（环境工程专业论文）生物反应器填埋场产甲烷特性研究.pdf

麟南交通大学硕士研究生举位论文第1 i 页 a b s t r a c t b a s e do ns i m u l a t i v ee x p e r i m e n t s ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ee f f e c t so nt h ep r o p e a yo f t h em e t h a n e p r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h e b i o r e a c t o rl a n d f i l l 。t h ee f f e c t sa l os t u d i e db y w a yo fd i f f e r e n to p e r a t i o n a lm o d e s ，i , e ，t i l r o u g hd i f f e r e n tl e a c h a t er e c i r c u l a t i o nr a t e ， t e m p e r a t u r ee n h a n c i n g b e f o r e r e c i r d u l a t i o n ，i n o c u l a t i n gm i c r o o r g a n i s mb ym i x i n gs l u d g e w i t hw a s t eb e f o r el a n d f i l l am a t h e m a t i cm o d e li st h e ne s t a b l i s h e dt or e f l e c tt h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea f f e c t i n gb i o r e a c t o rl a n d f i l l 、b a s e d0 1w h i c ha n e x p l o i t a t i o no f t h em e t h a n e p r o d u c e db y b i o r e a c t o rl a n d f i l li si n t r o d u c e d t h e f i n d i n g s o ft h es i m u l a t i v e e x p e r i m e n t sv e r i f y t h eb i o r e a c t o rl a n d f i l l s a d v a n t a g e ss u c ha sa c c e l e r a t i n gt h em e t h a n ea i rp r o d u c t i o n , i m p r o v i n gt h em e t h a n e p r o d u c t i o nv e l o c i t y , q u i c k e n i n g t h es t a b i l i z a t i o n p r o c e s s o ff i l l e dw a s t e sa n d p r o m o t i n gt h ed e s c e n d i n gp a c eo fo r g a n i cp o l l u t a n t s 。曩撼e 嘞e n t s r e s u l ts h o w e d t h a t ，b yt e m p e r a t u r ee n h a n c i n gb e f o r er e e i r c u l a t i o n , i n o c u l a t i n gm i c r o o r g a n i s mb y m i x i n gs l u d g ew i t h w a s t eb e f o r el a n d f i l l i n g ，t h eh i g h e re n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ea n d t h e l o w e rl e a c h a t er e e i r c u l a t i o nr a t e ，t h el a n d f i l lq u i c k e n si t sm e t h a n e p r o d u c t i o np r o c e s s a f t e rt h el a n d f i l le n t e r st h es t e a d yp r o c e s so f p r o d u c i n gm e t h a n e , t h eh i g h e rl e a e h a t e r e c i r c u l a t i o n 腑f a c i l i t a t e st h es t a b i l i z a t i o no ff i l l e dw a s t e sa n dt h ep r o d u c t i o no f