（环境工程专业论文）准好氧填埋场渗滤液收集层结构对垃圾降解效果的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 卫生填埋是我国当前城镇垃圾处理的主要方式，具有投资较省、运行成本较 低、适应能力强等特点。但卫生填埋也存在着渗滤液有机物污染浓度高、处理困 难、存在填埋气污染以及填埋场稳定化时间长等问题。随着准好氧填埋技术的出 现，在很大程度上改进了卫生填埋存在的缺点，但渗滤液有机污染浓度仍较高。 为了进一步改善准好氧填埋场环境条件，促进有机物降解和加速填埋场稳定化， 本研究通过改进渗滤液收集层结构，改善氧的传输条件及在填埋场内分布，强化 渗滤液收集层及填埋垃圾体的生物滤床功能，旨在促进有机物的降解、氮的转化 和填埋场的快速稳定，降低渗滤液污染物浓度和减少有害气体的产生，论文研究 了渗滤液收集层结构对准好氧填埋垃圾体氧浓度分布及填埋气产生的影响、渗滤 液收集层结构对垃圾渗滤液水质变化的影响以及建立基于改良渗滤液收集层结构 下的有机物降解动力学模型。通过研究得出以下主要结论： 垃圾填埋装置内氧浓度表现为上层 中层 下层，具有明显的空间层次效 应；增加渗滤液收集层高度，可以增大氧在渗滤液收集层中的含量，增大氧在收 集层中扩散范围，从而增大了氧和垃圾体的接触面积，前期有利于氧的扩散；光 滑卵石作为渗滤液收集层材料，不利于氧的扩散；陶粒作为渗滤液收集层滤料， 对氧扩散有一定影响； 增加渗滤液收集层高度能提高渗滤液c o d 和总氮去除率，并能够在较快 时间内使得渗滤液c o d 去除率高达9 7 ，总氮去除率超过9 0 ，为后续持续降低 渗滤液c o d 及总氮浓度奠定良好基础；卵石渗滤液收集层对c o d 、氨氮和有机 氮的去除效果较砾石的差；砾石收集层表面增加陶粒，可以增加后期难降解c o d 的去除效果； 合适的渗滤液收集层高度和滤料有利于填埋气甲烷的减排控制并能较好 降低硫化氢等臭气的产生对环境的影响；增加渗滤液收集层高度，一定程度上可 抑制产甲烷；光滑卵石因其较差的氧扩散能力，致使对产甲烷过程抑制效果最差； 通过m a t l a b 编程计算，得到前期渗滤液c o d 可生化降解速率常数，表现 为4 牡6 # 3 扮2 撑 1 轸5 撑，表明增加渗滤液收集层高度，在前期可以提高渗滤液c o d 降解速率；卵石为滤料，其渗滤液c o d 降解速率最低；结合不同渗滤液收集层结 构下渗滤液c o d 可生化降解速率进行参数优化，建议实际准好氧填埋场渗滤液收 集层高度选取范围为6 0 1 2 0 c m 。 关键词：准好氧填埋，渗滤液，收集层，c o d 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t s a n i t a r yl a n d f i l li st h em a i nm e t h o do u rc u r r e n tu r b a nr e f u s ed i s p o s a l ，h a v es a v e i n v e s t m e n t ，l o wo p e r a t o nc o s t ，s t r o n ga d a p t a b i l i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s b u tt h e s a n i t a r yl a n d f i l la l s oe x i s th i 曲l e a c h a t eo r g a n i cp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，p r o c e s s i n g d i f f i c u l t i e s ，p r e s e n c eo fl a n d f i l lg a sp o l l u t i o na n dl a n d f i l ls t a b i l i z a t i o nt i m ea n do t h e r i s s u e s a st h es e m i a e r o b i cl a n d f i l lt e c h n o l o g y , g r e a t l yi m p r o v et h es a n i t a r yl a n d f i l l l e a c h a t es h o r t c o m i n g s ，b u ts t i l lh i g h e rc o n c e n t r a t i o n so fo r g a n i cp o l l u t i o n i no r d e rt o f u r t h e r i m p r o v et h e s e m i a e r o b i cl a n d f i l le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，p r o m o t et h e d e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cm a t t e ra n da c c e l e r a t i n gl a n d f i l ls t a b i l i