（环境工程专业论文）填埋作业对模拟准好氧填埋场稳定化进程的影响研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 准好氧填埋场具有投资经济、加快填埋垃圾降解和强化回灌渗 滤液处理等优势，近年来备受关注。鉴于现有研究大多限于封场完 成后的运行试验研究，与填埋场垃圾填埋作业过程中的实际情况不 尽吻合，故本文采用室内模拟试验方法，从填埋作业期垃圾降解、 渗滤液水质及填埋场沉降的变化规律等方面阐明填埋作业期对准好 氧填埋场稳定化进程的影响。 首先，本文阐述了准好氧填埋场的稳定化机理，对回灌型准好 氧填埋场填埋期的特性进行了研究，通过模拟试验全面分析了准好 氧填埋场填埋期渗滤液水质( c o d 、n h 3 n 、n 0 3 - n 、t n 、p h 值) 、 垃圾降解及垃圾表面沉降的变化规律。 其次，在模拟试验的基础上，以一级反应方程为基础建立了渗 滤液水质的预测模型，从填埋垃圾沉降机理出发，建立了垃圾沉降 的预测模型，并对本试验中填埋场稳定化时间进行了预测。依据环 境指数法的基本原理，以渗滤液的水质和垃圾的表面沉降为评价因 子，对模拟准好氧填埋场的稳定化程度进行了初步的评价。 最后，对我国填埋场复用技术的可行性进行了分析，并针对我 国的国情和现状对准好氧填埋场的复用技术进行了展望。 本文是对填埋作业条件下模拟准好氧填埋场变化规律进行研究 的一次有益尝试，研究结果对准好氧填埋场稳定化进程的控制，以 及准好氧填埋场的现场运行和日常管理等具有一定的理论价值和实 际意义。 关键词：填埋作业；准好氧填埋场；稳定化；影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a bs t r a c t r e c e n t l yt h es e m i a e r o b i cl a n d f i l lw a sp a i dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s e o fi t s a d v a n t a g e s o fe c o n o m i c i n v e s t m e n t ， e x p e d i t i n g r e f u s e d e g r a d a t i o n a n d d e a l i n gs t r o n g l yw i t hr e - c i r c u l a t i o nl e a c h a t e t h e r e s e a r c ho fs e m i a e r o b i cl a n d f i l li s m o s t l yb a s e du p o nl a n d s c a p e e x p e r i m e n t a t i o nw h i c hi sn o ta c c o r dw i t ht h el a n d f i l lo p e r a t i o n a ls t a g e i np r a c t i c e t h i st h e s i sd i dal a b o r a t o r ys i m u l a t i o nt e s ta b o u tl a n d f i l l o p e r a t i o na n di l l u s t r a t e di t si n f l u e n c eo nt h es t a b i l i z a t i o np r o c e s so f s i m u l a t e ds e m i - a e r o b i cl a n d f i l lf r o mr e f u s ed e g r a d a t i o n ，w a t e rq u a l i t y o ft h el e a c h a t ea n ds e t t l e m e n to fl a n d f i l l f i r s t l y ，t h i s t h e s i se l u c i d a t e dt h es t a b i l i z a t i o nm e c h a n i s mo f s e m i - a e r o b i cl a n d f i l la n ds t u d i e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a n d f i l l o p e r a t i o n a ls t a g e ，t h e na n a l y z e dt h ec h a n g el a wo fw a t e rq u a l i t yo ft h e l e a c h a t e ( c o d 、a m m o n i an i t r o g e n 、n i t r a t en i t r o g e n ，t o t a ln i t r o g e n ，p h v a l u e ) ，c o n t e n t so fr e f u s ec o m p o n e n t sa n ds e t t l e m e n to fl