（环境工程专业论文）还原屏障控制重金属活动的生物地球化学机理.pdf

兰州大学硕士研究生学位论文 摘要 还原屏障是指强化了微生物厌氧反应的人工防渗层，在废弃物处置设施中主要用来阻 隔和包封重金属污染物，它将环境工程与岩土工程相结合，拓宽了环境岩土工程的研究领 域。本研究旨在研究微生物引起的氧化还原作用对垃圾填埋场中重金属自然衰减的影响， 并进一步阐述还原屏障控制重金属的生物地球化学作用的机理。 垃圾填埋场渗滤液中含有大量的有机物，可以作为微生物的营养物质，从而引起一系 列的氧化还原反应。微生物引起的氧化还原反应强烈影响着从填埋场渗滤出重金属的行 为。但是，至今为止，有关生物地球化学作用对重金属活动性的影响的文章发表的很少。 为了达到这个研究目的，本文通过改良的批式吸附试验，培养污泥中的原生微生物并 分析微生物作用对土悬液中e h 和p h 的影响，以f e ，z n 和c d 作为目标重金属，研究微 生物作用导致的厌氧环境对重金属活动性的影响，并分析相关作用机制。临界氧化还原电 位的概念可以把理论氧化还原电位和实测氧化还原电位联系起来，并通过比较实测氧化还 原电位与临界氧化还原电位来确定土悬液中发生的主导氧化还原反应类型。根据试验数据 和理论分析，表明微生物的活动对土悬液的e h 和p h 会产生较大的影响；微生物作用导致 的厌氧还原性条件可明显降低重金属的活动性；在不同的氧化还原阶段，控制重金属活动 性的作用机制是不同的。 文献综述揭示，微生物活动引起的氧化还原反应对垃圾渗滤液中重金属的活动性有很 大的影响，特别是厌氧还原环境，给填埋场、粘土衬垫层以及垃圾渗滤液污染羽中重金属 的有效衰减提供了一个总体框架。试验研究结果表明，还原屏障中的微生物厌氧活动可以 提高许多重金属的自然衰减进程，从而降低填埋场对环境的威胁。 关键词：还原屏障；生物地球化学；微生物；氧化还原反应；重金属 兰州大学硕士研究生学位论文 a b t r a c t a ni n n o v a t i v eb a r r i e r , r e d u c i n gb a r r i e r ( r b ) ，w a ss u g g e s t e dl a s ty e a rt oc o n t r o lt h eh e a v y m e t a l sl e a c h e df r o ml a n d f i l l sb yi n t e r d i c i p l i n es t u d i e sb e t w e e ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga n d e n v i r o n m e n t a le m g i n e e r i n g ，n a m e de n v i r o n m e n t a lg e o t e c h i c s t h eo b j e c t i v eo f t h i st h e s i si st o e v a l u a t et h em i c r o b i a l l yi n d u c e dr e d o xe f f e c t so nt h en a t u r a la t t e n u a t i o no fh e a v ym e t a l s ，s oa s t oc l a r i f yt h eb i o g e o c h e m i c a lm e c h a n i c so fr e d u c i n gb a r r i e r s l e a c h a t ef r o ml a n d f i l l si sr i c hi nd i s s o l v e do r g a n i cm a t t e rt h a tc a nb eu s e db y m i c r o o r g a n i s m sa sc a r b o ns o u r c et oo b t a i ne n e r g ya n dc a t a l y s e sas e r i e so fr e d o xr e a c t i o n s r e d o xr e a c t i o n ss t r o n g l ya f f e c tt h eb e h a v i o ro fh e a v ym e t a l sl e a c h e df r o ml a n d f i l l s h o w e v e r , u p t on o w ，f e wr e s e a r c hr e s u l t sa r ep u b l i s h e da b o u tt h ee f f e c t so fb i o g e o c h e m i s t r yo