（环境工程专业论文）城市生活垃圾卫生填埋场可生物降解组分降解量化分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文篁i 亟 摘要 城市生活垃圾卫生填埋，是垃圾最终处置且行之有效的方法之一，具有 处理工艺简单、维护费用低等优点。随着我国城市人口的增加，城市生活垃 圾的排放量亦在增加。土地资源日益减少，使垃圾填埋场的再利用问题倍受 关注，这势必涉及到填埋场的稳定化问题。填埋场稳定化的一个重要指标是 垃圾填埋体可生物降解组分含量。论文首先对填埋场中的垃圾成分进行了深 入系统地研究，建立了垃圾成分计量公式，量化分析了成都市城市生活垃圾 成分。其次，通过对填埋场垃圾体取样分析，研究了在垃圾降解过程中，垃 圾体固体残余物中的可生物降解物与填埋时间的定量关系。最后，根据可生 物降解垃圾组分在降解过程中的主要反应方程，建立了降解产物生成量的计 算式，并结合长安卫生填埋场的实际情况，分析了垃圾中可生物降解物的降解 规律，对降解产物的产生规律进行了预测。 研究表明，成都市生活垃圾主要以厨余垃圾为主，含有大量的碳氢化合 物、蛋白质和脂肪。由于当地生活习惯的特殊性，垃圾成分中脂肪含量较其 他地区略微偏高。 试验结果表明，垃圾降解过程中垃圾体固体残余物中可生物降解物含量 逐渐减少，填埋2 年后，垃圾体中可生物降解物含量呈负指数规律衰减。 分析结果得出，降解产物主要由c 0 2 和c m 组成，同时有少量n h 3 、h 2 s 生成。 论文的研究是对垃圾降解规律及生成物产量量化的一次有益尝试，试验 结果对今后卫生填埋场的运行管理和设计具有一定的借鉴意义。 关键词：生活垃圾；卫生填埋；可生物降解组分；量化分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 1 1 1 城市生活垃圾的危害 1 1 1 i 侵占土地 城市生活垃圾的恶性积累，已成为世界性的环境灾难，据不完全统计， 近年来我国填埋场土地侵占面积约6 0 1 0 8 m 2 【，城市生活垃圾的大量堆 放，不仅侵占了大量农田、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【2 1 。 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 含水分和淋入垃圾中的降水产生的渗滤液流入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【3 1 。 1 1 1 3 污染土壤危害农业生态 堆放在城市近郊的垃圾，不仅侵占了大量农田，而且未经处理或未经严格 处理的垃圾直接作用于农田，其后果严重一污染土壤和危害农业生态。 1 1 1 4 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，造成大气 污染【2 1 。通常有机固体垃圾降解的产气量为0 0 1 3 一o 0 4 7 m 3 k g ，填埋气体的 主要成分是甲烷和二氧化碳，甲烷的含量一般在5 0 一6 5 ，二氧化碳的含 量一般在4 0 。两者均为温室气体，甲烷在正常情况下会很快升空并与臭氧 发生反应对臭氧层消耗，其对臭氧层的破坏是二氧化碳的2 0 倍f 4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 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【5 】。9 8 的垃圾和 粪便未经处理就直接进入环境，这样既严重影响环境卫生，有对人民健康构 成潜在威胁。 垃圾堆场是大量蚊蝇、老鼠、病原体的滋生传播源。另外，有些地方将 生活垃圾筛分后直接施于农田，由于寄生虫卵等未经消灭，会通过作物、蔬 菜返回人体传播疾病。 1 1 1 6 引起爆炸事故 随着我国城市生活垃圾中有机物含量的提高和由露天堆放变为集中堆 存，只采用简单覆盖易造成产生甲烷气体的厌氧环境，使垃圾产生的沼气量 增加，危害日益突出，事故不断，造成重大损失。尽管垃圾填埋构筑了放置 垃圾污染环境的一道屏障，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，湖南岳阳羊角山垃圾填埋场发生了垃圾填埋气体爆 炸，美国曾发生由于甲烷引起的爆炸和火灾事故2 0 余起【6 】。 1 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的进程日益尖锐，以成为一个人民关心、 媒体关注、对政府压力较大的社会问题。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，乱到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，城乡结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【7 _ 9 】。 