a n d f i l lt h r o u g h l a b o r a t o r ys i m u l a t i o nt e s t s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o nt e s t ，t h et h e s i s b u i l tl e a c h a t e q u a l i t y m o d e lb a s e do ns t a i r r e a c t i n gp r o c e s sa n d p r e d i c t i o nm o d e lo fl a n d f i l l s e t t l e m e n tb a s e do nt h em e c h a n i s mo f s e t t l e m e n t ，t h e nf o r e s t a l l e dt h es t a b i l i z a t i o nt i m eo ft h el a n d f i l l t h e t h e s i se v a l u a t e dt h es t a b i l i z a t i o np r o c e s so ft h es e m i a e r o b i cl a n d f i l l a c c o r d i n gt oe n v i r o n m e n t a li n d e xt e c h n i q u e f i n a l l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t yo fl a n d f i l lr e c l a m a t i o n t e c h n i q u e sa n dm a d eap r o s p e c tf o ri t sa p p l i c a t i o ni nc h i n a t h et e s tr e s u l t si sm e a n i n g f u lt ot h ec o n t r o l l i n go ft h es t a b i l i z a t i o n p r o c e s so fs i m u l a t e ds e m i a e r o b i cl a n d f i l la n dt h ef i e l do p e r a t i o na n d d a i l ym a n a g e m e n to fs e m i a e r o b i cl a n d f i l li nt h e o r ya n dp r a c t i c e k e y w o r d s ：l a n d f i l lo p e r a t i o n ；s e m i - a e r o b i cl a n d f i l l ；s t a b i l i z a t i o n ；i n f l u e n c e 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密瓯使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“雄) 学位论文作者签名：砌彰覆 日期：加字年绸f 司 指导老师签名： 帮 日期：弘多 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 在垃圾的处置过程中，如何最大限度地延长填埋场的使用年限是 当前环境保护领域研究的一个热点和难点。日本福冈大学的花岛正 孝提出的“循环式准好氧填埋 技术不仅可以促进垃圾降解、加速 垃圾沉降从而释放填埋场的库容，而且能减轻渗滤液的污染负荷。 因此准好氧填埋方式可以延长填埋场的使用年限，现有的研究大多 侧重于对准好氧填埋场在终场覆盖完成后维护监管期的稳定化进程 研究，而对填埋作业期准好氧填埋场的稳定化进程研究却鲜有报道， 但是填埋场的填埋作业期往往却长达十几年甚至几十年。 本研究从填埋场垃圾填埋作业过程中的实际情况出发，采用分层 填埋作业的方式，对填埋作业期间准好氧填埋场进行了试验模拟， 从填埋作业期垃圾降解、渗滤液水质及填埋场沉降的变化规律等方 面阐明了填埋作业对准好氧填埋场稳定化进程的影响。 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 随着城市化水平和居民生活消费水平的提高，城市垃圾产量的 增长十分迅速。发达国家垃圾总量平均年增长率为3 2 - - 4 5 ，发 展中国家为2 3 。全球年产垃圾超过10 0 亿吨，其中美国达3 0 亿 吨。我国城市垃圾的产生量近几年增长较快，垃圾的年增长率近1 0 ， 2 0 0 0 年城市垃圾的产量达到1 5 亿吨，占地达6 万公顷。 面对日益增多的垃圾，其科学的处理处置已成为环境保护、城 市建设、人民生活和可持续发展的重要因素。目前，垃圾的处理处 置方式主要有填埋、堆肥、焚烧等，其中卫生填埋法是我国主要的 也是最常用的垃圾处置方式，至今约8 0 的垃圾采用填埋方式进行处 置池3 。