（环境工程专业论文）准好氧填埋单元试验研究及渗滤液收集系统设计初探.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 准好氧填埋场不仅能加快填埋垃圾的稳定进程，还能减少渗滤液的污 染强度和温室气体产量，是一种极具发展潜力的城市垃圾处置方式。利用 野外单元试验和水力学理论分析方法对准好氧填埋垃圾降解及气热传导的基 本原理、垃圾渗滤液的水质变化特征和渗滤液收集系统的设计方法进行了探 讨，为今后准好氧填埋技术的深入研究和工程应用提供理论基础和技术支持。 野外试验结果表明：准好氧填埋单元在加速垃圾生物降解和促进稳定化 进程上明显优于传统填埋单元和渗滤液回灌型厌氧填埋单元；准好氧填埋单 元渗滤液污染指标相对于其他两个单元具有峰值低，下降速度决的特点：由 于有机垃圾好氧分解释放热量的聚集，准好氧填埋单元垃圾体的温度较环境 温度平均高出6 左右，且整体变化趋势在时间上呈现初期波动，继而陕速 上升，然后逐步回降三阶段的特点：在空间上则由渗滤液收集系统附近昀好 氧区域向兼氧区和厌氧区逐渐降低。 在考虑渗滤液在排水层中的渗流，渗滤液通过防渗衬越的渗漏以及渗滤 液在穿孔排水管中的管道流的基础上，建立了渗滤液水动力学模型，根据模 型分析结果对渗滤液收集系统相关参数进行了分析，提出了适宜于填埋场渗 滤液收集系统设计的计算方法。 本研究是对推动准好氧填埋技术在我国尽早应用的一次有益尝试。单元 填埋试验和理论分析结果对今后准好氧填埋场的设计和运行蕾理具有借鉴意 义，有助于改善填埋场渗滤液收集系统设计缺乏理论支持的状况。 关键词：准好氧填埋；渗滤液收集系统： 单元试验；理论分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s t r a c t s e m i - a e r o b i c1 a n d f i l lc a nn o to n l ya c c e l e r a t et h es t a b i l i z a t i o no fl a n d f i l l e d w a s t e ，b u ta l s or e d u c el e a c b a t ep o l l u t a n ti n t e n s i t ya n dg r e e n h o u s eg a s ，s oi tw i l l b eac o m p e t i t i v ew a yt o t r e a tm s wi nt h ef u t u r e t h r o u g ht h et e s tc e l lr e s e a r c h o ns e m i a e r o b i cl a n d f i l la n dl e a c h a t ec o l l e c t i o ns y s t e m l c s ) h y d r o l o g i c a l m e c h a n i c sa n a l y s i s ，t h i st h e s i sr e v e a l st h ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo fw a s t ei n s e m i a e r o b i cl a n d f i l l ，t h eh e a ta n dg a sf l o wp a t t e r na n dl e a c h a t eq u a l i t yc h a n g e c h a r a c t e r i s t i c ，d i s c u s s e so nl c sd e s i g nm e t h o d t h et h e s i sp r o v i d e st h e o r e t i c b a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ed e e pr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f s e m i a e r o b i cl a n d f i l l i tw a ss h o w nf r o mt h es e m i a e r o b i cl a n d f i l lt e s tc e l l e x p e r i m e n t ：t h e s e m i a e r o b i ct e s tc e l li sm o r ee f f e c t i v ei na c c e l e r a t i o no ft h eb i o d e g r a d a t i o no f m s wa n ds t a b i l i z a t i o n p r o c e s s ；t h el e a c h a t ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n o f s e m i a e r o b i cl a n d f i l lt e s tc e l lh a sl o w e ra p e xv a l u ea n dd e c r e a s e sf a s t e rt h a nt h e t r a d i t i o n a le e l la n dt h el e a c h a t er e c i r e u l a t i o na n a e r o b i cc e l l ；d u et oc o n c e n t r a t i o n o fh e a tr e l e a s e db yt h eo r g a n i cm s wa e r o b i cd e g r a d a t i o n ，t h et e m p e r a t u r eo f s e m i a e r o b i cl a n d f i l lt e s tc e l li s g e n e r a l l y 6 。