nt h em o b i l i t y o fh e a v ym e t a l s t oa c h i e v et h eo b j e c t i v eo f t h er e s e a r c h ，t r a d i t i o n a lb a t c ht e s ta r em o d i f i e dt oc u l t i v a t et h e n a t i v em i c r o o r g a n i s m si ns o i ls u s p e n s i o n sf o rc o n t r o l l i n gr e d o xp o t e n t i a l s i r o n , z i n ca n d c a d m i u ma r es e l e c t e da st a r g e tp o l l u t a n t st oi n v e s t i g a t et h ee ha n dp he f f e c t so nt h em o b i l i t yo f h e a v ym e t a l si nl a n d f i l ls i t e s ac o n c e p tn a m e dc r i t i c a lr e d o xp o t e n t i a l si su s e dt ob r i d g et h eg a p b e t w e e nt h et h e o r e t i c a lr e d o xp o t e n t i a la n dt h em e a s u r e dr e d o xp o t e n t i a l t h ed o m i n a n tr e d o x r e a c t i o n so c c u r r e di ns o i ls u s p e n s i o n sa r ed e t e r m i n e db yc o m p r i s i n gt h em e a s u r e dr e d o x p o t e n t i a l sw i t hc r i t i c a lr e d o xp o t e n t i a l s n l en a t u r a la t t e n u a t i o nm e c h a n i s m sf o rd i f f e r e n th e a v y m e t a l sa r ed i s c u s s e do i lt h et e s tr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s l i t e r a l u r er e v i e w sr e v e a l st h a tm i c r o b i a l l yi n d u c e dr e d o xr e a c t i o n sh a v eap r o f o u n de f f e c t o nt h em o b i l i t yo fh e a v ym e t a l si nl a n d f i l ll e a c h a t e a n a e r o b i c ，o rr e d u c e dc o n d i t i o n si nl a n d f i l l ， i nc l a yl i n e r , a n di nl e a c h a t ep l u m eo f g r o u n d w a t e rp r o v i d ea no v e r a l lf r a m e w o r kf o rt h e e f f e c t i v ea t t e n u a t i o no fm o s th e a v ym e t a l s 。t e s tr e s u l t ss h o wt h a ta n a e r o b i ca c t i v i t i e si nr e d u c i n g b a r r i e ra tl a n d f i l ls i t e se n h a n c et h en a t u r a la t t e n u a t i o np r o c e s s e so fm o s th e a v ym e t a l s ，a n d t h e r e f o r em i n i m i z et h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fl a n d f i l l s k e yw o r d s ：r e d u c i n gb a r r i e r , b i o g e o c h e m i s t r y , m i c r o o r g a n i s m ，r e d 。