（环境工程专业论文）序批式生物反应器垃圾填埋特性的研究.pdf

摘要 摘要 本次研究在模拟实验的基础上研究了序批式生物反应器填埋场的有关特性， 对比了序批式生物反应器填埋场与直接回灌型生物反应器填埋场相关性质；建立 了序批式生物反应器填埋场产甲烷速率的数学模型；对比分析了本模拟实验与实 际填埋场，得出提高实际运行填埋场产气速率的方法。 在序批式生物反应器填埋场中，通过新老填埋区渗滤液的交叉回灌，将老填 埋区里成熟的产甲烷菌和营养物质转移到新填埋区，加快了新填埋区生物种群的 平衡，减少了新填埋区水解和产酸时间，降低渗滤液的酸度，使新填埋区更利用 产甲烷菌的生长，使新填埋区可以快速的进入产甲烷期：同时，交叉回灌也可以 将新填埋区产生的高浓度渗漓液带到老填埋区，利用老填埋区的成熟产甲烷菌进 行生物降解，降低了渗滤液的c o d 浓度，减少了对周围水体污染的可能：另一 方面，新渗滤液加入到老填埋区，消耗了老填埋区生物种群，加速了填埋场的稳 定化，增加了填埋场的有效使用容积，提高了填埋场的利用率。 通过模拟实验，还可以发现在序批式生物反应器填埋场中，甲烷产量与累计 产甲烷量都有了大幅度的提高，这样更方便填埋气的收集利用，提高了填埋场的 经济效益。 通过对产气量模拟及实验结果分析可知，填埋场理论产甲烷量与实际产甲烷 量之间有较大的差别，得出了两者之间的比例关系。同时根据实验数据，本研究 利用实验数据建立起来的数学模型表明，对低回灌频率韵序批式生物反应器填埋 场，可以直接利用时闯来估算填埋场的产气速率。 最后，通过模拟实验与实际运行填埋场的对比分析，得出了提高实际运行填 埋场的产气速率的方法。 关键词：填埋场；甲烷；渗滤液；产气速率 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t 触c t t b ec h a r a c t e r i s t i co fs e q u e n t i a lb i o r e a c t o rl a l l d f i l lw a sr e s e a r c h e db ys i m u l a t i v ee x p e r i m e n t s i nm i st 1 1 e s i s ，c o m p a r i n gt i er e l e v a l l tc h a r a c t e r i s t i co f s e q u e m i a lb i o r e a c t o r l a l l d f i l la n d r e c i r c i l l a t i n gb i o r e a c t o rl a l l d 丘l l ，s “n g u pm a t h e m a t i c a lm o d e l o fm e t h a l l ep r o d u c e - v e l o c i t y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i v ee x p e r h e n t sa n dt h e 缸u a ll 卸d 铷，f l n d i n gt l em e 也0 dt os p e e d u pt h e m e m 锄ep r o d u c e - v e l o c i 母i na c n l a l l a n d f i l l i n 也es e q u e n t i a lb i o f e a c i o rl a n d 8 l l ，t h em e 出a n eb a c t e r i aa n da l i m e n t a t i o ni nt 1 1 eo l ds e c n o n w e r eb r o u g h tt om en e ws e c 廿o nb yl e a c h 如c r o s s i n g _ c i r c i e ，e x p e d i t et h eb i o l o g i c a l 酽o u p e q u i l i b r m mi nm en e ws e c t i o n ，r e d u c e dt h eh y d r 0 1 州ca n da c i d 证c a t i o nt i m e ，d e s c 蚰d e dt h e l e a c h a t ea c i d j 劬t 量l em e t 王l 锄eb a c t e r i ac o u l dg r o wq u i c k l y ，t l l en e ws e c t i o nc o u i de r l t e rt h em e m a n e f e m e m a t i o n a tt b es 啪e ，m el i i g hc o n c e n 把n i o nn e wl c a c h a t ew t o o kt o0 1 ds e c n o l l ，d e f a d a l e d b yt 1 1 em e t h 她eb a c t e r i ai nt l eo l ds e 甜o n ，d e b 