c h i g h e r t h a ne n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ea n ds h o w sat r e n do ft h r e es t a g e so fe a r l ya d j u s t m e n t ，f a s ti n c r e a s e a n dd e c r e a s e ；t h et e m p e r a t u r ed r o p sf r o mt h ea e r o b i ca r e a ss u r r o u n d i n gl c st o a n a e r o b i ca r e a s t h r o u l g hc o m b i n i n gt h et h r e em o i s t u r em o v e m e n t so fl e a c h a t es e e p a g ei n d r a i n a g el a y e r , l e a c k a g et h r o u g hl i n e ra n dp i p ef l o wi np e r f o r a t e dd r a i n p i p e s ，a l e a c h a t e h y d r o l o g i c a lm e c h a n i c sm o d e li s e s t a b l i s h e d t h i st h e s i s a n a l y s e s r e l a t e dp a r a m e t e r so fl c sa c c o r d i n gt om o d e lr e s u l t sa n do f f e r sap r a c t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o df o rl a n d f i l ll c sd e s i g n t h i st h e s i si sa g o o da t t e m p tf o rp u s h i n gf o r w a r dt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fs e m i a e r o b i cl a n d f i l li no u rc o u n t r y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft e s tc e l l sa n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s s h e ds o m el i g h ti nt h ef u t u r ed e s i g n ，o p e r a t i o na n d a d m i n i s t r a t i o no fs e m i - a e r o b i cl a n d f i l l ，a n dc o n t r i b u t eal o tt ot h ei m p r o v e m e n t o ft h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rl a n d f i l ll c sd e s i g n 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 n s y s t e m ；t e s t c e l l ； t h e o r e t i c a la n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 1 1 1 卫生填埋技术发展沿革 我国城市生活垃圾处理起步于八十年代，在1 9 9 0 年前，全国城市垃圾处 理率还不到2 】i 。近十多年来，特别是进入九十年代以后，我国城市生活垃 圾处理水平不断提高，但是我国城市垃圾处理技术总体水平还较低，缺乏新 工艺、新技术的综合开发和工程化经验和能力。 纵观全球发达国家和我国城市生活垃圾处理技术现状，可以发现，目前 主要采取焚烧、卫生填埋、堆肥三种较为常见的处理方式。这三种处理方式 各有利弊。卫生填埋作为一种成本较低、技术相对简单、能迅速处理垃圾的 方式，比较适合我国国情，目前已成为我国垃圾处理的主要方法。