xr e a c ti 。n ，h e a v ym e t a l 兰州大学硕士研究生学位论文 图件目录 图1 - 1 论文提纲4 图2 1 填埋场气体组成随时间的变化1 0 图2 - 2 美国常用的衬垫系统剖面图1 7 图2 3v e j e n 填埋场周围地下水中f e “的含量示意图2 3 图2 4 各种形式的f e 3 + 在氧化还原反应中产生的吉布斯自由能2 3 图2 - 5z n - c 0 2 一h 2 0 系统的e h - p h 相图2 7 图3 1 天然土体系中微生物氧化还原反应顺序的能量塔理论2 9 图3 2 静态沼泽沉积物的氧化还原电位随时间的变化3 3 图3 3 经过4 次淹水一干燥循环的稻田土氧化还原电位随时间的变化3 4 图3 - 4 在p h = 7 时几种重要氧化还原对的理论e h 和电极实测e h 3 4 图3 5 有机物在不同氧化还原环境中的生物代谢途径3 7 图3 6 垃圾填埋场的概念性氧化还原分带模型3 8 图4 1 还原屏障控制重金属活动机理的试验流程图4 l 图4 - 2 兰州大学污水处理厂及污泥取样过程4 2 图4 3 改良的批式吸附试验装置示意图4 4 图4 - 4 改良的批式吸附试验装置图4 4 图4 5 批式吸附试验的详细步骤。4 5 图4 6 批式吸附试验照片4 7 图4 7 反应器1 _ 4 中土悬液的e h 随时间的变化情况4 9 图4 8 反应器1 - 4 中p n 、e c 随时间的变化。5 0 图4 - 9 反应器1 中溶解性f e ，z n , c d 浓度变化情况：5 0 图4 1 0 反应器2 中溶解f e ，z i l ，c d 浓度变化情况5 l 图4 1 l 反应器3 中溶解性f e ，z n , c d 浓度变化情况5 l 图4 1 2 反应器4 中溶解性f e ，z n c d 浓度变化情况5 2 图4 - l3 反应器3 中f e 系统的e h p h 相图5 2 兰州大学硕士研究生学位论文 图4 1 4 反应器3 中z n 系统的e h p h 相图5 3 图4 - 1 5 各个反应器中溶解z n 的浓度与p h 的关系5 3 图4 - 1 6 反应器5 8 中土悬液的e h 随时间的变化情况5 4 图4 - 1 7 反应器5 8 中p h 、e c 随时间的变化。5 5 图4 1 8 反应器5 中溶解性f e ，z n , c d 浓度变化情况5 6 图4 19 反应器6 中溶解性f e ，z n , c d 浓度变化情况5 6 图4 2 0 反应器7 中溶解性f e ，z n ，c d 浓度变化情况5 7 图4 - 2 l 反应器7 中f e 系统的e h - p h 相图5 7 图4 2 2 反应器7 中z n 系统的e h - p h 相图5 8 图4 2 3 反应器7 中z n 系统的e h - p h 相图：5 8 图4 2 4 反应器8 中溶解性f e ，z n , c d 浓度变化情况5 9 图4 2 5 反应器8 中溶解性s 0 4 2 。浓度随时间的变化情况6 0 图4 2 6 反应器8 中z n 系统的e h p h 相图6 0 图4 - 2 7 好氧条件下e h 与p h 对f e 溶解度的影响6 2 图4 - 2 8 厌氧条件下e h 与p h 对f e 溶解度的影响6 3 图4 - 2 9 垃圾填埋场中p h 和e h 控制重金属活动性的趋势6 4 兰州大学硕士研究生学位论文 表格目录 表2 1 我国部分城市污泥中的重金属成分与含量6 表2 2 现代卫生填埋场的主要组成9 表2 3 填埋场a 和填埋场b 的渗滤液组成1 3 表2 4 渗滤液的组成随时间的变化1 4 表2 5 填埋场的压实粘土底衬与传统压实粘土的区别1 8 表2 - 6 土壤中重金属的衰减机制2 l 表3 1 有机污染物引起的氧化还原反应的顺序3 2 表3 2 根据氧化还原电位土的分类3 3 表3 3 土悬液的临界氧化还原电位3 6 表4 - l 试验用污泥的基本物理和化学性质。4 3 表4 2 批式吸附试验条件4 6 表4 3e h 、p h 韵变化和预测各反应器中主导氧化还原反应6 l 兰州大学硕士研究生学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何 其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：纽丝 e t 期： 殛爱：! y 兰州大学硕士研究生学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：釜芏趁导师签名： 兰州大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着经济的不断发展，人类生活水平的提高，固体废弃物的产生量不断增加。