（环境工程专业论文）城市生活垃圾生物反应器型填埋方式特性研究.pdf

摘要 城市生活垃圾处理技术主要有堆肥法，填埋法、焚烧法这三种方法，其中填埋法具有成 本低廉、适用范围广，环保效果显著和处置较彻底等优点。然而现行的卫生填埋技术存在着 垃圾降解缓慢，填埋场稳定时间长，渗滤液难处理、成本高，填埋场爆炸、沼气不回 收利用、就地排放污染大气等问题。 为此本文通过在北京阿苏卫垃圾卫生填埋场内设垃圾填埋模拟柱，对三种不同的生物反 应器型填埋方式进行对比研究，分别是回灌型生物反应器，好氧回灌型生物反应器以及序批 式生物反应器，以初步探讨生物反应器型填埋方式的运行特性；其次，选择适当的回归模拟， 建立了生物反应器填埋场系统c o d 浓度变化规律的数学方程； 同时对不同水力负荷下浓缩 液回灌处理效果进行了研究 研究结论主要如下： ( 1 ) 在好氧垃圾填埋拄中，空气经布气管系统较均匀地释放到垃圾填埋层内，由压力扩 散和分子扩散作用而使得填埋层达到好氧状态，填埋层内微生物利用氧气进行生物氧化还原 反应，其渗滤液c o d 和氨氮浓度下降较快，比在厌氧条件下提前进入稳定阶段，进而加快 了填埋垃圾的最终稳定化进程 ( 2 ) 序批式生物反应器中陈垃圾渗滤液能够保持新鲜垃圾中微生物种群平衡，加快垃圾 降解速度，提高新鲜垃圾填埋柱的缓冲能力，但是减缓了其产甲烷速率。新鲜垃圾产生的高 浓度渗滤液可以在陈垃圾中得到净化，c o d 的去除率最高可达9 5 ，n h r n 最高去除率达 4 8 3 陈垃圾能够减少渗滤液量。同时，陈垃圾经高浓度渗滤液回灌后，可提高其甲烷产 率，甲烷含量最高达到6 8 0 ( 3 ) 序批式生物反应器在交叉回灌进行了5 5 5 8 天后终结比较合理。 ( 4 ) 在对填埋场沉降高度的研究中发现，好氧柱4 ，5 # 沉降高度最大，其次是柱2 # 沉降 量最小的为柱1 。 ( 5 ) 提出了填埋场中有机物( c o d ) 变化规律的数学方程，可较准确地预测生物反应器填 埋场系统可降解有机物的变化规律，为后续填埋场管理提供参考价值。 ( 6 ) 浓缩液回灌处理的回灌量在3 0 0 0 m i 次- 5 0 0 0 m l 次之间比较合适。 关键词：城市生活垃圾，生物反应器，浓缩渗滤液，回灌，数学方程 a b s t r a c t i ng e n e r a l ，t h e r ea r et h r e em a i nm e t h o d st oh a n d l et h em u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) i n c l u d i n gl a n d f i l ld i s p o s a l , c o m p o s ta n di n c i n e r a t i o n c o m p a r i n gt ot h eo t h e rt w om e t h o d s , t h e l a n d f i l ld i s p o s 噩im e t h o di st h eb e s to u ef o ri t sl o w e rc o s ta n dl e s ss e c o n d a r yp o l l u t i o n ，i ti st h u s t h eb a s eo ft h i st h e s i s h o w e v e r , t h ee x i s t i n gh n d f d lm e t h o dh a ds o m ed i s a d v a n t a g e s # u c ha st h e s l o wd e g r a d a t i o no fm s wj e q u i r e m e n to fl o n gt i m ef o rs t a b l el a n d f i l lf i e l d ，d i f f i c u l tt r e a t m e n t a n dh i g hc o s to f t h el e a c h a t ea n ds oo n t h i st h e s i si st h u sd e v o t e dt os o l v ea l la b o v ep r o b l e m s w ee s t a b l i s hs o m es i m u l a t i n g c o l u m n sw h i c hf i l l e dw i t hg a r b a g ei n a s u w e il a n d f i l l , c o n t r a s tt h e r ek i n d so fb i o r e a c t o r ，t h a t s i n c l u d er e c l r c u l a t i o nb i o r e a c t o r , a e r o b i cb i o r e a c l o ra n ds e q u e n c eb i o r e a c t o lw ew i l ld i s c u s st h e c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tb