建设部等 部门出台的城市生活垃圾处理及污染防治技术政策规定：在具备卫生填 埋场地资源和自然条件适宜的城市，以卫生填埋作为垃圾处理的基本方案。 随着我国经济水平的提高和城市生活垃圾的大量产生，国家已投入大量的资 金用于垃圾卫生填埋场建设。1 9 9 8 年，我国经国务院批准的6 6 8 座城市共产 生1 2 亿吨生活垃圾，当年我国用于建设垃圾填埋场的费用高达8 6 亿元人 民币；1 9 9 9 年，这个数字则突破了1 0 0 亿元【l l 。 所谓卫生填埋场，是指选择和采用合理的填埋结构，包括场地结构、废 气引气结构和渗滤液的引流、处理、监测系统结构等，以最大程度地减少和 消除对环境特别是地下水体污染的废弃物处理设施。 卫生填埋技术主要有两种观点：一种观点是“包容式”理论，即“最终 堆放质量理论”，另一种观点是“反应堆”理论【2 l 。“包容式”理论强调控制 垃圾自身含水- 量，其关键是垃圾的预处理过程，即垃圾的分类处理，将有机 物和无机物进行分类，无机物进行最终填埋。采取一切必要的措施使城市生 活垃圾符合“最终堆放质量标准，废物一经堆放就不会对环境产生危害”，放 强调对垃圾进行预处理，对场地选择、环境地质、水文地质条件进行限制。 美国自2 0 世纪6 0 年代开始出现了一种“干埋法”的技术，也就是说，严格 限制进入填埋场的水量，使垃圾中无机物占大多数，并着重填埋场顶部覆土 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 层的设计和研究，最大限度地减少外部水的进入，从而达到抑制填埋场生物 化学进程的目的。根据“包容式”理论，垃圾卫生填埋场要求实行单元填埋、 每日覆盖，封场时再用自然土和粘土甚至土工膜组成最终覆盖层。因此严格 按上述要求施工的填埋场封场后就成了一个垃圾的“干墓穴”，由于湿度减小， 微生物活动减弱甚至停止，封场后垃圾保持不变或变化很小。基于“包容式” 理论的传统填埋场的不足之处主要有： ( i ) 渗滤液水质水量波动大： ( 2 ) 渗滤液污染强度高，处理费用居高不下； ( 3 ) 封场后维护监管期长，风险大，费用高，不利于场地及时复用； ( 4 ) 产气期滞后且历时较长，产气量少，不利于回收利用； ( 5 ) 垃圾处理费用高p j 。 与“最终堆放质量理论”瀹恰相反，“反应堆”理论认为生活垃圾的处置 主要是利用物理化学和生物化学等方法，使垃圾在垃圾填埋场中发生各种反 应，通过这些反应使其尽快达到稳定，从而避免对环境的污染。这种理论认 为：人为控制能使垃圾尽早达到稳定。根据“反应堆”理论，对生活垃圾处 置的研究重点是对填埋场内部的微生物作用过程和地球化学作用过程的强 化，以加速有机物的降解，从而缩短填埋场的稳定时间。其难点是：如何加 快场地内有机废物的分解过程，以缩短“反应堆”的反应时间；如何确定和 采用何种方法和参数来研究固体废物场地的演变状态；反应堆内部设备和防 护层的寿命闯题等。“反应堆”理论是现代卫生填埋技术的基础理论，也是卫 生填埋场研究的主要课题f 4 5 1 。 卫生填埋场根据内部氧气的存在状态可以分为厌氧型、好氧型和准好氧 型。厌氧型生物反应器填埋场通过渗滤液回灌、p h 调节和微生物接种等操作 运行方式来加速填埋垃圾降解和稳定，在运行过程中，必须限制氧气的进入。 而好氧型生物反应器填埋场类似于有机垃圾好氧堆肥结构，与厌氧型生物反 应器填埋相比，好氧填埋多了强制通风系统：通过鼓风机向垃圾体鼓风并结 合渗滤液的回灌，好氧填埋初期垃圾中的有机物能够得到迅速去除，可以使 得垃圾稳定化的时间大大缩短；但是好氧填埋要向宽厚的垃圾堆体中强制通 风，所以工艺设备复杂，动力消耗大，运行管理费用高，而且鼓风带来的环 境污染问题同样没法解决。 日本固体废物处理专家于1 9 7 5 年在好氧填埋的基础上提出了准好氧填埋 ( 也称福冈法) 的概念，在日本福冈市建成全球第一个准好氧填埋场。它的主 要设计思想是不用动力供氧，而是利用渗滤液收集管道的不满流设计，空气 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 自然通入，在垃圾堆体发酵产生的温差推动下，使填埋层处于需氧j 状态，可 以使得在填埋场内部存在一定的好氧区域，特别是在渗滤液收集系统和气体 导排系统周围存在好氧区域，抑制沼气和硫化氢等气体的产生，利用好氧微 生物的增长，有益于垃圾有机物的生物降解，降低渗滤液的污染强度， 1 1 2 准好氧填埋场的优势与发展前景 结合世界填埋技术的发展趋势和我国国情，准好氧填埋技术是值得在我 国推广采用的新型填埋技术。其主要优点有： ( 1 ) 渗滤液水质提高并在最短的时间内趋于稳定，节省了渗滤液后续处理费 用； ( 2 ) c 也产量大大降低，减少了温室气体的排放和降低了填埋场爆炸燃烧事 故的风险； ( 3 ) 填埋场稳定时间大大缩短，减少了监管维护费用和土地复用对间； ( 4 ) 建设投资及运行费用省，避免了对大规模的垃圾体进行强制鼓风，节省 了能源消耗，是我国经济水平可以承受的填埋技术f 6 7 g 9 。 日本厚生省制定的“最终废弃物处置指南”已经把准好氧填埋场作为推 荐技术在全国范围内推广。马来西亚怡保市及伊朗德黑兰等多个亚洲城市也进 行了试点并取得了良好的效果。髫前，该项目正在我国山东省潍坊市、云南蒙 自县进行试点。根据我国国情以及自然、地理和经济特点，准好氧填埋场在 我国的垃圾处景中必将具有广阔的前景。