其次，由于缺乏无害化处理处置设施，大量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”的污染转嫁做法开始遇阻，郊区农民拒收垃 圾和反对在当地建垃圾填埋场引发事件屡见不鲜，有时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，造成清运成本的急剧 上升，对政府压力越来越大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 2 我国城市生活垃圾概况 1 1 2 1 城市生活垃圾的增长 城市生活垃圾( m s w m u n i c i p a ls o l i dw 髂t e ) 是指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 定为城市生活垃圾的固体废物( 不包括工厂排出的工业固体废弃物) 【10 1 。城 市生活垃圾的产生量主要与地理条件、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、数量和人口的增长 是影响城市生活垃圾组成的主要因素。 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，城市生活垃圾产生量不断增加。据报道，2 0 0 0 年我国3 0 个省、直辖 市( 西藏和台、港、奥地区未统计) 的城市生活垃圾清运量达1 1 8 亿吨【1 1 】， 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，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 重威胁城郊居民的生活环境和健康【1 1 】。 董锁成【1 2 j 根据目前我国城市化的趋势预测，到2 0 1 0 年、2 0 3 0 年、2 0 5 0 年、我国城市人口将分别达到6 1 0 8 、9 3 1 0 8 、1 1 9 1 0 8 人，若按照目前 我国城镇若能口年产4 4 0 k 毫生活垃圾的水平推算，将分别产生生活垃圾2 6 4 1 0 8 、4 0 9 1 0 8 、5 2 8 1 0 8 t 。由此可见2 1 世纪前5 0 年，随着我国城市人 口增长和城市化双高峰的到来，城市生活垃圾增长的高峰也会滚滚而来。这 无疑是我国城市可持续发展的严峻挑战。 1 1 2 2 城市生活垃圾的处理现状 世界上垃圾的处理方法很多主要有堆肥法、填埋法、焚烧法、回收和综合 利用等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，而 且可以回收填埋气等特点，是目前国外发达国家的主要垃圾处理方式。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 景主要是以寻找合适地点加以“消纳”为目的。近年来，虽然我国城市生活 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。据报道，2 0 0 1 年度我国3 0 个省、自治区、直辖市的城市生活垃 圾清运量达1 1 8 亿吨，垃圾处理量为0 4 9 亿吨，处理率为4 1 5 ，其中垃 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 圾填埋处理规模为1 2 1 4 8 8 吨天，占8 9 8 ；堆肥处理规模为6 1 8 7 吨天，占 4 6 ；各类垃圾焚烧处理规模为7 6 5 0 吨厌，占5 6 【1 2 】。 填埋处理技术是我国城市生活垃圾的主要处理方式，但我国现行的垃圾填 埋存在诸多问题【1 3 1 6 】： ( 1 ) 填埋场设计建造标准低，缺乏污染控制措施。不少城市生活垃圾填埋场 仅利用自然凹坑和自然塌陷区来处理生活垃圾，无渗滤液防渗衬垫层、渗滤 液收集系统、地下水监视井及填埋气导排系统等设施，使集中填埋垃圾成为 即时和潜在的长期污染源。 ( 2 ) 渗滤液污染严重。大多数填埋场未对渗滤液进行处理或简单经过一个氧 化塘或沉淀池简易处理就外排，二次污染严重。目前，8 0 以上的填埋场的 渗滤液超标( 主要是化学需氧量、氨氮和大肠杆菌值等) ，如重庆渝北区龙头 寺垃圾填埋场因渗滤液处理设施效果不好，渗滤液未经处理就由溉澜溪排入 长江；填埋场渗滤液对地下水也有影响，约4 0 的填埋场因渗滤液污染导致 当地地下水氨氮超标【1 7 】。 ( 3 ) 填埋场的综合利用率低。8 0 的填埋场对产生的填埋气体无任何收集或 处理设施，直接外排，这不但对所处功能区的空气环境质量产生不良影响， 对填埋场本身的运行安全也构成了威胁，更是一种资源浪费。 因此，对城市生活垃圾填埋处理产生填埋气体、渗滤液的控制和处理是 一迫切而棘手的问题。