m e t h a n e f u r t h e r m o r e ，t e m p e r a t u r ee n h a n c i n gb e f o r el e a e h a t er e e i r c u l a t i o ne x e r t s 1 1 0 s u b s t a n c ei n f l u e n c eo nt ot h e 强薯畴fs o l u t i o no f s o l i dw a s t e s ， b ye s t a b l i s n n gt h em a t h e m a t i c sm o d e lt o r e f l e c tt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e a f f e c t i n gm e t h a n e r o d u c 蛀o no fb i o r e a e t o rl a n d f i l l ，a 建韵i 鑫l y s i si sm a d eu n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i o n a lm o d e s a b o u th o wt or e a l i z es i m u l t a n e o u s l yt h es h o r t e rp r o c e s so fm e t h a n e u s e ，t h el o w e re x p e n s eo f i e a e h a t er e c i r c u l a t i o na n dl o w e rc o s to f t h er e l e v a n td e v i c e s b yt h i c k e n i n gw a s t e sf i l l i n ga n dl o w e r i n ga p p r o p r i a t e l yt h ew i n t e rl e a c h a t er e c i r c u l a t i o n f r e q u e n c yt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e o u si n f l u e n c et o d sm e t h a n ep r o d u c t i o n , t h i s t h e s i sp r e s e n t ss t r a t e g i e so f m e t h a n e e x p l o i t a t i o no f b i o r e a c t o r l a n d f i l l ， k e yw o r d s ：b i o r e a e t o rl a n d f i l l ；m e l t u a n e ；m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ；l a n d f i l l 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 垃圾是人类生活和生产过程中必然产生的遗留废物。近十余年来，髓着 工业化、城市化的推进和城市人口的增加，城市生活垃圾也在逐年增加。垃 圾的高速增长，使垃圾处理、处置日趋困难，成为现代都市越来越严重的环 境问题。现在，无论是发达国家或是发展中国家都不可避免地受到垃圾成灾 的严重威胁，并因此付出了高昂的代价。据估计，我国6 0 0 余座城市2 0 0 0 年产生生活垃圾已达1 4 亿t 1 1 】，人均年产生活垃圾约为3 0 0 k g ，占世界总量 的四分之一以上，并且每年以7 9 的速度增长。如何实现这些垃圾的“减 量化、资源化、无害化”，的确是摆在我们面前的一道难题。 纵观国内外生活垃圾处理技术成熟且常用的主要有焚烧、堆肥和卫生 填埋三种。每种处理方式，都有其一定的适应性，又都存在着一定的不足。 出于投资大、运行费用高、烟气处理困难加之我国不少城市垃圾热值较低， 焚烧在我国的应用受到了很大的限制，部分焚烧炉的日常运行也困难重重， 甚至有人对某市的垃圾焚烧炉发出了“烧垃圾还是烧油? ”的疑问；由于现 阶段我国的垃圾大多没有分类收集和存放，导致堆肥产品品质低下，灰渣等 无机物含量高，导致销路困难，多数垃圾堆肥处理厂难以为继，如四川省二 十世纪9 0 年代利用第一期国债资金建设的5 个以堆肥为主的垃圾处理厂中， 目前运转基本正常的仅有个；而卫生填埋由于具有技术可靠、工艺简单、 管理方便、投资省、运行费用低、适用范围广、同时还可回收甲烷气体、对 垃圾成分无严格要求和可作最终处黄等一系列优点，因而得到较为广泛的应 用，是我国和多数发达国家主要采用的垃圾处置手段。目前美国城市生活垃 圾填埋率占7 5 ，英国占8 8 【2 j 】。尽管现阶段我国多数填埋场设计、施工 和运行管理尚欠规范，但城市垃圾处理中填埋率仍高达9 0 以上，可以预见 垃圾卫生填埋仍将是我国今后相当长一段时间内城市垃圾处置的一种主要 方式。 