i o r e a c t o ri nt h i st e x t s e c o n d l y ，b a s e do ns u i t a b l yr e c u r s i v em o d e l , i ta m a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c n b et h ev a r i a t i o no fb i o r e a c t o rl a n d f i l ls y s t e m sc o d a tl h es a m e t i m es t u d yt h ee f f e c to f c o n c e n t r a t e dl a a c h a t er e c i r c u l a t i o n 1 _ h em a i nr e s u l t so b t a i n e dw e r e f o i l o w s ： ( 1 ) i nt h ea e r o b i cr u b b i s hl a n d f i l lc o l u m n s , t h ea i ri sr e l e a s e di nt h er u b b i s hl a n d f i l ll a y e r e v e n l yb yt h ep i p e l i n e , a n ds p r e a db yt h ep r e s s u r ea n dt h em o l e c u l es p r e a d , w h i c hm a k et h e l a n d f i l ll a y e ra e r o b i c , t h em i c r o o r g a n i s mu t i l i z et h eo x y g e nt oh a v eb i o l o g yo x i d a t i o n - r e d u t i o n r e a c t o n , w h i c hr e d u c et h ec o da n dn h 3 - nv e r yf a s t , e n t e rs t e a d ys 诅g cq u i c k l y , a n dt h e n a c c e l e r a t e d t h e p r o c e s s o f s t a b i l i z a t i o n o f t h e h n 曲i l ( 2 ) i n s e q u e n c e b i o r e a c t o r , t h e l e a c h a t e o f s t a l er e f u s e 啪k e e p m i c r o b i a lb a l a n c e , a c c e l e r a t e t h ed e c o m p o s i t i o no fr e f u s ea n de n h a n c et h ea b i h 竹o fc u s h i o ni nf l e s hr e f a s cc o l u m n b u ti td e f e r t h em e t h a n ep r o d u c t i o n a tt h es a m et i m e 皿e s hl e a c h a t ec a nb ep u r g e db ys t a l er e f u s e ，t h eh i g h e s t r e m o v a lr a t eo fc o di s9 5 。n h r ni s4 8 3 w h e nt h ef r e s hl e n c h a t ew a sr e c i r c u l a t e dt os t a l e r e f u s ec o l u m n , i tc a na c c e l e r a t em e t h a n ep r o d u c t i o n a n dt h ev o l u m eo f 疵s hl e a c h a t ec a nb e r e d u c e d ( 3 ) i t i s b e t t e r t os t o p t h es e q u e n c e b i o r e a c t o r , w h e n i t s 5 5 - 5 8 d a y s ) ( 4 ) t h ed a t ao fs e d i m e n t a t i o nh e i g h to fm u n i c i p a ls o l i dw a s t es u g g e s t e d ：t h es e d i m e n t a t i o n h e i g h to fr e f u s ei na e r o b i cc o l u n mi st h eh i g h e s t , c o i n m u2 # f o l l o w e d t h e nc o l u m n1 i st