船e dt t l ec o dc 叻c e n t r 鲥o no f1 e a c h a i e ，d e c r e a s e d m ep o s s i b l i t et 0p o l l u t e1 1 1 ee n 埘埘珊t 0 nl h eo 也e rh 蚴d ，j n 出eo 】ds e c 畦0 n ，幽en e wl e a c h a t e c o n s u m e dm eb i o l o g i c a lg u p ，s p e e d e du pt h es t a b i l i z a 蛀o n ，b c r e 鲢e d 也ev i r 鼬a lu s e 缸ic u b a g e dt 1 1 ea v a n a b i i 耐o f 1 el 锄d 删 t h er e s u ni n d i c a t e d 恤a tm cm e t t l 柚ed a i l ya v e r a g ev a l u e 柚dt f l et d t a lp r o d u c 廿o nw e r e i n c r e 鼬e ds u b s t 姐t i v e l y mm es e q u e n t i a l b i o r e a c t o rl a n 曲1 1i tw 硒p r 叩i t i o u st 0c 0 1 l e c tm e t l l 锄e ， a d v a n c et l i ee c o n o m i c a lb e n e n t b y 锄a l y s em es i m l l l a t i o n 醐dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u n ，i tw 越s h o w n 也a tt h et l l e o r e t i c m e n l 拍ep r o d u c t i o ni sq u 姬l a r g c rt h 髓t i l ef a c t l l a l ，e d u c e d 伽es c a l ea m o n gm e m a n a l ”e dt h e c o n t a c to ft h em e t h a n ep 池i n g v e l o c i t y d h el e & c h a 地r e c i u 1 8 t i n 争q u e n c y mt h el o w r e c i r c u l a t m g - 船q u e n c ys e q u e n t 谳b i o r e 粒t o rl 锄曲l l - b e f o r el h e 缸衄嘶，t h em e 也a n e p r o d u c m g - v 曲。c i 哆i l l c r e 雒e dt 印i d l ya c c o r d i n gt ot h ei m p r o v e m e n to f 也e 托c h u l a t ef h q l 坤n c y b u ta f e rt h a t ，i tw o u l dd e c r e 船e db yt h en e g 缸i v ee x p o n e n t f i n a l l y ，b yc o m p a r e i n gt l i es _ 吼u l a t i v ee x p e r i m e n 忸a n d 也ea c t u a l1 a n d 伽，e l i c i t e dt h em e m o d t os p e e 血pm em e 吐l ep r o d u c i n g - v e l o c n y k 唧w o r d s ：l a n d f i u ；m e t k m e ；l e a c 量l a t e ；p r o d u c i n 哥v e l o c i t y i i 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，也不包含为获得北京工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、 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 知。；6 g 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：越导师签名更呈塑匿日期：竺! ! ! 量g 第1 章前言 1 1 课题的提出 1 1 1 填埋法的发展 垃圾的土地填埋是从传统的垃圾堆填发展起来的一项最终处置技术。早在公 元前古希腊米诺文化时期，克里特岛的首府康诺索斯就曾经把垃圾填八低凹的大 坑中，并进行分层覆土f 】j 。第一个城市垃圾填埋场于1 9 0 4 年在美国伊力诺易斯 州的三番市建成，其后俄亥俄州的丹顿、伊阿华州的德文波特等地也相继建成和 运行了l 城市垃圾填埋场。这些垃圾填埋场的假设和运行奠定了土地填埋处置的最 早期技术基础。其经验证明，将垃圾埋入地下会大大减少囡垃圾敞开堆放所带来 的滋生害虫、散发炱气等问题。