对城市生活垃圾填埋处理产生的填埋气体、渗滤液的 控制和处理需要进行垃圾填埋提渗滤液产生机理研究。对垃圾填埋场有机垃 圾降解的研究是垃圾填埋气体、渗滤液产生运移规律研究中必不可少的因素。 对于这一领域的研究由于受科技发展水平限制我国开展降解机理的研究比较 晚还比较薄弱，尚不成熟。因而研究不同阶段垃圾降解的主要垃圾降解机理， 并对可生化降解有机垃圾降解量做定量化分析，对控制垃圾渗滤液及填埋气 体产生量的研究有很大帮助。与此同时垃圾降解规律的研究，对今后卫生填 埋场的运行管理和设计具有一定的借鉴意义。 1 1 3 国内外研究现状 在垃圾降解特性研究方面，由于填埋垃圾中富含多种微生物群体生长和 繁衍的营养物质，在填埋场中垃圾的降解和稳定化过程主要是在厌氧条件下 微生物的代谢降解过程。在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响湘互 西南交通大学硕士研究生学位论文舅6 亟 方法还不成熟。目前国内外文献主要是分析固体垃圾的有机质( 即挥发分( v s 淤、总糖；墨m 囊。嵯缫翻砒i 谚m 蹬臼霎褂专荔| 搿剥1 8 i 闻 稿，鸟埽；i ii 目桫g 肿 番裴；气= l ；蠹羹& 。基塑曼霪型幽霪；i 明鞭髑妻番办鲫蔡蠹萎薹器。茎塑冀黼美 酣鋈囊蛰蒂蔷灞蕉盯霉i j 超篓翼霎鬣尉震鎏趱懈鳖燮囊。馏堰宦涮躺型雕账 有 机垃圾成分中的各元素均来自碳氢化合物、蛋白质和脂肪成分。根据w h i t e ( 2 0 0 1 ) 1 3 0 】等人的研究，认为填埋体中各可生物降解组分的平均分子式分别 为：碳氢化合物( ( c h 2 0 6 和( c h2 0 1 2 ) ，蛋白质c 4 6 h 7 7 0 1 7 n 1 2 s ，脂肪 ( c 5 5 h 1 0 4 0 6 ) 。在此情况下其各成分中各化学元素所占的质量比值为： 1 碳氢化合物( ( c h 2 0 6 和( ch 2 0 1 2 ) ： c ：h ：0 2 6 ：1 ：8 2 蛋白质(c 4 6 h 7 7 0 1 7 n 1 2 s ) ： c ：h ：o ：n ：s = 5 5 2 ：7 7 ：2 7 2 ：1 6 8 ：3 2 3 脂肪( c 55 h 1 0 4 0 6 ) ： c ：h ：o =1 6 5 ：2 6 ：2 4 由于可生物降解组分中，只有蛋白质含有s 元素和n 元素。因此可以根 据s 和n 元素的含量，确定各组分中蛋白质的含量a 令如自厦为可生物降解 有机垃圾组分n 所含蛋白质中，各元素j ( c 、n 、s ) 所占可生物降解垃圾质 量分数，则： 肛名觚= 笔笋；肛各旷警；卢生矿鼍芋 或 墙鲰2 警：硌e 厦。鲁：舔自鹰= 等芋。2 2 ， 式中：肛：为可生化降解组分n 中，s 元素含量； ，为可生化降解组分n 中，n 元素含量： 令f 置自质为可生化降解组分阼中，蛋白质所占此可生化降解组分质量分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1页自质- 簧产( 2 3 ) h 比值，可以采用十字交 叉法计算出氢化音韵和e 脂肪的比值： 挚：昙、 ，：。峭 衄磊氢化音费8 舡，詈一嚣 坐 x 耍童窑堂盔堂塑主塑塞皇宝堡笙塞兰! ! 噩 墨些些垒塑 船舶2 卜履) 盏 q 咱 1 曼曼兰翌旦! l 一 只脂肪 化简得： 庸肪= ( 1 _ 蛋白质) 1 产! 一= 1 c 碳氢化音翱一只蕾白质 ( 2 7 ) 1 + 主塑些宣塑 c 脂肪 以上各式中； f k 氢化台物为可生化降解组分n 中碳氢化合物含量 e 蛋自质为可生化降解组分n 中蛋白质含量； 只肭为可生化降解组分n 中脂肪含量； 令f 为可生物降解有机垃圾中各组分n 所占可生物降解有机垃圾的质量 百分含量，氏腑、f 硪氢化合驰、，置自质分别为脂肪、碳氢化合物、蛋白质所占可 生物降解有机垃圾的质量百分含量，贝u ： 2 ( 一只黼) ( 2 8 ) ，缸化台物。( 一以硪氢化合物) ( 2 9 ) f 蚤自质2 蛋自质2 卜，蛋自质一，穰氧化合物 ( 2 一l o ) 2 2 成都市生活垃圾可生物降解组分量化分析 2 2 1 成都市城市生活垃圾成分 成都市下辖9 区4 市6 县，面积1 2 ，3 4 6 k m 2 ，人口1 ，0 2 8 余万人( 2 0 0 2 年) ，下辖各市县是我国重要农业生产区，饮食文化发达，餐饮业兴隆【3 。 与国内外大中城市一样，成都市生活垃圾产生量随着城市扩大、人口增长以 及居民生活水平提高而逐年增加。仅以成都市市区为例：1 9 9 4 年日产生活垃 圾1 8 0 0 t ，人均日产垃圾1 2 2 k g ，平均年产垃圾6 4 8 万t ，随后逐年增长，到 要蜜窑鎏杰兰塑主堡塞生堂焦迨塞 蔓! i 噩 1 9 9 7 年日产垃圾2 1 4 0 t ，人均日产垃圾1 ，1 3 k g ，年产垃圾已达7 7 3 8 万t ，从 1 9 9 4 年到1 9 9 7 年，虽然随着人民生活消费水平的提高，生活垃圾的人均日 产量已逐年略呈下降趋势，但是，由于城市人口的自然增长和机械增长等因 素的重叠。