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 准好氧填埋场研究现状 同本的填埋场技术研究开始于1 9 6 6 年，最先是由福冈大学的花岛i f 孝教 授发起的。2 0 世纪7 0 年代初，日本的生活垃圾焚烧等前处置措施较少，可 生物降解成分很高，厨余垃圾占了4 0 ，由于日本土地资源稀少，人口密度 大对垃圾的污染负荷控制以及快速稳定提出了更高的要求( 】。1 9 7 2 年，福 冈大学和福冈市政府合作进行了为期3 年的好氧填埋场现场试验，此次试验 得到了日本健康福利署的大力支持。现场试验的研究表明：在有氧的条件下， 由于微生物活动的增强，渗滤液中有机物的降解速率明显提高；垃圾的降解 及稳定化进程也大大加快。好氧填埋由于每日要消耗大量的能量用于输送空 气而很不经济，适用性也大打折扣。基于此项不足，花岛正孝教授又经过反 复研究，开发出了无能源消耗、经济、降解能力强的准好氧填埋场结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 y a s u s h im a t s u f u j i ，m a s a t a k ah a n a s h i m a 等( 1 9 9 3 ) 【6 i 建立了两个室内填 埋柱以模拟厌氧和准好氧填埋结构，基于物料平衡原理，对垃圾降解和产气 速度进行实时监测，对产气进行取样分析，得出了三点结论：可生物降解 有机质的降解过程可以分为两个阶段：o 1 0 年，易降解物质生物降解；1 1 年以后，较难降解物质的降解，且降解速度为好氧最快，准好氧其次，厌氧 最慢；好氧填埋柱在最初的l o 年间有7 2 4 的有机物转入气相，准好氧 和回灌渗滤液型准好氧分别为8 0 ，8 5 ，而厌氧仅有5 6 7 ；单位重量 的有机垃圾温室气体产量，准好氧是厌氧结构的5 6 。 a d a md r e a d ，m a r kh u d g i n s ，p a u lp h i l i p s ( 2 0 0 2 ) t “等学者在g e o r g e 州建 立了两个独立的好氧填埋场，对不同操作运行方式下渗滤液水质，气体组分 以及垃圾成份进行了分析研究，对强制鼓风好氧条件下垃圾育 几物降解进行 了定性分析，对好氧填埋场的建设和运行管理进行了经济比较。k c d a s ， m a t t c s m i t h ，d a v i d k g a t t i e ，d o r o t h y d h a l e b o o t h e ( 2 0 0 2 ) 引在填埋面积 为6 7 m 1 2 2 m 的好氧填埋单元上进行了模拟试验，填理f ；i 对垃圾的组分分 析表明垃圾有足够的营养物质以供生物降解，c n 和c p 分别是3 9 和1 8 7 ， 在主动鼓风结合渗滤液回灌的条件下运行了1 4 个月，填埋场内的垃圾再次挖 掘出来进行分析，发现c n 稳定在1 9 2 到3 1 3 之间，所有的重金属元素均 低于美国环境保护局( e 队) 的规范要求。 相比之下，我国的准好氧填埋技术实验研究还处于起步阶段。至今我国 公开发行的相关文章也大多是综述性质的，朱国营( 1 9 9 9 ) 的硕士论文城 市固体废物好氧填埋方式研究1 4 1 是我国第一篇有关好氧填埋技术的硕士论 文。作者在文中阐述了好氧填埋的基本特征和运行方式，建立了厌氧填埋模 拟柱和好氧填埋模拟柱进行对比研究，对两个柱垃圾渗滤液t o c ，t o n 进行 了实时监测，并且对好氧填埋的影响因素做了简要的分析。王琪1 1 3 , 1 5 1 等人的 实验室研究也初步表明：在准好氧状态下n h 3 - n 浓度可以降到1 0 m g l 以下； 沼气产生速率大大高于未回流的填埋层；同时填埋层渗滤液中有机物浓度大大 降低( c o d 去除率最高可以达到9 5 以上) 。周北海，王琪，松藤康司等| 1 3 “l 通过对我国部分生活垃圾填埋场的填埋气组分进行了现场测试和分析，结果 表明：在准好氧填埋结构中，l f g 的c h 。含量降低最快，认为准好氧填埋结 构能够控制c h 。污染，使得填埋场尽快进入安全期，因此提出新建填埋场适 宜采用准好氧填埋结构，老填埋场的改造可以朝准好氧填埋的方向发展。周 庐泉，何品晶等( 2 0 0 3 ) 0 6 1 分析了准好氧填埋结构中生物代谢环境和主要污 染物的代谢途径，探讨了在准好氧填埋结构中通过渗滤液回灌来控制渗滤液 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 污染的技术。 尽管国内对准好氧填埋场的研究已经取得了一定的进展，但是多数研究 成果仍然属于结果分析或现象描述。深入理论分析、实验研究以及定量研究 成果较少，尤其是为大家所公认的理论和成果不多。概括起来，准好氧填埋 场的研究仍存在以下几个方面的不足： 对于大多数的准好氧填埋场实验研究都只是在室内模拟垃圾柱中进行 的，实验的规模较小，对实际垃圾填埋场的指导意义有限。 准好氧填埋场的反应机理研究大部借鉴好氧填埋场的相关理论，专f 针对准好氧填埋场的工况分析、过程控制的理论研究甚少。 作为准好氧填埋场好氧环境形成过程的一个重要环节，渗滤液收集系 统为氧气的洪给提供了必要的物质条件，然而针对准好氧填埋场渗滤液收集 系统的工作情况却很少有人进行过深入的理论分析及实验研究， 综上所述，我国准好氧填埋场技术的研究目前仍然处于初级阶段，多萼 留在“面”上的宏观介绍，缺乏”点”上的深入研究，尤其是对关建工艺爰 术的深入研究。 