z a t i o n , t h i sr e s e a r c h t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to fl e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rs t r u c t u r e ，i m p r o v e do x y g e n t r a n s m i s s i o nc o n d i t i o n si nl a n d f i l ll e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rd i s t r i b u t i o n ，s t r e n g t h e n i n g l a n d f i l lb o d yb i o l o g i c a lf i l t e rb e df u n c t i o n ，t op r o m o t et h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e r , n i t r o g e nc o n v e r s i o na n dl a n d f i l ll e a c h a t e sf a s ts t a b l e ，r e d u c et h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n a n dr e d u c et h eh a r m f u lg a s ，t h ep a p e rr e s e a r c ho nl e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rs t r u c t u r e s e m i a e r o b i cl a n d f i l l o x y g e nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dl a n d f i l lg a sg e n e r a t i o n e f f e c t ，l e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rs t r u c t u r eo nl a n d f i l ll e a c h a t eq u a l i t yv a r i a t i o ni n f l u e n c e a n db u i l dt h eo r g a n i cm a t t e rd e g r a d a t i o nk i n e t i c sm o d e lb a s e do nt h ei m p r o v e m e n to f l e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rs t r u c t u r e t h r o u g ht h er e s e a r c hw eg o tt h ef o l l o w i n gm a i n c o n c l u s i o n s ： t h eo x y g e nc o n t e n t i o ni nt h ew a s t eo fl a n d f i l lc o l u m np e r f o r m e d a sa u 讲) e 卜l a y e r m i d d l e l a y e r l o w e r - l a y e r ；i n c r e a s eo f t h el e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rh e i g h t ， c a ni n c r e a s et h eo x y g e nc o n t e n t i o ni nt h el e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e ，i n c r e a s et h eo x y g e n d i f f u s i o nr a n g ei nt h ec o l l e c t i o nl a y e r , t h e r e b yi n c r e a s et h ec o n t a c ta r e ab e t w e e no x y g e n a n dw a s t eb o d y , f a c i l i t a t eo x y g e nd i f f u s i o ni np r o p h a s e ；u s es m o o t hp e b b l e sa sl e a c h a t e c o l l e c t i o nl a y e rm a t e r i a l ，i sn o tc o n d u c i v et ot h ed i f f u s i o no fo x y g e n ；c e r a m s i t ea sa s l e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rm