由于卫生填埋法具有建设周期短、工艺简单、适应性强、处理 量大、基建投资和运行成本低等优点，因此在今后较长的一段时期， 仍将是我国消纳垃圾最重要的方法。 在垃圾的处置过程中，如何最大限度地延长填埋场的使用年限 是当前环境保护领域研究的一个热点和难点。日本福冈大学的花岛 正孝提出的“循环式准好氧填埋刀技术为垃圾填埋技术的发展指明 了方向。该技术不仅能促进垃圾降解、加速垃圾沉降从而释放填埋 场的库容，而且能减轻渗滤液的污染负荷。因此准好氧填埋方式可 以延长填埋场的使用年限，现有的研究大多侧重于对准好氧填埋场 在终场覆盖完成后维护监管期的稳定化进程研究，而对填埋作业期 准好氧填埋场的稳定化进程研究却鲜有报道，但是填埋场的填埋作 业期往往却长达十几年甚至几十年。 鉴于现有的研究大多限于终场覆盖完成后的运行试验研究( 即 一次性完成填埋作业) ，与填埋场垃圾填埋作业过程中的实际情况 ( 即分层完成填埋作业) 不尽吻合，故本文通过对填埋作业期间准 好氧填埋场的试验模拟，从填埋作业期垃圾降解、渗滤液水质及填 埋场沉降的变化规律等方面阐明填埋作业对准好氧填埋场稳定化进 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 程的影响。 1 2 准好氧填埋场稳定化的研究现状 在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初福冈大学的花岛正孝教授及其助 手开发了准好氧填埋方式。对于人多地少的岛国，传统的厌氧填埋 方式存在致命的弊端：占用土地、污染环境、土地复用周期长。花 岛正孝教授受污水处理中曝气技术的启发，用鼓风机向填埋场中输 入空气，试验研究表明：好氧填埋场的渗滤液水质衰减速率比厌氧 填埋要迅速得多。但是好氧填埋需要输送空气而消耗大量的能量， 经济成本很高。基于此项不足，花岛正孝教授又经过反复试验研究， 开发了无能源消耗、经济、降解能力强的准好氧填埋结构，从此业 内人士展开了对准好氧填埋方式的研究。 19 7 5 年，在福冈市建造了第一个准好氧填埋场一s h in k a m a t a 填埋场。1 9 7 9 年，准好氧填埋技术被日本健康福利省颁布的垃圾 最终处置方法指导方针推荐为本国垃圾最终处置方法。现在，准 好氧填埋技术已经成为日本固体废弃物管理的标准形式口1 。 19 8 0 年日本福冈大学的花岛正孝教授在准好氧填埋理论的基础 上研制出了“循环式准好氧填埋场 ，其对垃圾的降解效果较之准好 氧填埋更佳：在10 0 天内，渗滤液的b o d 。浓度由最初的1 2 0 0 m g l 降 低到2 0 0 m g l ，1 7 5 天后降低至5 0 m g l ，两年后降低到3 0 - - 4 0 m g l h l ； 3 年里垃圾中的有机污染物约9 0 转入气相，成为c 0 ：、n ：等气体， 大大加快了准好氧填埋场的稳定化进程。循环式准好氧填埋技术的 核心是使空气进入垃圾层，加速填埋垃圾中有机物的好氧分解，并 且回灌渗滤液，保证了填埋层中有充足的水分，加强硝化、反硝化 作用，使含氮有机物得以快速去除。 1 9 9 0 年，日本的t m a t s u t o d 等对准好氧填埋场的构造作了详尽 的阐述，并从理论上分析了空气通过渗滤液集水管自动输入填埋场 的机理以及空气流通量的影响因素哺1 ；分析了渗滤液b o d 。去除与氧 气消耗之间的关系；提出了渗滤液集水管的设计方法，为我们从本 质上认识和研究准好氧填埋场提供了相当宝贵的理论资料。t a n a k a ， n o b u t o s h i 等1 从理论上探讨了场内空气在渗滤液收集管道中流动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 速率，研究结果表明：填埋场深度对管道内空气的流动速度影响很 小。当主要管道直径 l m 时，在管道内可获得最大空气流动速率。当 管径 0 4 m 时，没有足够的空气进入到渗滤液收集管中，支管直径越 小，则内部空气流动速度越小，当支管直径 9 0 ，当渗滤液产量为1o o m 3 d 时，吸附 床的穿透时间将达到8 个月。s h i m a o k a o n 等通过一个渗漏试验比较 了准好氧填埋场和厌氧填埋场的生物稳定性，研究结果表明：准好 氧型渗漏柱可使渗滤液中的b o d 。和总氮降低得更快，且这两个参数 的累积值也比厌氧型渗漏柱低，他通过另一个渗漏试验发现：对于 渗滤液收集管周围的渗滤液净化能力，准好氧型填埋场要比厌氧型 填埋场强，在准好氧型填埋中废物层越厚，渗滤液的产生率越低。 o n l y 等n 2 3 在解决晚期渗滤液氮含量高的问题时，引入将填埋场分为 缺氧带、厌氧带、好氧带运行的新思路，并通过室内模拟试验予以 验证，发现该运行条件下回灌渗滤液中氨氮的转化率达9 5 。k i n ， y o u n k y u n 3 3 通过用试验柱对准好氧填埋场去除渗滤液中c 和n 的能力 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 进行了研究，研究表明：当渗滤液通过碎石柱时对渗滤液中c o d 、氨 氮和硝酸盐氮的去除最有效，当碎石柱在厌氧条件下时，对c o d 、氨 氮的去除率分别为15 0 9 m 3 d 和2 0 9 m 3 d ，而当它在准好氧的条件 下时，c o d 、氨氮的去除率分别为4 0 0 9 m 3 d 和15 0 9 m 3 d ，且在准 好氧条件下，硝化和反硝化过程同时发生，反硝化和硝化比例为0 8 。 