h el o w e s t , a n d t h es e d i m e n t a t i o n h e i g h t o f c o l u m n 矿a n d c o l u m n 学w e r e a l m o s t t h e 髓啦 ( 5 ) c o df u n c t i o nh a ss h o w nt h a tt h ev a r i a t i o no fc o d - c o n c e n t r a t i o na n dt h et o t a l c o d - p o l l u t i o n i tc o u l db eu s e dt op r e d i c tt h ev a r i a t i o no ft h ed e g r a d e dr e f u s eo ft h eb i o r e a c t o r l a n d f i l ls y s t e ma n dp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c ed a t at ol a t e rm a n a g e m e n tl a n d f d 1 ( 6 ) v h e nh y d r a u l i cl o a d i n gi s3 0 0 0 m 1 - 5 0 0 0 m la tat i m e t h ee f f e c to f c o n c e n t r a t e dl e a c h a t e r e c i r c u l a d o ni sl i k e l y k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw u s t e ( m s w ) , b i o r e n c t o r , c o n c e n t r a t e dl e a c h a t e , r e c i r c u l a t i o n , m a t h e m a t i cf o r m u l a 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 奶袈妗 时间：二 年6 月r 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位淦文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 奶玺埝 时间：加口7 年6 月f 上h 时间：z 。印年6 月l r 日 中国农业大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国城市垃圾产量及组分特点 城市生活垃圾，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、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废物。城市生活垃圾产生量大，成分复 杂，有机物含量高，随意堆放或处理不当，都将对周边土壤、水体，大气环境以及景观造成严 重污染 随着我国城市化进程的加快，人们生活方式的变化和生活水平的提高，城市生活垃圾以年 均增长率8 9 8 的速度迅猛增加。( 张宪生，沈吉敏，厉伟等2 0 0 3 ) 数量庞大的城市垃圾己 对城市及城市周围的生态环境构成日趋严重的威胁，生活垃圾的无害化处理能力和水平与实现 人与自然协调发展的要求之间差距较大，形势严峻。现在全国6 6 8 座城市中至少有2 0 0 座以上 处于垃圾的包围之中( g g m 颤高光) ，d o n g y a w e n ( 董雅文) ，j i n i t a o b o ( 金浩波) ，2 0 0 0 ) 在城 市周围历年堆存的生活垃圾量已达亿t ，侵占了约5 亿多m 2 的土地。( 张宪生，沈吉敏。厉 伟等，2 0 0 3 ) 今后较长时间内，我国城市化速度将保持较高水平，保洁清运服务范围将进一步 延伸，城市生活垃圾产生量和清运处理量将呈增长态势。2 0 0 2 年，我国城市化率为3 7 7 ，城 镇人口为4 8 亿( 其中6 6 0 个建制市人口为3 5 亿) ；以人均生活垃圾产生量0 9 1 o 公斤计算， 则城市生活垃圾年产生量约为1 6 _ 1 8 亿吨如果2 0 2 0 年，我国城市化水平达到5 5 以上， 全国人口控制在1 4 5 亿，则全国城市生活垃圾年产生量将达到2 6 _ 乏9 亿吨，较2 0 0 2 年增长 约6 0 。( 王琪，2 0 0 5 ) 城市生活垃圾组分与经济发展水平及居民生活习惯密切相关，具体到各城市，甚至同一城 市的不同区域，生活垃圾的组分都有所不同总体上看，我国城市生活垃圾组分有如下特点： 垃圾水分较高，一般垃圾含水率随地区、季节不同而不同，但是都达到3 0 甚至5 0 以上，有 机物( 菜叶、骨头等厨房废物) 、包装物的比例较高，占垃圾千重的5 0 以上；灰土的含量有 所降低，但比例依然较高，占垃圾干重的1 0 - 2 0 。由于中国居民有。