a t e r i a l ，h a v ec e r t a i ne f f e c to no x y g e nd i f f u s i o n ； i n c r e a s et h el e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rh e i g h tc a ni m p r o v et h er e m o v a lr a t eo f c o da n dt o t a ln i t r o g e n ，a n dc a nf a s ti n c r e a s et h er e m o v a lr a t eo fc o d a t9 7 ，t o t a l n i t r o g e nr e m o v a lr a t eo v e r9 0 ，a st h ef o l l o w u pc o n t i n u e dt or e d u c ec o d a n dt o t a l n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o nl a t e r ；p e b b l el e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e ro fc o d ，a m m o n i a n i t r o g e na n do r g a n i cn i t r o g e nr e m o v a lr a t ea r ew o r s e t h a ng r a v e l ；g r a v e lc o l l e c t i o nl a y e r s u r f a c ew i t hc e r a m s i t e ，c a ni n c r e a s ec o dr e m o v a le f f e c ti nt h el a t er e f r a c t o r y ； 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h er i g h th e i g h ta n dm a t e r i a lo fl e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rc a nb e t t e rc o n t r o lt h e l a n d f i l lg a sm e t h a n ee m i s s i o na n dc a nb e t t e rr e d u c et h eh y d r o g e ns u l f i d ea n do d o r p r o d u c t i o n i m p a c tt h ee n v i r o n m e n t i n c r e a s et h el e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rh e i g h t ，c a i l i n h i b i tm e t h a n o g e n e s i s ；s m o o t hp e b b l e sb e c a u s eo fi t sp o o ro x y g e nd i f f u s i o nc a p a c i t y , r e s u l t i n gi ni n h i b i t i o no fm e t h a n o g e n e s i si st h ew o r s te f f e c t ； c a l c u l a t i o nb yt h em a t l a b ，g e tt h el e a c h a t ec o db i o c h e m i c a ld e g r a d a t i o nr a t e c o n s t a n t ，p e r f o r m e da s4 转6 扮3 轸2 群 1 群 5 样，i n d i c a t e t h a ti n c r e a s et h el e a c h a t e c o l l e c t i o nl a y e rh e i g h t ，i nt h ee a r l ys t a g ec a ni m p r o v et h el e a c h a t ec o dd e g r a d a t i o n r a t e ；u s es m o o t hp e b b l e sa sl e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e r , t h el e a c h a t ec o dd e g r a d a t i o nr a t e i sm i n i m u m ；t h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tl e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rs t r u c t