m a ts u t o ，t 等n 钔研究了有机物含量高的垃圾准好氧填埋场内渗滤液 的稳定机理；h a n a s h i m a m 副报道了准好氧填埋场中污染物的稳定和 控制过程。 2 0 世纪9 0 年代末，我国学者也开始了循环式准好氧填埋场的试 验研究，王琪等n 6 1 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浓度大大降低，准好氧环境下垃圾渗滤液 通过回灌后，出水氨氮浓度可以降到1 0 m g l 以下，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。2 0 0 0 年周北海等n 通过对厌氧和准好氧填埋的渗滤液成分的分析，发现 准好氧填埋的渗滤液中有机物浓度降低最快，尤其是氨氮含量大大 低于厌氧填埋，得出准好氧填埋有利于渗滤液处理的结论。刘春尧、 刘培培n 引通过室内对比试验得出渗滤液集水管管径和垃圾的初始压 实密度是影响准好氧填埋场稳定化进程的两个主要因素，从而为研 究准好氧填埋场稳定化进程，在我国的深入研究和工程应用提供理 论依据。张陆良等n 们基于室内垃圾模拟柱试验，分析了准好氧填埋 早期垃圾渗滤液的产生过程及垃圾降解的机理，得出了启动期内垃 圾渗滤液产量的变化趋势，总结出准好氧结构的部分优点，并针对 早期准好氧渗滤液产量的特点作了相应的讨论。李启彬心们将厌氧型 生物反应器填埋场稳定后期按准好氧方式运行后，发现渗滤液氨 氮浓度在较短时间内降到不能检出水平，较高的渗滤液回灌频率 更有利于渗滤液水质的快速改善。田艳锦等心在中试条件下研究 了不同回灌水力负荷和氨氮浓度对回灌型准好氧填埋场渗滤液出水 中氨氮浓度的影响，发现随着水力负荷的增大，氨氮的去除率呈下 降趋势。去除率由低水力负荷时的9 9 9 下降到高水力负荷时的 8 7 7 。 目前，马来西亚、印尼、伊朗、非律宾、巴西、韩国等国的多个 城市也采用了准好氧填埋技术处理本国的城市生活垃圾，均取得了 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 良好的效果心副。例如：马来西亚斯普郎普市的安旁甲尔填埋场和怡 保市的倍罗恰姆利用准好氧填埋技术进行垃圾填埋场的建设，建成 后运行良好，达到了设计要求，受到当地居民和政府的一致称赞， 并在东南亚得到推广使用；伊朗德黑兰市利用准好氧垃圾填埋技术 对垃圾填埋场进行了改造建设，减轻了垃圾处理场产生的废气和恶 臭，当地政府给予准好氧垃圾填埋技术很高的评价3 1 。此外，准好 氧垃圾填埋技术在降雨稀少的西亚地区同样适用。 联合国人居规划署( u n - h a b i t a t ) 与中国建设部2 0 0 1 年8 月在中 国启动准好氧垃圾填埋技术和运行管理项目达成谅解，改善中国现 有的垃圾填埋处理技术工作。之后在中国山东省潍坊市、湖南省长 沙市、衡阳市及广州市等城市率先进行试验性应用，推行准好氧垃 圾填埋技术，收到了良好的效果。 此外，钟振洋等乜们在深圳下坪固体废物填埋场进行了厌氧运行 状态下分区分层填埋作业，得出了分区分层填埋作业可以有效利用 填埋库容量，可以相对增加库容使用年限。王克虹等心6 1 进一步研究 了垃圾填埋中分层厚度、压实密度以及中间覆盖层与渗滤液的渗透、 沼气的收集等有密切的关系。邓学晶等心刚研究了3 6 m 高( 分层填埋， 每次填埋3 m ，分1 2 次填完) 垃圾堆体自重荷载时，土工膜内的拉应 力随着垃圾分层填埋荷载的作用而积累；郭如美等心 研究了“垃圾 分层填埋，各层之间有夹层 的方式，可改善填埋场的透气性能， 增大渗出率，使微生物充分发挥好氧降解作用，加速填埋场的稳定 过程；i g le s i a s 乜引等在实验室中进行了垃圾分层填埋与分层回灌的 试验研究，研究了在同一个试验柱中进行了三层垃圾的填埋，研究 结果表明：第二次和第三次填埋与渗滤液回灌操作比第一次的渗滤 液c o d 浓度、v f a 较低，p h 值维持在中性左右，出水水质达到稳定 的时间明显缩短在2 0 0 d 左右，比第一次填埋的稳定化时间( 4 0 0 d 左 右) 大大缩短。该试验的关键是利用了已经初步稳定化的垃圾处理 作用( 即第一次填埋的垃圾) ，通过初步稳定化垃圾对渗滤液进行处 理，然后再进行回灌，这样可以极大的缩短稳定化的时间。 以上研究均表明了准好氧填埋技术具有降低渗滤液污染负荷， 减小温室气体产生量，加速垃圾填埋体稳定化，降低填埋场维护监 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 管费用等优点而被众多学者采用和深入研究。但是大部分的研究仅 仅限于封场完成后的维护监管期间，目前国内外文献尚未见到填埋 作业期间准好氧填埋场稳定化的研究报道。 1 3 论文研究目的、研究内容及技术路线 1 3 1 研究目的 论文以“填埋作业对模拟准好氧填埋场稳定化进程的影响研究 为题，通过对准好氧填埋场填埋作业期间的试验模拟，揭示填埋作业对准 好氧填埋场内垃圾降解、垃圾表面沉降、渗滤液历时变化的影响， 为填埋期准好氧填埋场稳定化进程的研究与控制提供指导。 