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(环境工程专业论文)城市垃圾厌氧消化处理技术研究.pdf.pdf 免费下载
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硕士学位论文 摘要 随着人民生活水平的提高,城市垃圾的产生量日益增大,成为影响人类生存 环境和社会发展的重大问题之一,许多城市已经陷入垃圾的包围之中。城市垃 圾中含有大量可利用物质,城市垃圾的处理越来越注重资源化,在能源最大化 利用的同时力求尽量降低垃圾处理所带来的社会和环境负荷。 城市生活垃圾的厌氧消化处理是主要针对垃圾中的有机组分,经过生物厌氧 发酵作用将其转化为甲烷。本文针对我国城市垃圾的特性,分别就一阶段湿式 厌氧消化工艺、城市垃圾与污泥混合厌氧消化工艺和城市垃圾与污泥两相厌氧 消化工艺三种工艺进行研究。在一阶段湿式完全混合厌氧消化工艺中,消化温 度分别为中温消化( 3 5 ) 、高温消化( 5 5 ) ,固体含量( t s ) 为1 0 、2 0 和3 0 - - 种,c :n 比分别控制在l5 :1 和2 5 :1 ,研究发现中温消化和高温消化系 统消化液p h 值变化趋势相同,高温消化系统消化液v f a ( 挥发性脂肪酸) 浓度 低于中温消化v f a 浓度。垃圾粒径越小,消化系统p h 值越高,粒径5 r a m 效果 最好。在城市垃圾与污泥混合厌氧消化工艺中,当t s 增大到4 0 时,消化系统 p h 值维持在4 0 以下,出现酸化现象,进料中纤维素的厌氧降解率较小。在城 市垃圾与污泥两相厌氧消化工艺中,分别用u a s b ( 升流式厌氧污泥床) 和a f ( 厌氧生物滤池) 作为产甲烷相。实验发现,产酸相p h 值与一阶段湿式完全混 合工艺相近,u a s b 和a f 出水p h 值可以维持在6 0 以上。产酸相c o d c ,浓度 大于1 5 0 0 0 0 m g l ,产甲烷相u a s b 出水c o d c ,浓度为3 0 0 0 0 m g l 左右。a f 出水c o d c 。浓度较高,采用二次循环出水后c o d c 。浓度在6 0 0 0 0 m g l 左右。厌 氧消化产物进行简单的好氧堆肥,在1 0 d 内,堆料含水率、c :n 比和纤维索含量 呈明显下降。 关键词:城市垃圾:污泥;一阶段湿式厌氧消化;混合厌氟消化;两相厌氧消化 城市垃圾厌氧消化处理技术研究 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e s l i f e ,t h eq u a n t i t i e so fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) i n c r e a s i n g l yb u i l du p d i s p o s a lo fm s w h a db e c o m eac r u c i a l p r o b l e m w h i c ha f f e c t e dt h el i v i n ge n v i r o n m e n ta n dh i n d e r e dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y m a n y c i t i e sh a db e e ne n c i r c l e db yr e f u s e m s wc o n t a i n e dm a n yr e u s a b l em a t e r i a l s ,s o r e c e n t l yt h ea i mo fr e f u s et r e a t m e n th a dt u r nt or e s o u r c e u t i l i z a t i o ni no r d e rt o r e d u c es o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb u r d e n a n a e r o b i c d i g e s t i o np r o c e s s e sm a i n l y t r e a t o r g a n i cc o m p o n e n t s o fm s w o r g a n i cm a t e r i a l sw e r ec o n v e r t e dt oc h 4f i n a l l yi na n a e r o b i cp r o c e s sw h i c hw a s r e g a r d e da sag o o dc h o i c et ot h ep u r p o s eo fm s w sr e s o u r c eu t i l i z a t i o n a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i c so fd o m e s t i cr e f u s e ,t h i sp a p e rf