u r eo fl e a c h a t e c o db i o c h e m i c a ld e g r a d a t i o nr a t ep a r a m e t e r so p t i m i z e d ，s u g g e s t i o n sf o rp r a c t i c a l a e r o b i cl a n d f i l ll e a c h a t ec o l l e c t i o nl a y e rh e i g h ts e l e c t i o nr a n g ef o r6 0 - 12 0 c m k e yw o r d s ：s e m i - a e r o b i cl a n d f i l l ，l e a c h a t e ，c o l l e c t i o nl a y e r , c o d i l i 重庆大学硕士学位论文 1引言 1 1 国内外研究概况 1 1 1 垃圾卫生填埋技术的发展 在我国有近9 0 的城市选择卫生填埋处理城市生活垃圾。目前，填埋是垃圾 处理的最重要的一种最终处置手段，不论采用哪种方式来处理垃圾，均需配备填 埋作为最终处理措施。如垃圾焚烧产生的灰渣，堆肥处理后剩余的不可降解废物， 最终都需采用填埋来处置。 卫生填埋即卫生土地填埋，它是由传统的废物堆放所发展起来的，是一项应 用最早、最广泛的垃圾最终处置技术。早在公元前3 0 0 0 年的古希腊米诺文明时期， 当时的克里特岛居民就己将垃圾埋入坑中，并分层覆土。近代的第一个城市生活 垃圾填埋场始建于1 9 0 4 年美国伊利诺斯艾里斯州的香藩市，但由于当时技术等尚 未成熟，没有对环境污染进行控制，造成对周围环境不可避免的严重污染。这样 的情况一直到2 0 世纪3 0 年代，在美国的加利福尼亚首次提出了“卫生填埋”的概念， 即对垃圾渗滤液和填埋气体进行控制的填埋方式，填埋对环境污染这一问题才有 所好转【1 1 。填埋处理技术的研究发展经历了以下几个阶段【2 】：1 ) 前期阶段，这一 阶段处于2 0 世纪4 0 5 0 年代，此阶段卫生填埋技术很少使用，垃圾以简单的露天 堆放为主；2 ) 初期阶段，在这一阶段，水文地质、工程地质、环境地质等条件成 为卫生填埋场场址选择的调查分析和评价对象；3 ) 填埋环境影响的机理研究阶段， 这一阶段处于2 0 世纪7 0 年代后8 0 年代中期，此阶段主要研究单个污染组分和地 下水或者地质矿物成分相互作用机理；4 ) 全面系统化研究阶段，此阶段自2 0 世 纪8 0 年代后期开始，对填埋场的研究更加全面、深入和系统。填埋工艺也从早期 厌氧填埋逐渐发展到生物反应器填埋、好氧填埋以及准好氧填埋。 1 1 2 厌氧填埋 我国目前的填埋方式以厌氧填埋工艺为主，当填埋固体废物后，如果隔绝空 气，使得空气无法进入填埋场内部，填埋场内的固体废物由于缺少氧气而处于厌 氧分解状态，即为厌氧填埋方式 3 1 。厌氧填埋具有工艺简单、管理方便、投资少、 运营成本低及对垃圾组成无特别要求等优点。但同时它也存在着许多问题： 渗滤液污染物组分多，污染强度高，处理费用高 厌氧填埋所产生渗滤液组分繁多( 有机物组分可达8 0 种) ，且浓度极高，部 分填埋场渗滤液c o d 浓度甚至高达近十万m g l ，氨氮浓度高达几千m g l 【4 】。因 此其渗滤液处理费用很高，国内部分填埋场渗滤液处理费用可高达几十元吨，国 外甚至高者可达到8 0 美元吨i 引。 重庆大学硕士学位论文 l引 言 厌氧填埋产生大量填埋气，影响周围环境 厌氧填埋产生大量的填埋气，且产甲烷阶段持续时间较长，渗滤液连续排放 且没有重新补充因此可厌氧降解转化为甲烷气体的有机物大量损失，这使得甲烷 气体的总产量降低：同时因为较长的产气期延缓了甲烷气体的回收时间，间接降 低了回收甲烷气体作为再生能源的经济效益 6 1 。由于甲烷产量较低无法回收，使得 我国大部分填理场只得采取直接排放或直接点燃的方式来处理填埋气，导致大气 中c i - h 、c 0 2 等温室气体含量增加，加剧了全球温室效应、臭氧层的破坏并提高了 填理场火灾、爆炸等安全事故的发生。由于生活垃圾填埋过程中有机物发生好氧 和厌氧分解，会产生含有h 2 s 、n h 3 等为主的恶臭气体，这些气体散逸到空气中会 对周围环境造成较大影响并严重影响人类的正常生活。 填埋场稳定化时间长，不利于土地再利用 在厌氧填埋过程中，垃圾分解起作用的微生物为厌氧微生物，其降解过程缓 慢，垃圾稳定化时间长，一般均要持续1 0 , - - 2 0 年之久，甚至更长【7 1 ( 美国e p a 要 求填埋场封场后需要继续监管3 0 年1 8 】) 。这导致填埋场所占用的大量土地资源无法 在短时间内得到再利用，浪费了宝贵的土地资源。此外，填埋场较长的稳定化时 间，也增加了填埋场后续运行维护费用，增大了渗滤液泄露的可能性，使得潜在 的污染风险增加。 1 1 3 生物反应器填埋 厌氧卫生填埋存在着垃圾体降解缓慢，稳定化时间长等情况，美国针对这一 情况研发了生物反应器填埋技术，并通过营养添加、p h 调节、温度调节、液体注 入以及通风供氧等手段来加速垃圾填埋场的稳定化1 9 1 。p o h l a n d 等【1 0 】将垃圾卫生填 埋场看作一个生物反应器，通过控制回灌渗滤液的量来提高垃圾的稳定化进程。 