1 _ 2 2 渗滤液收集系统研究现状 渗滤液收集系统( l e a c h a t ec o l l e c t i o ns y s t e m ) 是垃圾填埋场的重要组成部 分，是对渗滤液进行有效控制的关键要素。收集、输送填埋场内的渗滤液，并 通过污水管或积水池送至污水处理站进行处理，减少填埋场底层的贮水，防 止渗滤液穿透防渗系统污染地下水。国内外很多学者都对卫生填埋场的渗滤 液收集系统进行过十分有价值的研究。 e d w a r d ，r o n a l d 和f r a n k ( 1 9 8 2 ) 【”l 试图建立渗滤液收集系统管网间距 和衬垫水头之间的关系，通过水平向达西流公式并结合垂向的水分补给，给 出了表征相邻排水管之间渗滤液的浸润曲线方程。 b r u c e ，p a u l ( 1 9 8 8 ) 1 8 1 分析了稳定状态下的水平渗滤液收集管的排水性能， 基本的判据指标是排水层的最大饱和水头和防渗衬垫的渗滤液渗漏量，提出影 响渗滤液排水管道排水性能的六个因素：垃圾体浸出液的垂直下渗速度； 平行渗滤液排水管道的间距；排水层的饱和渗透系数：衬垫的渗透系数： 衬垫坡度：衬垫的厚度。在此基础上给出了描述低渗透性的倾斜衬垫上稳 定排水非线性方程的近似解。 韩国学者h o - - w o n y o u 、t a e - - s u n y a n g 等1 1 9 l 对准好氧填埋场内采用多点排 水系统的功效进行了研究。准好氧填埋场的核心是依靠自然动力在渗滤液收集 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 系统的管网附近形成好氧区域，t a n a k a ( 1 9 9 7 ) 建议渗滤液收集管的管径至少要 大于4 0 c m ，以保证有足够的空气导入垃圾体。h o - - w o ny o u 等认为韩国城市生 活垃圾组分和日本有很大的差异，由于焚烧率低导致可生物降解成分比日本填 埋垃圾高很多因此他认为有必要改进渗滤液收集系统以获得更大的好氧空间。 为了提高渗滤液集排效率和降低排水管水头，h o - - w o ny o u 对结合边坡排水设 施的多点综合排水系统进行了试验研究，通过对比模型试验和数值分析，得出 结论：在填埋场衬垫以上建立渗滤液收集管网结合边坡上铺设土工织物排水层 的多点综合排水系统可以更加有效地导出渗滤液和促进垃圾降解。 美国e p a 规定渗滤液收集系统必须保证复合衬垫上面集存的渗滤液水 头小于3 0 c m 以尽可能减轻对地下水的污染，并制定了相应的排水层设计标 准：渗透性强；保证渗透性的持久稳定，不易堵塞；可以在倾斜的基 底上保持稳定：对生化反应有一定的抵抗能力。 姜炜，梅曙明( 1 9 9 7 ) 1 2 0 提出：为防止垃圾填埋场渗滤液的聚集、泄漏造成 新的污染，填埋场设计应采用外部清污分流结合内部摊污系统的设计原则。所 谓清污分流，是把进入垃圾填埋场耒污染或轻微污染的地表水或地下水与垃圾 渗滤液分别导出场外，进行不同程度的处理，从而减少污水量，降低处理费用。 内部排水系统主要是控制地表径流和防止地下水侵入，通过底层水平收集系统 和垂直牧集系统导排场内渗滤液。 王学华，吴建明等( 1 9 9 7 ) 以苏州七子山垃圾填埋场为背景，采用理论分 析的方法对山谷型垃圾填埋场合理的渗滤液收集系统形式和定量计算方法进行 了探讨，把避免垃圾体出现滑坡作为主要设计条件，确定衬垫上最高允许水位， 并利用水力学基本原理对渗滤液收集管道的间距和有效面积进行了分析计算。 以上所有这些研究成果大都能合理解释在某些特定条件下渗滤液收集系 统中水分运移、渗漏的形式，它们在一定程度上对渗滤液收集系统的研究起 到了推动作用。但它们都是在不同假设的基础上得出了渗滤液在垃圾体多孔 介质以及排水层中渗流的大致运动模式，都是仅仅针对渗滤液在排水层中的 渗流或渗滤液穿透防渗衬垫的渗漏，并没有考虑排水管道的管道流：对于水 平向的渗流，垂直向的渗漏和管道水流的综合效应更鲜有涉及，因而难以见 到综合考虑以上因素的渗滤液收集系统设计的研究成果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 论文选题、研究内容、意义及思路 1 3 1 论文选题 结合世界填埋技术的发展趋势和我国国情，准好氧填埋技术是值得在我 国推广采用的新型填埋技术。由于准好氧填埋场相比传统填埋场以及回灌渗 滤液型厌氧填埋场具有很大的技术、经济优势，通过填埋单元试验可以较好 地把握准好氧填埋场的基本原理和渗滤液水质特征，从而有助于深入认识准 好氧填埋场的关键工艺技术参数和操作模式以指导工程实践。由于现阶段填 埋场渗滤液收集系统大都只是根据经验公式进行设计，缺乏理论支持，因而 对渗滤液收集系统设计方法的探讨既可为准好氧填埋技术的工程应用作好技 术储备，还可为完善填埋场的工艺设计提供理论支持。 为此，结合导师主持的铁道部“十五”科技研究开发项目“中小站段铁 路垃圾卫生填埋处置技术研究”( 2 0 0 2 2 0 0 3 ) ，以“准好氧填埋单元试验研宄 及渗滤液收集系统设计初探”为我的硕士论文选题，就准好氯填埋的关谴技 术进行研究，无疑是十分必要的。 1 3 2 研究内容 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 准好氧填埋技术特征研究。