在运行过程中，传统填埋场具有渗滤液水质、水量波动大；渗滤液污 染强度高，处理费用居高不下；封场后维护监管期长，风险大，费用高，不 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 垃圾是人类生活和生产过程中必然产生的遗留废物。近十余年来，髓着 工业化、城市化的推进和城市人口的增加，城市生活垃圾也在逐年增加。垃 圾的高速增长，使垃圾处理、处置日趋困难，成为现代都市越来越严重的环 境问题。现在，无论是发达国家或是发展中国家都不可避免地受到垃圾成灾 的严重威胁，并因此付出了高昂的代价。据估计，我国6 0 0 余座城市2 0 0 0 年产生生活垃圾已达1 4 亿t 1 1 】，人均年产生活垃圾约为3 0 0 k g ，占世界总量 的四分之一以上，并且每年以7 9 的速度增长。如何实现这些垃圾的“减 量化、资源化、无害化”，的确是摆在我们面前的一道难题。 纵观国内外生活垃圾处理技术成熟且常用的主要有焚烧、堆肥和卫生 填埋三种。每种处理方式，都有其一定的适应性，又都存在着一定的不足。 出于投资大、运行费用高、烟气处理困难加之我国不少城市垃圾热值较低， 焚烧在我国的应用受到了很大的限制，部分焚烧炉的日常运行也困难重重， 甚至有人对某市的垃圾焚烧炉发出了“烧垃圾还是烧油? ”的疑问；由于现 阶段我国的垃圾大多没有分类收集和存放，导致堆肥产品品质低下，灰渣等 无机物含量高，导致销路困难，多数垃圾堆肥处理厂难以为继，如四川省二 十世纪9 0 年代利用第一期国债资金建设的5 个以堆肥为主的垃圾处理厂中， 目前运转基本正常的仅有个；而卫生填埋由于具有技术可靠、工艺简单、 管理方便、投资省、运行费用低、适用范围广、同时还可回收甲烷气体、对 垃圾成分无严格要求和可作最终处黄等一系列优点，因而得到较为广泛的应 用，是我国和多数发达国家主要采用的垃圾处置手段。目前美国城市生活垃 圾填埋率占7 5 ，英国占8 8 【2 j 】。尽管现阶段我国多数填埋场设计、施工 和运行管理尚欠规范，但城市垃圾处理中填埋率仍高达9 0 以上，可以预见 垃圾卫生填埋仍将是我国今后相当长一段时间内城市垃圾处置的一种主要 方式。 在运行过程中，传统填埋场具有渗滤液水质、水量波动大；渗滤液污 染强度高，处理费用居高不下；封场后维护监管期长，风险大，费用高，不 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 利j = 场地及时复用；产气期滞后且历时较长，产气量小，不利于回收利用： 垃圾处理费用高等不足【4 ，因而影响了垃圾卫生填埋法的更大范围的推广和 应用。因而有必要对填埋场的传统运行方式进行改进，从而在发挥垃圾卫生 填埋处置手段优势的基础上，尽可能克服传统垃圾卫生填埋场的不足。 生物反应器填埋场技术是二十世纪7 0 年代以来欧美等发达国家开始研 究并准备推广应用的新一代垃圾卫生填埋场技术。除具备传统填埋场的系列 优势外，生物反应器填埋场还具有产气量大、产气期提前、产气速率快等与 传统填埋场完全不同的特点。 本文就以生物反应器填埋场产甲烷特性研究为题，结合铁道部科技 研究开发项目中小站段铁路垃圾卫生填埋及集便处置技术的研究 ( 2 0 0 2 z 0 0 3 ) 进行生物反应器填埋场产甲烷控制技术中有关产甲烷特性方 面的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 传统填埋场产甲烷研究现状 作为城市生活垃圾的最终处置手段，卫生填埋是从传统的废物堆发展 起来的一项应用最早最广的垃圾最终处置技术。早在公元前3 0 0 0 1 0 0 0 年古 希腊米诺文明时期，克里特岛的首府康诺索斯就曾把垃圾填入低凹的大坑 中，并进行分层覆土。近代第一个城市垃圾填埋场是1 9 0 4 年在美国伊利诺 伊斯州的香潘市建成的，其后，俄亥俄州的丹顿( 1 9 0 6 年) 、依阿华州的德 文波特( 1 9 1 6 年) 等地也相继建成了城市垃圾填埋场。这些垃圾填埋场的 建设和运行奠定了土地填埋处理的最早期技术基础。 垃圾填埋后，随着垃圾体中氧气的快速耗尽，填埋场很快由好氧状态 过渡到缺氧状态。当s 0 4 2 - 和n o r 分别被硫酸盐还原菌和硝酸盐还原菌作为 电子受体消耗完毕后，填埋场就进入到厌氧状态。在厌氧填埋场中，固相垃 圾的水解酸化产物很快被甲烷菌和用，产生甲烷含量达6 0 左右的填埋场气 体。 c h u 曲等研究认为，每吨含水率4 5 ，有机物含量5 5 的垃圾可产甲烷 5 7 5 m 3 5 】i 相当于甲烷含量6 0 、热值约为2 2 9 9 m j n m 3 的填埋场气体9 8 8 m 3 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 利j = 场地及时复用；产气期滞后且历时较长，产气量小，不利于回收利用： 垃圾处理费用高等不足【4 ，因而影响了垃圾卫生填埋法的更大范围的推广和 应用。因而有必要对填埋场的传统运行方式进行改进，从而在发挥垃圾卫生 填埋处置手段优势的基础上，尽可能克服传统垃圾卫生填埋场的不足。 生物反应器填埋场技术是二十世纪7 0 年代以来欧美等发达国家开始研 究并准备推广应用的新一代垃圾卫生填埋场技术。除具备传统填埋场的系列 优势外，生物反应器填埋场还具有产气量大、产气期提前、产气速率快等与 传统填埋场完全不同的特点。 