o c u s e do no n es t a g ew e ta n a e r o b i c d i g e s t i o n ,c o d i g e s t i o no fm s w a n ds e w a g es l u d g e ;t w os t a g ea n a e r o b i cd i g e s t i o n o fm s wa n ds e w a g es l u d g e i nt h ee x p e r i m e n t s ,m s wc o n t a i n e dm a i n l yf o o ds o l i d w a s t e ,m a r k e tr e f u s e t h et e m p e r a t u r eo fa n a e r o b i cd i g e s t i o nw e r ed e t e r m i n e da t 3 5 a n d5 5 t s ( t o t a ls o l i dc o n c e n t r a t i o n ) w e r e1 0 2 0 a n d3 0 r e s p e c t i v e c nr a t i o sw e r e15 :1a n d2 5 :1 i no n es t a g ew e ta n a e r o b i cd i g e s t i o n ,t h ep h t e n d e n c y w e r en e a r l yt h es a m ei n3 5 a n d5 5 t h ec o n c e n t r a t i o no fv f a ( v o l a t i l ef a t t y a c i d ) w a sl o w e ri nm e s o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o nt h a ni nt h e r m o p h i l i ca n a e r o b i c d i g e s t i o n t h ep a r t i c l es i z eo fm s w w a sc o n t r o l l e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es m a l l e r p a r t i c l es i z el e a dt oh i g h e rp h v a l u ei nl i q u i dp h a s e t h eo p t i m a lp a r t i c l es i z ew a s 5 r a m i nc o d i g e s t i o no fm s wa n ds e w a g es l u d g ee x p e r i m e n t ,w h e nt si n c r e a s e dt o 4 0p e r c e n t ,t h ed i g e s t i o ns y s t e mt u r n e du pa c i d i f i c a t i o n t h ep hv a l u em a i n t a i n e d l o w e rt h a n4 0 c e l l u l o s es u b s t r a t e sd e g r a d a t i o nw a sl i t t l e i nt w os t a g ea n a e r o b i cd i g e s t i o no fm s wa n ds e w a g es l u d g ep r o c e s s ,u a s b ( u pf l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ) a n da f ( a n a e r o b i cf i l t e r ) w e r es e l e c t e dt ot r e a ta c i d e f f l u e n tf r o ma c i dp h a s e a c c o r d i n gt oo n es t a g ea n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e m ,i nt w o s t a g ep r o c e s sp h i nm e t h a n e p h a s em a i n t a i n e da ta b o v e6 0 c o d c r c o n c e n t r a t i o ni n a c i d p h a s e w a sh i g h e rt h a n15 0 0 0 0 m g l ,c o d e rc o n c e n t r a t i o ni nu a s bw a s i i 3 0 0 0 o m g l e f f l u e n tf r o ma f r e a c t o rc o n t a i nh i g hc o d e