2 0 世纪9 0 年代中期，位于美国加利福尼亚的y o l o 县建立了两个填埋量均为9 0 0 0 t 的大型试验填埋场，其中一个为厌氧填埋场另一个为生物反应器填埋场。试验数 据验证了生物反应器填埋场相对于传统厌氧填埋场有如下优势【4 】：1 ) 加速填埋场 稳定化进程，缩短填埋场稳定化时间，从而节约投资和后期运行费用；2 ) 提高填 埋气体的产量和产气速率及甲烷含量，增加了填埋气体的利用率：3 ) 较高的生物 降解能力可增加填埋场的有效容积；4 ) 降低了外排渗滤液的污染强度和风险。虽 然有这些优点，但渗滤液的回灌并不能完全消纳渗滤液，渗滤液回灌后的氨氮含 量仍然很高，还需要后续处理方能达标排放。 1 1 4 好氧填埋 好氧填埋场是在垃圾体内布设通风管，用鼓风机向垃圾体内送入空气。垃圾 有充足的氧气，使好氧分解加速，有机垃圾得以较快稳定，堆体迅速沉降，反应 过程中产生较高温度( 6 0 左右) ，使垃圾中大肠杆菌等得以消灭。由于通风加大 2 重庆大学硕士学位论文l 引 言 了垃圾体的蒸发量，可部份甚至完全消除垃圾渗滤液。相对于厌氧填埋场，好氧 填埋场在有机物降解效果方面明显优于厌氧填埋场，从长远看，好氧填埋方式可 以使得填埋垃圾在短期内完全腐熟【1 1 】。但是，好氧填埋场需要主动供风，能耗高， 且供风量需合适，供风量或大或小均会影响填埋场正常运行，并且好氧填埋场场 内通风阻力不宜过大：管网密集，结构复杂，施工及运行过程要求较高，单位造 价高，因此，以上局限性导致好氧填埋场应用并不广泛。 1 1 5 准好氧填埋 美国在生物反应器填埋场方面进行了大量的研究与实践，同时日本的专家在 研究中发现如果在垃圾填埋过程中给予填埋体充足的空气供应，会加速垃圾的分 解，因此他们得出好氧细菌在固体废弃物降解中起着重要的作用，于1 9 7 5 年提出 了准好氧填埋的概念，并在位于日本福冈大学的实验室建立了全球首个准好氧填 埋场，利用渗滤液收集管形成填埋体中的自然通风，并使得渗滤液收集和导排系 统周围形成好氧区，这样就形成了准好氧填埋工艺。之后的几年中，准好氧填埋 技术在世界多个国家被广泛应用。2 0 世纪8 0 年代初，“循环式准好氧填埋”的概念 由日本福冈大学花岛正孝教授提出，并实践推广开来【1 0 1 。花岛正孝研究表明：准 好氧填埋过程中垃圾中有机污染物在3 年中约有9 0 转化为气相，变成c 0 2 、n 2 等气体排放掉：而在厌氧填埋过程中，垃圾中有机污染物有近9 0 进入渗滤液当 中l l2 。准好氧填埋技术是日本目前普遍采用的城市生活垃圾最终处置方式，大量 的实践证明准好氧填埋技术更适合于填埋垃圾无机物含量高，填埋规模为中、小 型的填埋场。由于卫生填埋场晚期渗滤液含氮量较高，o n a y 等【1 3 】提出将填埋场分 为缺氧带、厌氧带和好氧带运行的新方式，即将脱氮过程所需碳源及硝态氮自填 埋场底部好氧区送至填埋场项部的缺氧区，厌氧区所残留的c 和n 等元素则送到 好氧区，从而达到硝化和反硝化的目的，利用这种方式在实验室条件下可以去除 9 5 的氨氮，同时可有效去除渗滤液中硫化物。王琪等【1 4 j 在实验室条件下的研究 也表明，在准好氧填埋过程中氨氮浓度可降至1 0 m g l 以下，沼气的产生速率远高 于未进行渗滤液回灌的填埋层，同时填埋场渗滤液有机污染物去除效果大大增强 ( 渗滤液c o d 浓度可降低9 5 以上) 。 典型的准好氧填埋场，填埋体通常有好氧区域( a ) 、兼氧区域( b ) 和厌氧区 域( c ) 三个区域，但三区的界限因填埋差异而不确定，常随着时间变化而改变， 其降解机理见图1 1 。 重庆大学硕士学位论文 图1 1 准好氧填埋场中垃圾的降解机理【1 5 1 f i g 1 1d e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo f t h es e m i - a e r o b i cl a n d f i l l 始于7 0 年代以美国为先驱的渗滤液回灌技术，经过美、英、日、德等国家的 研究发展，逐渐形成回灌型准好氧填埋场，通过渗滤液的回灌作用，利用在准好 氧填埋场中残存的有机物促进硝化脱氮反应，氮素组分与有机组分容易一同被去 除，同时，好氧反应产生的c 0 2 溶解在回灌的渗滤液中，减少了c 0 2 的排出量。 缺氧厌氧区 在填埋场中部的b 、c 区，较为活跃的微生物为兼性菌和厌氧菌。b 、c 区的 4 重庆大学硕士学位论文 l引言 填埋垃圾在兼性厌氧菌的作用下，降解成有机酸以及乙醇，一部分溶解在渗滤液 中随渗滤液流走，留在填埋垃圾中的这部分则在专性厌氧菌的作用下被降解为c h 4 和c 0 2 等填埋气体【1 6 】。 垃圾厌氧降解过程通常可分为如下四个阶段： 1 ) 水解阶段：复杂的高分子有机物首先在水解发酵细菌产生的胞外酶作用下 分解成为溶解性的小分子有机物。如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖和葡萄糖， 蛋白质被蛋白质酶水解为短肽以及氨基酸等。 2 ) 酸化阶段：溶解性的小分子有机物进入发酵菌( 酸化菌) 细胞内，在胞内 酶的作用下分解成为挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸、醇类、二氧化 碳、氨、硫化氢等，同时合成细胞物质。 