论文作者签名：才3 丑 日期：掉a 圹日 指导教师签名： 稻多矿 b 冁：哆辱艮风 西南交通大学曲南爻迥大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的创新点如下： ( 1 ) 开展了垃圾有机组分降解各阶段的热效应定量分析( 具体见3 3 章节 内容) 。 ( 2 ) 开展了填埋垃圾体内温度一化学耦合作用的研究。通过设置不同温度 条件下垃圾柱降解实验研究( 具体见第4 章内容) ，分析了温度对填埋垃圾的降 解影响规律，提出了温度对填埋垃圾中有机组分厌氧降解( 以c o d 衰减系数表 征) 的影响机理( 具体见5 3 章节内容) 。并结合垃圾有机组分降解各阶段的热 效应分析，进一步研究了填埋场垃圾体内温度变化与降解的牛化反应之间相互 作用、相互影响的耦合作用，从而比较全面、系统地分析温度对垃圾降解的影 响机理及量化关系( 具体见第6 章内容) ，这在国内外尚未见到报道。 本课题首次把( 温度一化学) 耦合理论应用于城市牛活垃圾填埋处置中有 机垃圾降解机理及相关问题的研究中，为该问题提供了一种崭新的定量研究方 法，丰富和发展了环境化学和环境工程学。 学位论文作者签名釉上 日期：砂年夕月，厂日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 城市生活垃圾及其增长 城市生活垃圾是指在城市日常牛活中或者为城市日常生活提供服务的活动 中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废物( 不包 括工厂所排出的工业固体废物) 。近2 0 年来，随着我国经济的高速发展，城市 化水平和人们生活水平的不断提高，城市生活垃圾产牛量也同步保持长期的快 速增长。据报道，2 0 0 0 年我国3 0 个省、自治区、直辖市( 西藏和台、港、澳地 区未统计) 的城市生活垃圾清运量达1 1 8 亿吨川，城市周围历年堆存的未能处理 生活垃圾量达6 0 多亿吨，占地多达5 亿平方米，并仍以年均约8 l o 的速度在 增长【2 】，截至2 0 0 2 年底，我国共有城市6 0 0 多个，每年仅城市牛活垃圾清运量 就达1 3 6 亿吨【j j 。全国有2 0 0 多座城市( 占全国城市总数3 0 ) 仍处于垃圾的包围 中，严重威胁着城市及城郊居民的生活环境和健康m 。 董锁成【5 1 根据目前我国城市化趋势预测，到2 0 1 0 年、2 0 3 0 年和2 0 5 0 年， 我围城镇人口将分别达到6 1 0 8 ，9 3 1 0 8 和1 1 9 9 x 1 0 8 人。若按照目前我围城市 人均年产4 4 0 k g 牛活垃圾的水平推算，将分别产生生活垃圾2 6 4 1 0 8 吨、4 0 9 1 0 8 吨和5 2 8 1 0 8 吨( 表l 一1 ) 。由此可见，我国的垃圾总产量仍会继续保持较高 的增长势头。如何有效地处理处置不断产生的数量巨大的城市生活垃圾，已经 成为摆在人们面前的一个比较棘手的问题，这无疑是新世纪对我国城市可持续 发展的严峻挑战。 表1 1 中国城市人口、生活垃圾现状及其增长趋势 1 1 2 城市生活垃圾的组成及变化 1 1 2 1 城市生活垃圾的组成 城市垃圾主要由居民生活垃圾、街道保洁垃圾和机关团体垃圾组成，包括 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 厨余、纸张、塑料、织物、玻璃、灰渣、金属、竹木和绿化废弃物等。