r ,s ot h e e f f l u e n tf l o w b a c kt oa fr e a c t o r ,r e s u l t ss h o w e dc o d c r c o n c e n t r a t i o ni nt h es e c o n de f f l u e n tw a s 6 0 0 0 0 m g la p p r o x i m a t e l y a f t e ra n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ,t h ef e e d s t o c k w e r et r e a t e d i na e r o b i cc o m p o s t i n gw i t h i n1 0d a y s ,r e s u l t ss h o w e d t h a th 2 0p e r c e n t ,c :nr a t i 0 a n dc e l l u l o s ep e r c e n td r o p p e dn o t a b i l i t y k e y w o r d s :m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ; s l u d g e ; o n e s t a g e w e ta n a e o b i c d i g e s t i o n ;c o d i g e s t i o m t w os t a g ea n a e r o b i cd i g e s t i o n 1 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特i i i i 以标注引用的内容外,本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名:街啐 日期:矾年f 月a d 日 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。本人授权湖南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。 本学位沦文属于 1 、保密口,在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期:抄悔f 月泪 日期:年月 日 硕十学位论文 第1 章绪论 根据固体废物污染环境防治法定义,城市生活垃圾为“在城市日常生活 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”。根据目前我国环卫部门的工作范围,城市生活 垃圾还包括部分小型企业产生的具体废物和少量危险废物( 如废打火机、废油漆、 废同光灯管等) 。 随着社会经济的发展,城市化进程的加快,城市人口的增加,人民生活水平 的提高城市生活垃圾的生产量也在不断的增加。自1 9 7 9 年以来,中国城市生活 垃圾平均以每年近1 0 的速度增长,少数城市的增长率高达1 5 一2 0 。1 9 9 8 年, 经国务院批准的6 6 8 座城市共产生生活垃圾1 2 xl o s t ,其处理量仅5 7 ,且大多 数为简易堆放。如此庞大的垃圾量废弃于环境中,既超过了环境自然消纳能力, 严重危害生态环境和人民的健康,又造成了资源的极大浪费。 从资源学的观点看,城市生活垃圾也是资源,而且是目前世界上唯一不断增 长的潜在资源。法国一位哲人说:“垃圾是摆错了位置的财富”。垃圾中确实蕴藏 着巨大的潜能。如果用j 4 l o s t 垃圾发电,可以节约2 3 1 0 7 t 煤炭。如果将1 4 1 0 8 t 牛活垃圾进行处理,可成为高速公路路基填料,比普通路基材料使用寿命延长2 倍。据有关测算,充分利用中国目前的城市垃圾,每年可以创造2 5 1 0 1 0 元的财 富。对中国这个人均资源占有量居世界1 0 0 多位之后的发展中国家来说,垃圾的 影响不仅仅是造成环境的污染、资源的浪费,更威胁着其经济和社会的发展。因 此,在城市生活垃圾的处理已成为世界性的十大要害问题的今天,能否币确的7 认 识垃圾处理问题,并确实的采取合理的方法处理和处置垃圾问题已成为世界可持 续发展战略的重要内容之一,受到世界各国的普遍关注,对垃圾处理进行科学的 探索,更是引起各国的广泛重视【1 。】。 1 1 城市垃圾的危害 1 1 ,1 侵占土地 城市生活垃圾( m s w ) 的恶性累积,已成为世界性的环境灾难。据不完全统计, 近年来中国城市固体废物堆放量已高达7 0 1 0 9 t ,侵占土地面积约6 o x l 0 8 m 2 。2 0 0 0 年,全国6 6 8 座城市年清运生活垃圾i ,5 1 0 8 t ,并且城市生活垃圾每年还将以 8 一l o 的增长率逐年递增。城市生活垃圾大量堆放,不仅侵占了大量的农田、滩 涂、河道和山沟,甚至有的地区城乡交界处的道路两侧和自然风景区也随处可见 大量生活垃圾。近年来,全国6 6 8 座城市中约有2 0 0 座城市处于垃圾污染重围之 中1 4 - 6 1 。 