1 3 2 研究内容 论文主要研究以下内容： ( 1 ) 模拟准好氧填埋场填埋期的运行规律研究包括对垃圾渗 滤液水质( c o d 、n h 。- n 、n o 。- - n 、t n 、p h 值) 历时变化规律的研究， 以及对填埋垃圾降解变化和填埋场垃圾表面沉降规律的研究； ( 2 ) 模拟准好氧填埋场填埋期稳定化预测与评价对准好氧填 埋场的稳定化进程进行预测与评价，并对准好氧填埋场场地复用技 术进行可行性研究与展望o 1 3 3 技术路线 本论文的研究过程遵循“资料收集一理论初探一室内模拟一数 据分析一预测与评价的研究思路，在实施过程中采用试验模拟和 理论分析相结合的研究方法。首先进行相关文献的收集和分析工作， 其次进行试验理论的探求和研究分析，再次进行模拟试验的实施， 获取大量试验数据，通过对试验数据的科学分析获得合理结论，实 现研究目标。 本文技术路线见图1 - 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 国内外文献调研 准好氧填埋场填埋期运行规律的模拟试验 渗滤液水质历 时变化规律 填埋垃圾的 降解规律 填埋垃圾表面 沉降的变化规律 模拟准好氧填埋场稳定化的预测与评价 为准好氧填埋场填埋期的稳定化 研究与控制提供指导 图1 - 1 本文技术路线框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章准好氧填埋场稳定化的机理 2 1 准好氧填埋技术 上世纪7 0 年代，日本福冈大学的花岛正孝教授根据填埋层中空 气的存在状况，对最终处置场进行了分类，提出了“准好氧填埋结 构 ，由于垃圾的降解速度快，且甲烷的产量很小甚至没有，此结构 被认为是“最大限度地利用自然循环和分解的机制”，因而在日本被 广泛应用凹引。之后马来西亚、印度尼西亚、菲律宾、巴西和韩国等 多个城市与日本进行技术合作，也采取了准好氧填埋技术来处理本 国的城市生活垃圾，运行效果显著，对当地的生活垃圾处理起到了 积极的作用。 图2 - 1 准好氧填埋构造图叫 准好氧填埋结构如图2 一l 所示。准好氧填埋结构的渗滤液集水 管末端敞开，垃圾堆体内的微生物活动引起填埋场内部温度的升高， 填埋场内外温度的差异使得填埋场内外空气形成对流，空气就可以 沿着开放的渗滤液集水管、通风竖井流入垃圾填埋层。这样垃圾填 埋场的地表层、渗滤液集水管附近、通风竖井的周围成为好氧区域， 此处垃圾进行好氧分解，其中有机物被分解为c o ：和h ：o 等，部分含 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 硫物质、含氮物质分别被氧化成s 0 。2 一和n o 。一。而空气接近不了的层 中央部分等处于厌氧状态，垃圾进行厌氧分解，有机物被分解为c h 。、 h 。0 和少量的氨，气体经排气设施或立渠排出。随着堆积的废弃物越 来越厚，空气被上层废弃物和覆土挡住而无法进入下层，下层生成 的气体穿过废弃物间的空隙，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，向填埋层中扩散，扩大好氧范围，促进有机物分解。 准好氧填埋的最大特征就是在填埋废弃物的空隙中有大量的空气 和水分流通，即在不借助于机械动力作用下，氧可以自然供给。废弃 物内层含有存在于气体中的游离氧和存在于水中的溶解氧，水中的溶 解氧在废水回灌时得到部分补充，空气中游离氧因空气流入而得到供 给。它与纯好氧填埋不同，不是强制通风，而是靠结构自身的供氧能 力，利用气压变化、水位变化、风量等自然现象以及废弃物层内部气 体与外部气体的密度差来供氧，即利用填埋层内部的各种生物反应以 及其他反应产生的发酵热，使内部气体升温，与外界气体产生温度差， 由于这种温度差而产生了密度差，使得空气经渗滤液收集管进入填埋 层，有利于好氧微生物的繁殖生长，加快填埋层中有机物的分解，并 降低渗滤液中污染物浓度。但离渗滤液收集管较远的填埋层仍然处于 厌氧状态，部分有机物被分解，还原生成的硫离子与填埋层中的重金 属反应生成不溶于水的沉淀而存留在填埋层中3 。 2 2 准好氧填埋场的优势 卫生填埋法是我国城市生活垃圾最常用的处理方法，但是在填 埋过程中产生的渗滤液成为环境潜在的污染源，处理不当将会对环 境造成影响。而通过渗滤液的回灌技术，减少了渗滤液的外排量， 但是在厌氧填埋场中渗滤液回灌造成了大量氨氮的累积，低碳氮比 增加了外排渗滤液的生化处理难度。 好氧填埋场对垃圾的降解速度明显快于厌氧填埋场，但是需要 强制通风设备，运行管理复杂，消耗较多的能源。而准好氧填埋场 无需动力供氧，空气自然流入，使得填埋场内部存在好氧区域，有 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 利于硝化和反硝化反应的进行，使得渗滤液得到处理，同时加快了 垃圾的稳定化。通过对准好氧填埋进行深入的研究及其实践证实， 准好氧填埋较之好氧填埋和厌氧填埋有以下优点： ( 1 ) 节省建设投资成本及运行费用 由于准好氧填埋采用自然通风，避免了对大规模的垃圾体进行 强制鼓风，节省了能源消耗，比较适合我国的经济条件。p o h l a n d ( 1 9 9 5 ) 将采用渗滤液回灌的准好氧填埋场与传统的厌氧填埋场的 经济性进行了分析和比较，前者的经济优势非常的明显，在考虑缩 短封场后期管理和场地提前复用带来的经济效益后，回灌型准好氧 填埋场还可实现平均年度利润2 5 0 0 美元h m 2 年阳幻。 ( 2 ) 渗滤液的水质得到大大提高 通过对准好氧填埋场进行渗滤液的原液回灌，可使渗滤液的水 质得到显著改善并在最短时间趋于稳定，如渗滤液的b o d 。在一年后 将降低至大约原浓度的1 10 0 0 ，而相同时间内传统厌氧填埋的渗滤 液b o d 。却无大变化，其浓度仍旧居高不下；因此降低了渗滤液的处 理，简化了渗滤液的处理结构和操作，节省了渗滤液的后续处理费 用。 ( 3 ) 减少了渗滤液的排放量 准好氧填埋场的导气设施也同时排出了大量水分，从而降低了 渗滤液的处理量，简化了渗滤液的处理结构和操作，缩减了填埋场 的渗滤液处理费用。 ( 4 ) 加速填埋垃圾的降解 准好氧填埋为垃圾的降解提供了有利条件，因此垃圾分解速度 较快，堆体稳定时间较短，便于填埋场的稳定、修复，减少了由于 填埋场的稳定时间过长带来的填埋场管理和环境监测费用，使得填 埋场能在较短的时期内即可再用。 ( 5 ) 增大填埋场的有效库容 通过渗滤液的回流，加速了垃圾中有机物尽快降解和向腐殖质化 方向的转化，从而促进垃圾堆体提前沉实，缩小体积，延长垃圾填 埋场的服务年限，增大填埋场的有效库容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 6 ) 有利于硝化脱氮 渗滤液回流可使垃圾填埋场上层干湿交替，使填埋层处于好氧、 厌氧、兼氧状态，实验室模拟试验表明，通过渗滤液回流能使准好 氧填埋场在较短时间内利用自身的处理功能，去除垃圾中的氮元素。 ( 7 ) 有利于垃圾中有机物的气化 有关研究表明，通过渗滤液的回灌，可使填埋垃圾中的有机污染 物约9 0 转入气相，成为c o 。、n ：等气体；而用厌氧填埋的有机污染 物约9 0 转入渗滤液中，为渗滤液的后续处理减轻了难度。 2 3 准好氧填埋场的稳定化 准好氧填埋场垃圾的稳定化，是一个同时进行着物理、化学和 生物反应复杂而漫长的过程，在这一过程中，填埋场不仅仅具有贮 留垃圾、隔断污染的功能，而且还具有生物降解和污染物处理等功 能。由于准好氧垃圾填埋场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，而回灌型准好氧填埋场是以 生物降解为主的，渗滤液的回流增加了微生物的活性，加快了垃圾 的稳定化进程。 2 3 1 准好氧填埋场垃圾降解机理 准好氧填埋场中垃圾的降解机理十分复杂，包括吸附、鳌合和 生物降解等错综复杂的反应。以胶体形态存在的微粒和微生物是垃 圾中最活跃的两个组分，它们对污染物在垃圾层中的迁移和转化有 着重要的作用。通过渗滤液的循环，可使垃圾本身成为载体，使有 机物在微生物的分解下尽快形成生物膜，当富含c o d 的渗滤液通过 已形成的生物膜时，使渗滤液得到净化。 图2 - 2 表示准好氧填埋场中垃圾的降解机理。在典型的准好氧 填埋场，填埋体通常可分三区，即好氧区( a 区) 、兼氧区( b 区) 和厌氧区( c 区) ，但三者的界限并不确定，随时间而发生变化。 1 a 、b 区 好氧反应发生在a 、b 区，主要存在于填埋场的底部和顶部。底 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 部a 、b 区大小主要与填埋场底部的通气能力、填埋场内部温度、空 隙率有关；而顶部a 、b 区的大小与覆土性质、空隙率有关。a 、b 区 域微生物相以好氧菌和兼性菌为主。a 、b 区经过兼性好氧菌的作用 后，在专性好氧菌的作用下，直接降解为二氧化碳和水。好氧菌的 降解率比兼性菌和厌氧菌都快，所以在填埋场对垃圾的自净作用中， a 、b 区的贡献更大些。但是，并不是垃圾中所有的物质都能够有效 地降解，一般认为这些物质与一些中间产物发生无机化学反应形成 腐殖酸，在填埋层中缓慢的降解，一些降解产物如腐殖酸、富里酸 等同渗滤液一起流出。 图2 - 2 准好氧填埋场中垃圾的降解机理3 3 1 有机垃圾好氧降解的一般途径如图2 3 ，基本规律为大分子有机 物首先在微生物产生的各种胞外酶的作用下分解为小分子的有机 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 物。这些小分子的有机物被好氧微生物继续氧化分解，通过不同的 途径进入三羧酸循环( t c a ) ，最终被分解为c o 。、h ：o 、硝酸盐和硫酸 盐等简单的无机物。 l 多糖类脂肪类蛋白质木质素 上00 j r l 单糖类甘油+ 脂肪氨基酸类芳香族单体 i 丙酮酸 上氧化脱羧 乙酰c o a 1 l 三羧酸循环 c 0 2 + h 2 0 图9 - 3 有机物好氧生物降解的一般途径 垃圾中难降解的有机物降解过程相对要复杂一些，主要因为难 降解有机物结构稳定或者对微生物活动有抑制作用，适应微生物种 类较少。 在好氧生物降解过程中，有机废弃物中的可溶性有机物质可透 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 杂大分子有机物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。 2 b 、c 区 在填埋场中部的b 、c 区，兼性菌和厌氧菌活跃。