固体废 弃物给人类的生存环境带来了极大的危害，因此对其进行有效的处理与处置是世界各国共 同关注的重要问题之一【l 】。垃圾填埋处置是国内外广泛应用的处置方法，但由此产生的垃 圾渗滤液处理，则是一个较为棘手的问题。垃圾渗滤液主要是垃圾在堆放和填埋过程中由 于发酵和雨水的入渗及地下水的浸泡而产生，对周围的土水环境会产生严重影响。 垃圾填埋场附近地下水、土壤污染事故时有发生。例如，在2 0 世纪4 0 年代，加拿大 的蒙克顿在城市附近河边建设垃圾填埋场，近年来的调查研究发现，垃圾中大量有机和无 机污染物通过降水渗滤，进入周围环境，使水中硬度、氯化物、砷、铬、钻的含量远远超 过生活饮用水标准。1 9 7 7 年的资料表明，美国当时的1 8 5 0 0 个垃圾填埋场，几乎一半对水 体造成了污染l 2 l 。 为了防止对生态环境的污染，现代工程化的填埋场设计要遵循以下两条最基本的原则： 包封和阻隔。简单的说，底部衬垫系统和覆盖层能成功地把固体废物隔离，最大限度地减 少渗滤液的产生并防止渗滤液的渗漏。正规设计的填埋场可以大大减少渗滤液的渗漏，但 不可能做到完全不渗漏，尤其是考虑到一些不确定因素( 比如土木工程设计、填埋场的操 作和填埋场附近的地质灾害) 发生的可能性。因此，每个工程化的垃圾填埋场，在短期内 可能是精密封闭的系统，但在其使用寿命内或是从长远的地质历史上看则是开放的系统。 因此，必须高度关注填埋场中污染物的自然衰减过程。 1 1 1 还原屏障的概念及其控制金属污染物迁移的基本模式 还原屏障( r e d u c i n g b a r r i e r ) 是兰州大学张虎元教授在2 0 0 6 年国家自然科学基金项目( 项 目批准：5 0 6 7 8 0 7 5 ) “废弃物处置场还原屏障中首次提出的一种新型屏障系统。还原屏障 是指强化了微生物厌氧反应的人工防渗层，在废弃物处置设施中主要用来阻隔和包封重金 属污染物。还原屏障将传统的渗透性极低的水力屏障( h y d r a u l i cb a r r i e r ) 与微生物导致的 氧化还原反应( r e d u c t i o na n do x i d a t i o nr e a c t i o n s ) 合二为一，试图通过粘土颗粒对渗流的阻 滞作用以及金属离子在还原条件下的沉淀吸附反应，更为有效地包封和限制金属污染物的 扩散迁移，达到保护地下水环境的目的。 正规设计的各类废弃物处置场，都是通过屏障体系的阻隔和包封，限制污染物的扩散， 以保护地下水免受污染。城市垃圾卫生填埋场、工业危险废弃物安全填埋场的衬里和最终 兰州大学硕士研究生学位论文 盖层，放射性核废料地质储存中的缓冲材料，矿山尾矿坝中的粘土心墙，都是传统水力屏 障控制水污染的典型代表。随着我国采矿、选矿、冶炼工业的不断发展，尾矿库的数量和 规模不断扩大，尾矿废弃物中重金属风化淋滤造成的地下水污染事故日趋增多。地下水一 旦污染，后期治理极为困难，会给当地的社会稳定及居民的生产和生活带来严重影响。从 工程预防的角度出发，在发挥传统水力屏障优点的基础上，借助微生物作用导致的化学作 用，尤其是金属元素对氧化还原反应敏感的特点，开发出科学、经济、高效的新型屏障系 统，对于控制地下水污染，特别是控制尾矿废弃物引起的地下水重金属污染有重大的现实 意义。 1 1 2 还原屏障的意义 ( 1 ) 还原屏障在学术上是一个创新 习惯上，可以把废弃物产生的污染物分成有机污染物、无机污染物、微生物污染物和 重金属污染物等几大类【3 】【4 j 【5 】【6 】。其中，采矿、选矿废弃物以及生活垃圾焚烧灰( m u n i c i p a l s o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o na s h ，m s w 队) 中最主要的污染物是重金属。目前，广泛应用于废弃 物包封设施( c o n t a i n m e n tf a c i l i t i e s ) 中的屏障，无论是压实粘土衬垫层( c o m p a c t e dc l a yl i n e r , c c l ) 、地质膜衬垫层( g e o m e m b r a n e s ) 、土工合成粘土衬垫层( g e o s y n t h e t i cc l a yl i n e r s ， g c l ) 、复合衬垫层( c o m p o s i t el i n e r s ) 【7 】【8 】，还是地下泥浆截水墙( s l u r r yw a l l ) 9 1 ，都是 依赖屏障渗透性极低的性质来阻滞污染物，还不存在主动利用还原性化学场专门拦截重金 属污染物的反应性屏障。 ( 2 ) 还原屏障是对传统的水力屏障理论的发展 还原屏障，一方面利用屏障低的渗透性，起到阻截金属污染物的功效；另一方面，通 过微生物作用，强化了厌氧微生物对金属离子的固定作用，表现出一定程度的生物修复功 效，且无需提供外部动力。还原屏障是生物工程技术向屏障设计领域的延伸与应用的必然 结果。 ( 3 ) 还原屏障有可能给废弃物处置提供新思路，蕴含着广阔的实际应用前景 还原屏障一旦证明是实际可行的，就可能给现有的废弃物处置工程设计提供新的思路。 例如，将适量的生活废弃物与工业废弃物混合处置，利用生活废弃物中富含的有机组分给 微生物提供养分，通过微生物的厌氧过程反过来固定工业废弃物中的金属污染物，实现以 废治废的目的。不妨大胆地做如下设想：利用下水污泥制作尾矿坝心墙或者尾矿堆的盖层， 防止尾矿石特别是硫化矿尾矿石风化产生的大量金属污染物外泄；通过垃圾焚烧灰与生活 垃圾( 如下水污泥) 的混合填埋，促进微生物活动向厌氧还原的方向发展，加速焚烧灰中 2 兰州大学硕士研究生学位论文 重金属的固定，等等。 总之，还原屏障的提出在学术上是一个创新，它将环境工程与岩土工程相结合，拓宽 了环境岩土工程的研究领域，充分发挥微生物的厌氧反应，实现固定重金属的目的，深化 了金属地球化学的研究内容。还原屏障突破了传统的水力屏障理论，有望探索出新的固体 废弃物处置工程设计思路，预示着良好的实际应用前景。 1 2 研究目标和内容 1 2 1 研究目标 从岩土工程的角度看，包封设施中的屏障是一种工程土。工程土体中的不同部位以及 相同部位发生的不同氧化还原反应是不均衡的。总体上判断工程土体中发生的氧化还原反 应进程，特别是主导氧化还原反应的类型，对于分析重金属离子的活动性是十分重要的。 因此，甄别出反映工程土体氧化还原状态尤其是还原状态的特征指标，研究其化学意义， 对于评价还原屏障的化学反应效能，能够起到事半功倍的作用，对于研究工程设计的合理 性也有着决定性的意义。 鉴于上述理由，本文总的目标是研究微生物引起的的氧化还原反应对重金属活动性的 影响，分析微生物引起的氧化还原反应类型，并进一步阐明还原屏障控制重金属活动的生 物地球化学机理，为还原屏障系统的应用提供理论依据。 1 2 2 研究内容 垃圾填埋场中的重金属在地下环境中的迁移转化和衰减与微生物引起的氧化还原反应 有很大的关系。为了深入了解重金属在地下环境中的衰减机理与规律，为垃圾填埋场的危 险性评价提供理论依据和参考，本试验主要基于生物地球化学的作用，通过改良的批式吸 附试验，培养污泥中的微生物并控制氧化还原电位的变化，从而分析微生物引起的e h 和 p h 的变化，对垃圾填埋场底部粘土衬垫层中重金属自然衰减作用的影响。研究内容主要包 括以下几点： ( 1 ) 还原屏障制作材料的选择 选择污水处理厂污泥作为还原屏障原材料的可行性，并测定其基本性质。 ( 2 ) 土悬液的配制 选择强还原土( 污水处理厂污泥) 与去离子水配制土悬液，调配不同初始p h 的土悬液， 并研究土悬液中微生物的培养方法。 ( 3 ) 研究如何在室内试验过程中控制类似垃圾填埋场中微生物引起的氧化还原电位的 变化。 3 兰州大学硕士研究生学位论文 影响 ( 4 ) 对土悬液进行化学分析，包括重金属浓度的测定、离子浓度的测定等 ( 5 ) 根据试验数据，讨论微生物引起的氧化还原反应对重金属f e 、z n 、c d 活动性的 ( 6 ) 探讨还原屏障控制重金属活动性的生物地球化学作用机理。 1 3 论文提纲 本论文的结构如图1 1 。第1 章为绪论部分，说明本研究的选题依据、研究目标及主要 研究内容。第2 章为文献综述，首先从污泥的来源、性质和微生物的组成以及处置与资源 化利用等方面综述选择污泥作为还原屏障制作材料的原因；然后综述固体废弃物的填埋处 置与包封屏障系统的发展趋势，提出了还原屏障的概念；最后介绍垃圾填埋场中重金属的 自然衰减机制。第3 章阐述了土水体系中微生物引起的氧化还原反应，为随后分析试验结 果提供理论依据。第4 章描述试验过程、分析试验结果并总结了还原屏障的工作机理。第 5 章为研究的结论与展望。 图1 - 1 论文提纲 4 兰州大学硕士研究生学位论文 第二章文献综述 2 1 污泥的基本性质及资源化利用现状 随着工业的发展和城市人口的增加，工业废水与生活污水的排放量日益增多，污泥的 产出量迅速增加。污泥( s e w a g es l u d g e ) 是污水处理厂对污水进行处理过程中产生的沉淀物 质以及污水表面漂出的浮沫，其成分复杂，含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机 污染物等，如处理不当将会造成严重的二次污染。 2 1 1 污泥的分类 ( 1 ) 按来源分 大致分为给水污泥、生活污水污泥和工业废水污泥三类。 ( 2 ) 按污泥性质分 可分为有机污泥和无机污泥。生活污水污泥或混合污水污泥均属有机污泥。 ( 3 ) 按处理方法分 有初次沉淀污泥、腐殖污泥与剩余活性污泥、消化污泥、深度处理污泥。 初次沉淀污泥，是指污水处理过程中产生的污泥，其性质随污水的成分，特别是混入 的工业废水的性质而起变化。 腐殖污泥与剩余活性污泥，是指污水在二级处理过程中产生的污泥。生物膜法后的二 次沉淀池沉淀物称为腐殖污泥；活性污泥法后的二次沉淀池沉淀物称为活性污泥；扣除回 流至曝气池后，剩余的部分称为剩余活性污泥。 消化污泥，是指初次沉淀污泥、腐殖污泥与剩余活性污泥经消化处理后的污泥，又称 熟污泥。 深度处理污泥，指深度处理( 或三级处理) 产生的污泥，常称为化学污泥。 2 1 2 污泥的性质 污泥性质是选择污泥处理、处置及利用技术的重要基础资料。污泥性质取决于污水性 质、处理工艺和工业废水密度等多种因素。一般说来，污泥具有以下性质。 ( 1 ) 有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，密度较小，含水率高且不宜脱水，是 呈胶状结构的亲水物质。 ( 2 ) 污泥中含有植物营养素、蛋白质、脂肪及腐殖质等，营养素主要包括氮、磷( p 2 0 5 ) 、 钾( k 2 0 ) 。此外，污泥中还含有植物生长所需的其它微量元素。 ( 3 ) 污泥中含有多种重金属，见表2 1 。 s 兰州大学硕士研究生学位论文 表2 1 我国部分城市污泥中的重金属成分与含量【1 0 j ( 4 ) 污泥的c n 较为合适，对消化有利。此外，污泥具有燃料价值，污泥的主要成分 是有机物，可以燃烧。污泥的燃烧热值为污泥的处置和利用提供了又一条途径。 ( 5 ) 污泥中普遍存在嗜酸性的无机化能自养菌，这些细菌主要有硫杆菌属 ( t h i o b a c i l l u s ) 、铁氧化钩端螺旋菌( l e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a u s ) 、硫化杆菌属( s u l f o b a c i l l u s ) 、酸菌属( a c i d i a n u s ) 、嗜酸菌属( a c i d i p h i li u m ) 以及其它与硫杆菌联合生长的兼性 嗜酸异养菌。通过它们的直接作用或其代谢产物的间接作用，产生氧化、还原、络合、吸 附或溶解作用，将固相中某些不溶性成分( 如重金属、硫及其它金属) 分离浸提出来【l l 】。 2 1 3 污泥的处理处置与资源化利用现状 污泥处理与处置的目的主要有以下4 个方面：减量化，即减少污泥最终处置前的体积， 降低污泥处理及最终处置的费用；稳定化，即通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产 生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染；无害化，即达到污泥的无害化与卫生化， 如去除重金属或灭菌等；资源化，即在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环 境的目的。 ( 1 ) 污泥填埋处置 在过去，许多发达国家都采用土地填埋的方法来处理污泥，且占有很大的比例( 约4 0 左右) 。在我国土地填埋也是主要的方法。该法的处理过程非常简单，但需要场地和大量 的运费，而且地基需作防渗处理以免污染地下水；同时污泥性质往往达不到填埋的要求， 如杭州的四堡污水处理厂将污泥运至杭州天子岭垃圾填埋场填埋，但因污泥含水量太大， 不利于碾压并且还出现塌方情况，2 0 0 2 年6 月后垃圾填埋场据绝接收污水厂污泥。另外， 由于填埋处理周期较长，随着人口增加、土地资源匾乏，可供填埋的场地非常有限，很难 找到合适的地点【1 2 1 ，一些国家和地区已经对污泥的土地填埋实行收费制度( u se p a ，1 9 9 9 ) 。 6 兰州大学硕士研究生学位论文 美国环保局估计今后2 0 年内，美国6 5 0 0 个填理场将有5 0 0 0 个关闭，有的州已无场地可 供使用。 ( 2 ) 污泥排海处置 9 0 年代以前在英国、日本、美国等沿海国家曾普遍采用这种处置方式。但投海会污染 海洋，对海洋生态系统和人类食物链造成威胁。纽约市每年约有1 2 0 万吨污泥排海处置， 4 0 年时间使5 1 8 k i n 2 海洋变成死海。鉴于污泥排海处置造成的严重生态问题，1 9 8 8 年美国 己开始禁止向海洋倾倒污泥，并于1 9 9 1 年全面加以禁止【1 3 】；中国政府承诺于1 9 9 4 年2 月 2 0 日起不在海上处置工业废弃物和污水污泥：欧盟承诺在1 9 9 8 年1 2 月3 1 日起，不得在 海洋水体中处置污泥【1 4 】。 ( 3 ) 污泥焚烧处置 污泥焚烧处理可以达到最大限度减量化的目的，焚烧可破坏全部有机质，杀死一切病 原体【1 5 】。如果城市卫生要求高或污泥有毒物质含量高使污泥无法再利用，但污泥自身的燃 烧热值较大时，可采用焚烧方法进行处理。