1 1 2 污染水体 城市生活垃圾中含有病原微生物,在堆放腐败过程中会产生大量的酸性和碱 性有机污染物,并会将垃圾中的重金属溶解出来,形成有机物、重金属和病原微 生物三位一体的污染源。任意堆放的垃圾或简易填埋的垃圾,其所含水份和淋入 垃圾中的降水产生的渗淋液流入其周围的地面水体和渗入土壤,会造成地面水体 和地下水体的污染1 7 9 。 1 1 3 污染大气 城市生活垃圾在适宜的温度和湿度下被微生物分解,能释放出有害气体,危 害周围大气环境,即使是垃圾填埋场也会产生大量的填埋气体( l f g ) 造成大气 污染。通常有机固体垃圾降解的产气量为o 0 1 3 - 0 0 4 7 m 3 k g 。l f g 的主要成分是 c h 4 和c 0 2 ,c h 4 的含量一般在5 0 一6 5 ,c 0 2 的含量一般在4 0 ,两者均为温 室气体。垃圾堆放场和垃圾填埋场产生的c h 4 约占人类c h 4 排放总量的1 0 一2 0 , c h 。的密度为o 7 2 ,在正常情况下会很快升空并造成臭氧层的耗损,其对臭氧层 的破坏是c 0 2 的2 0 倍i ”】。 1 1 4 污染土壤危害农业生态 堆放在城市近郊的垃圾,不仅侵占了大量农嗣,而且未经处理或未经严格处 理的垃圾直接用于农田,其后果严重一一污染土壤和危害农业生态。主要表现在: 一是对土壤理化性状产生不良影响。由于生活垃圾肥的颗粒大,且含有大量玻璃、 金属、碎砖瓦等杂质,破坏了土壤的团粒结构和理化性质,使土壤的保水保肥能 力下降。二是长期垃圾堆肥将导致农田中重金属含量积累。三是日益增多的有机 合成材料和塑料及其制品,大部分未经回收利用随垃圾进入农业环境,形成“白 色污染”。破碎的塑料薄膜残体埋入土中,阻碍了土壤水分输送和植物根系的生长, 不利于作物的生长发育【i h 4 。 1 1 5 影响环境卫生传播疾病 目前,随着城市人口的增加,城市生活垃圾的排放量亦在增加。据全国3 0 0 个城市的统计,城市垃圾的清运量仅占产生量的4 0 一5 0 ,无害化处理率平均只 有1 6 ,5 0 的垃圾都堆放在城市的一些死角。9 8 的垃圾和粪便未经无害处理 就直接进入环境,这样既严重影响环境卫生,又对人民健康构成潜在的威胁。 垃圾堆放场是大量蚊蝇、老鼠、病原体的滋生传播源。另外,有些地方将生 硕士学位论文 活垃圾筛分后直接施于农田,由于寄生虫卵等未经杀灭,会通过作物、蔬菜返回 人体传播疾病。对南京市直接施用未经处理生活垃圾的农田土壤分析表明,每克 土壤含2 3 8 x 1 0 5 个大肠杆菌,1 9 8 个划虫卵,其中活卵占8 0 ,而未施用垃圾肥 的土壤中蛔虫卵只有1 1 个。 1 1 6 引起爆炸事故 随着城市垃圾中有机物含量的提高和由露天分散堆放变为集中堆存,只采用 简巾覆盖易造成产生甲炕气体的厌氧环境,使垃圾产生的沼气量增加,危害同益 突出事故不断,造成重大损失。尽管垃圾填埋场构筑了放置垃圾污染环境的一 道坚固屏障,但也并非万无一失。中国国内关于垃圾填埋场发生火灾、爆炸、伤 亡等事故的报道常见报端。国外垃圾填埋场事故也不断发生。例如,1 9 9 4 年1 月 8 日,湖南省岳阳市羊角山垃圾填埋场发生了垃圾大爆炸。美国曾发生过由甲烷引 起的爆炸和火灾2 0 起。 1 1 7 产生社会问题影响城市发展 目前,城市垃圾问题伴随城市化进程日趋尖锐。已成为一个人民关心、旅游 观光者留心、新闻媒体关注、对政府部门压力较大的一个社会问题。不仅对城市 环境造成了巨大的压力,而且也限制了城市的发展。 首先,由于城市垃圾收运设施不能适应城市迅速发展的需要,监督管理环节 薄弱,乱扔乱倒垃圾现象还比较严重,实际清扫面积低于应清扫面积,河道、公 路、铁路两侧,城乡接合部的空当地带成了堆放垃圾的地方,严重影响环境卫生, 公众和新闻媒体反应强烈【”o 引。 其次,由于缺乏无害化处理处置设施,大量的城市垃圾只能运往郊区农村直 接堆放或进行简单填埋处理,对环境污染严重,引起周围居民的强烈不满。这种 “清洁了城市,污染了农村”的污染转嫁做法丌始遇阻,郊区农民拒收垃圾和反 对在当地建垃圾填埋场引发事件已屡见不鲜,有时候甚至演化为激烈的社会问题, 一些城市已经很难找到处置城市垃圾的地方,造成清运成本急剧上升,对政府压 力越来越大。 1 2 城市生活垃圾的特性 1 2 1 城市生活垃圾的产生量 城市生活垃圾的产生量是直接影响到从垃圾清运到其最终处理处置整个过程 决策的关键性参数之,其数值的变化主要与城市地理环境、城市规模、人口密 度、人口增长、城市工业发展、经济发展水平、居民生活水平、城市能源结构及 季节变化等诸多因素有关,但直接影响因素是城市人口和垃圾人均日产生囊。 中国城市垃圾人均日产生量的特点是: ( 1 ) 城市垃圾人均日产生量逐年上升的趋势比较明显,年增长率为8 一1 0 ; ( 2 ) 南北差异比较突出,中国南方地区城市垃圾的人均日产生量比北方要低;。 ( 3 ) 大城市的垃圾人均同产生量的变化与发达国家的发展趋势大致相同,即在 某一阶段以前呈上升势头,到了这一段段咀后逐渐稳定,并稍有下降的趋势出现。 近几年来,中国城市垃圾的产生总量在大幅度增加,其主要原因为: ( 1 ) 由于城市规模、数量和城市人口的增加所造成的。目前中国城市人均年产 生活垃圾4 4 0 k g ,超过2 0 世纪8 0 年代中期亚洲最发达国家日本的水平( 人均4 0 0 k g ) ; ( 2 ) 由于人口的密集,直辖市和省会等城市在垃圾产生量方面占有重要比例。 