修旧利废”的传统， 大部分废纸、废金属及饮料容器等基本是由居民直接卖给废品收购人员，因此，垃圾中可赢接 回收利用的物质，其比例并无显著增长图1 1 反映了我国大中城市垃圾成份( 干重) 的构成； 表1 - 1 为北京市不同居住区生活垃圾的组分( 王琪，2 0 0 5 ) 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 口6 0 0 2 豳i - 1 爱国大中城市垃圾成份( 干重) 构成 f i 9 1 1m u n i c i p a ls o l i dw 础c o l n p o n c n li n 妇 裹1 - 1 北京市各类居住区生活垃圾组分 t a b l - 1m u n i c i p a ls o l i dw a s t ec o m p o n e n ti nv a r i o u si n h a b i t a b l es e c l i o i lo f e e i j i n g 垃圾性质平房区双气接房商业区事业区高级住宅医院区 灰土 2 3 1 9o0 3 14 9 90o 砖瓦0 2 6 o 0 7o 1 51 4 91 3 20 纸类 7 8 31 0 3 53 7 0 51 6 3 92 9 5 63 1 3 塑料 8 5 71 0 52 2 6 71 2 1 31 1 7 81 8 4 3 箍 织物 1 7 93 3 52 7 83 3 48 4 31 驰 舆 玻璃 l i 惦2 5 0 98 6 51 5 7 1 2 6 5 金属0 1 40 2 32 7 72 1 40 2 10 木竹5 1 21 衢 1 0 21 6 37 9 53 7 5 食品5 1 9 l7 1 7 12 8 1 3 3 4 4 l3 8 8 33 1 1 其他0 0 6o o 0 30 1 7 0 3 50 1 低位热值( k j k g ) 3 6 3 64 9 7 7 1 1 8 7 68 2 7 76 5 4 29 2 4 9 含水率( )5 0 1 8 6 4 23 4 93 8 4 95 3 1 93 9 1 5 1 2 我国城市生活垃圾处理现状 垃圾处理方法按处理工艺不同分为物理方法、化学方法及生物化学方法3 类。就处理对象 而言，又分为混合垃圾处理、单一成分垃圾处理。通常是以其处理方式不同来划分，成熟且常 用的主要有3 种：填埋、堆肥，焚烧。 ( 1 ) 垃圾填埋处理 垃圾填埋处理分为传统填埋与卫生填埋两类。传统填埋法实际上是在自然条件下，利用坑、 塘，洼地，将垃圾集中堆置在一起，不加掩盖，未进行灭菌、除臭、防污染等处理的堆填。卫 生填埋法是采用工程技术措施，防止产生污染及危害环境的土地处理方法。 2 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 垃圾堆肥处理 垃圾堆肥处理是在有控制的条件下，依靠自然界广泛分布的微生物，使垃圾中有机成分分 解，转化为腐殖土状的有机肥或土壤改良剂垃圾堆肥处置按需氧程度分为厌氧堆肥与好氧堆 肥；按温度范围分为中温堆肥与高温堆肥；按技术条件又分为露天堆肥( 长堆) 与封闭机械装置 堆肥。( 张宪生，沈吉敏，厉伟等，2 0 0 3 ) ( 3 ) 垃圾焚烧处理 垃圾焚烧处理，一般是指将垃圾作为固体燃料送入垃圾焚烧炉中，垃圾中的可燃成分与空 气中的氧进行剧烈的化学反应放出热量，转化成高温的燃烧气和量少而性质稳定的固定残渣， 燃烧气可以作为热能回收利用，性质稳定的残渣可直接填埋。采用焚烧工艺处理垃圾能以最快 的速度实现无害化、稳定化、资源化和减量化的最终目标。一般当垃圾热值高于4 0 0 0 k j k g ，同 时土地资源有限时，应优先采用焚烧法处理( w i l l i a m s p ，1 9 9 4 ) ( p e t t s j ，1 9 9 4 ) ，该种处理方 法在工业发达国家中被广泛应用。 另外还有固化和热解等处置方法，但是都处于研究阶段，没有广泛应用 1 9 8 0 年以前，全国几乎没有城市对生活垃圾采取必要的工程措旅进行环境无害化处置和管 理。1 9 8 0 年以后，个别城市开始建立比较规范的垃圾处理设施。到1 9 9 0 年，全国城市生活垃 圾的处理率不足2 。1 9 9 0 年以后，城市生活垃圾处理量不断增跃到2 0 0 2 年底，全国6 6 0 个 建制市共有城市生活垃圾处理厂( 场) 6 5 1 座，处理能力达到7 8 6 6 万嘲年。其中填埋场5 2 8 座，年处理能力6 8 9 6 万吨；焚烧厂4 5 个。年处理能力2 7 5 万吨；堆肥厂7 8 个。年处理能力 5 1 7 万吨。2 0 0 2 年，全国6 6 0 个建制市城市生活垃圾实际处理量7 4 0 4 4 万吨，占总清运量的5 4 2 ；其余则以分散形式或向指定地点集中形式向环境倾倒。处理的7 4 0 4 4 万吨生活垃圾中，填 埋占8 9 3 0 焚烧占3 7 2 ，堆肥占6 9 8 图1 - 2 表示为城市生活垃圾的最终流向；图1 - 3 所示为不同处理方式所占比例。填理法是大量消纳城市生沽垃圾的有效方法，也是所有垃圾处 理工艺剩余物的最终处理方法。它的主要优点是技术比较成熟，操作管理比较简单，处理能力大， 投资和运行费用低，适用性强，不受垃圾成分变化的影响。因此成为国内外普遍应用的一种垃 圾处理方法。 