但是，这种早期的土地填埋方式也引起一些其他 的环境问题，如由于降雨的淋洗及地下水的浸泡，垃圾中的有害物质溶出并污染 地下水和地表水，垃圾中的有机物在厌氧微生物的作用下产生以c h 4 为主的可 燃性气体，从而引发填埋场的火灾或爆炸等。 2 0 世纪3 0 年代，美国加利福尼亚州首次提出“卫生填埋”的概念，到8 0 年代发展为成熟的技术。它与传统的堆填处置主要区别如下： ( 1 ) 经过科学选址： ( 2 ) 建设符合环保要求的工程措施； ( 3 ) 按技术规范填埋作业； ( 4 ) 饱和后要进行封场和封场后的维护管理。 现代的卫生填埋与传统的堆填处理有着本质的区别，完全符合现行的环保要 求。由于其安全可靠、投资较省、处理费用低，已被世界上许多国家采用。 我国垃圾卫生填埋技术发展得较晚，2 0 世纪8 0 年代初，城市垃圾处理主要 以高温堆放和裸露堆填为主，全国无一家正规的卫生填埋场。 2 0 世纪8 0 年代中后期，垃圾的裸露堆放导致蚊子、苍蝇大量孽生，臭气熏 天，而且垃圾渗滤液不经任何处理，随意排放，严重污染周围环境。这种状况与 各城市快速发展的经济极不协调，不自b 满足群众对环保的要求，促使各级政府规 划筹建比较规范的垃圾填埋场。1 9 8 5 年选址立项、1 9 8 8 年建设、1 9 9 1 年运行的 杭州市天子岭垃圾处理总场填补了国内无一家正规垃圾卫生填埋场的空缺。它是 国内首家按建设部卫生填埋技术标准设计建造的大型山谷垃圾卫生填埋场，具备 特殊的水文地址条件，工程采用垂直帏幕灌浆防渗技术，防止污染地下水。该填 埋场占地4 8 公顷，库容为6 0 0 万m ，垃圾处理规模为约1 2 0 0 抛。 在传统的卫生填埋场中，垃圾的生物降解是一个无任何控制的自然降解过 程。由于垃圾组成成分复杂，物理、化学和生物特性差异很大，以及垃圾填埋场 程。由于垃圾组成成分复杂，物理、化学和生物特性差异很大，以及垃圾填埋场 北京工业大学工学硕士学位论文 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。为了解决这些问题，2 0 世纪7 0 年代，美国率先发展了“生物反应器” ( b i o r e a c t o rl a n d 丘1 1 ) 填埋技术的研究吼 生物反应器填埋场是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的运行方式。 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 h 值调节、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 同在于其生物反应过程是加以控制的。一个填埋单元就是一个小型的“可控制生 物反应器”( c o n 仃o l l e db i o r e a c t o r ) 。许多这样的填埋单元构成的填埋场就是一个 大型生物反应器 j 。 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【4 】。 1 1 2 填埋法所处的地位 随着我国社会经济的发展，城市数量、城市人口的增加以及人民生活水平的 提高，城市生活垃圾( m u n i c 岫a 1s 0 1 i d w a s t e ，简称m s w ) 的产量也在迅速增加。 2 0 0 3 年我国的生活垃圾的产量达到了1 4 8 5 7 万吨，在未来的1 0 之0 年内，预计 城市垃圾产生量将以每年3 一5 的速度递增p 】。城市垃圾对环境的污染已经成 为一个十分严峻的问题，它和大气污染、水污染成为当今最主要的三种污染形式。 如何处理和处置城市生活垃圾，实现减量化、资源化和无害化，已成为需要迫切 解决的一个重大课题。 垃圾处理处置的方法主要包括焚烧( i n c i n e r a t l o n ) 、堆肥( c o m p o s t 协g ) 、资 源回收( r e c y c l e ) 、卫生填埋( s a i l i t a r y1 a 1 1 d f i l l ) 等，每一种处理处置方法都有各 自的优缺点。焚烧法的优点是减量化好，处理彻底，缺点是一次性投资大，运行 费用很高，对管理水平和设备维修要求高，而且焚烧过程中产生的烟气含有很多 的有毒有害物质，若处理不当，容易对环境产生较为严重的二次污染。堆肥法存 在着肥效低，产品出路不佳，与化肥等同类产品相比竞争力差的缺点，而且长期 使用易造成土壤板结和地下水质变坏。资源回收是一个很好的方法，它从源头上 削减垃圾产量，而且还能变废为宝，但是它只是一种垃圾减量化的途径，并不能 代替垃圾的最终处置。填埋技术作为生活垃圾的最终处置方法，虽然也有其自身 的缺点，如选址困难，占地面积大，产生的渗滤液与填埋气污染地下水与大气等， 2 笫1 覃前言 但是填埋法具有投资省，处理费用低，处理量大，所需设备少，操作简便且能回 收沼气等优点，而且如果设计运行得当，可以避免二次污染，因此垃圾填埋一直 是垃圾处理的一个重要方法。随着填埋技术的改进，卫生填埋法成为了世界上许 多国家，尤其是发展中国家城市垃圾的主要处理方式，在英美等一些发达国家， 城市垃圾卫生填埋也占有很大比例。 