生活垃圾产生量的6 0 集中在全国5 0 万以上人口的5 2 座重点城市。其中以北京、 上海和沈阳所占比例最大,分别为4 1 2 、3 4 9 和2 18 。三个城市的垃圾产生 总量之和约占全国垃圾产生总量的1 0 ; ( 3 ) 中小城市垃圾产生量的比例呈增加趋势,特别是经济水平发展较快的中小 城市。 1 2 2 城市垃圾的组成成分 城市生活垃圾的组成成分是一个直接影响到垃圾处理方法选择和处理设施设 计规划的关键性参数之一,是一个受地理环境、能源结构、经济发展程度、居民 生活习惯、生产水平、气候特点和废品回收等许多因素影响而变化的因变量。 根据我国有关标准,城市垃圾的构成成分为有机物、无机物、可回收物和其 它垃圾四大类。有机物分为植物垃圾和动物垃圾两类,对居民生活垃圾而言,主 要是蔬菜、肉食和水产品等厨余废物。无机物包括灰土、砖瓦和陶瓷等回收利用 价值较低,而又不会对自然环境造成严重危害的废弃物。可回收物的分类主要考 虑回收后材料利用和资源再生过程中的工艺要求,将其分为纸类、塑料、纺织物、 木竹、玻璃、金属等类型,以便于废品的综合利用。 由于城市生活垃圾是一种非均质的混合物,不像单一物质那样具有自己特定的 内部结构和外部特征,故其就不存在特定的物理性质。它的物理性质常随其构成 物的性质和比例的改变而变化。在城市垃圾的管理和处理过程中,常涉及到的物 理特性有容重、空隙率和含水率三个物理量。 城市垃圾在自然状态下,单位体积的质量称为垃圾的容重。垃圾容重随着垃 圾的不同构成,压实程度和生化降解的不同过程,以及清运方式的不同而变化。 因此垃圾容重又分为自然容重、垃圾车装载容重和填埋容重。 硕士学位论文一 空隙率是垃圾中物料之问空隙的容积占垃圾堆积容积的比例它是垃圾通风 能力的表征参数,并与垃圾的容重相互关联。水分是垃圾处理过程中所关心的一 个重要参数,其值的高低直接影响着垃圾填埋、垃圾堆肥和垃圾焚烧过程的正常 进行,且在垃圾分选过程中垃圾中的水分也将影响到垃圾的筛分、空气分选及物 料的运输等。当垃圾中动植物含量高、无机物含量低时,垃圾含水率就高,反之 含水率低。即垃圾含水率与有机含量成正比。 城市生活垃圾是多种物质的混合物,其化学特性与垃圾的各构成组分的化学 性质有着密切的关系。一般根据垃圾处理技术的要求,而确定的表示城市生活垃 圾化学性质的特征参数有水分、扶分、元素组成、有机质、固定碳和发热值。 表1 1 中国部分城市垃圾的组成成分 ! ! ! ! ! ! :! ! 墨2 竺呈! 望! ! 翌兰翌! ! 虫! ! ! ! ! 翌兰! ! ! ! ! 翌! ! 翌! 坐! ! ! 有机物( )无机物( ) 城市 厨余废纸纤维木竹塑料橡胶玻璃陶瓷 金属煤灰泥砖其它 北京 3 9o o1 8 23 5 6 1 03 51 30 22 9 6i o 9 32o o 天津 5 0 1 15 5 3o 6 8o 7 44 8 1一一一一 上海7 0 o o8 o o2 8 0o 8 91 2 o o 重庆3 8 7 91 0 4o 9 7i 5 89 1 0 无锡4 i o o 2 9 04 9 83 0 59 8 3 宜昌2 9 5 41 。2 2o ,7 3 1 0 51 i 8 4 2 42 8 4 02 8 4 02 3 0 动态统计结果表明,中国城市垃圾在产量迅速增加的同时,垃圾的构成也发生了很 大的变化。尽管各地区的经济发展不平衡,使得垃圾的构成和特性有很大的不均匀性, 但无论南方、北方,大小城市,其城市垃圾的成分都呈现出一致的变化趋势,即无机成 分随着时间的推移明显减少,易腐物和可回收物品却普遍增加,可燃物的比例也在增大, 这将会对今后城市垃圾处理处置技术的发展产生较大的影响。其特点可概括为: ( 1 ) 大城市与中小城市的垃圾构成有明显的差别。大城市生活垃圾构成中有机物成分 占总量的3 0 一3 6 ,无机成分约占6 0 ,废品约占4 一6 ;中小城市生活中有机 物成分约占总量的2 0 ,无机物成分约占7 5 。 ( 2 ) 在地理环境影响方面,南方城市垃圾中有机物与可燃物比例高于北方城市。主要 原因有:气候差异导致北方城市生活能源中燃煤比例及使用期均高于或长与南方城市, 因而垃圾中灰渣增加,有机物比例相对减少;饮食结构差异导致南方城市居民的瓜果、 蔬菜的食用期大于或长于北方城市,因而其垃圾中有机物成分的比例相对较大;就整体 经济水平而言,南方城市高于北方城市,因此,其垃圾中的纸张、塑料橡胶等可燃物, 可回收物的比例相对较大。 有关分析表明,中小城市的垃圾构成与地理环境的关系较为密切,北方城市里中有 机成分约占1 6 2 4 ,南方城市中有机物成分明显高于北方城市为2 8 5 4 。但相对于大 城市而言,虽然其地理环境等基础条件有所不同,但由于城市居民的消费水平都比较高, 所以城市垃圾中的有机物的含量差距相对较小。因此,随着经济的发展,城市这一人工 环境的发展将愈加完善,城市居民生活受自然环境的影响也将越来越小,城市垃圾的构 成受自然环境的影响也将随之减弱。 ( 3 ) 无论南方还是北方,经济发达区域或城市的垃圾中可燃物的比例较大。如经济发 达的大城市垃圾中的厨余、纸张、塑料、橡胶的含量均较高。