b 、c 区的垃圾 在兼性厌氧菌的作用下，降解为有机酸和乙醇，部分溶解在渗滤液 中被带出，而留在垃圾中的这部分在专性厌氧菌的作用下降解为c h t 和c o 。气体。垃圾厌氧降解过程一般可分为四个阶段： 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 酸等。 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，同时合成细胞物质。 产乙酸阶段：酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇的功能，在 此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 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。 循环式准好氧填埋场通过回灌渗滤液，利用在准好氧填埋场中 残存的有机物促进硝化脱氮反应，氮素组分与有机组分容易一同被 去除，同时好氧反应产生的c o ：溶解在回灌的渗滤液中，减少了c o 。 的排出量。 在a 、b 区，b 、c 区，有机氮化合物如蛋白质、核酸、尿素、尿 酸、几丁质等，在微生物的分解作用下释放出氨，在有氧环境下， 如图中a 、b 区，氨氮被微生物氧化为亚硝酸盐并进一步氧化为硝酸 盐，这一过程为生物硝化过程，这一过程需要氨盐作基质，因此当 环境中含有一定量的有机质并通过氨化作用产生较多氨盐的场合， 硝化作用才比较旺盛；在b 、c 区，硝酸盐作为微生物的最终电子受 体，通过生物异化还原转化成气态氮，从水中逸出，或通过生物同 化还原转化成为氨氮进入生物合成作用。通过渗滤液回灌，不仅给 微生物提供了丰富的营养，而且增大填埋层的孔隙率，有利于空气 的流通，从而有利于好氧微生物的生长、发育和繁殖微生物的种类 明显增加，会出现一定数量的原生动物和大量茵胶团，这样的填埋 层相当于一个生物滤池，对有机物有很强的降解作用；而且，通过 回灌渗滤液，可为脱氮过程提供其所需要的碳源和硝态氮，厌氧区 中残留的c 和n 则相应的运送至好氧区，从而加强硝化和反硝化作 用3 钔。 2 3 2 准好氧填埋场稳定化影响因素 当填埋场内垃圾的可降解有机组分达到矿化、可浸出的无机盐 由渗滤液带走，渗滤液不经处理即可直接排放，垃圾层基本无气体 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 产生，场地表面自然沉降停止，可以认为填埋场达到稳定状态。卫 生填埋场从垃圾分层、分块填埋，覆土，封场至达到稳定化状态称 为稳定化过程。影响准好氧垃圾填埋场稳定化进程的因素主要有以 下7 个方面。 l 填埋操作方式 ( 1 ) 压实 填埋作业时，对垃圾进行压实，能减少垃圾携带的氧气量，缩 短垃圾好氧降解过程，不利于垃圾快速降解。同时，对垃圾进行压 实，能改变单位体积垃圾的水分含量。当垃圾水分含量低于饱和状 态时，垃圾压实密度越大，单位体积垃圾内的水分量越多，垃圾中 微生物越易得到水分，微生物越活跃，因此越有利于垃圾降解。当 垃圾水分含量处于饱和状态时，垃圾压实密度越大，单位体积垃圾 内的水分量越少，垃圾中微生物可利用的水分量越少，不利于微生 物的活动，因而不利于垃圾的降解。 ( 2 ) 铺设导气管 有机垃圾生物分解产生气体，填埋层内处于好氧状态时产生二 氧化碳，厌氧状态时生成甲烷气体，在准好氧填埋场中，空气经渗 滤液收集管进入场内，垃圾分解生成的填埋气体由填埋层内设置的 气体导出设施向外排出。此外，还能把填埋层内渗滤液迅速导向渗 滤液排水设施，对渗滤液排水设施起到辅助作用。良好的导气系统， 能及时地排除垃圾最终降解产物c o 。和c h 。，减小c o 。和c h 。的分压， 从而有利于垃圾的降解。 气体导出设施有沿填埋场坡面设置和在填埋场中央立渠两种类 型。前者一般按2 0 - - 4 0 m m 的间隔设置，材质多用内径为2 0 0 - - 3 0 0 m m 的有孔聚乙烯管；后者多用3 0 0 m m 左右的穿孔管，周围设置碎石石 笼，保证其通气性能，防止堵塞。 ( 3 ) 渗滤液集水管管径 对于准好氧填埋场而言，主要是通过集水管向填埋层内供给空 气，来谋求有机物早期稳定化。因此，准好氧状态的维持，渗滤液 集水管的作用非常重要。有机物的去除能力与主集水管的直径成正 比。准好氧填埋场在有机物的早期稳定化方面具有非常大的优势。 在其它条件相同的情况下，集水管管径的不同对氨氮去除的影响程 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 度要大于对c o d 去除的影响引。 ( 4 ) 渗滤液回灌 填埋场渗滤液回灌是国外填埋场常用的减少渗滤液量和处理渗 滤液方法，能增大垃圾层的水分含量，并使渗滤液中微生物的营养 成分返回到填埋场中。所以渗滤液回灌能加快垃圾降解速度，使渗 滤液浓度下降速度变快，提高填埋场产甲烷速率，增大填埋场的沉 降速率和总沉降幅度。在填埋场实施渗滤液回灌，垃圾填埋层基本 上相当于生物滤床，在垃圾层的作用下，渗滤液中的v f a ( 挥发性脂 肪酸) 、c o d 、t o c 浓度较未进行渗滤液回灌的填埋场下降快得多。