本文就以生物反应器填埋场产甲烷特性研究为题，结合铁道部科技 研究开发项目中小站段铁路垃圾卫生填埋及集便处置技术的研究 ( 2 0 0 2 z 0 0 3 ) 进行生物反应器填埋场产甲烷控制技术中有关产甲烷特性方 面的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 传统填埋场产甲烷研究现状 作为城市生活垃圾的最终处置手段，卫生填埋是从传统的废物堆发展 起来的一项应用最早最广的垃圾最终处置技术。早在公元前3 0 0 0 1 0 0 0 年古 希腊米诺文明时期，克里特岛的首府康诺索斯就曾把垃圾填入低凹的大坑 中，并进行分层覆土。近代第一个城市垃圾填埋场是1 9 0 4 年在美国伊利诺 伊斯州的香潘市建成的，其后，俄亥俄州的丹顿( 1 9 0 6 年) 、依阿华州的德 文波特( 1 9 1 6 年) 等地也相继建成了城市垃圾填埋场。这些垃圾填埋场的 建设和运行奠定了土地填埋处理的最早期技术基础。 垃圾填埋后，随着垃圾体中氧气的快速耗尽，填埋场很快由好氧状态 过渡到缺氧状态。当s 0 4 2 - 和n o r 分别被硫酸盐还原菌和硝酸盐还原菌作为 电子受体消耗完毕后，填埋场就进入到厌氧状态。在厌氧填埋场中，固相垃 圾的水解酸化产物很快被甲烷菌和用，产生甲烷含量达6 0 左右的填埋场气 体。 c h u 曲等研究认为，每吨含水率4 5 ，有机物含量5 5 的垃圾可产甲烷 5 7 5 m 3 5 】i 相当于甲烷含量6 0 、热值约为2 2 9 9 m j n m 3 的填埋场气体9 8 8 m 3 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 利j = 场地及时复用；产气期滞后且历时较长，产气量小，不利于回收利用： 垃圾处理费用高等不足【4 ，因而影响了垃圾卫生填埋法的更大范围的推广和 应用。因而有必要对填埋场的传统运行方式进行改进，从而在发挥垃圾卫生 填埋处置手段优势的基础上，尽可能克服传统垃圾卫生填埋场的不足。 生物反应器填埋场技术是二十世纪7 0 年代以来欧美等发达国家开始研 究并准备推广应用的新一代垃圾卫生填埋场技术。除具备传统填埋场的系列 优势外，生物反应器填埋场还具有产气量大、产气期提前、产气速率快等与 传统填埋场完全不同的特点。 本文就以生物反应器填埋场产甲烷特性研究为题，结合铁道部科技 研究开发项目中小站段铁路垃圾卫生填埋及集便处置技术的研究 ( 2 0 0 2 z 0 0 3 ) 进行生物反应器填埋场产甲烷控制技术中有关产甲烷特性方 面的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 传统填埋场产甲烷研究现状 作为城市生活垃圾的最终处置手段，卫生填埋是从传统的废物堆发展 起来的一项应用最早最广的垃圾最终处置技术。早在公元前3 0 0 0 1 0 0 0 年古 希腊米诺文明时期，克里特岛的首府康诺索斯就曾把垃圾填入低凹的大坑 中，并进行分层覆土。近代第一个城市垃圾填埋场是1 9 0 4 年在美国伊利诺 伊斯州的香潘市建成的，其后，俄亥俄州的丹顿( 1 9 0 6 年) 、依阿华州的德 文波特( 1 9 1 6 年) 等地也相继建成了城市垃圾填埋场。这些垃圾填埋场的 建设和运行奠定了土地填埋处理的最早期技术基础。 垃圾填埋后，随着垃圾体中氧气的快速耗尽，填埋场很快由好氧状态 过渡到缺氧状态。当s 0 4 2 - 和n o r 分别被硫酸盐还原菌和硝酸盐还原菌作为 电子受体消耗完毕后，填埋场就进入到厌氧状态。在厌氧填埋场中，固相垃 圾的水解酸化产物很快被甲烷菌和用，产生甲烷含量达6 0 左右的填埋场气 体。 c h u 曲等研究认为，每吨含水率4 5 ，有机物含量5 5 的垃圾可产甲烷 5 7 5 m 3 5 】i 相当于甲烷含量6 0 、热值约为2 2 9 9 m j n m 3 的填埋场气体9 8 8 m 3 ， 螽摩交通大学壤 i 究耋学位论文繁3 凝 因而填理场气体又鼹一种利用价值较高的潜在能源。 对填堙臻产生熬气葬送雩亍控毒l 蒡蠹蟊戬剃翔，已藏为城紊垃圾壤埋楚饕技 术的组成部分和发展趋势。世界上许多国家，如美国、英园、德阐、澳大利 亚等已经在壤埋场气髂控铡靼剥嗣方露积累了较多麴经验，近年寒固态静秘 研单位也曾歼展过些基础性的研究。 阑外对填埋场气体的磷究始于二十世缎7 0 年代表的年代秘，当时囊予 西方普遍的熊源危机，各国- 丌始重视对替代能源的研究，使得填墁场气体的 控制朔利用开始受到重视。在过去的2 0 年中，旁芙填埋场气体的硬究一直 是国外国体绞物管理领域的焦点之一。目前，对填埋场气体的控制和处理已 成为发达国家众多卫生填埋场管理的重要缎成部分。据不究全统计；目越世 界上筵有2 0 多个国家韵2 7 0 多个垃圾填堙塌正在避行填壤气体的翻收利瘸。 目前，圈外对填埋场气体的研究主要集中在：加快填埋场气体产生 速率豹技术方法醑究，其中氇包括生物蕞疵器壤缓场菝术静研究；气体 产生和迁移模型的研究；气体利用经济性、可行性分析；填埋场气体 圈投、运输鞠麓垂转纯方法及设备辩研究；气体整溺方法韵研究；气 体对人类健康影响的研究。在填埋场气体产气量和产气速率方面，国外研究 主要袋取三秘方式：模鳘嵇冀、实簸模摇帮凌臻测试 篷捂枣蔻潮中 袁； 羹实 际填埋场测试) 。