致使年产垃圾增加了1 2 5 6 万t p ”。 根据成都市环境卫生科学研究所2 0 0 4 年所作“二0 0 四年成都市城区生 活垃圾成分及物理性质报告”，列出了成都市城区居民生活垃圾成分( 注：由 报告中对城市生活垃圾的采样以及分析方法可知所分析垃圾为鲜垃圾) ，如表 2 1 所示； 表2 1 成都市城区居民生活垃圾成分数据表 监铡项目及监测结果( 质量分数) 月份 动物植物灰土瓦砾纸类纺织金属塑料玻璃 木竹混合其他 物 物 0 8 96 3 柏7 1 30 6 41 1 7 11 0 80 7 67 4 52 ，8 01 4 02 5 50 1 9 1 7 4 。5 6 2 01 6 6 01 9 77 1 01 加o 2 21 0 81 1 40 9 l2 1 70 0 9 2 8 04 4 3 01 6 9 0 1 1 5 1 3 6 02 4 60 1 61 0 6 60 8 20 9 86 0 30 1 6 1 1 82 5 9 01 1 8 0 2 7 8 1 4 4 02 0 51 0 31o 3 1 9 71 2 6 2 3 8 2 4 8 3 0 4 02 1 1 70 2 31 2 6 10 2 3 0 2 3 1 2 3 91 4 6 4o 6 8 4 5 0 0 4 5 1 2 54 2 9 02 2 0 2 0 5 9 1 6 0 30 9 40 3 5 1 0 90 6 10 5 9 3 3 7 0 2 4 l 2 36 0 0 4 1 2 30 2 s 1 5 9 30 2 5 0 2 s1 2 2 51 1 00 6 16 ，1 2 0 7 4 1 4 0 4 6 8 09 s 01 8 8l s 0 03 4 2o 2 01 8 8o 9 00 3 31 4 2o 2 0 1 2 4 4 8 9 31 6 1 00 8 98 7 01 5 2o 1 11 6 5 31 4 60 1 8 33 2 60 4 3 1 02 4 2 5 5 1 35 1 00 5 61 4 8 02 6 8o 2 61 4 0 41 巧o 2 63 0 6o 5 4 1 11 0 35 6 48 5 4o 7 81 0 6 12 6 0o 2 61 2 9 41 5 5o 9 03 b 8o t 5 l 1 24 j 45 1 1 79 8 91 2 11 3 1 81 5 4o 0 91 2 5 81 3 0o 7 03 4 7o 3 3 年均1 8 54 8 4 61 2 1 93 1 61 2 8 01 6 30 3 31 2 4 72 4 50 7 93 5 2o 3 5 垃圾体中含有大量吸附水、膜状水、毛细管水。这些水分会因扩散、蒸 发而改变，称为自然含水量。垃圾中所含水分质量与垃圾总质量之比的百分 数定义为垃圾含水率【32 1 。垃圾的含水率随成分、季节、气候等条件的变化而 变化。根据成都市环境卫生科学研究所2 0 0 4 年所作“二0 0 四年成都市城区 生活垃圾成分及物理性质报告”各月份垃圾成分的含水率如表2 2 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 2 可生物降解各组分量化分析 根据成都市垃圾成分( 表2 一1 ) ，可将其划分为动物类物质( 肉类废物) 、 植物类物质( 蔬菜、花园修剪垃圾) 、纸类物质( 混合废纸) 和木竹类物质。 如表2 3 所示。 表2 3 成都市城区生活垃圾中各组分含量 除去垃圾体所含的自然含水量外，垃圾各组分本身含有部分结合水分， 对垃圾降解量化计算中垃圾组分自身所含结合水应不计算在可生物降解质量 内。不同垃圾组分结合水含水率差别很大【3 2 】，如表2 4 所示不同组分的结 合水含水率： 表2 - 4 城市生活垃圾组分的结合水含水率的典型数据 组分 肉类废物( 动 花园修剪垃圾混合废纸( 纸混合木材( 木 物)( 植物)类) 竹) 含水率 3 8 8 6 0 01 0 2 2 0 o 根据表2 4 中所列各组分含水率，由式2 1 及表2 2 和表2 3 所列数据， 可以计算出可生物降解组分除去各组分含水量，占新鲜城市生活垃圾净含量 ( 表2 5 ) 。 堕蜜窑鎏盔堂耍圭塑塞生堂焦迨塞蔓! i 基 表2 5 成都市城区生活垃圾中可生物降解各组分净含量 2 2 3 碳氢化合物、蛋白质、脂肪含量 根据城市生活垃圾所含化学元素进行典型分析的数据，如表2 - 6 ( 木竹 中硫的含量使用数据0 1 ) 【3 3 1 ，可以知道其绝大部分为碳，其次为氧、氢、 氮、硫等，并还有部分灰分。表中数据为城市生活垃圾实际所含化学元素数 据，由于实际城市生活垃圾中可能含有部分游离碳以及含碳元素的无机物， 因此在计算中以氢、氧、氮、硫含量数据为主要计算依据。 假设可生物降解有机垃圾中只含有碳氢化合物、蛋白质、脂肪组分。