图1 - 2 城市生活垃圾流向( 技全部垃圾计) f i o - 2 w h e r e a b o u t s o f m e n i c i p a ls o l d w a s t e ( a c c o r d i n g t o t o t a l w a s t e ) 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 6 9 8 1 t 圉卜3 城市生活垃圾处理方式( 按实际处理量计) t h _ g l 3 “e a t m e a t m e t h o d o f m u j d c i p a ls o l i d w a s t e ( a o r d i n g t o p r a d i c a l l y w o r k e d i s c _ 根据推算，6 6 0 个建制市之外的非建制市城镇人口约l 亿，年产生活垃圾约3 6 0 0 万吨。这 些非建制市城镇的生活垃圾大多数没有进行处理，基本是由当地环卫所收集后就近倾倒在附近 的坑塘，甚至倾倒进河流、湖泊、海岸等( 王琪，2 0 0 5 ) ( 专家论坛，中国环保产业，2 0 0 5 ) 1 3 传统垃圾填埋处理方法存在的问题 虽然垃圾填埋法具有很多优点，但传统的垃圾填埋处理方法同时具有占地多、选址困难、 资源浪费、二次污染等问题具体如下： 1 传统填埋场稳定化时间长，降解不完全：厌氧处理场的垃圾解决是一个无任何控制的自 然降解过程，因此其降解过程缓慢。垃圾稳定化时间长一般要持续1 0 - - 2 0 年，甚至更长。因 此随着垃圾产量的增加，必须不断建设新的垃圾场，这就会占用大量的土地资源。 2 传统填埋场产气率低，气体利用差：厌氧填埋场进入产甲烷阶段后，垃圾分解将产生甲 烷气体。理论上是可以收集利用的，但是由于投资所限以及产生的气体有时达不到利用要求而 无法有效的按设计要求设沼气收集和利用设施，因此将填埋气体直接捧入大气或点燃，造成大 气污染，有时还会发生甲烷气体爆炸事故。 3 填埋场选址困难：厌氧填埋场的场址不仅在地形，地貌、水文地质、工程地质等方面都 有苛刻的要求，而且还要求运输方便、运距短、投资省，因此寻求到令人满意的填埋场具有一 定的困难。 4 渗滤液难于处理，造成二次污染；渗滤渡是一种亳浓度有机废水，其成分复杂、水质水 量变化幅度大。其主要成分见表1 2 ；此外高浓度渗滤液持续时间非常长，研究表明：渗滤液 的c o d 和氨氮质量浓度需要2 0 年左右才能衰减到国家规定的排放浓度。( 曹霞，刘丹，2 0 0 3 ) 4 中国农业大学硕士论文第一章绪论 表1 - 2 一般垃圾渗滤液成分( _ l ) ( 除p f i 爿0 t a b l 2 w a t e r q e a l i t y o f l e a c h a t e ( m g f l x e x c e p t p h ) 此表引自t 王璞琦。垃圾填埋墒漆滤液魅毫浙江万里学院学报，2 0 0 4 ) 1 4 生物反应器型填埋场的基本原理及分类 国际上对峪的地质填埋主要有两种观点。首先是瑞士环保部门提出的最终堆放理论：固体 废物一经堆放，不会使进入环境( 空气、水、土壤) 中的物质发生显著改变；与其相反的是“反 应堆理论”：废物在堆放场中发生物理、化学和生物化学作用，使填埋场内部尽快达到稳定。 ( p e t e rb a c c i n i ，1 9 8 9 ) 目前，地质填埋中( 传统填埋方式) 常用的是“包容理论”，主要研究 各种屏障技术，将固体废物包围起来。使其发生厌氧反应。( 王蕾，赵勇胜，董军，2 0 0 3 ) 而 生物反应器型填埋场应用了反应堆理论，通过有目的的控制手段强化微生物过程从而加速垃圾 中易降解和中等易降解有机组分转化和稳定的一种垃圾卫生填埋场运行方式。这些控制手段包 括液体( 水、渗滤液) 注入，备选覆盖层设计、营养添加，p i l 调节、温度调节和供氧等。生物 反应器型填埋技术与传统卫生填埋场的本质不同在于其生物降解过程是加以控制的一个填埋 单元就是一个小型的“可控生物反应器”。许多这样的填埋单元构成的填埋场就是一个大型的生 物反应器( 沈东升，何若，刘宏远，2 0 0 3 ) 填埋场垃圾的稳定化是一个同时进行着物理、化学和生物反应的复杂而漫长的过程，一般 要持续几十年甚至上百年的时闻在这一过程中，由于填埋场垃圾组成与结构的复杂性，污染 物进入垃圾填埋场后，将会在垃圾一微生物一渗滤液一填埋气体微生态系统内发生一系列物理、化 学和生物学反应，如吸附、沉淀，络合、生物降解等过程，使污染物得到降解、净化。 目前国内外对生物反应器填埋场的研究主要有4 大类型：回灌型生物反应器填埋场、两相 型生物反应器填埋场、脱氮型生物反应器填埋场和序批式生物反应器填埋场。 1 4 1 回灌型生物反应器填埋场 填埋场渗滤液凰流处理，就是将未经任何预处理的渗滤液直接回流、喷洒到填埋场，利用 垃圾层和覆盖土层的净化作用来处理填埋场渗滤液的方法( 黄启飞。王琪，董路等，2 0 0 4 ) 2 0 世纪7 0 年代初，美国p o h l a n de g 等在实验室内进行研究，发现将渗滤液循环回灌到填埋场 5 中国农业大学硕士论文第一章绪论 一段时问后，其污染物浓度与不经过循环处理的渗滤液浓度相比大大降低。