我国作为发展中国家，经济不很发达，人口众多，城市垃圾产生量大，资金 相对短缺，而卫生填埋法最大的优点是处理量大，投资相对较小，因此是垃圾处 理必不可少的最终处理方法，卫生填埋法是现阶段以及相当长一段时间内我国城 市垃圾处理的主要方法【6 。 1 1 3 垃圾填埋气的组成及其危害 填埋场气体( 1 a 1 1 d 矗1 lg a s ，简称l f g ) 主要产生于填埋场废物中的有机组分 的生化分解，既包括好氧状态下产生的气体，也包括厌氧状态下产生的气体。垃 圾填埋一般是采用一层垃圾、一层覆土的交替方式进行，因此，垃圾的状态都经 历一个由好氧到厌氧的过程。对环境影响较大的填埋场气体主要产生在厌氧阶 段。当垃圾被覆盖后，空隙中有限的氧气逐渐被消耗掉，垃圾中有机物分解的状 态也过渡到厌氧阶段。厌氧降解过程分为三阶段，即水解酸化阶段、产甲烷阶段 以及稳定化阶段。在厌氧阶段，会产生大量的甲烷和二氧化碳气体。 填埋场气体是一种混合气体，它的典型特征为：温度4 3 4 9 ，相对密度 约1 0 2 1 0 6 ，为水蒸气所饱和，高位热值为1 5 6 3 0 1 9 5 3 7 k j m 3 7 】。由填埋场气 体的产生过程可知，其主要成分为甲烷和二氧化碳，二者的体积占填埋场气体总 量的9 5 以上。由于垃圾成分极为复杂，填埋场气体的组成也极为复杂，根据 各组分的特点，填埋场气体可分为三类： 第一类为主要成分：包括甲烷和二氧化碳，其总体积占填埋场气体总量的 9 5 9 9 ，其中甲烷的含量占5 0 7 0 ； 第二类是常见成分：主要是指垃圾在生物降解过程中产生的除甲烷和二氧 化碳外的其他常见气体，包括硫化氢、氨气和氢气等气体，这些气体的含量较小， 占填埋场气体总体积的5 以下； 第三类是微量成分：填埋场气体中还有总量低于1 的一些微量气体。这 些气体虽然含量极低，但种类多，成分复杂，主要包括烷烃、环烷烃、芳烃和卤 代化合物等挥发性有机物。它们主要来源于垃圾中的油漆、洗涤荆、干洗剂、空 气清新剂等化学物质及其残留物的挥发和生物降解。 随着填埋场的条件、垃圾的特性、压实程度和填埋温度等的不同，所产生的 填埋气体各组分的含量会有所变化。典型的填埋气成分和含量如表1 - j ： 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 1典型的填埋气成分与含量 成分体积分数( ) 甲烷 4 5 7 0 二氧化碳 3 0 5 5 氮气 2 5 氧气 0 1 1 0 硫酸盐、硫酸氢盐、硫醇 0 1 o 氨气 o 1 1 o 氢气 o 0 2 一氧化碳 0 0 2 其它痕量气体0 0 】o 6 填埋场气体的危害： 温室效应 二氧化碳是种温室气体，甲烷是种比二氧化碳危害更大的温室气体，甲 烷的温室效应是等质量二氧化碳的2 0 倍。据估计全球每年向大气排放的甲烷量 为2 0 1 0 6 7 0 1 0 6 t ，而填埋场气体被认为是大气中甲烷的主要来源。近年来的 研究认为，填埋场是继湿地和稻田之后对大气甲烷贡献较大的发生源。据估算， 垃圾填埋气对于全球变暖所做的贡献为3 【8 】，仅次于稻田。 爆炸的危害 填埋场爆炸的类型主要有两种，即物理爆炸和化学爆炸。物理爆炸是由于填 埋气在垃圾层中大量积聚，形成强大的能量，当积累的压力大于覆盖层压力时， 在瞬间将垃圾以迅猛速度突出，发生减压膨胀。化学爆炸是指甲烷浓度在爆炸范 围内，当其与空气混合后，遇到明火会发生激烈的放热反应，产生大量的热量， 气体受热膨胀，从而将垃圾喷射出来。 污染地下水 填埋场气体在压力的作用下迁移透过垃圾层、土壤层进入地下水中，其中的 二氧化碳极易溶解于地下水，结果会造成地下水p h 值下降，导致周围岩层中更 多的盐类溶入地下水，使地下水含盐量过高，影响其用途。 影响人体健康和环境质量 填埋场气体中的恶臭来源于微量气体中的某些组分。据y o u l l g 【9 】等报道，只 有1 0 的微量气体会产生恶臭问题。填埋场气体中还含有对人体有害的气体， 这些气体尽管浓度很低，但毒性很强，对环境及人体的健康有严重的威胁。有的 第1 章前言 气体燃烧后会生成腐蚀性物质，会对填埋场气体的回用设备有损害。 妨害地表植被 填埋场气体进入土壤后，会充满土壤缝隙，使植物根系处于缺氧状态，导致 植物生长不良甚至死亡。植物在填埋场上生长时要面临填埋场气体、渗滤液以及 最终覆土层的高温等环境压力。土壤中填埋场气体的存在，可导致植物生长不良、 高死亡率、植株矮化、生理失调等种种问题，是填埋场植物生长最主要的限制因 子 4 】。 对渗滤液的影响 对全封闭型的填埋场，填埋场气体的逸出会造成衬层的泄漏，从而导致渗滤 液的渗漏，加大渗滤液对环境与人类的危害。 1 1 4 垃圾填埋气的利用前景 对填埋气的分析可知，一般成熟的垃圾填埋场中c h 4 的体积含量在6 0 左 右，c 0 2 的体积含量在4 0 左右【1 0 】，填埋气的高位热值在1 5 6 3 0 1 9 5 3 7 m 3 【1 1 ， 与城市煤气的热值接近，每立方米填埋气中所含的能量大约相当于o 4 5 l 柴油或 o 6 l 汽油的能量，因此，世界上美国、英国、德国，以及拉丁美洲等许多国家及 地区都十分重视对填埋场气体的利用。