因 此可生物降解有机垃圾中的n 和s 元素只来自蛋白质组分。但由于垃圾组分 中还还有其他成分，本文只是假定可生物降解有机垃圾中只含有碳氢化合物、 蛋白质、脂肪组分，所以n 和s 元素质量比不一定遵循蛋白质平均分子式中 n 和s 的质量比。因此，在利用n 和s 元素质量比计算碳氢化合物、蛋白质、 脂肪组分含量时，必须要对是用n 还是用s 计算进行取舍。 对照蛋白质中n 和s 的质量比：1 6 8 3 2 = 5 2 5 当生活垃圾各组分中n 和s 的质量比小于5 2 5 时，利用n 元素进行计算；若大于5 2 5 时，用s 元 素进行计算。 表2 6 城市生活垃圾所含化学元素典型数据【3 3 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 由公式( 2 7 i 兖； 彝警单一蓬一i 毫萎一斟薹薹彗囊露l 主一；主= 薹磕一蓦霆。鐾寸一堇矍；砉咝 叶又；g ? 喜雾| | 薹| 黧管强鍪| 蒌霎羹 鹜隋蓁| 孳雾一| 。蚕晕l ；l r j 嚣羹蓊萁雍_ 甫碾蟹囊疆曲描擒者罾黛耍竖蘑 州争刚墓：驰燃鲤酗醴并得霪薹嘉匦匾譬注凄翁l 鎏雉觚。隆鹧左：錾黜蜀副； 玛鹾黔l 鐾一l ! 嘉； 冀赣雾* 羹；耋 羹。萝 降解。 3 1 2 好氧生物降解的基本原理 填埋初期，垃圾体空隙中含有大量氧气，垃圾中的有机物在好氧微生物 1 ( 主要是好氧细菌) 的作用下氧化分解。在好氧生物降解过程中，有机垃圾 的可溶性有机质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收；而不溶 的胶体及复杂大分子有机质，先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞 外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进 行分解代谢( 氧化还原过程) 和合成代谢( 生物合成过程) ，把一部分有机物 转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。图3 一l 简要的说明了这一过程。 图3 1 好氧降解作用的基本原理 ( 1 ) 垃圾的好氧降解 有机垃圾的好氧降解一般途径由图( 3 2 ) 所示。基本规律为大分子有 x 要童窑鎏盔堂亟主塑塞皇兰丝迨塞蔓! ! 要 由公式( 2 6 ) 得； e 脂腑- 1 一f i 蛋白蜃一巴碳氢化音韵_ 1 2 4 一9 4 0 _ 3 6 2 2 3 4 木竹组分的含量计算 由于等一等。2 。c 5 2 5 ，则说明实际城市生活垃圾中可能含有其他硫 组分无机物。在此可以利用氮元素的含量计算碳氧化合物、蛋白质、脂肪含 量。 由公式( 2 1 ) 得： 雌旷等一号等- o 以觚一警- 号竽- o 3 2 由公式( 2 2 ) ，得出动物组分中蛋白质含量： 质- 争一争- 等乩s 由公式( 2 3 ) 得： 弘，- p ，一p 怎自质一6 o 一o 0 9 一5 9 1 弘? 一只? 一# 自质一4 2 7 一o 3 2 一4 2 3 8 由公式( 2 4 ) 得： 监一丝4 2 3 8 2 4 警一譬t 鬻一等以s 8 一筹8 筹8 以1 7 “。 ? ，y l 由公式( 2 6 ) 得： 西南交通大学硕士研究生学位论文整! 鱼堕 墨塞墼堂 e 炭靴伸= ( 1 _ 厦) 矗兰暑- ( 1 - ) 嵩；墙脲1 ：! 塞墨丝垒塑 1 十，j e 脂肪 由公式( 2 7 ) 得： e 膳肪一1 一e 蛋白质一只碳氢化含韵一1 1 5 一8 6 9 一1 1 - 6 不a 综合以上计算结论可以得到可生化降解垃圾各组分含量如表( 2 7 ) 所 表2 7 可生物降解垃圾各组分含量表( 单位：) 动物植物纸类术竹 蛋碳氢化脂蛋白碳氢化脂蛋碳氢化脂蛋碳氢化脂 自合物肪质合物肪白合物肪白合物肪 质质质 5 12 2 27 2 71 2 07 2 01 6 02 49 4 03 61 58 6 91 1 6 2 2 3 5 总蛋白质表碳氢化合物脂肪含量 根据成都市城区生活垃圾中可生化降解各组分n 的净含量( 表2 4 ) ， 经计算可以得到可生化降解各组分n 占可生化降解垃圾含量一，如表2 8 所示。 表2 8 可生物降解组分，占b d m 含量( 单位：) 由公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 得可生物降解有机垃圾成分中碳氢化 合物、蛋白质、脂肪占可生化降解有机垃圾质量百分数： 肪5 ( 一脂肪) = 3 5 7 2 7 + 5 9 4 1 6 o + 3 5 2 3 6 + 1 9 1 1 6 = 1 0 5 西南交通大学硕士研究生学位论文 一 筮垫亟 第3 章可生物降解有机雾冀薹雾翼粪 兰毫萋茎一兰蠹蕃塾蠹瑟廷冀型萋酝；崭嚣苫备品器昙委隔淄攘经型倚 嚣。