3 ) 产乙酸阶段：酸化阶段的产物丙酸、丁酸和乙醇，在此阶段经产氢产乙酸 作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 4 ) 产甲烷阶段：在此阶段，产甲烷菌通过下面两个途径之一，将乙酸、氢气 和二氧化碳等转化为甲烷。其中1 1 式表示在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷： 4 h 2 + c 0 2 _ c h 4 + 2 h 2 0( 1 1 ) 1 2 式表示利用乙酸生成甲烷： c h 3 c o o h - - c 时c 0 2 ( 1 2 ) 一般的厌氧发酵，大约7 0 的甲烷是由乙酸分解而得到，3 0 由氢气还原二氧 化碳而得到。 如果在b 区的有机物处理系统中氧气补充不充分，因好氧微生物的活动造成 厌氧环境，使得厌氧微生物生长繁殖，最终变成优势菌群，则对有机污染物开始 进行厌氧分解。在好氧的条件下，氧是微生物能量代谢过程的最终电子受体，但 在厌氧条件下，简单的有机物便成为电子受体。两者相比较，厌氧分解过程不仅 产生的能量少，而且细胞产量和污染物分解速率都很低，有机物只能进行不完全 降解，最终在产甲烷细菌租用下生成甲烷。 有机污染物厌氧分解产生甲烷的过程如图1 2 所示【l 。 重庆大学硕士学位论文 1 引言 ( 1 ) 发酵细菌( 2 ) 产氢产乙酸细菌( 3 ) 同型产乙酸菌( 4 ) 利用h 2 和c 0 2 的产甲烷菌 ( 5 ) 分解乙酸的产甲烷菌 图1 2 有机酸厌氧分解产生甲烷的过程 f i g 1 2 t h ec o u r s eo f y i e l d i n gm e t h a n ei na n e r o b i cc o n d i t i o n 好氧缺氧区 好氧反应发生在a 、b 区，主要存在于填埋场的底部和顶部。底部a 、b 区 的大小主要和填埋场底部通气能力、填埋场内部温度、垃圾体空隙率有关，项部a 、 b 区的大小和覆土性质及空隙等有关。a 、b 区微生物类型以好氧菌和兼性菌为主。 a 、b 区有机污染物经过兼性好氧菌的作用后，在专性好氧菌的作用下，直接降解 为二氧化碳和水。好氧菌的降解速率比兼性菌及厌氧菌的都要快，所以在填埋场 对垃圾体的自净作用中，a 、b 区的贡献更大。但并不是垃圾体中所有的物质都能 够被有效降解，一般认为一些物质与一些中间产物发生无机化学反应形成腐殖酸， 在填埋层中缓慢的降解，一些降解产物如腐殖酸、富里酸等随着渗滤液一起流出。 有机垃圾的好氧降解一般途径如图1 3 所示【l 7 1 。大分子有机污染物首先在微生 物所产生的各类胞外酶作用下分解为小分子有机物，如多糖类转化为单糖类、脂 肪类分解为甘油和脂肪酸等。这些小分子有机物随后被好氧微生物继续经过氧化 分解，通过不同途径进入三羧酸循环，最终被彻底分解成为二氧化碳、水、硝酸 6 重庆大学硕士学位论文 1 引言 盐以及硫酸盐等简单的无机物。这样有机污染就被消除了，简单无机物再进入物 质循环中。 图1 3 有机物好氧分解一般过程 f i g 1 3 t h eg e n e r a ld e g r a d a t i o nc o u r s ei na e r o b i cc o n d i t i o n 在微生物好氧降解过程中，有机污染物中可溶性有机物质可以透过微生物的 细胞壁和细胞膜直接被微生物吸收，而不溶的胶体以及复杂的大分子有机物，则 首先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解成为可溶性物质，然后 再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进行合成代谢( 生物合成过程) 和分 解代谢( 氧化还原过程) ，将一部分有机物转化合成为新的细胞物质，使微生物能够 生长繁殖，产生更多数量的微生物。 在有氧条件下，有机污染物作为好氧微生物的营养物质而被氧化分解，使有 机污染物的浓度下降。由于有机污染物在结构和性质上的不同，好氧微生物中优 势种群的组成和数量也相应地发生改变。例如，当纤维素进入反应系统，纤维素 分解菌就会大量的繁殖；而当蛋白质大量进入该系统时，氨化细菌则会占据优势。 垃圾中难降解有机物的降解过程则相对复杂，这主要因为难降解有机物结构 稳定或对微生物活动有抑制作用，能够适应的微生物种类较少。 好氧微生物处理系统中各种因素如氧浓度、温度、p h 等等，都会影响微生物 对有机污染物的分解速率。处理系统中碳、氮、磷等营养元素的比例也对污染物 的分解有较大影响，一般认为当碳、氮、磷的比例为1 0 0 ：5 ：1 时较为合适。 重庆大学硕士学位论文l 引言 回灌型准好氧填埋场中，在a 、b 区，b 、c 区，有机氮化合物如蛋白质、核 酸、尿素、尿酸、几丁质等，在微生物的分解作用下释放出氨；在有氧环境下， 如图1 1 中a 、b 区，氨氮被微生物氧化成为亚硝酸盐并进一步氧化成为硝酸盐， 这一过程是生物硝化过程，这一过程需要氨盐作为基质，因此，在当环境中含有 一定量的有机质并且通过氨化作用产生较多氨盐的场合，硝化作用才会比较旺盛： 在b 、c 区，硝酸盐作为微生物的最终电子受体，通过生物异化还原作用转化成为 气态氮，从水中逸出，或通过生物同化还原作用转化成为氨氮而进入生物合成作 用。 