此后，英国、加拿 大、澳大利亚、德国，丹麦、意大利、瑞典和日本等相继开始了回灌型生物反应器填埋场的研 究。年代起英美已有部分填埋场开始应用渗滤液回灌技术 回灌型生物反应器型填埋场的工艺流程如图1 - 4 所示。垃圾填埋场产生的渗滤液通过收集 系统汇集到调蓄池，然后通过水泵回灌到填埋场( 沈东升，何洁，刘宏远2 0 0 3 ) 在回灌型生物反应器填埋场中，由于将渗滤液回流到垃圾填埋层内提高了垃圾层含水率( 由 2 0 - 2 5 提高到6 0 - 7 0 ) ，增加了垃圾的湿度，增强了垃圾中的微生物活性，加速了垃圾产 甲烷速率以及垃圾中污染物溶出和有机物的降解。渗滤液回灌到填埋场不仅可以利用填埋场的 生物反应器效应降低渗滤液的污染物浓度，而且还可以因喷洒过程中的挥发等作用而减少渗滤 液的量，对渗滤液水量水质起稳定化作用，有利于渗滤液处理系统的运行，节省费用。 进后续处理设施 围1 _ 回灌型生物反应嚣填埋场的工艺流程 f i 9 1 4 n 粥m gc i r c u i t s o f l e a c l 幢t c 砖c i l _ a i l a l j o n 根据工艺流程中布水系统的不同，回灌方式主要有：表面灌溉、竖式井、水平井、喷灌、 针注等五种方法( 王罗春，刘疆鹰，赵由才等，1 9 9 9 ) 其操作方式及优缺点见表1 - 3 ( t a l a w s o n , 1 9 9 7 ) 6 中国农业大学硕士论文第一章绪论 襄1 - 3 渗滤液回灌分类殛其优缺点 t a b l 3t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f l e a c h a t er e c i r c u l a t i o a 1 4 2 两相型生物反应器填埋场 两相型生物反应器填埋场系统由两个厌氧反应器串联组成填埋垃圾中的有机物质首先在 填埋场中水解产酸，所形成的产物通过渗滤液作为第二个反应器的进料，并转化为沼气，然后 将其出水再回灌到填埋场。采用两相型生物反应器填埋场系统，把产酸和产甲烷作用分置于两 个反应器内进行，则可获得物理分离、各自优化的两大类降解垃圾微生物菌群( 水解产酸细菌和 产甲烷细菌) 的协同代谢，与此相应的生理生态作用也发生显著的变化。填埋场中富含微生物， 渗滤液的回流，增加了填埋场垃圾的湿度，提高了微生物的活性；同时，也增加了渗滤液在填 埋场中的停留时间，强化了填埋场垃圾层微生物对渗滤液中有机物的水解和发酵作用浙江大 学沈东升等研制的两相型生物反应器填埋场系统工艺如图1 - 5 所示： 填 埋 场 图1 巧两相型生物反应器填埋场系统工艺 f j9 1 - 5s c h e m a t i c d i a g r a m o f b i o r e a c t o r l a u d f i l l s i n c l u d e t w o p a r t s 7 盘 田 烷 反 应 嚣 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 通过对两相型生物反应器填埋场系统研究表明，两相型生物反应器填埋场系统中，由于产 酸细菌与产甲烷细菌分别在不同的装置中，因而解决了酸积累的中间产物抑制问题，可显著促 进生活垃圾及渗滤液中有机污染物的降解，加速填埋垃圾稳定化，同时能够稳定渗滤液水质， 为渗滤液的后续处理工艺提供了方便( 刘宏远，沈东升，朱荫湄，2 0 0 4 ) ；两相型生物反应器系 统还可提高甲烷产气量( 王君琴。沈东升，2 0 0 4 ) 1 4 3 脱氮型生物反应器填埋场 在填埋场中含氮化合物如蛋白质，尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等在氮化菌 的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮。进入渗滤液。渗滤液中氨氮浓度很高，可以达 到上千m g l ，尤其在渗滤液回灌型生物反应器填埋场中，由于渗滤液在垃圾层中的循环，导致 其n i l 3 - n 不断积累，甚至最重使其浓度高于其他非循环型填埋场的渗滤液中n h 3 - n 浓度。高 浓度的n h 3 - n 可能会有n h 3 毒性问题，n h 3 的电离取决于p h 值和温度，在一定范围内会对垃 圾降解微生物的生长有抑制作用。 不同的填埋垃圾层，由于氧在垃圾孔隙的传递扩散，填埋场是一个氧垂直序列分布的好氧一 缺氧厌氧3 种环境微生物区系生物反应器系统的结合体脱氮型生物反应器填埋场利用自然及 人为供氧将整个填埋场分成3 个区域：好氧区、缺氧区和厌氧区。在好氧区，氨在自养型硝化细 菌的作用下将其氧化成n o ，在缺氧区中，由反硝化细菌以有机物作为电子供体，使n o 还 原为n 2 而从液相中释放，实现n h 3 - n 的转化和去除。而厌氧区用于有机物的降解产甲烷。脱 氮型生物反应器填埋场的结构如图l - 6 所示： 图t 6 脱氮型生物反应器填埋场结构 f i 9 1 - 6 w h i a l i c d i a g r a m o f b i o r e a c l o r l a n d f i l l s 协d d o f u i m ：* g e a s 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 1 4 4 序批式生物反应器填埋场 在新、老填埋区间，渗滤液通过交叉循环连为一体，也即把新垃圾填埋区产生的渗滤液回 灌到老的稳定化的填埋区，而把稳定化的填埋区所捧出的渗滤液回灌到新填入的垃圾区。