以厨余垃圾为例:上海7 0 , 广州6 3 ,深圳5 8 ,南京5 2 ,天津5 0 。而居民消费水平及能源气化率都较低的 中小城市,其生活垃圾中的有机物成分仅占垃圾总基的2 2 4 8 ,无机物成分约占6 5 , 可回收物占的比例较小。 ( 4 ) 燃料结构对垃圾的产生量和构成有明显的影响。随着城市集中供热和煤气化的普 及,民用燃料结构发生了重大变化,同时带来了城市垃圾组成的变化。主要表现在对垃 圾中无机物成分,即煤灰渣量的影响。对于燃煤区,其垃圾中煤灰渣比例可高达 7 0 一8 0 ;对于燃气区,煤灰渣比例理论上趋于零,但由于灰渣土的存在,其无机物成 分在3 0 左右。 有关资料表明,燃料结构在一定程度上影响有机物人均日产生量,这样也会影响垃 圾的构成。 ( 5 ) 季节的变化对易腐垃圾的比例有一定影响,由于蔬菜、水果季节性上市导致垃圾 中易腐垃圾的比例增加。 1 3 城市垃圾主要处理技术 城市生活垃圾处理的目的是控制、减少垃圾造成的危害,改变垃圾特有的肮 脏面貌,减少垃圾占地数量,控制垃圾对环境的污染,防治疾病的传播,开展综 合利用,最终实现无害化、减量化、资源化的目标。即消除垃圾的污染危害,又 为社会创造财富,在环境、社会、经济三方面的效益兼而得之。 城市生活垃圾处理方法按性质不同分为物理方法、化学方法及生物化学方法 三种。就处理的刘象而言,町分为混合垃圾处理、单一成分垃圾处理、垃圾与粪 便处理、垃圾与城市下水污泥混合处理等方法。卫生填埋法、好氧堆肥法和焚烧 法是目前世界上应用最为广泛的三种方法。 1 3 1 卫生填埋 现代卫生填埋工程是有控制地处理城市固体废物的一种方法。城市固体废物一般包 括生产垃圾、商业垃圾及生活垃圾。一个现代化城市的固体废物每天可高达数十吨以上, 经过分选以后,大部分均要集中堆放到某一场地。一个敞开的、没有严格控制措施的垃 圾堆,将是一个巨大的污染源其淋滤液会污染地下水或附近的水源;排出的气体会污 染空气,还会孽生蚊蝇,引来昆虫、鼠类和鸟;如果采用焚烧,则产生的烟和臭气会严 重污染空气,有时还有毒;丑陋的外形也大大影响城市美好的形象。所有这些在一个规 划、设计、运行和维护均科学合理的现代卫生填埋工程中都是不存在的。现代卫生填埋 工程简称卫生填埋场或填埋场,就是在铺设有良好防渗性能衬垫的场地上,将固体废物 铺成一定厚度的薄层,加以压实,并加土覆盖。其场地必须具有合适的水文、地质和环 境条件,并要进行专门的规划、设讨,严格施工和加强管理。为严格防止周围环境被污 染,必须设有一个淋滤液收集和处理系统,还要提供气体( 主要为c h 4 和c 0 2 ) 的排除 或回收通道,并对填埋过程中产生的水、气和附近的地下水进行监测,还需要能抵御百 年一遇阻上洪水的设计标准。 在填埋工程中,选择合适的场地往往是一个最重要的环节,决定性的关键是它对民 众健康的影响程度,尽管为此可能会使工程变得比较复杂或需要较高的费用。同时,选 择合适的场地不但可以降低工程造价,也可以使运行、监测、维护及回收淋滤液等长期 费用大大降低。选址以后第二个重要环节就是设计和施工。环境土工研究领域的一个重 要课题就是对卫生填埋场提出科学合理的设计原理和施工程序以保证填埋单元长期的 稳定性以及它的运行性能。特别重要的是要保证衬垫系统的强度、稳定性以及耐久性。 合适的设计方法应能保证填埋场和废物在整个施工、运行( 堆填废物) 和封闭阶段都是 稳定的。根据设计要求选择合适的施工材料和进行施工质量控制同样十分重要。在场地 调查时收集充分可靠的资料,采用已被证明了的科学设计方法可大大减少填埋场对周围 环境可能带来的危害。 中国自改革开放以来,随着经济发展和都市规模的扩大,城市固体废物的产出量逐 年增加,1 9 9 5 年统计全国工业圆体废物产出6 5 亿t ( 不含乡镇企业) ,历年累计堆存 量已达6 6 4 l 亿t ,占地5 5 0 8 5 公顷,并以每年8 一1 0 的速度递增。全国城市垃圾产出 量己达1 0 亿t d 以上,人均日产量超过1 k g 。面对数量这么庞大的固体废物,为了减少 城市垃圾厌氧消化处理技术研究 对环境的危害和利用有限的土地资源,必须大力发展现代化的卫生填埋场,使城市固体 废物达到无害化的最终处置 1 9 - 2 4 】。 目前,卫生填埋方法在各发达国家应用非常广泛,例如英国在1 9 7 8 年- 1 9 7 9 年占废 物处理量的8 9 ,前西德1 9 7 9 年占6 2 ,日本是以谋求废物能源化为目标的国家,但 填埋处理量在1 9 7 9 年仍占5 2 。在美国,每年填埋处理的废物占8 0 ,美国联邦环保 局和许多州都已详细制定了关于填埋场选址、设计、施工、运行、水气监测、环境美化、 封闭型监测以及3 0 年内维护的有关法规。现代填埋场无论在设计概念、原则、标准和 方法上的所采用的防渗、排水材料都与传统填埋场有本质区别。目前,工业发达国家在 设计填埋场时,大多采用多重屏障的概念,利用天然和人工屏障,尽量使所处置的废物 与生态环境相隔离。不但注意淋滤液的末端处理,更强调首端控制,力求减少淋滤液产 出量,提高废物的稳定性和填埋场的长期安全性,尽量降低填埋场操作和封闭后的费用。 中国自6 0 年代以后,特别是近几年来,固体废物填埋技术有了很大发展,固体废 物的处置方法从简单的倾倒、分散的堆放向集中处嚣、卫生填埋方向发展。