近年来，随着环境变迁和温室效应加剧、 能源紧张等，对填埋气的利用愈加受到重视。 垃圾填埋气主要作以下几个方面的用途p j ： 用于锅炉燃料； 用于民用或工业燃气； 作汽车燃料； 用于发电； 用作化工原料； 其它利用方式。 截止1 9 9 0 年，欧盟的填埋气利用项目就有1 7 5 个。而在美国到1 9 9 9 年6 月， 有2 7 0 个填埋场进行了填埋气的利用，u s e p a 估计在近几年还有5 0 0 个填埋场 将要进行填埋气的利用 1 2 】。 我国的填埋气利用工作始于2 0 世纪8 0 年代，经过2 0 多年的发展，已经取 得了长足的进步。目前已有十多个大中城市和几十所高校、科研机构进行填埋气 收集利用研究工作。1 9 9 7 年在全球环境资金的资助下，鞍山、马鞍山、南京三 个城市利用垃圾填埋气的项目全部启动，已有的研究和实验积累了宝贵的经验， 推动垃圾填埋气利用纵向发展。 做为我国目前较少几个利用填埋气的填埋场，杭州天子岭卫生填埋场气体发 北京工业太学工学硕士学位论文 电厂于1 9 9 8 年1 0 月2 7 日正式投产运行，其生产的电力并入华东电网。1 1 月份 为发电系统磨合阶段，实行一班制运转，1 2 月份进入三班制运转，系统运行正 常，达到了设计的4 6 m w 。2 0 0 2 年达到年上网量约1 4 0 0 0 m 、v h ，年产值近8 0 0 万元。发电厂设备寿命约2 0 年，投资回报期6 7 年，经济效益较为理想，同时 实现了一定的环境和社会效益【l l 。 我国的填埋气处理及应用技术还不成熟，但发展前途十分广阔。一方面，我 国的城市垃圾较之国外的更适合填埋气体的产生，有很大的潜力可挖掘。国外垃 圾有机成分中纸类占百分比最大，而我国城市垃圾中的有机物部分则以食品垃圾 为主。另一方面，城市垃圾的集中处理处置，可促进填埋气体的回收利用。我国 的城市能源结构正在发生变化，煤气和天然气正逐渐走入千家万户的生活中。庞 大的管网为填埋气体作为管道气进入千家万户提供了可能【l ”。 1 1 5 课题的提出 随着我国经济的快速发展，生活水平的不断提高，在生产和生活过程中产生 的垃圾量在急剧增加，对垃圾的处理也提出了更高的要求。近年来，一批大型的 卫生填埋场已经设计运行，并且可以预见，未来段时间里，会有越来越多的大 型填埋场将逐步开始规划建设。 对填埋气特性的分析可知，方面填埋气的随意排放将对环境和人体健康产 生很大的危害，另方面，填埋气又是一种可以回收利用的能源。因此，为了保 护环境和人体健康，同时取得较好的经济效益，对填埋场气体要进行收集处理与 利用，以达到社会效益、环境效益和经济效益的统一。 填埋场气体是填埋垃圾中可生物降解有机物在微生物作用下的降解产物，填 埋场理论上能达到的最大产气量取决于填埋垃圾的总量和垃圾中可生物降解的 有机物含量。同时，填埋场实际产气量还受其他因素影响，如垃圾中的含水率、 营养成分、p h 值、温度等，如果环境条件超出了产甲烷微生物所能忍受的极限， 微生物不能正常代谢，就会影响实际的产气量；如果填埋场对渗滤液不采取回灌， 则渗滤液中损失的有机物也会使实际产气量减少。 由于影响填埋场释放气体产生量的因素很复杂，精确的填埋场气体产生量很 难估算。为此，国外从1 9 7 0 年初就发展了许多不同的理论或实际估算垃圾填埋 场产甲烷量的方法。填埋产气量的确定方法大体可归为三类，即理论计算法、经 验法和实测法【14 1 。为确定填埋场气体的实际产气量和产生速率，首先必须知道填 埋场废物的潜在产气量( 即理论产气量) 。填埋废物的潜在产气量，可根据废物 的化学计量分子式计算确定，也可以根据废物的化学需氧量计算确定。 根据污泥消化等方面取得的研究成果，填埋气体产量的理论计算方法有三 笫1 覃前言 种：化学计量计算法、化学需氧量法、用垃圾中的有机物可生物降解的特性进行 计算 1 ”。 经验法需要掌握填埋场场地尺寸、填埋平均深度、垃圾组成、降解速度、垃 圾填埋量和该场地的最大容量等有效数据。通过地形勘察和数据分析，先判断记 录数据的准确性，然后就可以得到填埋场目前和远期产气较为简单的估算。 填埋垃圾中的有机物不可能全部进行生物分解，从而在填埋场里消失。而且 分解后的有机物，也不可能全部变成沼气。一般来说，填埋作业分期进行，所收 集的沼气是从新旧垃圾层所产生出来的混合气体，气体向水平方向扩散，再流向 填埋场外，而且有相当一部分沼气还通过覆盖土，散逸到大气里去。因此，在投 入使用的填埋场里，测定潜在的沼气发生量和气化率是非常困难的。由于在实际 使用中的填埋场里存在着大量不确定的因素，故人们往往利用填埋模拟实验，来 求生活垃圾在厌氧填埋时的沼气发生量，从而推算出它今后在实际填埋时的可能 产生量【1 6 1 。 上述填埋气体产生量的估算方法在应用方面要充分考虑到填埋场的实际情 况，并且产气量也是随着时间而变化的，在估算时要实事求是地进行，根据各填 埋场的具体情况具体估算。 根据国内外的实验资料来看，开展模拟实验的规模不一。在实验室进行的模 拟实验，与实际运行中的填埋场相比较。存在一定的差异，但是产气动力学规律 和填埋物在填埋场中的转化规律基本上是一致的，因此可以模拟出填埋过程中垃 圾的降解规律和产气过程，为填埋场的实际运行提供指导。 