当新 填埋区垃圾降解微生物种群达到平衡，并且垃圾层形成适宜微生物种群生长环境( 成熟填埋区) 时，渗滤液再直接回灌，随着成熟填埋区垃圾的降解及稳定化，填埋区成为老填埋区，此时， 填埋区又可与新填埋区相联，成为序批式生物反应器填埋区( 何若，沈东升，朱荫湄，2 0 0 4 ) 其结构如图1 7 所示： 渗滤液 渗滤液 图卜7 序批式生物反应器填堙场的结构 f i g t - 7s c h e m a t kd i a g r a mo f s e q e e a c eb i o t e a t c t o l fl a a d f t l l s 在序批式生物反应器填埋场中新老填埋区通过渗滤液循环联为一体一方面，新填埋区产 生的高浓度渗滤液可以在富含有微生物种群的老填埋区降解，生成0 3 2 和c i - 1 4 ：另一方面，把 老填埋区产生的渗滤液回灌到新填埋区，不仅可以把老填埋区的垃圾降解微生物接种到新填埋 区，而且老填埋区的渗滤液把p h 值和有机营养物质比较适中，有利于新填埋区垃圾降解微生 物种群的平衡，加快填埋垃圾的降解。 序批式生物反应器填埋场通过新老填埋区渗滤液的交叉循环互相联合，不仅可以解决渗 滤液回灌型生物反应器填埋场在填埋初期渗滤液回灌造成的填埋垃圾“青贮”现象，而且与两 相型生物反应器填埋场相比，可节省建设另一产甲烷反应器的费用，在投资及日常运转费用方 面具有其经济的优越性 ， 1 5 优势分析 生物反应器填埋场与传统卫生填埋场相比具有较明显的优势，具体可概括如下： 1 降低外摔渗滤液污染强度 填埋前期渗滤液中污染物浓度很高，此时可将渗滤液全部回灌，待填埋场进入甲烷化阶段 后再根据现场情况捧放部分污染强度已较低的渗滤液。众多渗滤液回灌研究表明外排渗滤液典 型浓度值为c o d ：7 0 - 5 0 0 m g l ，b o d ：3 0 - 3 5 0 m g 几。因而在排放时可根据情况不需处理或只进 行简单处理 9 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 2 增加填埋场有效容积 一方面填埋垃圾快速分解而体积减少，沉降加快，增大了填埋能力；另一方面使用其它日 覆盖层也可使土和垃圾比小于传统填埋场l ：4 的比例，提高填埋场的空间利用率，最终减少填 埋场占地 3 提高气体产量和产气速率 由于优化了微生物生长环境，生物反应器填埋场快速进入甲烷化阶段，使产气时间提前， 产气期更集中，单位垃圾产气量更大因而更具回收利用价值。 4 加速填埋场稳定 生物反应器填埋场能在封场后较短一段时间内实现稳定，从而使生活垃圾卫生填埋场的设 计单位实现从。年”到。月”甚至。周”的转换。填埋场提前稳定可缩短封场后维护监管时间， 减小控制系统后期可能失效的长期潜在危险，还可提前复用填埋场地 5 减小渗滤液水量水质波动对场外处理系统的冲击 生物反应器填埋场内垃圾体的巨大缓冲能力完全可以均衡如降雨等外因造成的渗滤液水量 和水质波动，从而使外捧的渗滤液能保持一定程度的稳定，减少对场外渗滤液处理系统的冲击 6 减小渗滤液处理系统的设计风险 由于生物反应器填埋场初期渗滤液不需排放，故完全可以根据前期渗滤液特点针对性地设 计渗滤液处理系统，避免了传统填埋场渗滤液处理系统“事前”盲目设计造成的实用性和处理 效率误差 7 降低填埋垃圾处理成本 p o h l a n d ( 1 9 9 5 ) 将采用渗滤液回灌的生物反应器填埋场与传统填埋场的经济性进行了比较， 生物反应器填埋场经济优势非常明显，在考虑缩短封场后监管期、成矿开采和场地提前复用带 来的经济效益后，生物反应器填埋场还实现了平均年度利润( 1 0 t a c t 0 ( 注：t a c u ( t o t a l a n n u a l c o s tu n i t s ) 是年总费用单位，1 t a c u 相当于约2 5 0 0 美翮l l m 2 年) ( 李启彬，刘丹，欧阳峰， 2 0 0 1 ) 1 6 国内外研究进展及研究意义 1 6 1 国外的研究进展 自2 0 世纪7 0 年代起，美国、英国、加拿大、澳大利亚、德国、丹麦、意大利、瑞典和 日本等国相继开始了生物反应器填埋场的研究7 0 年代以美国为先驱主要进行渗滤液回灌技术 的实验室研究，年代起英、美已有部分填埋场开始应用渗滤液回灌技术，但大多都是在填埋 场设计和施工完成后才将其作为一项渗滤液管理技术加以利用。