有很多 原因造成城市生活垃圾成分和产生量更加多样化和不均匀性，而且变化幅度也 很大。比如：家庭燃料结构的改变，导致垃圾中无机炉灰比重大为降低；现代 物品包装广泛使用及包装技术与应用材料的改变，导致垃圾中纸、塑料、金属、 玻璃等废物大量增加；冷冻食品、预制成品及半成品的逐年普及，使家庭垃圾 中食品废物明显减少；随着家庭日用家电的普及，我国城市垃圾中废旧家用电 器呈现大幅增加的趋势。在不同的国家、不同的城市和地区，城市生活垃圾的 组成都有所不同。一般来说，工业发达国家生活垃圾中纸类含量多，厨余垃圾 相对较少；而不发达国家垃圾成分中无机物和厨余垃圾含量较多。 表1 2 f q 列出了我国部分城市生活垃圾的组成，从表中可见，我国城市生活 垃圾中厨余、果类等有机垃圾含量较高，可达到5 5 9 0 。其中，易降解物为厨 余和果类；可降解物为纸类、布类和竹木：不可生物降解物为金属、玻璃、陶 瓷和塑料类。明显可以看出，有机物含量在城市生活垃圾中占相当大的比重， 而这些有机物多是厨余等可降解有机废物，垃圾中可被微牛物分解利用比例为 5 0 8 6 。这说明我国城市牛活垃圾中可供微牛物牛长利用的有机成分较高，垃 圾的生化可降解性提高。 表l 一2 我国部分城市生活垃圾的组成( ) 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 1 1 2 2 影响城市生活垃圾组成的因素 城市生活垃圾的产生量丰要与地理条件、城市人口、经济发展水平、居民 收入、居民消费水平和城市居民燃气化率有关，其中城市规模、数量和人口的 增加是影响城市牛活垃圾增长的手要因素。城市生活垃圾的成分复杂，与地区、 气候、季节、生活水平与习惯、能源结构差异等有关。这些影响我国城市牛活 垃圾组成变化的因素，主要有燃料结构、居民生活水平、垃圾生产源、季节变 化以及城市特征。 ( 1 ) 燃料结构对城市垃圾组成的影响 燃料结构对城市垃圾组成影响很大，燃煤区垃圾中无机成分明显高于燃气 区，可回收废品的比例亦明显降低。由于我国城市燃气普及率将不断提高，城 市生活垃圾中有机物含量与热值将很快增加，对城市垃圾处理处置技术的发展 将产生很大的影响。 ( 2 ) 生活水平与消费结构对城市垃圾组成的影响 居民牛活水平和消费结构的改变不仅影响城市垃圾的产生量，也是影响垃 圾成分的重要因素。近二十年来，居民生活水平不断提高，据中国成都统计公 报数据表明，1 9 9 6 - 2 0 0 5 年成都市城镇居民的可支配收入提高了1 2 倍。与此同 时，城镇居民排出的垃圾成分也发生了相应的变化，煤渣含量持续下降，而可 降解垃圾和废品的含量则持续增长。 ( 3 ) 垃圾产生源对垃圾组成的影响 我国城市垃圾主要是由居民生活垃圾、街道保洁垃圾和集团垃圾三大类组 成。 表1 - 3 同城市不同地区垃圾成分结构 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 居民生活垃圾来自居民生活过程中遗弃的废弃物，主要有易腐有机物、煤 灰、泥沙、塑料、纸类等构成。它在城市垃圾中不仅数量占居首位，而且成分 最为复杂，其构成受时间和季节影响，变化大且极不均匀。街道清洁垃圾来自 清扫马路、街道和小巷路面。它的成分与居民生活垃圾相似，但是泥沙、枯枝 落叶和商品包装物较多，易腐有机物较少，平均含水量较低，低位热值略高于 居民生活垃圾。集团垃圾是机关团体、学校、工厂和第三产业等在生产和工作 过程中产生的废弃物。