随着我国垃圾产量的增加和填埋场的相继建设，如何预测我国填埋气的产量 和产气速率是值得研究的问题。从整个填埋产气的过程上看，现场抽气实验的实 验数据只是一个时间点上的数据，整个产气过程数据难以获得，而且从经济角度 考虑，现场抽气实验比较昂贵。而模型估算法能反映出整个填埋过程中的产气情 况，并且应用简单、经济、易行，因此该方法更加受到青睐。而且从目前国外的 文献报道上看，用数学模型来估计产气情况也一直是个热点和重点，研究得比较 多。我国的填埋场要进行填埋气的回收利用工程，也要在这方面进幸亍研究。 1 2 本课题的研究目的与意义 由前面的分析可知，为了有效的收集处理和利用填埋气，达到填埋场的社会 效益、环境效益和经济效益的统一，一般卫生填埋场都应该建立简单有效的数学 模型，预测该填埋场填埋气的产量和产气速率，为工程实践提供理论上的依据。 本课题的研究意义主要包括以下几点： 通过本模拟实验，对序批式卫生填埋场的设计、运行提供理论依据。 北京工业大学工学硕士学位论文 通过对序批式卫生填埋场产气量和产气速率的确定，为填埋气回收利用的 可行性提供理论数据，为回收利用设施的具体设计、日常运行管理提供依据。 为垃圾填埋场的环境影响评价提供理论依据。确定了填埋气的产量和产气 速率以后，就可以评价填埋气对环境的影响，从而明确填埋场对周围大气环境产 生的影响，为该项目的可行性提供指导。 为建立与制定垃圾填埋场在填埋气方面的规范和法律、法规提供理论依 据。填埋气作为一种较为严重的大气污染物，必须限制其向大气中的排放量。目 前我国在这方面的法规还基本上处于空白，主要是能够提供的理论依据较少。 1 。3 国内外填埋气预测模型概况及其缺陷 1 3 1 填埋气产生量的预测 由于填埋场气体产生过程复杂及影响因素较多，很难精确计算出填埋气体的 产生量。但垃圾的潜在产气量，口口理论产气量，是确定填埋场气体实际产生量的 重要依据之一。填埋场气体的产生量和产率在理论上可采用经验估算法、化学计 算法和理论需氧量三种方法来预测i i ”。 经验估算法 经验估算法是依靠经验和参考其他类似填埋场的数据，并结合给定填埋场的 场地尺寸、填埋平均深度、垃圾组成、降解速度、垃圾填埋量和场地的最大容量 等有关进行填埋场气体产气量估算的一种方法。经验估算法的优点是简单、快速， 但需要设计者具有良好的经验和比较可靠的类似填埋场的历史数据。 化学计算法 按照填埋气体产生的原理可知，垃圾中可生物降解的有机组分的组成和该组 分被降解的程度直接决定着填埋气体的产生量。按照生物降解速率的快慢，可将 城市生活垃圾中的有机组分分为三类：快速降解的有机物；缓慢降解的有机物和 不可生物降髂的有机物。 通常，城市生活垃圾中可快速降解的有机组分包括食品垃圾、新闻纸、办公 纸、纸板、树叶和草；缓慢降解的有机组分有纺织品、橡胶、皮革、木头和树枝 等；塑料通常被认为是不可降解的组分。 理论需氧最法 假设填埋气体产生过程中无能量损失和垃圾中有机组分全部分解为甲烷和 二氧化碳。根据能量守恒定理，垃圾中有机组分含有的能量将全部转化为甲烷所 含的能量，即有机物所含能量等于甲烷所含能量。同时，考虑到物质所含能量与 该物质完全燃烧所需氧量成特定比例，即t d d 帆舫= c o d 捷。 据甲烷燃烧化学计量式：c h 4 + 2 0 2 = c 0 2 + 2 h 2 0 ，则可得到计算填埋场甲烷理 第1 章前言 论产生量的公式：1 k g t o d n 自= o 3 5 m 3 c h 4 。 1 3 2 填埋气产生速率的预测 目前国内外研究的填埋气产生速率主要有两个模型，s c h o l lc a n y o n 模型与 m o n a d 模型。 s c h o l lc a n y o n 模型是利用数学模型来计算填埋气体的产生速率，目前在 填埋场设计中广泛使用 1 8 】。 s c h o l lc a n y o n 模型是一阶动力学模型，该模型假设填埋场建立厌氧条件， 微生物积累并稳定化造成的产气滞后阶段可忽略不计，即从计算起点产气速率就 已经达到最大值，随后再以指数规律逐渐下降，数学表示为： l i = k l o e x p ( - ( 1 1 ) 式中：k 一填埋场气体产生量，m 3 a ； k 一产气速率常数，1 a ； l o 一垃圾厌氧最大产气量，m 3 ； t 一垃圾填埋场时间，a 。 s c h o l lc a l l y o n 模型的优点是模型简单，需要的参数少。但是需要注意的是， 该模型忽略了垃圾自填埋场开始产气至产气速率达到最大值这段时间及这段时 间的产气量，只能大体反应产气速率变化趋势。不过在实际中，该模型能为项目 的经济评价、气体收集工艺设计和设备的选用提供支持。 m o n a d 模型法【1 9 】 目前多种方法中比较符合实际的数学模型是m o n a d 模型，此模型据以下假 设建立的：即垃圾在填埋场内的产气速率很快达到高峰，随后其产气速率以指数 规律下降，用公式表示垃圾在第t 年的产气速率即是： g 产w g o k e x p ( 一k i ) ( 1 - 2 ) 式中：g f 一第t 年垃圾的产气速率，m 3 ，a ； w 一第t 年所填埋的垃圾量，t ； g 0 - 一单位重量垃圾理论最大产气量，m 3 ，a t ； k 一垃圾的产气系数，1 a ； t 一年份，a 。 