但污泥焚烧后的灰份，目前还没有合理的处理 方法。另外焚烧的成本通常是其它处理工艺的2 4 倍，同时污泥必须保证比较低的含水率 才能制作“合成燃料 ，这就又增加了预处理的费用。例如，在日本一套处理量为5 0 m 3 d 左右的焚烧设备，成本高达2 8 亿日元【1 6 】。而且焚烧过程中容易产生二恶英污染，所以在 很多国家对污泥的焚烧处置都有着严格的限n t l 7 】【1 8 】。 ( 4 ) 污泥农用 城市污泥中有丰富的有机质和n 、p 、k 等营养成分，施用适量污泥后，可明显增加土 壤有机质的含量，有效改善土壤结构、水力学性质及化学性质，由此带来的容重降低，孔 隙度、团聚体稳定度以及持水量和导水性的增加，对农业生产起到了积极的作用【1 9 】1 2 0 1 。但 是污泥中含有较多的病原微生物和寄生虫卵，如果未经严格的堆肥会通过各种途径传播， 污染土壤、空气、水源，并通过皮肤接触、呼吸和食物链危及人畜健康，同时也能在一定 程度上加速植物病害的传播口1 】；另外污泥中有机污染物的危害也日益引起人们的重视【2 2 】。 近年来世界各国对污泥处理处置的理论也在发生变化，从原来单纯的处理处置逐渐向 污泥有效利用，实现资源化方向发展。综合目前我国及日本、欧洲、美国等先进国家的污 泥再利用与资源化技术2 3 1 ，大致将污泥的资源化利用途径归纳为三类：绿化利用、建材利 用、回收热量。 将污泥进行资源化利用，既能防止污泥对周围环境的污染，又能够将污泥变废为宝进 行再利用，满足资源的可持续发展要求。污泥中含有大量的有机质及营养成分，为微生物 7 兰州大学硕士研究生学位论文 的呼吸作用提供底质，有利于促进微生物的新陈代谢，尤其是污泥中微生物引起的厌氧反 应正是还原屏障所需要的，因此将污泥用作还原屏障的制作材料具有很好的应用前景。 2 2 固体废弃物填埋处置与包封屏障 固体废弃物给人类的生存环境带来了极大的危害，对固体废弃物的不当处置带来了严 重的环境问题，因此对其进行有效的处理与处置是世界各国共同关注的重要问题之一。随 着人们生活水平的提高，环境意识的不断增强，人们对于固体废弃物的处理与处置越来越 重视，因此形成了一系列的处理与处置方法。当今世界各个国家采用的主要技术政策有： 减量、回收、焚烧及处置。 固体废弃物处置是指最终处置或安全处置，是固体废弃物污染控制的末端环节，主要 是解决固体废弃物的归宿问题 2 4 1 。固体废弃物处置方法主要包括海洋处置和陆地处置两大 类。海洋处置包括深海投弃和海上焚烧；陆地处置主要有土地填埋、工程库或贮留池贮存 等。由于对海洋环境的不断关注，固体废弃物的海洋处置已得到了严格的限制。对于城市 固体废弃物，各国主要采用的方式是进行土地填埋处置。 2 2 1 固体废弃物的卫生填埋 由于不断严格的环境法规和人们对填埋场的不断认识，填埋场的设计理念发生了重大 的变化。现代意义上的卫生填埋场是从传统的堆放和填埋处置发展起来的一项最终处置技 术。无论在设计的概念、原则、标准和所采用的防渗、排水材料上，现代卫生填埋场都与 传统的填埋场有着本质的区别。它已不是单纯的堆、填、埋，而是一种综合性土工处置技 术。它从堆、填、埋向包封、屏障隔离的工程处置方向发展。卫生填埋处置具有工艺简单、 成本相对较低等特点。它是世界各地处置城市固体废弃物的主要方法。 2 211 卫生填埋场的组成 一个现代化的卫生填埋场必须具备良好的水文地质，环境岩土工程条件，并要进行精 心的规划、选址、设计。然后按照严格的技术规范进行填埋操作和封场工作。表2 2 列出 现代卫生填埋场的主要组成。现代卫生填埋场最关键的部位包括底衬系统、气体收集系统 和最终覆盖系统。 底衬系统位于填埋场底部及四周，主要防止废弃物所产生的渗滤液对地表水或地下水 的污染。现代卫生填埋场都设有最终覆盖系统以减少雨水的渗入，控制渗滤液的产生量。 同时还设有填埋气体收集系统。为了了解充填体对环境所造成的影响情况，还必须在填埋 场周围设置大量的地下水及填埋场气体的监测系统。 8 兰州大学硕士研究生学位论文 表2 2 现代卫生填埋场的主要组成 组成作用 底衬系统 渗滤液侦测系统 渗滤液排出系统 最终覆盖层 气体收集排出系统 渗滤液及气体的监测系统 阻止渗滤液的渗透、减少地下水的污染。 铺设于底衬系统下部，监测渗滤液渗出情况 铺设于底衬系统上部，当渗滤液在底部累积时，及时抽 出，以降低渗滤液的水头。 防止降水渗透进入填埋场，增加渗滤液的产生量 控制填埋场气体的运动和填埋场中气体的浓度 设置于填埋场内部及周边地区，及时监测填埋场对周边 环境的影响情况 2 2 1 2 填埋场中发生的反应 填埋场中富含来自于无数个产生源的有机物，再加上合适的温度、湿度和p h 值等条件， 为微生物提供一个良好的生存的环境。这些有机物在填埋场中发生各种化学及微生物反 应，生成液态或固态污染物。