虽 然m il le rw l 等就渗滤液回灌对垃圾降解的影响进行了研究，结果 发现：垃圾填埋1 年后，渗滤液回灌与渗滤液不回灌的填埋场相比， 垃圾的产甲烷能力( b io c h e m ic a lm e t h a n ep o t e n t i a l ，b m p ) 下降了 2 3 7 。也有资料表明，同一填埋场内渗滤液回灌处的垃圾产甲烷速 率是不回灌处的两倍多。l e c k ie j 0 对美国s o n o m ac o u n t y 填埋场 渗滤液回灌的效果作了调查，发现渗滤液回灌处的总沉降幅度达到 填埋深度的2 0 ，而渗滤液不回灌处的总沉降幅度仅为填埋深度的 8 【3 5 】。 2 垃圾预处理 垃圾填埋前先进行破碎，对垃圾降解既有有利的一面，又有不 利的一面。对垃圾实行袋装化收集，有利于垃圾运输。但在填埋中， 如果不破碎，打包的垃圾处于相对“封闭状态，则不利于垃圾降 解。垃圾破碎，可减小垃圾粒径、改善压实效果、增加填埋场垃圾 的纳人量，减轻垃圾降解不均匀给填埋场的维护与管理带来的不便， 消除包装袋对垃圾降解的不利影响；同时，又能使垃圾比表面积增 大，可扩大固液相接触面，促进胞外酶对垃圾中生物可降解大分子 有机化合物分解作用，使生物可降解大分子有机化合物的固态分解 产物更快扩散到水中，从而有利于生物可降解大分子有机化合物的 分解，加快垃圾降解速度。不利的一面是，延长了垃圾厌氧降解产 酸阶段，使垃圾渗滤液长时间处于低p h 值、高有机碳浓度状态下， 不利于甲烷的产生，减慢了垃圾降解速度。 3 垃圾组成 不同垃圾组分，分解速度不同。果类、蔬菜和粮食等食品分解 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 的速度快，而塑料、橡胶等人工合成高分子材料的分解则很缓慢。 适量的碳、氢、氮、钠、钾、钙、镁、磷和微量的铁、锰、铜、锌、 钻、钨、镍等元素，都是微生物生长必不可少的营养成分。同时， 垃圾中过量的重金属汞、银、铜及其化合物能与酶的一s h 基结合，使 酶失去活性，或与菌体蛋白结合使之变性或沉淀，因此，对垃圾的 分解有抑制作用。卤素及其他氧化剂的杀菌能力很强，酚、醇、醛 等有机化合物能使蛋白质变性，它们都会抑制微生物的活动，从而 减缓垃圾的降解速度。当垃圾内作为电子受体的硫酸盐含量过高时， 硫酸盐还原反应在与利用h 。c h 。或醋酸盐产甲烷反应竞争电子供体 h ：时处于优势地位，硫酸盐优先被还原成h ：s ，而h ：c h 。或醋酸盐生 成甲烷的反应则受到抑制，会减缓垃圾降解速度。因此，在对垃圾 渗滤液分析后，针对性地加人所缺少的营养成分，或采取措施减轻 或消除因某些组分含量过多而带来的不利影响，都能使垃圾的降解 得到不同程度的加快。 4 垃圾水分含量 水是微生物代谢过程中必不可少的。垃圾水分含量高，能使垃 圾内微生物容易得到营养物质，有助于微生物繁殖，从而加快垃圾 降解速度。r e e s 研究表明，在厌氧条件下当垃圾的水分含量为2 5 7 0 时，其气体产率的对数与水分含量成正比。k a s a li 在室温( 2 0 5 2 8 5 ) 下对水分含量分别为5 5 、6 0 、6 5 、7 0 、7 5 、8 0 的垃圾 柱的垃圾降解进行了研究，结果发现6 0 7 5 的水分含量最适宜垃 圾降解3 。 5 填埋场地气温 垃圾降解为酶催化反应，其反应速度对温度的变化很敏感。在 温度稍高时，酶的失活作用增强，酶反应总速度下降。当温度达5 0 6 0 时，许多种酶几乎完全失去活性，催化反应速度接近零。有研 究表明，当垃圾处于4 1 环境中时，其降解速度最大，填埋气的产 量也达到了最大。温度高于或低于4 l ，垃圾降解速度都会变慢， 当温度高于7 0 或低于一5 时，微生物将停止活动，垃圾也将不再 降解。赵由才等通过实验证明，负温条件( 一l3 o ) 下的垃圾的降 解速率明显小于低温环境( 4 lo ) 中的垃圾。 在填埋场稳定化过程中，填埋场地与填埋场垃圾层存在温差， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 填埋场地气温直接影响到填埋场垃圾层温度，从而影响到垃圾的降 解。垃圾填埋深度不同，其温度受填埋场地气温的影响不同，垃圾 填埋得越深，其温度受场地气温影响越小，当填埋深度大于2 1 m 时， 其温度受场地气温影响已不明显，当填埋深度大于4 7 m 时，其温度 则基本不受场地气温影响。因此，在纬度较高地区的冬天，当填埋 场的垃圾填埋深度较小时( 如上海老港填埋场为4 m ) ，垃圾降解的速 度受填埋场地气温影响就比较大，此时填埋深度越大处的垃圾的相 对降解速度越快7 i 。 6 填埋场地降雨量 通过覆盖层渗透到垃圾层的雨水，是填埋场垃圾渗滤液的主要 来源。填埋场地降雨量多，则单位重量干垃圾产生的渗滤液量也相 应增加；单位质量干垃圾中微生物可利用的水分越多，越有利于微 生物的活动，因而有利于垃圾的降解。单位质量干垃圾产生的渗滤 液量较大时，单位时间内流经垃圾层的渗滤液增多，也就越有利于 垃圾降解的最终产物排出填筑单元，从而在一定程度上加快垃圾的 降解。然而，如果通过覆盖层渗透到垃圾层的雨水过多，过多的渗 滤液使微生物的营养物“冲洗过快，则不利于垃圾的降解。 7 微生物群落 垃圾填埋场实际就是一个庞大的生物反应器。在不同的垃圾降 解阶段，微生物群落种类及其作用不同。在好氧降解阶段，好氧菌 和真菌起