年代后期有关生物反应器填 埋场的研究工作开始转入以填埋小室研究为主，尚包括部分面积达数公顷的大规模现场研究， 研究对照参数包括渗滤液回灌、注水，污泥接种、垃圾密度，供氧、升温，垃圾破碎、日覆盖 与最终覆盖、不同性质垃圾混合、营养物添加等r o b i n s o n 和m o s h e r 等人的研究表明，通过渗 滤液回灌可以缩短填埋垃圾的稳定化进程( 使原需1 5 - 2 0 年的稳定过程缩短至2 年) ( r o b i n s o n ，1 9 8 3 ) 渗滤液回灌增加了填埋场的有效库容量，促进了垃圾中有机化合物的降解， 缩短了产沼气时间，还可提高填埋气产气量p o h l a n d ，s p o n z a ，o n a y 等人把垃圾填埋场看作 中国农业大学硕士论文第一章绪论 生物反应器，提出喷洒的渗滤液量应根据垃圾的稳定化进程而逐步提高，一般在填埋场处于产 酸阶段早期时，回喷的渗滤液量宜少，在产气阶段则可以逐渐增加；另外由于填埋场内垃圾处 于不同的稳定化阶段，可以将产甲烷区垃圾层排出的渗滤液回灌至新填入的产酸区垃圾层，而 将新垃圾层所产生的渗滤液回灌至老龄填埋区，这样有利于加速污染物的溶出和有机污染物的 分解，同时加速垃圾层的稳定化进程( p o h l a n d ，s p o n z a ， 3 n a y ) 。c a r s o n 报道了目前在美国生物 反应器填埋场的技术体系已初具规模，已有2 0 0 多座垃圾填埋场采用了此技术该方法除具有 加速垃圾的稳定化、减少渗滤液的场外处理量、回灌后的渗滤液水量水质得到均衡、降低渗滤 液污染物强度等优点外，还有比其他处理方案更为节省的经济效益。但是受厌氧填埋场特性的 限制，回灌并不能完全消除渗滤液。且回灌后的渗滤液氨氮含量高，仍需要进一步处理后才能 排放( 于晓华，李国建，何品晶等，2 0 0 3 ) 循环式准好氧填埋最早是由日本提出的，其核心是使垃圾层中进入空气，由此加速填埋垃 圾中有机物的好氧分解在回灌的条件下，保证了填埋层中有充足的水分，既减少了渗滤液的 捧放量，又降低了渗滤液的污染强度日本福冈大学的花岛正孝教授，在“准好氧填埋”理论 的基础上进行了“循环式准好氧填埋”的实验，并且已经用于实践中，花岛教授通过实验得到 的结论是：3 年间垃圾中的有机污染物约9 0 转入气相，成为c 0 2 、n 2 等气体；而厌氧填埋， 有机污染物约9 0 转入渗滤液中目前日本一般废弃物的最终处置场普遍采用了准好氧填埋 的结构，日本的工程实践证明了准好氧填埋的方式比较适合填埋垃圾的无机物含量较高，规模 属于中、小型的垃圾填埋场。o n a y 和p o h l a n d 等学者在解决卫生填埋晚期渗滤液氮含量高的 问题时，构思了将填埋场分为缺氧带、厌氧带、好氧带运行的新思路，将脱氮过程所需要的碳 源和硝态氮从填埋场底部的好氧区送至顶部的缺氧区，而厌氧区中残留的c 和n 则相应地送至 好氧区，从而实现硝化和反硝化，他们实验室的研究结果为氨氮去处率9 5 同时渗滤液中硫 化物也可得到有效的去除，这种设计思路有待于在现场试验中进一步研究。( o n a yt t , p o l d a n d ) 1 6 2 国内的研究进展 我国对生物反应器填埋方式的研究起步较晚，从1 9 9 5 年起才开始了对渗滤液回灌技术的试 验室研究，以后陆续有人研究垃圾的生物反应器填埋方式徐迪明等人的研究表明，垃圾渗滤 液经回流处理后，c o d ，b o d s 去除率可达9 5 以上，并且土壤对渗滤液中的c o d 、重金属有 一定的吸附净化能力。( 李国建，徐迪民等1 9 9 7 ) 我国李秀金通过研究发现有控制的生物反应 器填埋场内微生物的活力强。消化降解速度快，生物反应器型填埋场为微生物提供了较好的生 长环境，其产气量和产气速度也高于常规卫生填埋场。( 李秀金，2 0 0 2 ) 我国王琪等人的实验室 研究表明：采用循环式准好氧填埋技术可以将渗滤液中有机物质浓度大大降低，c o d 去处率最 高可达到9 5 以上，氨氮浓度可降到1 0 m g l 以下。( 王琪，董路，黄树华，2 0 0 0 ) 李冰，赵由 才等人将强制通风好氧和渗滤液循环两种工艺有机结合，组成好氧生物反应器型的填埋方式， 其本质是通过强制通风供氧，借助渗滤液的循环，提供垃圾填埋场内充足的水分，发挥填埋场 内好氧卫生物的性能，经研究发现这种填埋方式对垃圾及渗滤液都有好的降解效果，c o d 的去 处率可达到9 6 3 4 ，但是n 0 3 。和n 旷含量高( 李冰，赵由才，董志颖等，2 0 0 5 ) 李轶伦，夏 立江，杜文利等人在北京六里屯垃圾填埋场研究了好氧生物反应器填埋技术，试验中除了进行 强制通风和渗滤液回灌外，还在填埋柱中接种活性污泥与蚯蚓，研究提出好氧填埋渗滤液产生 1 1 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 量少，垃圾沉降速度快。接种微生物和蚯蚓有利于c o d 和氨氮的降解，加速垃圾稳定进程。( 李 轶伦，夏立江，杜文利等，2 0 0 5 ) 1 6 3 研究意义 目前垃圾填埋处理在发达国家和发展中国家都是垃圾处理的主要方式，但是现行传统垃圾 填埋处理技术仅把填埋场作为一个被动接受垃圾的系统，垃圾的生物降解是一个无任何控制的 自然降解过程由于垃圾组成复杂，物理化学和生物特性差异很大，以及垃圾填埋场结构设计 上的问题，其无法为微生物提供适宜的生长条件，垃圾的生物降解过程因而受到限制因此， 现行的传统的卫生填埋场除了占地面积大之外，还具有降解过程缓慢，稳定化时间长，降解不 完全，产气率低，渗滤液成分复杂，且难以处理等缺点。因此为了解决这些问题需要寻求一种 能够可持续发展的卫生填埋方式 2 0 世纪7 0 9 代，美国就率先开展了“生物反应器”( b i o w a e t o rl a n