通过研究，目前已有多种填埋场产甲烷模裂供选择和参考， 翔螫予壤堙缀瑗慧爨浚及霹箨解喜礁瑗含蘩赘i p c c 貘墅哆茎予壤堙蟪毅 可降解c o d 量的恼算模型1 7 】，基于填埋垃圾各组分产甲烷能力的g a r d n e r 动力攀模型强】虢及农事先确定壤壤垃圾持缕产甲烧噻阑耧磐蘩壤埋撩 乍特 征基础上建立的m a r t i c o r e n a 动力学模型i 哪。虽然阑外在填埋场气体研究方 垂已馓了大爨工作，寿稷多经验取成果霹擞氆鉴，瞧是，囊于填壤场气髂产 气速率和产生量与土巅圾组成密切相燕，而中国垃圾成分与发达国家差别较 大，加之国钋对产气艇德的研究也露一些不足之处，缀难完全照搬国步 醋究 成采。 避十余年来，我国陆续建设了一搬以卫生填埋为主的城市垃圾处理设 施。但与发_ i 拳国家桐比，我阐城市j 藏圾填域处置技术的研究起步较晚，对填 埋场籽放气体的研究更是相当有限。1 9 9 5 年，清船大学环境科学与工程系 刘春华对填壤场产气过程送行了稹织实验研究妒】。1 9 9 6 年，上海市环卫设计 话南变灌夫学磺士研究生学往论文第4 页 科硪所焦学军等对老港填埋场的产气特挺进行了实验璧和现场比较掰 究 ”“。1 9 9 9 年，中山大学李雁等对佛山五蜂垃圾填埋场产甲烷变化特征进行 了研究1 2 ) 。此外，相关研究人员还在深圳市玉龙坑、杭州天子岭、鞍山等 垃玻填理场避行了产气的躐汤测试研究。辩前杭翊天予蛉和广髑大田由鬣城 卫生填埋场分别于1 9 9 8 年l o 月和1 9 9 9 年6 月歼始利用嫉埋气体发电，经 济数蓬和环境效盏瀚较为瀵憩 。但总静谨来，这些研究都还簸子初步探 索阶段。虽觋取得了一些有参考价德的成果，还远远不能满足我圈对填埋场 气搭篷行大疆模控翻程弱甏鹃需要。 l 。2 。2 生物魇鹰器壤耀场研究进展 生物威应器填娌场是灞过有翻的的控制手段使不同功能的微生物快速 丈鬟繁殪，扶瑟燕逮尘壹圾中爨簿解墨瑟孛等荔降姆髯壤组分戆转必鞠稳定，热 速填埋场稳定的一种垃圾卫生填埋场运行方式。这些控制手段包括：填埋场 寿髫嬲的注承、渗潦滚的翟灌、冬选覆盏屡竣计、营养黪添加、p h 值静调 节、温度的调节和供氧等。其中渗滤液回灌是生物反应器填埋场鼹常用自勺操 乍运行手段。 嗣生物反应器域埋场具有降低外排渗滤液强度、增加填埋场有效容积、 提联气体产爨和产气速率、加速填埋场稳定、减小渗滤液水量水膜波动对场 外处理系统的冲击、减小渗滤液处理系统的设计风险、泽低填埋垃圾处理成 本等优势从二十世纪七十年代起，英美等发达国家开始了薪一代垃圾卫，圭 填埋场生物反成器填理场的研究。 在二十世纪七十年代。荧国乔治亚理工学院p o h l a n d 教授首先开始了模 接生物反应器填堙场静实验室研究融后，英国、翮拿大、澳大秘驻、德瓣、 丹麦、意大利、瑞热和日本等国也相继开始了该方面的研究【1 “。在这些研 究中，币_ 纹镊含了大董静实验室模攒研究，还有缀多静填疆枣单髭甚至大爝 模的现场研究，研究对照参数包括渗滤液回灌、渗滤液p h 值的调节、注水、 污滋援释、缝渡密浚、供氧、舞溢、垃圾i 菠碎、嗣覆盏与簸终覆羲、不溺程 质垃圾混合、营养的添加、填埋时闯等。比较具有代表性的研究销： 1 9 7 5 年，p o h l a n d 教授掷l 率先在美嚣移治耍瑾工学夔黠霆令横搂主壹毅柱 进行了渗滤液回灌、调节圃灌渗滤液的p h 值以及微生物接种的对比实验研 话南变灌夫学磺士研究生学往论文第4 页 科硪所焦学军等对老港填埋场的产气特挺进行了实验璧和现场比较掰 究 ”“。1 9 9 9 年，中山大学李雁等对佛山五蜂垃圾填埋场产甲烷变化特征进行 了研究1 2 ) 。此外，相关研究人员还在深圳市玉龙坑、杭州天子岭、鞍山等 垃玻填理场避行了产气的躐汤测试研究。辩前杭翊天予蛉和广髑大田由鬣城 卫生填埋场分别于1 9 9 8 年l o 月和1 9 9 9 年6 月歼始利用嫉埋气体发电，经 济数蓬和环境效盏瀚较为瀵憩 。但总静谨来，这些研究都还簸子初步探 索阶段。虽觋取得了一些有参考价德的成果，还远远不能满足我圈对填埋场 气搭篷行大疆模控翻程弱甏鹃需要。 l 。2 。2 生物魇鹰器壤耀场研究进展 生物威应器填娌场是灞过有翻的的控制手段使不同功能的微生物快速 丈鬟繁殪，扶瑟燕逮尘壹圾中爨簿解墨瑟孛等荔降姆髯壤组分戆转必鞠稳定，热 速填埋场稳定的一种垃圾卫生填埋场运行方式。这些控制手段包括：填埋场 寿髫嬲的注承、渗潦滚的翟灌、冬选覆盏屡竣计、营养黪添加、p h 值静调 节、温度的调节和供氧等。其中渗滤液回灌是生物反应器填埋场鼹常用自勺操 乍运行手段。 嗣生物反应器域埋场具有降低外排渗滤液强度、增加填埋场有效容积、 提联气体产爨和产气速率、加速填埋场稳定、减小渗滤液水量水膜波动对场 外处理系统的冲击、减小渗滤液处理系统的设计风险、泽低填埋垃圾处理成 本等优势从二十世纪七十年代起，英美等发达国家开始了薪一代垃圾卫，圭 填埋场生物反成器填理场的研究。 在二十世纪七十年代。荧国乔治亚理工学院p o h l a n d 教授首先开始了模 接生物反应器填堙场静实验室研究融后，英国、翮拿大、澳大秘驻、德瓣、 丹麦、意大利、瑞热和日本等国也相继开始了该方面的研究【1 “。在这些研 究中，币_ 纹镊含了大董静实验室模攒研究，还有缀多静填疆枣单髭甚至大爝 模的现场研究，研究对照参数包括渗滤液回灌、渗滤液p h 值的调节、注水、 污滋援释、缝渡密浚、供氧、舞溢、垃圾i 菠碎、嗣覆盏与簸终覆羲、不溺程 质垃圾混合、营养的添加、填埋时闯等。