它的成分随发牛源不同而变化。这类垃圾与居民牛活垃 圾相比，具有成分较为单一稳定，平均含水量较低和易燃物、特别是高热值的 易燃物多的特点，它的低位热值一般为6 0 0 0 2 0 0 0 0l ( j k g 。 ( 4 ) 季度变化对城市垃圾组成的影响 季节的变化将影响人们的日常牛活用品及燃料的组成，因此也影响城市垃 圾的组成成分。北京市城市垃圾中动植物、无机物、废品等含量随季度变化的 情况如表1 - 4 所示。 表1 4 北京市城市垃圾成分随季节变化情况 ( ) 一季度二季度三季度四季度年度 动植物无机物废品动植物无机物废品动植物无机物废晶动植物无机物废晶 ( 5 ) 城市特征对垃圾组成的影响 我国各地区经济发展不平衡，这是我国城市垃圾构成和特性有很大的不均 匀性。城市垃圾的产生量及其构成，与城市的规模、性质、功能和地理位置有 很大关系。 大城市与中小城市垃圾构成有十分明显的区别。大城市虽然地理环境等基 础条件不同，但是由于城市居民的消费水平都比较高，所以城市垃圾的有机含 量的差距相对较小。中小城市的居民消费水平及生活能源气化率都比较低，有 机物成分约占牛活垃圾总量低，无机物成分较高。南方城市垃圾中的有机物成 分高于北方城市。 城市气化率、集中供热面积及人均煤购买量对垃圾的产量和构成具有明显 的影响，城市气化率低和集中供热面积小的城市或地区，其垃圾产来南围的绝 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 对值和煤灰的含量相应要高，反之则要低一些。 1 1 3 城市生活垃圾的主要处理处置方式及简单比较 尽管可供选择的垃圾处理处置手段包括焚烧、堆肥、卫生填埋、厌氧发酵、 汽化、热解、蚯蚓分解、制建筑材料等，但目前业已成熟的且广泛应用的也不 外乎焚烧、堆肥和卫生填埋三种，其中填埋处理技术由于建设投资少、运行费 用低、技术要求不高，且可以回收填埋气( 沼气) 等优点，是目前国外发达国家的 主要垃圾处理方式( 表1 5 ) f ”。 表t - 5 一些发达国家垃圾的处理方法 垃圾焚烧是随着近代工业发展而产生的一种垃圾处理方式，始于1 9 世纪8 0 年代。垃圾焚烧处理依靠垃圾中可燃成分与空气中的氧发生燃烧反应而使垃圾 中的有机污染物和细菌污染物得到彻底去除。焚烧可使垃圾减量7 5 - - 9 0 ，还可 回收热能，但该处理法建设和运行费用高( 见表1 6 ) ，同时运行时还产生大量 恶臭物以及二恶英等有毒有害化合物污染大气环境，部分国家垃圾焚烧发展势 头已有所减弱，1 7 , 1 9 m ，。作为发展中国家，我国多数地区尚不具备以焚烧法为城市 垃圾主要处理方式的经济实力和条件。 垃圾堆肥处理具有很悠久的历史，我国部分农村地区至今仍在采用这种既 处理垃圾又可产生肥料的方法来处理农村生活垃圾。现代的垃圾堆肥是在有控 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 制的条件下( 调控氧气、温度、水分、微牛物等) ，依靠垃圾中固有的微生物， 使垃圾中有机成分分解并转化成腐殖土状的有机肥和土壤改良剂。堆肥能使垃 圾减量，并可用作有机肥料，应是一种比较有发展前途的垃圾处理方式，但其 占地大，费用高( 表1 6 ) ，长期使用堆肥的农田还可能出现重金属积累。垃 圾堆肥中玻璃灰渣等无机成分多，有机质含量并不十分理想，导致其销路存在 一定问题，部分堆肥处理厂甚至将堆肥产品直接送到填埋场进行填埋处置，运 转日渐困难l i $ 2 , 0 2 1 2 2 。 