通过对卫生填埋技术发展历史的回顾，对 准好氧填埋技术产生的技术背景予以分析，并且对准好氧填埋场的构造、工 作原理和降解机理进行分析，掌握准好氧填埋技术的深入内涵与主要特征。 ( 2 ) 准好氧填埋单元试验研究。通过对比试验，比较传统填埋单元、回灌 渗滤液型厌氧填埋单元、准好氧填埋单元垃圾降解与稳定化进程的发展趋势， 分析影响准好氧填埋场垃圾生物降解的主要因素，对渗滤液收集系统在准好 氧填埋场中的功效进行试验验证。 ( 3 ) 渗滤液收集系统设计方法初探。对渗滤液收集系统的工作原理进行阐 述，并对渗滤液收集系统的渗流和管流进行水力学分析，在此基础上提出准 好氧填埋场渗滤液收集系统设计参数的科学确定方法，以改善渗滤液收集系 统设计缺乏理论指导和相关参数，仅仅依靠经验公式的不足。 1 3 3 研究意义 由于准好氧填埋场具有巨大优势，它一定会在我国未来的城市垃圾处理 处置中占据重要地位。通过本课题的研究，拟为填埋场的设计者和管理者提 供准好氧填埋技术的基础数据和科学依据，同时也为其他填埋场渗滤液收集 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 系统的优化设计提供参考与借鉴，进而促进我国固体废弃物填埋技术的深入 研究和快速发展。 1 3 4 研究思路 本论文的研究工作遵循资料收集一模拟实验一理论分析一摸拟设计的思 路，具体研究技术路线见图l 一1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ，j j j j j j j j j j j j j j j j j f j j j j j j j j j j j j j j j j ? 准盯氧填埋单元试验研究 。一。一一一一一一 一一一一一? 一一一一。一。i _ 渗滤液收集系统理论研究 i 为推广技术的应用提供理论支持 图卜l 本论文研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 第2 章准好氧填埋场的基本原理 2 1 准好氧填埋场概述 通过填埋场渗滤液收集管网末端和大气连通，利用渗滤液收集系统和竖 直井的自然通风，使得填埋地表层，集水管附近、立渠或排气设麓左右部分 成为好氧状态，而空气接近不了的填埋层中央部分等处则处于厌氖j | 犬态的好 氧厌氧领域混合共存的结构，被称为准好氧填埋场”二3 m 1 ， 至：池液埘市硅幢 一1 | j 然通风 _ 一一 l i ! 一些掣7 l _ 岛、_ 二i ：二= 竺：。： 一，：- ：! ： j f 弋二毒墨玉毒量一眺。 4 z r 乃需及_ 焉i l 一旦 l ： ：取水槽 j 黜。lg l ：f 啉箍 图2 1 准好氧填埋场典型结构剖面 填埋层的废弃物中含有有机物，因最初和空气接触，充分好氧分解，产 生二氧化碳气体，经排气设施或立渠放出。随着堆积的废弃物越来越厚，空 气被上层废弃物和覆盖土挡住而无法进入下层，下层生成的气体穿过废弃物 阃的空隙，由排气设施排出。这样一来，在填埋层中形成与放出的空气体积 相当的负压，空气便从开放的集水管口吸进来，向填埋层中扩敞，扩大好氧 范围。好氧区域的垃圾体利用好氧嗜温菡与嗜热菌对其中有机物进行生物化 学分解，使之变成稳定的有机质，并利用反应过程中产生的温度杀死有害微 生物。在厌氧状态区域，利用厌氧性微生物将垃圾分解，最终产物为二氧化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 碳和甲烷。废弃物中含有的镉、汞和铅等重金属就会与硫化氧反应生成不溶 于水的硫化物，存留在填埋层中。 2 2 准好氧填埋场机理研究 2 2 1 准好氧填埋场垃圾生物降解机理 填埋场是一个既有无机物也有有机物，既有无生命体又有生命体，且不 断进行着物理、化学、生物反应的微生物系统【2 ”。填埋垃圾中富含有多种微 生物群体生长和繁衍的营养物质，由于准好氧填埋场好氧、厌氧状态并存， 因而也兼有好氧与厌氧性微生物种群，垃圾有机物在进入填埋场以后，好氧 区域的有机物在好氧微生物的作用下氧化分解，最终产物为c 0 2 、h 二o 、硝酸 盐、硫酸盐等简单无机物，而厌氧区域的有机物在厌氧微生物的参与下最 终产物为c h 4 、c 0 2 和少量细胞物质。 ( 1 ) 好氧降解机理 在填埋场底层和渗滤液收集系统附近，通过导入的新鲜空气，有机垃圾 的高分子有机物经过水解后溶于水相，水分子再逐步扩散至表层。在生物氧 化受制约( 如溶氧量不够使微生物浓度较低) 时，一些小分子中间产物会扩 散至气相中。氧化时产生的热量，部分使体系温度增加，从而提高了生物 活性；另一部分造成水分的挥发，减少水分含量，同时在升高了的温度下， 促进了易挥发有机物质的挥发，使之进入气相1 2 6 1 。 在有氧的条件下，利用好氧菌的降解作用，好氧菌具有巨大的比表面积， 可溶性的有机物质透过微生物的营养物吸收而进入微生物细胞，固体的和胶 体的有机物先附着在微生物体外，由生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质， 再深入细胞。微生物通过自身的生命活动一氧化还原和生物合成过程，把一 部分被吸收的有机物氧化为简单的无机物，并放出微生物生长、活动所需的 能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使得微生物生长繁殖，产 生更多的生物体【1 ”。