一碧湔岩毪偏刊弼甄蔑，雾旦嚣社鑫器转公l ；塑蛋；丽蕤黼i 雏酗 鄹；誊磷用l 里薹蓁薹至霪鐾二量二耄一萋霎二_ | 二_ 耋嘉墓= 亨主喜霸霎鏊 冀墓，薹霪薹薹釜一雯主耋霪蓥冀_ ； | | 蓦薹 兰主薹颡幅；蕾“羹凌晷舅燃黼嚣囊。得出动物组分中蛋白质含量： 质。争。争等- 1 2 o 由公式( 2 3 ) 得： a 肛，。? 一p 生。_ - 6 0 0 7 2 一5 2 8 由公式( 2 4 ) 得； p ? 一p ? 一熊自质一3 0 8 一2 5 5 一3 5 4 5 丝一丝3 5 4 5 2 4 警。瓮- 鬻- 筹“5 8 一筹8 一等8 。6 7 1 “：1 ) z 石 墨堡鱼丝宣熊 懒。( 1 喝白质) 盘| ( 1 _ 1 2 。) 羔1 7 2 o 1 1 碳氢化音韵 1 十斗3 e 脂肪 x 西南交通大学硕士研究生学位论文篁垫夏 u 一一等 式中：u 一比底物利用速率： c ，一最大比底物利用速率； k 。底物亲和力常熟或半饱和常熟； p 底物浓度：肛一比细胞增长率； 一一最大比细胞增长率； y 一细胞产率系数； 在填埋前期p 蜀时p - 一，u 一【，一：而在填埋后期，p 墨时， u ：= 坠口。 3 1 3 厌氧生物降解的基本原理 垃圾厌氧降解过程一般可分为三个阶段p 9 】： i 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的 作用下分解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 与葡萄糖，蛋白质被蛋白质酶水解为短肽及氨基酸等。 i i 酸化阶段：溶解性小分子有机物进入发酵菌( 酸化菌) 细胞内，在胞 内酶作用下分解为挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二 氧化碳、氨、硫化氢等，这些物质经产氨产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和 二氧化碳。同时合成细胞物质。 产甲烷阶段：在此阶段，产甲烷菌通过以下两个途径之一，将乙酸、 氢气和二氧化碳等转化为甲烷。其一是在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲 烷；其二是利用乙酸裂解直接生成甲烷。 有机物厌氧降解过程如图3 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图3 3 有机物厌氧降蠢羹羹 薹= 霎薹羹薹雾囊鬣羹霎墓囊譬菱囊萋 耋? 萎j i | 薹翼鋈萎 l ! = ；j 羹燮羹萋 囊潦漆晴珥嶂逮镬弱藩嚣辛击年在蝰磕锯簧雾富襄鲁在群赫黼羹嚆鹱 析的计算公式。通过应用于成都市生活垃圾的实际分析， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 表明：填埋场封场不久( t c 2 年) ，垃圾降解程度较小，垃圾仍呈团块状，这 些团块之间各种有机组分含量差异很大，因此垃圾取样的非均匀性也很大， 同时生物可降解物质含量随时间变化波动也很大，缺少规律性。封场2 年后， 填埋垃圾进入完全厌氧反应期，生物可降解物质含量随时间的增加，逐渐缓 慢降低。可生物降解物质变化能较好地反映垃圾的降解规律。 鉴于成都市长安卫生填埋场离学校较远，无法实施连续监测；实验室所 配仪器设备不能对垃圾组分( 蛋白质、脂肪。碳氢化合物) 单独测定以及试 验经费不足和时间有限等试验条件的限制，因此试验中垃圾取样只能根据填 埋场填埋规划图及填埋记录，选定每年4 5 月份进场的垃圾填埋位置，进行 取样分析，并且采用重“铬酸钾法”测定可生物降解物的含量。另外本论文 不对填埋初期( t 2 年 0 0 6 7 1 2 7 3 5 0 9 2 _ 、 鬟 v 删 姐 求 骊 堪 世 餐 州 | 己 拟合结果为： c - 1 2 7 3 4 ” ( 3 3 ) 填埋时间( 年) 图3 4 可生物降解组分降解规律 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 3 3 2 3 模型的检验与评价 为验证建立的卫生填埋场可生化降解组分含量变化模型的准确性和可靠 性，在模型式( 3 3 ) 带入时间值进行反演计算，垃圾体中可生化降解组分 含量的反演结果与试验过程中的测试值相比较，其结果见图( 3 4 ) 。 从反演结果看，卫生填埋场可生化降解组分含量变化的试验值和模型( 式 3 3 ) 计算值总体相差不大，表明建立的模型基本反映了卫生填埋场中可生 化降解组分含量的变化过程和趋势。 3 3 本章小结 由于填埋体降解是一个同时进行着物理、化学和生物反应的复杂过程， 论文采取避开针对垃圾降解复杂中问过程的分析，只对不同填埋年限的填埋 体进行取样分析，测定其可生物降解组分( b d m ) 含量。从试验结果来看： 随着垃圾降解的进行，垃圾可生化程度越来越差，可生物降解物质含量逐渐 减少。