国际固体废物协会( 1 9 9 2 ) 将卫生填埋定义为将垃圾置于地下( 地上) 以防止其污染或危害环境的一种工程处置措施，通过恢复，其场地还能用于其 它用途。垃圾卫牛填埋具有处理量大、操作简便、处理费用低、处理彻底、可 回收沼气作能源等优点，因而在三种丰要处理处置方式中占据着主要地位。但 卫生填埋场占地大，所产生的渗滤液难处理，资源化效果较差，从一定程度上 影响了其在更大范围的推广和应用 18 , 2 5 , 2 6 1 。 表1 _ 6 三种城市生活垃圾处理处置方式的特点 对上述三种城市垃圾处理处置方式进行全面比较，可看出卫生填埋具有技 西南交通大学博士研究生学位论文箍l 亟 术可靠，工艺简单，管理方便；投资省，运行费用低；适用范围广，对垃圾成 分无严格要求；可作最终处置等一系列优点，因而它已成为多数国家最主要的 一种垃圾处置手段8 l 。以美国为例，尽管填埋场数量有所减少，但垃圾填埋量 仍保持在相当高的水平( 2 0 0 0 年填埋1 2 8 3 亿吨，占垃圾总产量的5 5 3 ) ，并 且大多数州都以卫生填埋作为丰要的垃圾处置方式。 我国对城市生活垃圾污染防治起步较晚。长期以来，我国城市生活垃圾的 处理、处置主要是以寻找合适地点加以“消纳”为目的。近年来，虽然我国在 城市牛活垃圾的管理模式上，由单纯的处置转向综合利用与处置，但整体而言， 我国城市生活垃圾的处理还处于起步阶段，城市生活垃圾处理能力严重不足、 处理率偏低。我国从二十世纪8 0 年代开始采用垃圾卫生填埋技术 7 1 ，大量城市 已经建成或正在建设卫生填埋场，填埋( 包括简易填埋) 占垃圾处理总量的9 0 左右i i 】。2 0 0 0 年，我国建设部、国家环保总局和科技部联合制定了城市生活 垃圾处理及污染防治技术政策，该政策明确指出卫牛填埋是垃圾处理必不可少 的最终处理手段，也是我国现阶段城市垃圾的主要处理手段1 2 7 1 。因此，我国的 国情以及城市牛活垃圾的特性( 厨余垃圾含量高、含水率较高、热值低以及垃圾 成分复杂) 也决定了在今后相当长的一段时间内，填埋处理技术仍将是我国城市 生活垃圾的主要处理方式。 1 1 4 影响填埋有机垃圾降解的因素 垃圾填埋体的降解过程的实质是一个由多种细菌参与的多阶段复杂的生物 化学过程，其中生物化学反应又是一种以生物酶为催化剂的化学反应。而生物 的生存和繁殖有其适应的条件，各种生物酶的活性也可能受到抑制或激活，因 此垃圾降解的过程受到各种因素的影响。 影响填埋场中垃圾降解的因素可分为两大类：一类是环境因素，包括温度、 p h 值、营养、含水率和氧化还原电位等；另一类是基本因素，包括微生物量、 有机物组成、营养比等混合接触条件。本文就主要因素进行讨论。 温度 微生物是降解过程的关键因子，垃圾能否为其提供适宜的环境至关重要。 微牛物牛长的温度范围很广，约为一5 8 0 c 。根据不同微牛物生长温度可将其分 为低温型、中温型和高温型。垃圾的降解丰要发生在中温和高温段。中温型最 适温度为1 8 3 5 。c ，最高为4 0 4 5 ；高温型最适温度为5 0 6 0 ，最高为7 0 - 8 5 。b a r l a z ( 1 9 8 7 ) 等研究表明 2 5 1 ，当垃圾处于4 l 环境中时，其降解速度最 大，填埋气的产量也达到了最大。温度高于或低于4 1 ，垃圾降解速度都会变 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 慢，当温度高于7 0 。