比较具有代表性的研究销： 1 9 7 5 年，p o h l a n d 教授掷l 率先在美嚣移治耍瑾工学夔黠霆令横搂主壹毅柱 进行了渗滤液回灌、调节圃灌渗滤液的p h 值以及微生物接种的对比实验研 西南交通大学碳士研究生学位论文第5 页 究，予1 9 7 5 年完藏了美曩e p a 羲秀突矮蓦渗滤液霾灌里垒填埋场躲稳定良 及残余物处鼹。研究表明：在比对照垃城柱短的多的时间内，阐灌垃圾柱 渗滤渡c o d 浓度私t v a 浓度洚囊了较低承乎，歇露议为p h 调蘩襄渗滤滚 回灌照实现渗滤液c o d 浓度和t v a 浓度快速下降的最佳方式。 1 9 8 2 年，t i t t l e b a u m ( 哺l 透过翻令模拟蟪圾柱的实验磺究表弱，结台p 鞋 调节的渗滤液回灌操作是一种处理填埋场渗滤液的有效手段，它能加快填埋 垃圾馋中厌鼠微生物的繁错，加速坡圾中鸯枫成分的生物稳定扶聪缩短填堙 场复用所需的时间，促进渗滤液b o d 浓度、c o d 浓度和t o c 浓度的快速 下降，另外垃圾破碎、营养( n 、p ) 添加对垃圾的生物稳定没有效果。 1 9 9 3 年，美国界治亚疆工学院通过横报生物反应器填埋场对城市垃圾 与不同剂量的c d 、c r 、h g 、n i 、p b 、z n 等重金属郴十二种有毒脊机物共处 置静w 能性的研究，结果表鞠：生物反应嚣填堙场方式运彳予的垃敷柱的稳定 进程只是在速度上受剥一定的影响，而传统填埋场方式运行的对照柱垃城降 解过程完全受至# 毒豹的赫毒l 。飘丽说嚼生褥反应器壤埋场程阻滞羹龠藩帮有 毒有机化合物等毒物迁移的同时还不会影q 日填埋场的加速稳定过程，故而生 耱反应嚣壤疆场秀鸯毒有害豹囊熬簸重提茯了一静有效手段箨7 1 。 o n a y 和p o h l a n d ( 1 9 9 8 ) 【l s j 进行了生物反应器填埋场脱氮的研究，他们 通过舞壤埋场下赘采羽塞然运楚弱a 工送藏懿手驳将壤缓场分或铗氧、获蓑 和好飘三部分，上层缺氧区用于反硝化脱氮，中部厌氧区用于产气，下层好 氯区翅予磺化脱氮，模型实验结果袭镑氮懿转让率为9 5 ，两瓣渗滤渡串豹 硫酸椴也能得到有效击除。 g h o s h 掇蹬了一张全凝救嚣除毅渗滤痰生鳕爱痘器壤壤场运簿模式，骧 减弱生物反应器填蠼场在产酸阶段所产生的大量有机酸对填埋场甲烷化进 程螅摭割影魄，取携了美嚣专秘【1 叭。在该系统中，当生甥爱应爨填埋场处 于产酸阶段时，所有渗滤液赢接回灌；当水解迸行刹一定稷度后，所有渗滤 滚运送到外部上流式产甲烷反应嚣，该反应器出水褥喷洒在生物葳应器填蠼 场上郝：当填埋场完全进入甲烷化状态后，所产生的渗滤波直接酗灌到填理 场上。按此撵作的生物反应嚣填埋场不仅实现了提静稳定。同时还回收剥瘸 了更多的甲烷含量穰高韵气体。 此外，l e c k i e 等( 1 9 8 0 ) 2 0 l 、p o h l a n d ( 1 9 8 0 ) 1 5 1 、奖国加州m o u n t a i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 v j e w 填埋场【2 l l 、美匿纽约州能源研究和开发局【2 ij 、奥地利b r e i t e n a u 壤埋 场、英国b r o g b o r o u g h 填埋场 2 ”、美国特拉华州固体废物局1 4 等还进行 了填埋垃圾达数千甚至数万吨规模的生物反应器填埋小单元研究，并取得了 较好的研究效果。 二十世纪8 0 年代起美国等还开始了有关生物反应器填埋场场地复用的 研究f 2 1 , 2 2 , 2 3 ，即通过生物反应器填埋场实现填埋垃圾的快速稳定后，对填埋 垃圾进行挖掘、筛分，分离出金属、塑料等可回收物后剩余腐熟垃圾用作肥 料或土壤添加剂，同时填埋场地还可再用，从根本上克服了传统填埋场占地 过多的不足，使垃圾卫生填埋更加符合可持续发展思路。 我国同济大学从1 9 9 5 年开始便对渗滤液回灌进行实验研究，但对生物 反应器填埋场进行系统研究和报道还相对不多。二十世纪末期，我国学者徐 迪明、李国建【2 5 、王琪2 们、董路1 2 7 】、何若 2 8 , 2 9 】等开始了渗滤液回灌甚至 类似模拟生物反应器填埋场的实验室研究，取得了大量有关渗滤液回灌的研 究成果。从1 9 9 9 年起，西南交通大学环境学院刘月、李启彬和欧阳峰f 始 从事生物反应器填埋场的实验研究，经过大量的室内模拟实验，积累了较丰 富的数据，并提出了渗滤液回灌的操作策略和填埋场防渗层安全设计的基本 思路及方法。在此基础上，欧阳峰于2 0 0 2 年7 月完成了生物反应器填埋 场渗滤液控制技术研究的博士论文，通过对生物反应器填埋场填埋垃圾 中有机污染物的水解、甲烷化进程以及其它如温度、p h 值等对上述过程的 影响的分析，在物料衡算的基础上建立有关生物反应器填埋场有机物降解的 动力学模型，并将模拟实验结果带入模型计算出不同操作和填埋条件下的生 物反应器填埋场有机物降解的相关参数，为生物反应器填埋场的优化设计和 运行提供了半定量的指标和参数。 1 2 3 生物反应器填埋场产甲烷研究现状 国外对生物反应器填埋场产甲烷的研究，主要集中在其快速产甲烷以及 增大产气量方面。