对垃圾填埋场来说，从使用到封场，一般要经过十几年或者几十年，因此其 产气过程是一个漫长的过程。对每一天填埋的垃圾来说，其产气过程均遵守上述 规律。为简化计算，在实际应用中，一般是对每一年的填埋垃圾进行计算，然后 对每年的垃圾产气速率进行叠加即得出各年填埋场总的产气量。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 3 国内外垃圾填埋气模型发展及现状 根据查找到的资料来看，在2 0 世纪7 0 年代，国外的一些学者利用实验性数 据对填埋产气的情况进行了合理的总结。1 9 7 3 年f a r q u h a r 和r o v e r s 二人提出了 真正定量的产气模型 2 0 ，标志着定量产气模型研究的开始。此后，许多学者对产 气模型进行了研究，根据不同填埋场的产气状况而提出的不同产气模型，到今天 研究还在继续。随着人们对厌氧降解过程分析的深入和对垃圾填埋场研究和理解 的提高，提出的产气模型也愈加复杂，同时也更接近于实际填埋场的情况。 但是影响填埋场产气的因素很多，填埋场内发生的反应过于复杂，同时人们 对填埋场反应器的机制尚未完全明确，所以要用数学表达式对所有的因素进行 一描述并不容易。从目前的研究来看，尽管有许多产气模型，但是并没有一种模 型占主导地位，这些模型只能是近似地模拟实际的产气情况。到今天关于填埋气 模型的研究还在进行。国外现在使用较多的典型模型主要有以下几种： p a l o sv e r d e s 模型【2 1 】 该模型假设在填埋场中，甲烷的产生主要分为两个阶段。在第一阶段，甲烷 产生速度正比于已经产生的甲烷的体积；第二阶段中，余下的产甲烷潜能的减少 速度正比于剩余的产气潜能。模型同时假设，最大的产气速率和半衰周期t 。忍( h a l f 由n e ) 都发生在两个阶段的连接点处，t i ，2 是指填埋场中一半的可产甲烷的物质潜 能( b m p ) 转化为甲烷的时间，即是填埋气产生的半衰周期。算出每种有机物在 时间t 内产生的气体对时间的积分，从而求出产气速率。 s h e l d o n m l e t a 模型 2 2 根据城市污水厂污泥厌氧消化产气曲线f a 和m o o r e 曲线，得出了s h e l d o n a r l e t a 模型。同样，该模型也假设甲烷的产生经历两个阶段，同样服从一级反应， 而且它假设两个阶段的转折点也在半衰期处。与前一模型差别在于该模型将填埋 场中的有机物分为两大类：易降解的有机物和相对难降解的有机物。 s c h o l lc a n y o n 模型【i s j s c h o nc a n y o n 模型假设经历一段可以忽略的时间后，填埋气的产生速率迅 速达到它的最大值( 这段时间主要用来建立起厌氧条件和生物量的增加) 。随后 产气速率遵循一级动力学，反应速度随可降解的有机底质的减少而降低，这等于 就是假设微生物的增长主要受着垃圾中有机底物含量的限制。这些可降解的有机 底质可由余下的甲烷潜能来度量。此模型把填入填埋场的垃圾量按照每年填入的 量分为许多子重量，总的产气速率和产气量就是各个子重量的产气速率和产气量 之和。 m g me m c o n 模型】 m g m e m c 0 n 模型也把垃圾中的有机物分为三部分：容易降解的有机物、 第1 章前言 中等程度降解的有机物、较慢降解的有机物，每一种有机物都有其产气曲线，其 输入项为垃圾量、成分、含水率以及产气滞后时间和转化时间( 可降解的物质转 化为生物气所需的时间) 。三种不同的有机物的转化量之和就是总的垃圾填埋气 产量。 h o e k s 模型 2 4 】 该模型也将有机物分为易降解、中等易降解和降解较慢三大类，同时给出了 三类有机物各自不同有机物浓度和降解速率常数，与s c h 0 1 lc a l l y o n 模型一样， 也假设经历一段可以忽略不计的时候后产气速率达到最大值。通过对比分析可以 发现，此模型与s c h o l lc a n y o n 模型大致相同，只不过在t 时刻余下产气量的表 达方式不同。 由以上讨论可知，这几种模型结构比较简单，实际使用起来较为方便，但是 也存在较为明显的缺陷。首先，s c h 0 1 lc a l l y o n 模型和h o e k s 模型忽略了垃圾开 始降解到产气速率达到最大的时间；其次，p a l o s 、，i r d e s 模型和s h e l d o n 触l e t a 模 型均假设最大的产气速率发生在半时间( 填埋垃圾从填埋开始算起的产气量达到 总产气量的一半所用的时间) 处，这与实际情况并不相吻合；最后，以上的模型 均认为填埋场中生物量的增长主要受着有机底物含量的限制，而实际的情况上除 了有机物外，还有很多的因素影响着生物量的生长。 针对以上模型的缺陷，同时随着人们对厌氧降解以及填埋场内发生的反应理 解的不断地深入，人们又提出了一些改进的模型。