并对试验结果采用最小二乘法拟合，量化分析了可生物降解组分降解 的变化规律：随着填埋时间的延长，垃圾体中可生物降解物质含量逐渐降低， 程一级负指数规律衰减( c 。t1 2 7 3 5 e “”) 。 第4 章可生物降解组分降解产物的量化 4 1 降解反应物的量化 随者垃圾填埋时间的延长，垃圾体会不断沉降，垃圾体的密度会发生变 化。但变化量很小，可以忽略不计。根据王树国编著的垃圾卫生填埋场实 用技术“”得，我国卫生填埋场垃圾体填埋密度在5 0 0 一6 0 0k g m 3 之间。由 于试验条件的限制，试验中无法对成都长安垃圾填埋场填埋密度进行实测， 因此计算中填埋体密度近似采用5 0 0k 咖3 。 缸时间内单位体积垃圾体可生物降解组分含量的变化量为： 坍一1 x 0 气+ 口一qj 。p 式中： p 为垃圾填埋体的密度，k g ，m 3 ； 俄为可生物降解组分降解量，k g ； q 为填埋时间t 0 时，可生物降解组分的含量，k g m 3 ； c “+ 。为填埋时间f 0 + 血t a 时，可生物降解组分的含量，l 【g ，m 3 ： 因此，由式3 3 得 m 删一1 5 0 0 1 2 7 3 如4 ”1 0 0 式中：。为单位垃圾体中可生物降解物的质量； 两边对时间t 求导数，可得单位垃圾填埋体中可生物降解组分随时间 的质量降解速率为： - 4 2 6 4 ( 4 1 ) 式中：厶。为单位体积中可生物降解组分的质量降解速率，k g a - 1 m ；： t 为填埋时间： 假定降解过程中，填埋体中可生物降解各组分含量恒定【9 】，即假设蛋白 质、脂肪和碳水化合物主要在同一种微生物作用下降解，其可生物降解性基 本相同。则有： 1 ，。一只 ， ( 4 2 ) 式中： v 一可生物降解物中组分n 的质量降解率，k g a 4 m i ； 一组分n 的百分含量，； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 附一可生物降解组分质量降解率，k g a - 1 n r 。； 由式4 1 可得单位垃圾填埋体中可生物降解物各组分降解速率如表4 1 表4 一l 单位垃圾体生物可降解物各组分质量降解速率( 1 【g a 。1 m 一；) 可生物降解组分降解速率 4 2 降解产物计算理论 4 2 1 降解反应方程 根据第二章分析可知，垃圾厌氧降解过程一般可分为三个阶段：水解阶 段、酸化阶段和产甲烷阶段。 可生物降解各组分在每一阶段发生如下反应： 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，分解为 溶解性的小分子有机物。其发生的主要反应方程为： 碳氢化合物 ( c h 2 0 ) 6 = 2 c h 3 c o o h + c h 4 + c 0 2 ( c h 2 0 ) 1 2 = 2 h ( c h 2 ) 3 c o o h + c h 4 + 3 c 0 2 + 2 h 2 0 蛋白质 c 4 6 h 7 7 0 1 7 n 1 2 s + 1 9 9 5 h 2 0 = o 4 2 c 6 9 h 1 3 8 0 3 2 + 5 1 8 c h 3 c 0 0 h + 6 5 5 c 0 2 + 1 2 n h 3 + h 2 s 脂肪 c 5 5 h 1 0 4 0 6 + 1 5 1 4 h 2 0 + 6 0 7 c 0 2 = 0 5 9 c 6 9 h l3 8 0 3 2 + 7 2 4 c h 3 c 0 0 h + 6 0 7 c h 2 酸化阶段： 溶解性小分子有机物进入发酵菌( 酸化菌) 细胞内，在胞内酶作用下分 耍蜜窑鋈盔堂塑主堕塞生兰垡迨塞塑! ! 要 解的可生物降解肴机垃圾组分一占降解垃圾含量为一常数【9 1 。 令柙缸为可生物降解有机垃圾的降解量，则有 喇- 砌o ( 4 5 ) 由总质量守恒总的降解产物f 产生量为： 血卜芝血二一艺等锄：- 等 城，- 锄如等 ( 4 _ 6 ) 令吣为共含有单位质量c 元素可生物降解有机垃圾对应的质量，从而 得： a 芒叫a 荤砖 c 4 吲 式中：4 ；为共含有单位质量c 元素可生物降解有机垃圾对应的质量完全 降解产生物f 的量，g ； 根据上述各式物理意义，则有以下各关系式成立： 血二t i ，l 如，口卜4 根据各组分含量，计算含单位质量c 元素可生物降解有机垃圾质量： 1 - 铌礓矿嘉 也可以表示为： 凡- 厶4 ( 4 8 ) 式中，c 。为组分n 中c 的百分含量； m 。为组分n 的摩尔质量； 由式( 4 4 ) ( 4 8 ) 计算得降解各阶段含单位质量c 元素各组分 降解产物的生成( 或消耗) 量。