有机垃圾的好氧降解一般途径如图2 2 所示。 有机垃圾好氧分解的主要生化反应可表示如下： 碳水化合物： 厂11、1 c 日，q + ij + y 一zb x c 0 2 + 去妒2 0 + 热量( 2 - - 1 ) z z z 含氮化合物： c ；h 。q 帆a h 2 0 + b 0 2 - - 9 e h ，q + e n h 3 + f c 0 2 + 热量 ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 从以上方程式可以看出，好氧：陡态下，微生物降解有机物的无机产物是 c o ! 、h 2 0 、n h 3 等，不产生c h 4 等危害气体。 脂肪类 甘油+ 脂肪酸类 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 1 本质素i 。_ 。一 ! 芳香族单体： 1 丙酮酸l 上氧化脱羧 l 乙酰一c o a | 。1 4 。1 。一 0 三羧酸循环 c 0 2 + h 2 0 图2 2 有机物好氧生物降解的一般速径 ( 2 ) 厌氧降解机理： 有机垃城厌氧降解过程是一个多类群细菌的协同心射过程，育阢垃圾的 厌氧降解般途径如图2 3 所示。 图2 3 有机物厌氧生物降解的一般途径 茎荔 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 不同的微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统， 通过水解、酸化、产乙酸、产甲烷四个阶段把有机垃圾分解为甲烷和二氧化 碳 2 6 , 2 8 1 。 2 2 2 准好氧填埋场动力学分析 准好氧填埋结构的核心是渗滤液收集系统，利用渗滤液收集系统实现热 量的传递和气体的流动，从而实现区域好氧环境是准好氧填埋结构与厌氧填 埋结构的最大区别。 ( 1 ) 准好氧填埋结构气流模型 氧气的吸收主要依靠渗滤液收集系统的通气，把空气中的氧气溶解到垃 圾液体中然后供给微生物利用。关于垃圾气体在多孔介质中的迁移问题， r o b i n s o n ( 1 9 9 5 ) 【29 认为，挥发性有机污染物在填埋场的运动主要是通过对 流和扩散两种形式向各个方向弥散。气体的对流是由于压力梯度引起的；扩 散是由于浓度梯度引起的，而且使气体以均匀的浓度在垃圾中穿过，但因为 存在着阻力，并且整个填埋场气体产生的速度是变化的，就在运动过程中导 致了气体浓度的不均匀，致使气体从高浓度区向低浓度区运动，其移动速度 主要受浓度差的大小、填埋场和周围土层的压力变化、垃圾和土层的可渗透 性等因素的影响。f a r g u h a r 也通过实验得出气体通过多孔介质迁移时是随浓 度梯度而扩散，由于压力梯度而产生对流的结论l3 0 。 准好氧填埋场的渗滤液收集管端口进入的新鲜空气在浓度梯度和压力梯 度等作用下在垃圾体中产生横向和纵向迁移，最后存留在地下水界面之上的 固相垃圾和毛细管之间，从而形成一定的好氧区域f 3 ”。 为了有效地利用自然通风导入的新鲜空气在填埋垃圾体内建立好氧区 域，就必须对气体的运移状况进行估计，为此需建立可靠而实用的数学模型， 对空气的运移范围和扩散趋势进行预测预报，以便为准好氧填埋场的实际工 程提供可靠的理论根据。 气体流动模型的基本假设有： 垃圾体内混合气体的流动是半稳定状态，即由温差引起的空气流动， 不随时间变化。 空气流动满足达西定律，且多孔介质的气体渗透系数是常数。 混合气体的粘度为常数。 垃圾体好氧降解产生的气体可以忽略不计。 模型建立：基于以上的假设，单元垃圾体的气流方程为【3 2 i ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 ，。：一生望f 2 3 ) “西 j ：；一生f 挈+ 昭 ( 2 4 ) 结合连续方程可得 3 2 】： 导0 。) + 昙( ，：) = 0 ( 2 5 ) 式中： p 一一大气压强，p a ，= p v ，j z = , o v ： i ，。、，：一一气体表面通量，堙m 二s p 一一混合气体的密度，酝m 3 v ，、v 一一混合气体的渗透速度，m s 符。、足= 一一垃圾体的气体渗透系数，堙m 一一气体粘度，姆ms g = 9 8 0 7 m s ! 气体密度和温度、压强有关： 捌专 ( 2 - - 6 ) 式中： 风一一标准条件的气体密度，k g l m 3 正，= 2 7 3 1 5 k r = 1 0 1 3 1 0 5 只 ( 2 ) 准好氧填埋结构热传导模型 从垃圾好氧与厌氧降解的生化反应方程式可以看出，无论是好氧还是厌 氧，微生物降解大分子有机物均释放出一定的能量，使得垃圾温度升高，当 垃圾有机物含量较高时，温度甚至可以达到6 0 一7 0 。c 。生物反应速度一般随 温度的增高而增加。生物处理垃圾的最佳温度与垃圾的组分有关。一般来讲， 最佳反应温度在4 0 到7 0 之间。m a s a t a k ah a n a s h i l l l a ，k o r e y o s h iy a m a s a k i ， t a k e m ik u r o k i ，k a z u e io n i s h i ( 1 9 8 1 ) t 3 2 1 建立了填埋场单元垃圾堆体二维空间 好氧产热的数学模型。 