s t a n f o r d 大学的a n f i n d 汰a k i s 等 2 5 】通过对美国加州的m o 啪t a i nv i e w 填埋场的产气情况进行了研究，提出了三 角函数模型；日本京都大学的j i u 衄一j y i l a y 等人1 2 5 】根据填埋场中的羧酸、蛋白质 和油脂等有机物质转化为甲烷的能力，认为填埋过程中微生物的增殖满足细菌生 长的g o r n p e r t z 方程，得出了甲烷的产气模型，这一模型包涵有三个生物动力学 参数：滞后时间、产甲烷潜能及产甲烷速率；s a n d e 印p a r e c k 等认为产甲烷过 程还存在着硫酸盐还原菌( s r b ) 与产甲烷菌的竞争，不能忽略其影响，该模型 同样按照m o n o d 方程写出每一步的反应式，得出较e l f a d e l 还耍复杂的模型。 由于我国进行垃圾的卫生填埋场时间较短，与发达国家相比，对城市垃圾填 埋处置方面的研究起步较晚，对填埋气的产量和产气速率的研究就更要落后 些，并且研究也相当有限。但是近年来，随着我国城市垃圾填埋场气体问题的日 益突出，对这方面的研究已经开始引起越来越多的关注【2 6 1 。 在s c h 。l lc a n y o n 模型的基础上，黎青松等【2 7 ，2 8 1 人对深圳市玉龙坑填埋场的 现场打井抽气实验结合理论计算得到该填埋场的垃圾产气量为1 8 9 m 3 a ，而且还 得出了垃圾产气速率的表达式。 焦学军等例应用m g me m c o n 模型，对上海市老港垃圾填埋场结合实验 北京工业大学工学硕士学位论文 室研究，得出理论上的甲烷产量为5 2 9 7 l k g 。实验室研究结果为在填埋后的l 至5 年内，产气速率随时间的增加而减少，波动范围为1 7 2 4 7 m 1 l 嚷d ，现场 实验填埋两年的垃圾，实际的产气速率为4 6 m 1 k g d 。 在对佛山五峰垃圾填埋场进行现场实验的过程中，陈鲁言等口0 】人发现c h 4 浓度在1 7 一7 0 0 之间，c 0 2 的浓度在1 7 3 7 8 之间，并根据有机碳的质量 守衡关系，计算出了c h 4 和c 0 2 的产量。李雁等f 3 l ，3 2 j 根据监测的数据，由线形 回归的方法导出了甲烷气体浓度变化的关系式，由于此关系式是由试验数据的统 计分析得出的，不是由填埋场内部的反应机理导出，因此它不能适用于其他的填 埋场。 虽然国内的学者进行了一些相关实验，但目前进行的研究基本上都是用模型 估算，也只限于利用国外现成的模型。实际上，我国垃圾特性与国外的存在很大 的差异。与国外垃圾相比较，我国垃圾具有以下特征： 垃圾中食品垃圾的含量较高，而食品垃圾属于易生物降解有机物，因此产 气速率会较国外垃圾高口7 】； 垃圾中的碳氮比较低，我国垃圾c ，n 值约为2 0 ，国外垃圾c 小典型值为 4 9 ，实践证明细菌厌氧发酵的最佳c n 值范围为2 0 3 0 【3 3 1 ； 垃圾含水率相差较大，我国垃圾含水率一般在4 0 一6 0 ，甚至更高，而国 外在2 0 4 0 左右p 4 j 。 由于以上的差异存在，使得在对国内填埋场进行设计和估算时，不能完全照 搬国外的产气模型。需要针对我国垃圾自身的特点，建立合适的填埋气产量和产 气速率模型。因此填埋气的产气量与产气速率的模型将是我国城市生活垃圾填埋 场气体控制利用技术的关键，是未来的研究方向【3 1 】，也是本论文要关注的问题。 1 4 本课题的研究内容 综合以上分析，本课题需要研究的内容主要包括以下几点： 研究序批式生活垃圾填埋场中的有机物降解产气规律，分析渗滤液的交叉 回灌及不同回灌频率对产气过程的影响； 通过模拟实验，收集分析填埋场有关数据，得出模拟实验的反应规律，找 出实验差别的原因； 通过对模拟实验的分析和与实际填埋场的对比，找出提高填埋场产气速率 的方法，加快填埋场垃圾的降解，缩短稳定化时间，提高填埋场的使用率。 第2 章垃圾填埋场产气动力学研究 第2 章垃圾填埋场产气动力学研究 2 1 影响垃圾厌氧降解的因素分析 垃圾填埋场实际上是一座庞大的生物反应器，影响填埋场垃圾降解及稳定化 的因素很多，其中包括填埋场自身固有的特性和非自身的外界因素，即这些外界 因素能够人为有目的地加以控制。 填埋场自身固有的特性包括垃圾的组成，填埋场地自身的水文地质条件等。 外界因素包括温度、含水率、p h 值、营养物质、有毒有害物质、微生物种群、 氧化还原电位以及垃圾粒径、有无日覆盖等【3 5 l 。应当讲，这些因素中最主要的是 垃圾自身的量和成分，因为填埋场理论上能达到的最大产气量取决于填埋场中垃 圾总量和垃圾中可生物降解的有机物的含量。显然，倘若填埋场中可生物降解的 有机物如食品垃圾的含量较高，其产气量也会较大。但是填埋场中自身固有的特 性所包涵的因素我们无从控制，这里不作重点讨论，而对于非自身的因素，从工 程角度上讲，研究这些因素的影响，可以做到对填埋场进行更好的管理和优化运 行，因此这些研究更具有意义。 2 1 1温度 温度支配着酶反应动力学、微生物生长速率以及化合物的溶解度等，因而对 控制污染物的降解转化起着关键作用。有研究表明，当垃圾处于3 7 的环境中 时，其降解速率最大，填埋气的产量也达到了最大。温度高于或者低于3 7 时， 垃圾降解速率都会变慢；当温度达到5 0 6 0 时，许多种酶几乎完全失去活性， 催化反应速率接近于零。当温度高于7 0 或者低于一5 时，微生物活动将停止， 垃圾也将不再降解【3 6 】。 温