系列研究表明 3 d , 3 1 , 3 2 , 3 3 ，由于生物反应器填埋场通过系列 操作手段优化了场内微生物生长环境，适合甲烷菌大量生长繁衍，因而生物 反应器填埋场能比传统填埋场更快进入产甲烷阶段，使产甲烷时间提前；同 时由于渗滤液回灌等操作使水解菌等微生物活动剧烈，填埋场内固相垃圾分 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 v j e w 填埋场【2 l l 、美匿纽约州能源研究和开发局【2 ij 、奥地利b r e i t e n a u 壤埋 场、英国b r o g b o r o u g h 填埋场 2 ”、美国特拉华州固体废物局1 4 等还进行 了填埋垃圾达数千甚至数万吨规模的生物反应器填埋小单元研究，并取得了 较好的研究效果。 二十世纪8 0 年代起美国等还开始了有关生物反应器填埋场场地复用的 研究f 2 1 , 2 2 , 2 3 ，即通过生物反应器填埋场实现填埋垃圾的快速稳定后，对填埋 垃圾进行挖掘、筛分，分离出金属、塑料等可回收物后剩余腐熟垃圾用作肥 料或土壤添加剂，同时填埋场地还可再用，从根本上克服了传统填埋场占地 过多的不足，使垃圾卫生填埋更加符合可持续发展思路。 我国同济大学从1 9 9 5 年开始便对渗滤液回灌进行实验研究，但对生物 反应器填埋场进行系统研究和报道还相对不多。二十世纪末期，我国学者徐 迪明、李国建【2 5 、王琪2 们、董路1 2 7 】、何若 2 8 , 2 9 】等开始了渗滤液回灌甚至 类似模拟生物反应器填埋场的实验室研究，取得了大量有关渗滤液回灌的研 究成果。从1 9 9 9 年起，西南交通大学环境学院刘月、李启彬和欧阳峰f 始 从事生物反应器填埋场的实验研究，经过大量的室内模拟实验，积累了较丰 富的数据，并提出了渗滤液回灌的操作策略和填埋场防渗层安全设计的基本 思路及方法。在此基础上，欧阳峰于2 0 0 2 年7 月完成了生物反应器填埋 场渗滤液控制技术研究的博士论文，通过对生物反应器填埋场填埋垃圾 中有机污染物的水解、甲烷化进程以及其它如温度、p h 值等对上述过程的 影响的分析，在物料衡算的基础上建立有关生物反应器填埋场有机物降解的 动力学模型，并将模拟实验结果带入模型计算出不同操作和填埋条件下的生 物反应器填埋场有机物降解的相关参数，为生物反应器填埋场的优化设计和 运行提供了半定量的指标和参数。 1 2 3 生物反应器填埋场产甲烷研究现状 国外对生物反应器填埋场产甲烷的研究，主要集中在其快速产甲烷以及 增大产气量方面。系列研究表明 3 d , 3 1 , 3 2 , 3 3 ，由于生物反应器填埋场通过系列 操作手段优化了场内微生物生长环境，适合甲烷菌大量生长繁衍，因而生物 反应器填埋场能比传统填埋场更快进入产甲烷阶段，使产甲烷时间提前；同 时由于渗滤液回灌等操作使水解菌等微生物活动剧烈，填埋场内固相垃圾分 螽南交遴大学颧翳究篷擎位谂文鬟7 要 解h 寸问大大缩短，从而使填埋场产气期更集中产气速率更太；生物反应器 填毽场遥遘渗滤液豳灌，遴免了富禽有祝搦酶渗滤滚丈鳌瓣教，不仅藏，j 、了 渗滤液处理爨和处理费用，还增大了填埋场内可回收利用的甲烷气体总缴。 困戴，生凌鬏应器壤淫场强牧弱蠲绎蕊气镰瓣经漭效益帮灌力更热甏显。 阁内对生物反威器填埋场产甲烷的研究，主要以渗滤波回灌为主要操作 要豢豹模数试验炎雯1 2 6 , 2 7 , 2 9 , 2 9 t 3 4 】，冗擎邦泰遴嚣漾入数理浚分撬，蔓缺芝镑 对生物反应器填埋场产甲烷的理论模型。 1 3 本文硪究的主要内容、翻标翔方法 1 3 。1 主要磷究内骞； ( l ) 生物反应器填埋场产气机理研究：包括对生物反应器填埋场填埋垃 圾鬻解撬瑾及过程滚及影赣生魏爱应器蝼疆凑产翠蒺彩稍嚣素等方瑟范容 进行分析。 ( 2 ) 生魏反瘟嚣壤埋场产甲姨模 堇l 实验及数攀模墅臻究，篷瑟：摸羧 实验的组织与实施：模拟实验结果及分析：生物反威器填埋场产甲烷 粒数学模型疆究。遴过对攒按生耪爱应嚣壤埋场产警烷过程进季亍魏测，骥究 各操作运行要素以及温度等影晌因索对产甲烷过秘的影响，建立产甲烷的数 学援型，势建越基锻上硬突分期壤埋鸵生物反痘器填埋场产孕煽蒸本燕臻。 ( 3 ) 生物反应器填埋场甲烷利用对策研究：通过对生物反应器填埋场产 甲烷能力的动态分援。为合理剥用生物反成嚣填埋场甲烷提供针对性数对簸 和措施。 l 。3 。2 霹兖嚣标 通过本论文的研究，了解和掌握生物反应器壤埋场产甲烷的规律茅 1 特 点，建立生物反应器壤埋场产甲烷韵数学横塑，飙丽为优优生物艇应器填埋 场产甲烷的操作运行提供依据，为生物反应器填埋场产气及其利用提供决策 参考，为今衙生豹爱虚器填淫场豹工程应麓稻资源纯途径挺供理论支持。 1 3 3 磺究方法 螽南交遴大学颧翳究篷擎位谂文鬟7 要 解h 寸问大大缩短，从而使填埋场产气期更集中产气速率更太；生物反应器 填毽场遥遘渗滤液豳灌，遴免了富禽有祝搦酶渗滤滚丈鳌瓣教，不仅藏，j 、了 渗滤液处理爨和处理费用，还增大了填埋场内可回收利用的甲烷气体总缴。 困戴，生凌鬏应器壤淫场强牧弱蠲绎蕊气镰瓣经漭效益帮灌力更热甏显。 阁内对生物反威器填埋场产甲烷的研究，主要以渗滤波回灌为主要操作 要豢豹模数试验炎雯1 2 6 , 2 7 , 2 9 , 2 9 t 3 4 】，冗擎邦泰遴嚣漾入数理浚分撬，蔓缺芝镑 对生物反应器填埋场产甲烷的理论模型。 