通过渗滤液的回灌，不仅为微生物提供了丰富的营养，而且可增大垃圾体的 孔隙率，有利于空气在垃圾体内的流通，从而有利于好氧微生物的生长、发育和 繁殖【l3 j ；微生物种类的明显增加，会出现一定数量的原生动物和大量的菌胶团， 这样的填埋场相当于一个生物滤池，对有机物有着很强的降解作用；而且，通过 回灌渗滤液，可以为脱氮过程提供所需要的碳源及硝态氮，厌氧区中残留的c 和 n 则相应的被送至好氧区，从而加强硝化和反硝化作用【l 引。 可见，准好氧填埋技术以其结构特点和处理工艺与传统的厌氧填埋方式不同， 与厌氧填埋相比在降低渗滤液污染强度、增加填埋场有效容积、加速填埋场稳定、 降低垃圾处理处置成本等方面均具有优势【1 9 】。此外，准好氧环境使得填埋气中甲 烷等可燃气体含量明显降低，减少了温室气体排放量及对周边环境的污染。目前， 关于准好氧填埋技术的研究主要集中在以下几个方面： 准好氧填埋场内气体分布与变化 董路等【2 m2 l 】通过中试规模填埋场实验研究表明，在准好氧填埋中，垃圾填埋 体下、中、上层c h 4 含量分别为3 3 1 、1 5 o 、3 1 ，其分布呈下层 中层 上层 的层次特性；垃圾填埋体下、中、上层0 2 含量分别为1 1 、4 2 、1 2 2 ，其分 布呈上层 中层 下层的规律性；试验期间c h 4 平均值为1 7 0 ，与s h i m a o k a 等 2 2 1 在准好氧填埋所测得的c h 4 为1 0 - - 2 0 相近。准好氧填埋结构中c h 4 含量呈明显 的层次效应，这与0 2 的空间层次特性有密切关系。 丁世存等【2 3 】在对准好氧填埋结构中氧气扩散数值模拟的试验研究中指出，在 准好氧填埋结构中，空气通过渗滤液收集主管道和竖直导气管道在垃圾体中进行 扩散，并在这些管道周围形成好氧区域，在空气扩散不到的地方为厌氧区域。通 过数学分析判断该装置内的好氧区域，并对浓度等值线进行拟合，得到0 2 在纵剖 面内呈双曲线分布，且含量呈项部 底部 中部的状态。 刘玉强、丁世存等【2 l 、2 3 】分别通过实验条件和中试条件下准好氧填埋装置氧浓 度分布数值模拟，结果表明，实验室条件下的水平好氧半径为9 4 2 e m ，约为填埋 气导排竖管直径的2 3 5 倍；而中试规模条件下研究表明，当采用直径为1 5 c m 填 重庆大学硕士学位论文 埋气导排竖管时，水平耗氧半径可达7 3 m ，是导排竖管直径的4 8 倍。较大规模的 垃圾填埋场，由于其填埋体内外空气的对流传输作用更为明显，可以显著增大氧 气的扩散范围。 m a s a t a k a l 2 4 对准好氧填埋层中的填埋气和热量变化之间的关系开展的研究表 明，在空气进入之处，由于耗氧反应在填埋体内形成了半椭圆的高温区，垂直方 向空气的渗透速率比横向要快1 0 倍。y o u i l 然) r l l 【2 5 l 通过对渗滤液收集管道内气体流 速进行研究，运用数学模型对空气在渗滤液管道内的流速实现了定量模拟。 韩丹、赵由才等1 2 6 2 7 】首次将风帽应用于准好氧填埋，对风帽应用于准好氧填 埋的作用原理进行了分析，结果表明，风帽可以加快准好氧环境的形成，将传统 的准好氧环境的形成期由常规的5 0d 以上提前到4 0d 左右。通过比较风帽先拆后 装二氧化碳和甲烷的浓度变化，表明风帽可以促进甲烷向二氧化碳的转化，减少 甲烷的排放。卸下风帽后二氧化碳的浓度由最初的1 6 6 7 降为1 5 8 8 ，甲烷从 6 1 4 增大到1 6 1 2 ；装上后二氧化碳的浓度增至1 9 1 8 ，甲烷降为1 0 0 5 。考 察了风速为2 0 、3 5 、5 0 、6 5 、8 0m s5 种条件下导气管出口处的甲烷排放情况， 表明风速可以加强风帽的作用，有利于甲烷的减排，当风速增至8m s 时，甲烷浓 度由最初的1 5 以上降为5 以下。 准好氧填埋场渗滤液污染控制 我国广泛使用的传统垃圾卫生填埋方式，虽具有技术可靠、工艺简单等优点， 但仍然存在很多不足，尤其是渗滤液处理难度大、投资和运行费用高，成为制约 垃圾填埋应用非常重要的一个因素。国外发达国家常使用的反渗透等技术因其费 用高昂在我国难以被广泛；国内多采用生化法等工艺，但事实证明其效果不尽如 人意。2 0 世纪7 0 年代应运而生的生物反应器填埋场，结合准好氧填埋场概念，通 过控制液体( 水、渗滤液) 注入、备选覆盖层设计、营养添加、p h 调节、温度调 节、供氧和微生物接种等多种手段，在促进填埋垃圾稳定化的同时，也极大促进 了垃圾渗滤液的降解。 渗滤液循环回喷处理是一种既经济又有效的减控垃圾渗滤液污染的方法，它 是将未经任何处理的渗滤液直接回灌、喷洒到填埋场，利用垃圾层和覆盖土壤层 的净化作用来处理填埋场渗滤液的方法【2 羽。大量试验表明 2 9 3 1 】，渗滤液回灌处理 是一种较为有效的处理方法。它即可提高垃圾的湿度，增强垃圾中微生物的活性， 提高产甲烷速率和加速有机物的分解，从而促进垃圾填埋场的稳定；又可依靠表 面蒸发和生物降解来降低渗滤液的污染浓度，减少渗滤液的产量，对水质、水量 起稳定调节作用，减少后续处理设施的冲击负荷。 p a c e y 3 2 】认为p h 调节是生物反应器填埋场最有效的管理手段之一。产酸阶段 的渗滤液回灌前先中和，避免场内有机酸积累而抑制甲烷菌生长繁衍f 3 3 】。还可在 9 重庆大学硕士学位论文 覆盖层或垃圾体中加入石灰消化污泥等碱性物质增强填埋场的p h 缓冲能力【3 4 1 。 w a r i t h 等p 副通过实验研究认为在回灌渗滤液中加入营养物质对有机垃圾的降解速 率有积极作用。 