c 或低于5 c 时，微生物将停止活动，垃圾也将不再降解。 k e n n e t h t ”j 等研究了温度对于填埋场垃圾试样产气的影响，结果表明，4 1 是垃 圾产气的最佳温度，而在4 8 5 5 之间垃圾基本上不产气。赵由才等( 1 9 9 4 ) 通过实验证明l 聊，负温条件( 1 3 - - 0 c ) 下的垃圾的降解速率明显小于低温环境 ( 4 1 0 ) 中的垃圾。 含水率 水是微生物代谢和厌氧降解过程中必不可少的基本条件。由于水分不仅是 固相垃圾被微牛物水解、酸化所必需的反应物，还是营养物质、酶、胞外酶和 气体的溶剂，是微生物生长繁衍和保持活性所必需的条件，适宜的含水率是促 进填埋垃圾快速稳定的最基本条件 3 1 一。 垃圾卫生填埋过程中能承受的含水率范围较宽，为2 5 7 0 。含水率较高时， 容易产牛恶臭；而当含水率较低时，又不利于垃圾的微生物降解。g e o r g e t c h o b a n o g l o u s t 3 3 1 等人认为垃圾降解的最佳含水率为5 0 6 0 ，并给出了有充足水 分和水分不充足条件下垃圾产气的比较，结果表明，垃圾含水率较高，产气量 也较高。g h o s h i “1 研究表明，水分含量不但有助于微牛物活动，而且影响挥发性 脂肪酸产率和被甲烷菌转换为甲烷之间的平衡关系。 r e e s 3 5 1 研究表明，在厌氧条件下当垃圾的水分含量为2 5 - - 7 0 时，其气体 产生的对数值与水分含量成正比。k a s a l i l 期在室温( 2 0 5 2 8 5 ) 下对水分含量分 别为5 5 、6 0 、6 5 、7 0 、7 5 、8 0 的垃圾柱的垃圾降解进行了研究，结 果发现6 0 7 5 的水分含量最适宜垃圾降解。罗锋等人研究表明垃圾降解的 最适宜水分含量为6 5 。 在相同含水率时，存在水分运移的垃圾的降解速率还高于没有水分运移的 垃圾的降解速率n ”。 因此，根据初始含水率及渗滤液的量可估计填埋场内垃圾动态水分含量， 并通过回灌等方式进行人工调控，以取得最佳效果。通过回灌渗滤液强化的传 质作用能加速固相有机垃圾水解酸化产物的溶出与稀释、加速抑制性降解产物 的稀释和释出、加速营养物质、微牛物和基质的均匀分布和顺利接触”卅。 营养 厌氧微生物除要求一定比例的c 、n 、p 基质外，还对铁、镍、钴等微量元 素具有要求。填埋垃圾中一般都具有厌氧降解反应所需要的营养元素，但运行 后期的营养状况仍有待研究 3 t 。在垃圾厌氧降解过程中，为满足微生物生长的 需要，垃圾中要有足够的碳、氮、磷存在，一般c n 值宜在( 1 0 - 2 0 ) ：l 之间， 此时有机物去除率最大。若c n 值太高，则细菌生长所需的氮量不足，容易造 成有机酸的积累，从而抑制产甲烷菌的生长。如c n 值太低，盐大量积累，p h 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 值上升到8 以上，也会抑制产甲烷菌的生长。另外，b 盯l a z 等人所作的垃圾质 量平衡研究表明，垃圾中的糖类分在厌氧条件下生成羧酸而引起p h 值下降，抑 制垃圾的降解。 p h 在厌氧生物反应器填埋场中，固相垃圾的降解要依次经历水解酸化、产氢 产乙酸和产甲烷反应三个阶段。进入稳定产甲烷阶段后，尽管固相垃圾的水解 成为整个降解过程的限速步骤，但产甲烷反应的顺利进行是保障固相垃圾顺利 降解的前提条件。一般都认为垃圾厌氧降解的最优p h 值范围为