部分城市建 成了卫生和安全的填埋场,如杭州天子岭垃圾填埋场,北京阿苏里、北神树、安定三个 垃圾填埋场,深圳下坪废物填埋场,上海的老港填埋场和江镇堆场,佛山市五峰山卫生 填埋场等,它们大多均设有防渗的压实粘土衬垫和淋滤液及气体收集系统,还有气、水 污染的检测设备。但总的看来,国内大部分已建的填埋场在设计理论和方法,高性能防 渗材料和排水材料的开发等方面与国外还有较大差距,设计人员对填埋场设计还缺乏足 够的知识和经验,所设计的填埋场不仅耗资大,而且其安全性也不理想。因此,我们还 需要认真学习国外发达国家的经验,通过实践加以总结,结合我国的实际情况,尽快制 定出我国自己的设计标准和法规【2 5 “。 1 3 2 好氧堆肥 将城市生活垃圾收集成堆、保温储存、发酵,在人工控制条件下,利用微生 物的生化作用,将垃圾中的有机物降解转化为稳定的腐殖质的生物化学过程称为 垃圾的堆肥处理一堆肥化。其产品( 堆肥) 可以成为施于农田、果园、苗圃的土 壤改良剂,改良贫瘠土地的土质,给作物提供生长所需的营养元素。 在堆肥化过程中起重要作用的微生物是细菌和真菌。这些微生物以废物中的 有机物为养料,通过生物化学作用,使之分解为简单的无机物,并释放出微生物 生长所需要的能量。其中一部分有机物转化为新的细胞物质,即微生物的繁殖, 另一部分则作为能量释放出来【3 0 0 “。 堆肥化过程中发生的生物化学反应极其复杂,目前还难以对所有细节进行精 确的描述。在实际的设计和操作过程中,通常根据温度的变化情况分为以下几个 阶段: f 1 ) 潜伏阶段:这一阶段是指堆肥化开始时微生物适应新环境的过程,即驯化 硕士学位论文 阶段。 ( 2 ) 中温增长阶段:这一阶段嗜温性微生物最为活跃,主要利用物料中的溶解 性有机物大量繁殖,并释放出热量,使温度不断上升。 ( 3 ) 高温阶段:当温度上升至4 5 以上是称为高温阶段。这时,嗜热性微生物 大量繁殖,嗜温性微生物则受到抑制或死亡。高温阶段对有机物韵分解最有效, 除了溶解性有机物继续得到分解外,固体有机物( 如:纤维素、半纤维素、木质 素等) 也丌始被强烈的分解。当温度达到5 0 。c 左右时,各类嗜热性细菌和真菌都 很活跃,6 0 时,真菌不再适应生存,只有细菌仍在活动,7 0 以上时,大多数 微生物均不适应,其代谢活动受到抑制并大量死亡。在该阶段的后期,由于可降 解有机物已大部分耗尽,微生物的内源呼吸起主要作用。 ( 4 ) 熟化阶段:在这一阶段温度逐渐降至中温,并最终过渡到环境温度。由于 有机物大部分为难降解物质,腐殖质大量形成。在温度下降的过程中,一些嗜温 性微生物重新开始活动,对残余有机物作进一步的分解,腐殖质更趋予稳定化。 生物分解过程中产生的氨在这一阶段通过硝化细菌转变成硝酸盐,其反应式可表 示为: 2 2 n h 4 + + 3 7 0 2 + 4 c 0 2 + h c 0 3 一寸2 1 n o3 一+ c s h7 n 0 2 + 2 0 h2 0 + 4 2 h + ( 1 ,1 ) 由于硝化细菌生长缓慢,且只有4 0 c 以下才活动,所以硝化反应通常是在有 机物分解完成后才丌始进行。氨在转化为硝酸盐以后才容易被植物吸收,因此熟 化阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的过程。 堆肥有机物+ o 。+ 微生物 合成 氧化 细胞物质( 微生物生长) + 腐殖物质 q ! h z q ) h h 业q 自:! s q 4 ”十能量 排入环境 释未b 量 转移为热 图1 1 堆肥的好氧发酵过程 f i g u r e l 1a e r o b i cc o m p o s t i n gp r o c e s s 1 3 2 1 好氧堆肥动力学原理 微生物的生长速率或营养基质的消耗速率对于包括堆肥化在内的所有生物处 理过程都是卜分重要的,有许多数学模型用来描述这一速率,其中,最著名的有 1 9 4 2 年m o n o d 提出的抛物线模型,公式1 2 : 9 一ds丽kmsxdt ( 1 2 ) k 。+ s 、7 式中: ds一基质的消耗速率【质量(体积时间】dt 、。 x 一微生物浓度( 质量体积) s 一基质浓度( 质量体积) k 。一最大比增长率,高浓度营养物中最大基质消耗速率( 细胞质量基质质 量时间) k 。一半值系数,也称为m i c h a e l i s m e n t e n 系数( 质量体积) ,即比增长速率达 到最大增长率一半时的基质浓度。 使用该模型时,假设基质进入细胞没有速度的限制。在高浓度的基质中,细 胞酶系统和基质处于饱和状态,物料的转化非常迅速,增加基质浓度不会再引起 基质消耗速率的增加,即s k 。,上式可以简化为公式1 3 : d s v d _ 坐t = - k 。 ( 1 3 )v l l 、, 这是关于基质浓度的零级反应方程式。反之,在低浓度基质中,基质的供给成 为控制步骤,假设s k 。,则m o n o d 模型可以简化为公式1 4 : d s d t x 这时关于基质浓度的一级反应方程式 式1 5 : k 8 (14)k s 、, 当s = k 。时,m o n o d 模型可以简化为公 d s d t k m x 2 ( 1 5 ) 因此,与值系数对应的微生物质量的基质消耗速率等于最大基质消耗速率一 半时的基质浓度。