此外，有研究通过防渗层作用降低渗滤液水质。陈磊等【3 6 】通过膨润土、沸石 和赤泥三种材料的单层衬里土柱试验，对比研究了渗透前后衬里材料物相变化和 渗滤液的成分变化，探讨了三种天然矿物材料用作垃圾填埋场衬里的防渗及衰减 有害有机物的机理，为三种矿物材料构建复合矿物衬里提供重要借鉴。结果表明， 膨润土主要依靠吸水膨胀性及吸附性降低渗透系数和衰减有害物质；沸石复杂的 孔道结构决定了其良好的衰减有害物质能力：渗透后赤泥中方解石和文石含量增 加，强度增大，确保衬里结构完整，f e 3 + 被有机物还原有利于增强衰减能力。 综上所述，厌氧填埋有着渗滤液污染物组分多、污染强度高，处理费用高、 产生大量填埋气、影响周围环境、填埋场稳定化时间长，不利于土地再利用等缺 点，而好氧填埋也因为需要主动供风能耗高、管网密集结构复杂，施工及运行过 程要求较高、单位造价高等局限性导致其应用并不广泛。准好氧填埋技术以其结 构特点和处理工艺与传统的填埋方式不同，在降低渗滤液污染强度、增加填埋场 有效容积、加速填埋场稳定、降低垃圾处理处置成本等方面均具有优势，而且在 降低甲烷等可燃气体排放、减少恶臭气体产生等方面具有明显优势。 然而传统的准好氧填埋渗滤液降解过程仍然较慢，稳定化时间仍然较长。为进一 步快速降低渗滤液水质，减少c h 4 和恶臭气体排放，促进填埋场稳定化，需进一 步改善准好氧填埋场环境，如通过对渗滤液收集导排层的进一步改进设计，使其 成为良好的氧气扩散工具，对促进准好氧填埋有机质的降解、氮的转化和有机质 的快速稳定，降低渗滤液污染物浓度和减少有害气体产生起到增强效果。 在卫生填埋场中，渗滤液收集导排系统是保证填埋场正常运行的重要工程内 容。在以往的研究中，研究人员通常更加注重收集导排层对渗滤液的收集导排作 用，实际施工中大多只简单铺设3 0 0 m m 的级配碎石用作排水层。随着科学技术的 进步及理论研究的进一步发展，渗滤液收集导排层不仅仅只是简单的收集导排作 用，其也可以视为一个生物滤池中的填料层，渗滤液在其中长时间流动使得填料 上必然生成复杂的生物膜，其种类丰富的微生物系统必然对渗滤液处理起着重要 的作用【3 7 1 。 然而至今，有关渗滤液收集层结构对改善准好氧填埋通风供氧、降低渗滤液 水质、减少c h 4 和h 2 s 、n h 3 等恶臭气体排放、促进有机垃圾降解和填埋场稳定 化等方面的研究目前仍然很少，有关的机理还需深入研究。 1 0 重庆大学硕士学位论文 l 引言 1 2 研究目的及意义 现阶段，我国城市生活垃圾主要处理方式是卫生填埋。2 0 0 8 年，我国城市生 活垃圾无害化处理量为1 0 2 1 6 万吨，其中卫生填埋占8 3 8 。未来1 0 年内，国内 将新建1 0 0 0 座中小型生活垃圾卫生填埋场。 传统的厌氧填埋方式所产生的垃圾渗滤液c o d 浓度高达6 0 7 0 9 l ，氨氮浓度 也达到1 0 0 0 0m g l 以上，且高浓度渗滤液持续时间很长，甚至需要2 0 年时间才能 达到国家规定的排放浓度【3 3 】。准好氧填埋场因其较好的渗滤液减量化和较合适的 费用效益比等因素得到广阔的发展前景。 为进一步改善准好氧填埋场环境条件，促进有机物降解和加速填埋场稳定化， 为准好氧填埋技术的推广应用提供有利的技术支撑，本研究针对现有卫生填埋场 稳定化时间长、渗滤液浓度高且难于处理、恶臭污染严重、占地大等问题，旨在 开发一种新型好氧准好氧填埋工艺技术，通过改进渗滤液导流层结构，改善氧的 传输条件及在填埋场内分布，强化渗滤液导流层及填埋垃圾体的生物滤床功能， 促进有机物的降解、氮的转化和填埋场的快速稳定，降低渗滤液污染物浓度和减 少有害气体的产生。通过研究，为村镇生活垃圾污染控制及污染负荷削减提供经 济适用的技术模式。 1 3 研究内容 本研究是国家“十一五”科技部重大水专项子课题“小流域村镇生活垃圾及畜禽 养殖废弃物处理关键技术研究与示范”的部分研究内容，主要研究包括： 渗滤液收集层结构对准好氧填埋垃圾体氧浓度分布及填埋气产生的影响： 研究渗滤液收集和填埋气导排结构层对氧传输及氧在填埋场内分布的影响；研究 准好氧条件下c h 4 、h 2 s 和n h 3 等填埋气的产生机制、影响因素及控制技术； 渗滤液收集层结构对垃圾渗滤液水质变化的影响：研究准好氧填埋场有机 物及氮的转化机理及其影响因素，包括填埋区域不同氧环境条件下( 好氧、缺氧 和厌氧) 有机物降解及其影响因素，氮的转化及其影响因素；研究渗滤液在导流 层中降解效能： 建立基于改良渗滤液收集层结构下的有机物降解动力学模型。 1 4 研究方法及技术路线 通过实验室模拟，研究不同高度渗滤液收集导排层和填埋气导排结构层对氧 传输及氧在填埋场内分布的影响、填埋气产生及分布的影响、渗滤液水质变化的 影响；研究渗滤液在导流层中降解效能，对好氧准好氧填埋技术的工艺参数进行 优化，寻找有利于渗滤液降解的收集层结构。本研究的技术路线如图1 4 所示。 重鏖奎兰堡主学位论文1 引言 课题相关资料收集与调研 方案制定、装置运行 渗滤液收集层结构对 准好氧填埋垃圾体氧 浓度分布及填埋气产 生的影响 渗滤液收集层结构对 垃圾渗滤液水质变化 的影响 渗滤液收集层结构对 垃圾有机物降解效果 的影响 建立基于改良渗滤液收集层结构下的有机物 降解动力学模型并优化收集层结构参数 图1 4 研究技术路线图 f i g 1 4 t e c h n i c a lr o u t