如表( 4 3 ) 一表( 4 5 ) 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 4 3 产物的量化 4 3 1 含单位质量c 的可生物降艇组分的降解产物 根据b o g n e r 和s p o k a s ( 1 9 9 5 ) 对英国s o l l t h a m p t o n 城市生活垃圾成分 分析数据，将碳氢化合物可划分为2 种存在形式：( c h 2 0 ) 6 和( c h 2 0 ) 1 2 随 着我国人民生活水平的提高，我国城市生活垃圾成分与英国9 0 年代城市生活 垃圾成分相差不大。因此，可以假定认为成都市城区生活垃圾成分中的 ( c h 2 0 ) 6 和( c h 2 0 ) 1 2 的比值与英国s o u t h a m p t o n 城市生活垃圾成分中 ( c h 2 0 ) 6 和( c h 2 0 ) 1 2 。的比值基本一致。从而利用国s o u t h a m p t o n 城市生活 垃圾成分中( c h 2 0 ) 6 和( c h 2 0 ) 1 2 。的质量百分含量计算出成都市城区生活垃 圾成分中的( c h 2 0 ) 6 和( c h 2 0 ) 1 2 的百分含量。 ( c h 2 0 ) 6 ：7 8 3 钒石磊矗。6 0 嬲 ( c h 2 0 ) 1 2 ：7 8 3 一6 0 9 一1 7 4 由此可得成都生活垃圾可生物降解各组分含量，如表4 6 。 表4 6 成都生活垃圾可生物降解有机垃圾成分表 可生化降解有机垃圾组分质量百分含量( ) ( c h 2 0 ) 6 ( c h 2 0 ) 1 2 c 4 6 h 7 7 0 1 7 n 12 s c 5 5 h 1 0 4 0 6 6 d 9 1 7 4 8 2 1 3 5 根据水解阶段反应方程( 见第3 章3 2 节填埋场中可生物降解物降解过 程) 以及表4 2 ，计算得到含单位质量c 元素的可生物各组分有机垃圾降解 后各产生物的量，见表4 7 。 由公式( 4 8 ) 得： 以。以一2 5 0 0 6 0 9 + 2 。5 0 0 1 7 4 + 1 9 9 5 8 2 + 1 。3 0 3 x 1 3 5 - 2 2 9 7 由公式( 4 7 ) 可计算出含单位质量c 元素可生物降解有机垃圾在水解 塑耍至鎏盔兰塑主生墨兰翌堡笙塞星塑要 阶段产物中的各产物量： 产物h 2 0 的产生量： - 靠章鲁观飘( 1 7 4 x 蒜一s 2 x 器出黝尝删绷 “一”表示消耗。 产物水解酸的产量为： c 6 9 h 1 3 8 0 3 2 2 小扣a 荤丘警以飙( 8 2 弧嚣棚嬲鬻- o 舵 h ( c h 2 ) 3 c 0 0 h ： 如咖4 荤 安| 2 2 9 7 x 1 7 4 罢i o 2 0 醋酸的产量为： 小如a 孝厶暑1 2 2 9 7 x ( 8 2 x 舞柑5 x 器删x 鬻) - 1 “ 产物c 0 2 的产量为： 扣a 荤无安屯z 吼卿9 器册黑+ s 2 罴 川5 垩竺) i o 4 4 3 产物c 】丑的产量为： - 4 章 譬2 2 9 7 x ( 6 0 1 9 罴+ 1 7 4 裟+ 1 3 5 鬻1 8 2 产物n 壬玉3 的产量为： 加以章五鲁| 2 - 2 9 7 8 2 裟- 0 1 0 3 5 产物h 2 s 的产量为： 小a 孝 譬| 2 2 9 7 8 2 豢1 0 0 0 6 将以上计算结果用表格盲观表示可得表4 7 。 表4 7 含单位质量c 元素可生物降解物水解产物量( g ) 酸化产物的量： 根据表( 4 4 ) 和表( 4 5 ) ，计算出含单位c 元素的可生物降解组分 水解产物酸化后，各产物的量，如表4 8 所示： 表4 8 含单位c 元素的可生物降解组分水解酸，酸酸化各产物的量( g ) 产甲烷的量： 根据( 表4 7 ) 、( 表4 8 ) 得含单位c 元素可生物降解组分经水解、 酸化后产醋酸总量为：1 9 7 0 。根据反应方程可得最终产物的量如表4 9 所 不： 4 9 含单位c 元素可生物降解组分最终产物的量( g ) 由以上计算结果，根据式( 3 5 ) 可以推导出每降解单位质量的可生物 降解物，最终降解生成物的最为： 表4 1 0 单位可生物降解物完全降解产物生成量a ( g ) 直直奎鎏盔堂塑主堡塞兰兰堡垒塞釜i 蒌 第5 章结论 本文通过对城市生活垃圾中可生物降解组分的分析，运用元素质量守恒 原理，结合成都长安卫生填埋场垃圾成 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第“页 分的分析有一定的影响。还有待深入研究 参考文献 【1 】聂永丰兰废处理工程技术手册：固体废物卷f m 】北京：化学工业出版杜2 0 0 0 2 席俊蒋火化汪治国等我国成市生活垃圾处理现状及存在的问题分析中国环境监测，2 0 0 3 ， 1 9 ( 1 ) ：2 1 2 3 3 范家明，周少奇，广州大田山填埋场渗滤液污染现状调查环境卫生与工程，2 0 0 l ，9 ( 4 ) ：1 6 0 一1 6 2 【4 李静北京；垃圾渗漏污染地下水新阐周刊，2 d 0 5 ，5 ：3 4 3 5 5 李国刚，曹杰山，汪志国等，我国城市生活垃圾处理处置现状与