基质的消耗与微生物的增殖有关,其关系式可以用下式表示为 公式1 6 : ( 1 6 ) xk 一 】 、j ) 出一m 搁 卜 兰: m 移 y 体 = ( 奴m 赌率速殖增的物生微 中 一 式奴一m 硕+ :学位论文 y 。一增殖系数( 微生物质量基质质量) k 。一内源呼吸系数( 时间。1 ) 将m o n o d 模型带入上式,可以得出微生物的增殖方程1 7 詈“嚣 x 或半“等 ( 1 7 ) ( 1 8 ) 式中,史挚为微生物的有效增殖速率,用p 表示,y 。k 。为最大有效增殖 速率,用斗。表示。将肛和蚌。代入上式可得公式1 9 炉赫“e ( 1 9 ) 。 k + s ”7 这就是最常见的表示微生物增殖速率的m o n o d 抛物线模型。使用该式描述微 生物的动力学特征时,需要根据基质性质、微生物种类和生长条件等,确定四个 动力学常数,即y m 、k 。、k 。和k 。这四个常数均需要用实验方法求得。但在一 般情况下可以给出这些参数的数值范围: y 。:对于好氧微生物y 。= o 2 5 - 0 5 9 ( c e l l ) g ( c o d ) 对于厌氧微生物y 。= o 0 4 - 0 2g ( c e l l ) g ( c o d ) k m :在温度2 5 c 时,k 。= 1 - 2 m o l g ( c e l l ) - d a y = 8 1 6 9 c o d g ( c e l l ) 。d a y k 。:对于好氧微生物k 。= 4 2 0 m g ( c o d ) l 对于厌氧微生物k ;= 2 0 0 0 5 0 0 0 m g ( c o d ) l k :对于间歇式料仓约为0 0 2 - 0 1 5 9 ( c e l l ) 值( c e l l ) d a y 上述的m o n o d 动力学方程式是对均相体系开发的模型,其中一个重要假设是 基质向细胞的质量传递是没有速度限制的。但对于堆肥化这样的多相体系,则不 能忽视基质传递速度的限制。所以,为进一步提高模拟的准确性,将堆肥化过程 看作是在多相体系中进行。考虑固液界面上的液膜扩散,对其传质速度用分子扩 散的菲克定律来表示【珏3 ”。 1 3 2 2 堆肥化的影响因素 影响堆肥化效果的因素很多,认以这些影响因素的主要目的是创造更有利于 微生物生长和废物分解的条件。主要影响因素有: 1 粒度 堆肥化物料的颗粒度影响其体密度,内部摩擦力和流动性。最主要的是足够 小的粒度可以提高废物与微生物及空气的接触面积,加快生物化学反应速率。 2 碳氮比 碳氮比是影响微生物生长最重要的营养因素之一。在微生物的新陈代谢过程 中,对于碳和氮的需求量是不同的。微生物新陈代谢过程要求的最佳c n 比大约 在3 0 :卜3 5 :1 左右。在理论上,物料中的可生物降解有机物的碳氮比值也应控制在 这个范围。不过由于大部分不含氮的有机物比含氮的有机物难降解,所以实际所 应用的c n 比的范围大约是2 5 :1 - 5 0 :1 之间。 3 含水率 由于水是溶解性有机物和营养物质以及合成微生物细胞必不可少的物质,所 以堆肥化物料中必须维持一定的含水率。最佳的含水率范围应该是5 0 7 0 。若含 水率过高,水就会阻碍空气的流通,使营养物质和病原微生物随水流出;若含水 率过低,会使分解速率降低。当含水率低于1 2 ,微生物的繁殖就会停止。 4 温度 温度的控制主要有两个意义,一是使有机物得到有效的分解,二是使病原体 灭活,保证堆肥化产品符合卫生要求。研究表明,堆肥化温度低于5 5 c 时,微物 活性最高,有机物分解效率也最高。 5 p l - i 值 在堆肥化过程中,p h 值随时间和温度发生变化,其变化情况和温度的变化一 样,标志着分解过程的进展。最初阶段由于有机酸的产生,p h 值会降低到5 0 或 更低。随着有机酸逐步被分解,p h 值逐渐上升,最终可以达到8 0 左右。一般认 为p h 值在7 5 8 5 时。堆肥化效率最高。 1 3 3 焚烧处理 1 3 3 1 焚烧原理 垃圾焚烧处理是使垃圾中分捡出来的可燃成分在高温条件下与空气中的氧进 行燃烧反应,最终成为稳定的惰性残渣的过程。可燃性固体物质的燃烧是一个复 杂的过程,它通常由传热、传质、热分解、蒸发、气相化学反应和多相化学反应 等组成。一般认为,固体物质的燃烧可以有以下几种形式: 1 蒸发燃烧 指类似石蜡的固体物质,受热后先熔化为液体,进一步受热产生燃料蒸气, 再与空气混合燃烧。这种燃烧的速度受物料的蒸发速度和空气中的氧与燃料蒸气 之间的扩散速度控制。 2 分解燃烧 指木材、纸张等纤维素类物质,受热后分解为挥发性组分和固定碳,挥发性 硕士学位论文 irm lt i i i i iif 。:i i i i i i 组分中可燃气体进行扩散燃烧,而碳则进行表面燃烧。在分髂燃烧过程中,需要 一定的热量和温度,物料中的传热速度是影响这种燃烧速度的主要因素。 3 表面燃烧 指类似木炭、焦炭的固体物料,受热后不经熔化、蒸发、分解等过程。而直 接燃烧。这种方式的燃烧速度受燃料表面的扩散速度
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