在垃圾降解初期，由于垃圾空隙中存在大量的空气，因此， 填埋场中首先进行的是好氧降解反应，有机物被好氧微生物降解，最终产物有二氧化碳、 水和氨气等。该反应一般可以持续数天。当填埋场中的氧气被耗尽后，填埋场中主要发生 的是厌氧反应。在这个时期垃圾降解的主要产物有甲烷、二氧化碳、水、有机酸以及铁或 锰的硫化物。 2 2 2 填埋场气体 2 2 2 1 填埋场气体的产生 固体废弃物中含有大量的有机物，在填埋场中发生化学或微生物反应的过程中，产生 大量的气体。填埋场气体的产生量与填埋场中的垃圾组成有较大关系。易降解有机物含量 较高时所产生的气体量比含灰及建筑垃圾量较多的城市固体废弃物所产生的气体量要高 的多。填埋场气体产生的速率受填埋场中所进行的微生物反应控制。甲烷和二氧化碳是填 埋场气体的主要组成部分。当城市固体废弃物中含有大量硫化物时，硫化氢气体也会出现 在填埋场气体中。填埋场气体对周边环境会造成不利影响，如当甲烷浓度在5 1 5 时，在 有氧条件下，可能会发生爆炸。气体的组成取决于在整个连续反应过程中占主导地位的微 生物类型。图2 1 列出了城市垃圾降解所产生的气体组成变化情况【2 5 1 。 城市固体废弃物中有机物的降解过程可以分为以下四个阶段： 9 兰州大学硕士研究生学位论文 第一阶段：在此阶段进行的主要是好氧消化反应，一般可以持续几个星期。反应过程 中的氧主要来自于填埋垃圾的空隙，同时产生c 0 2 及水等副产品。在这个阶段没有发生氮 的转移。 第二阶段：这个阶段是一个厌氧过程，但是没有甲基化作用发生。在这个阶段，氧气 已经被消耗尽，兼性和厌氧微生物占主导地位。c 0 2 的产量此时达到最高，同时还有一些 有机酸和h 2 产生。因为没有足够的溶解性c 0 2 作为h 2 受体，所以此阶段并没有产生甲烷。 第三阶段：此阶段称为非稳定厌氧甲基化阶段，在此阶段c h 4 的浓度达到了一个相对 稳定的最终值。同时还有其它的一些气体产生，其中很多会排入大气。在此阶段产甲烷菌 迅速消耗掉前面反应所产生的h 2 ，同时c 0 2 和n 2 的量也达到了一个最终值。完成这三个 阶段大约需要8 1 6 个月。 第四阶段：在此阶段气体的组成以及它们所占比例都已经稳定。 s t a g e i i i iw v n 2 n 2 | 一 p h 、，一、 - - - - 、，。 p 、 ”芦 ， t 。l， 、 - ! j ：r i 、 - 7 、一一一一厂一弋、j 0 2j ：，! l 吗7 久0 2 | ，i 7 ，： 一j ：z二、 、 、， ， ，： ，1 ，、 ， 、 j 一 j ， t i m e 图2 1 填埋场气体组成随时间的变化【2 6 l 1 0 1 0 8 6 鼍 4 2 o m 加 o o昌暑lo一墨o=o o叫暑葺8甚山 兰州大学硕士研究生学位论文 2 2 2 2 填埋场气体对环境的影响 产生的c h 4 、有毒和难闻的气体会对居住在填埋场周围的居民造成危害。填入的有机 废物量不断增加，填埋场体积的不断增大，操作效率不断提高( 这会增加气体的水平运动) ， 对建设空间的不断需求使得这个问题变得越来越严重。研究表明填埋场气体水平迁移的距 离可以达到4 0 0 m 。c h 4 在空气中只要达到很低的浓度( 5 15 ) 就会爆炸。 从填埋场中排出的气体中可以检测到许多有毒、难闻或腐蚀性的化合物。有毒有机物 主要包括氯乙烯、各种芳香族、脂肪族化合物及它们的卤代衍生物，还有各种酯、醚等。 气体主要包括：h 2 s 、n h 3 、c o 、n o 、n 0 2 、n o x 、0 3 。有机硫化物、h 2 s 及有机酸被认 为是填埋场周围难闻气味的主要制造者。当气体从未加严格管理的填埋场中挥发出来以 后，在低压情况下气味会被扩大。当很多拆除的石膏板被扔到填埋场中以后，硫氢化合物 的产量会增加。氯化有机物在燃烧时会生成h c l ，当填埋场气体夹带着这些氯化物进入产 热和发电车间时就会严重腐蚀发动机部件。 2 2 3 垃圾渗滤液 2 2 3 1 垃圾渗滤液的产生和组成 固体废弃物经过压缩和压实处理，垃圾中溶解大量污染物的水分已经被挤出垃圾。但 是，垃圾在降解过程中会产生大量污染物和水分，当降水或地表径流渗入填埋场中后，使 垃圾迅速达到田间持水量，便形成渗滤液。当填埋场建在地下水的排水区域时，地下水的 侵入也是渗滤液形成的一个重要的原因。影响渗滤液产生的因素有很多，主要涉及的因素 有：气候及区域降雨、垃圾性质及成分、填埋场的水文地质条件和填埋场最终覆盖层的运 行情况。 渗滤液的产生量受到气候的影响。在比较温和的气候中，渗滤液的产生量通常与降雨 量接近；而在较冷的气候中，它们之间存在较大差别。可能是因为很多的降水都是以降雪 的形式进行的。渗滤液的产生量【2 7 1 可以用公式2 1 表示。 三= p r a u s e t a u w( 2 1 ) l = 渗滤液的产生量 p = 降水渗透量 r = 表面径流 a u s = 土壤水分