模型假设： 该垃圾堆体处于半稳定状态，即温度分布不随时间改变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 宏观来看，熟传导系数是各向同性的。 热能的产量由氧气浓度决定。 由于气体对流带走的热量可以忽略不计。 在填埋单元边界，热传导系数是常数。 模型建立：基于以上的假设，在x o 的二维空间，单元垃圾体的热传寻 方程为： ( 等专h = 。( 2 - - 7 ) l 可+ p 旷。 式中： 0 一一温度， 一一热传导系数，j m 口4 c q 一一热量产生速度，j m3 s 其中热量产生速度q 可以有下式求得： q = q 。+ _ ( 1 一r r , ) ) 2 ，_ 2 s 一 式中： 一一渗滤液排水管中心的热量产生速度，j m 3 s a 一一热量产生速度常数，无量纲 ，、矗一一距渗滤液排水管中心的距离，m 2 3 准好氧填埋场影响因素分析 准好氰填埋场的垃圾降解过程影响因素很多，即包括环境温度，降啊量 等环境因素，也包括垃圾组分，通气性能等内部因素，两者的作用帽互交织， 相互影响。 2 3 1 环境因素 ( 1 ) 温度 由于好氧菌的生命活动是由一系列的生化反应组成的，温度上升会使得 微生物活动旺盛，能够提高反应速度。好氧菌可以划分为嗜冷菌( 2 0 。c ) 、 中温菌( 4 5 ) ，这些好氧菌生长受温度的影响极为 明显【33 1 。堆体的温度受到环境温度变化的影响，当环境温度发生变化或者环 境温度过低时，堆体的温度也会发生变化，尤其是当堆体体积较小时，环境温 度的改变对其影响就会更大，这可以从后续的单元实验分析中看出。 匿南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 北方填埋场的稳定化时间通常比南方要长，环境温度是重要的影响因素。 由于实际填埋场堆体规模远大于实验单元，垃圾自身产生的热量和地的保 温作用使得环境温度的影响没有实验中那样明显。 准好氧填埋场由于渗滤液收集系统的管网末端自然通风，环境温度对底 部垃圾好氧区的影响更加显著，因此在施工过程中和封场时适当加大覆盖层 厚度并作好渗滤液收集池的傈温工作，有助于降低环境温度的影响。 ( 2 ) 湿度 通过覆盖层渗透到堆体的雨水是垃圾渗滤液的主要来源，降雨量的多少 直接影响堆体的含水率。水分是保证微生物的生化反应能否以合适速率稳定 进行的关键，水分过高会引起堆体中空隙减少，氧气交换降低，微生物的活 性降低。同时水分又参与溶解有机物，参与微生物的新陈代谢，并且水分的 蒸发敖热对堆体的温度又具有调节作用。 2 3 2 内部因素 ( 1 ) 垃圾组分 填埋垃圾的组分是影响准好氧填埋场稳定化进程的重要因素，垃教中某 些组分含量不足或过多，都不利于垃圾的降解，在对垃圾有 几物含量或渗滤 液进行分析后，针对性地加入某些营养成分或采取措施消除过多组分含量的 不良影响可以使得准好氧填埋场垃圾降解得到不同程度地加快。 碳氮比的变化在好氧降解中具有特殊的意义。微生物在新陈代谢和合成 细胞物质的过程中需要大量的营养元素和微量元素，如碳、磷、钾、氮、钻、 锰、镁、铜和钙等。其中以碳、氮、磷、钾4 种元素最为重要，在堆肥比过 程中，碳在微生物的新陈代谢过程中由于氧化作用约有二，3 变成二氧化碳而 排出，约1 3 用于细胞质的合成，因此，碳是发酵过程的动力和热源，被称 为微生物( 细胞) 的能源，氮主要用于细胞原生质的合成怍用而留于系统内 【3 4 1 3 “。就微生物对营养的需求而言，c n 比是一个重要因素。 在好氧降解过程中，c n 比对微生物分解有机物的速度育重要影响，是 决定稳定化时间的主要因素之一。在城市生活垃圾中，因其含碳量远远超出 生物体合成所需的碳量，那么氮是控制生物合成的主要因素，也是反应速度 的控制因素。含氮多的有机物，其c n 比小，分解快，稳定化时间短，特别 是当c n 比在l o 左右时，有机物被微生物分解速度最快：反之含碳多的有 机物，c n 比大，影响降解速度，稳定化时间长，同时由于氮元素养料的的 不足而使微生物活性减弱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 p h 值也是微生物生长的重要影响因素之一，一般微生物生长最适宜的 p h 直是中性或弱碱性，p h 值太高或太低都会影响垃圾降解的效率。p h 值是 一个可以对微生物环境做出估价的参数，在整个垃圾降解过程中，p h 值随时 间和温度的变化丽变化【3 。因此，p h 值也是揭示垃圾分解进程的一个段好 的标志。适宜的p h 值可使微生物有效地发挥作用，使得降解过程顺利进行。 一般认为p h 值在7 5 8 5 时，可获得最大垃圾降解效率。一般情况下，不必 调整p h 值，因为垃圾降解过程有足够的缓冲作用，能使p h 值稳定在可以保 证好氧分解的酸碱水平，且微生物可以在较大的p h 值范围内繁殖。 ( 2 ) 通气性 好氧微生物分解有机物需要适量的氧气供给，氧气供应不足，好氧微生 物的呼吸会受到抑制，氧气供应必须达到一定的水平好氧微生物才能生长。 系统的空隙体积及其分布均匀与否对氧的输送至关重要，所以为提高系统空 隙体积分布的均匀程度，适当的机械预处理( 如合适的分捡、预粉碎、混合) 常常是必要的【3 ”。空隙体积分布的均匀程度又与含水率和压实度紧密相关。 微生物只能利用水中已溶解的基质，所以水与氧一样同样是必