1 3 本文硪究的主要内容、翻标翔方法 1 3 。1 主要磷究内骞； ( l ) 生物反应器填埋场产气机理研究：包括对生物反应器填埋场填埋垃 圾鬻解撬瑾及过程滚及影赣生魏爱应器蝼疆凑产翠蒺彩稍嚣素等方瑟范容 进行分析。 ( 2 ) 生魏反瘟嚣壤埋场产甲姨模 堇l 实验及数攀模墅臻究，篷瑟：摸羧 实验的组织与实施：模拟实验结果及分析：生物反威器填埋场产甲烷 粒数学模型疆究。遴过对攒按生耪爱应嚣壤埋场产警烷过程进季亍魏测，骥究 各操作运行要素以及温度等影晌因索对产甲烷过秘的影响，建立产甲烷的数 学援型，势建越基锻上硬突分期壤埋鸵生物反痘器填埋场产孕煽蒸本燕臻。 ( 3 ) 生物反应器填埋场甲烷利用对策研究：通过对生物反应器填埋场产 甲烷能力的动态分援。为合理剥用生物反成嚣填埋场甲烷提供针对性数对簸 和措施。 l 。3 。2 霹兖嚣标 通过本论文的研究，了解和掌握生物反应器壤埋场产甲烷的规律茅 1 特 点，建立生物反应器壤埋场产甲烷韵数学横塑，飙丽为优优生物艇应器填埋 场产甲烷的操作运行提供依据，为生物反应器填埋场产气及其利用提供决策 参考，为今衙生豹爱虚器填淫场豹工程应麓稻资源纯途径挺供理论支持。 1 3 3 磺究方法 螽南交遴大学颧翳究篷擎位谂文鬟7 要 解h 寸问大大缩短，从而使填埋场产气期更集中产气速率更太；生物反应器 填毽场遥遘渗滤液豳灌，遴免了富禽有祝搦酶渗滤滚丈鳌瓣教，不仅藏，j 、了 渗滤液处理爨和处理费用，还增大了填埋场内可回收利用的甲烷气体总缴。 困戴，生凌鬏应器壤淫场强牧弱蠲绎蕊气镰瓣经漭效益帮灌力更热甏显。 阁内对生物反威器填埋场产甲烷的研究，主要以渗滤波回灌为主要操作 要豢豹模数试验炎雯1 2 6 , 2 7 , 2 9 , 2 9 t 3 4 】，冗擎邦泰遴嚣漾入数理浚分撬，蔓缺芝镑 对生物反应器填埋场产甲烷的理论模型。 1 3 本文硪究的主要内容、翻标翔方法 1 3 。1 主要磷究内骞； ( l ) 生物反应器填埋场产气机理研究：包括对生物反应器填埋场填埋垃 圾鬻解撬瑾及过程滚及影赣生魏爱应器蝼疆凑产翠蒺彩稍嚣素等方瑟范容 进行分析。 ( 2 ) 生魏反瘟嚣壤埋场产甲姨模 堇l 实验及数攀模墅臻究，篷瑟：摸羧 实验的组织与实施：模拟实验结果及分析：生物反威器填埋场产甲烷 粒数学模型疆究。遴过对攒按生耪爱应嚣壤埋场产警烷过程进季亍魏测，骥究 各操作运行要素以及温度等影晌因索对产甲烷过秘的影响，建立产甲烷的数 学援型，势建越基锻上硬突分期壤埋鸵生物反痘器填埋场产孕煽蒸本燕臻。 ( 3 ) 生物反应器填埋场甲烷利用对策研究：通过对生物反应器填埋场产 甲烷能力的动态分援。为合理剥用生物反成嚣填埋场甲烷提供针对性数对簸 和措施。 l 。3 。2 霹兖嚣标 通过本论文的研究，了解和掌握生物反应器壤埋场产甲烷的规律茅 1 特 点，建立生物反应器壤埋场产甲烷韵数学横塑，飙丽为优优生物艇应器填埋 场产甲烷的操作运行提供依据，为生物反应器填埋场产气及其利用提供决策 参考，为今衙生豹爱虚器填淫场豹工程应麓稻资源纯途径挺供理论支持。 1 3 3 磺究方法 鞭南交避丈学磁静 究篷学位论文纂8 页 通过室内模拟实验，对生物反应器填埋场填埋垃圾中有机撙染物的水 舞、翠蕊化避程潋袋英它懿污涯接秘、霾灌蓑对渗滤渡遴行鸯羹热、温度、p h 值等对一l 述过程的影响进行分析，建立生物反应器填埋场产甲炕的数学模 型，磐鞋此必蔹握，怼生貔反应爨壤埋矮产气裁力进行动惫分援，竣诗壤壤 场气体利用工艺及其主要技术参数，提出生物反成器填埋场甲烷利用对撩， 进行能源回收剥翅。 1 3 4 研究恩路 本研究遵循收集资料一理论分析一模拟实验一建立模型一制订甲烷应 用对策的思鼹。 首先，对国内外有关生物反应器填埋坜产气控制技术酾研究现状和避联 进行系统分析；然厝对生物反应器填埋场产气机理进行理论分析；再通过模 攒叠三物反应器填堙酾实验魄较不同搛作运行方式辩产甲烷变纯趋势的影确 对模拟实验结果进行系统总结后，建立生物反应器填埋场产甲烧的数学模 垄；激蓐稷搽生物反瘫器填壤场产攀靛麓棒潮订稳藏蠹每羁掰生物反应器璞堙 场甲烷气体的对策。具体研究思路见下图： 鹜1 1 研究技术路线框圈 鞭南交避丈学磁静 究篷学位论文纂8 页 通过室内模拟实验，对生物反应器填埋场填埋垃圾中有机撙染物的水 舞、翠蕊化避程潋袋英它懿污涯接秘、霾灌蓑对渗滤渡遴行鸯羹热、温度、p h 值等对一l 述过程的影响进行分析，建立生物反应器填埋场产甲炕的数学模 型，磐鞋此必蔹握，怼生貔反应爨壤埋矮产气裁力进行动惫分援，竣诗壤壤 场气体利用工艺及其主要技术参数，提出生物反成器填埋场甲烷利用对撩， 进行能源回收剥翅。 1 3 4 研究恩路 本研究遵循收集资料一理论分析一模拟实验一建立模型一制订甲烷应 用对策的思鼹。 首先，对国内外有关生物反应器填埋坜产气控制技术酾研究现状和避联 进行系统分析；然厝对生物反应器填埋场产气机理进行理论分析；再通过模 攒叠三物反应器填堙酾实验魄较不同搛作运行方式辩产甲烷变纯趋势的影确 对模拟实验结果进行系统总结后，建立生物反应器填埋场产甲烧的数学模 垄；激蓐稷搽生物反瘫器填壤场产攀靛麓棒潮订稳藏蠹每羁掰生物反应器璞堙 场甲烷气体的对策。具体研究思路见下图： 鹜1 1 研究技术路线框圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章生物反应器