（环境工程专业论文）矿化垃圾生物反应器结构对渗滤液处理的影响.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本实验通过改变矿化垃圾生物反应器结构，将矿化垃圾生物反应器设 计为准好氧结构，就生物反应器装填矿化垃圾的密度、厚度以及导气管的 开孔率，对矿化垃圾生物反应器处理渗滤液进行了室内模拟实验研究。 室内模拟实验研究结果表明：( 1 ) 当实验所选密度分别为8 5 0k g j m 3 、 1 0 0 0 k g m 3 、1 1 5 0 k g m 3 时，各污染物的去除率随密度的增大略有减小，但 减小都在1 左右，对整个出水效果影响不明显，所以本次实验过程中密 度的变化对渗滤液处理效果影响不显著；( 2 ) 导气管开孔率分别取6 2 5 、 1 2 5 、2 5 时，对c o d c ，和n h 3 n 的去除率影响不大，但对t n 去除率 影响显著。如导气管孔间距为1 0 c m ( 开孔率为1 2 5 ) 时，t n 去除率一 直保持在9 5 5 ；导气管孔间距为5 c m ( 开孔率为2 5 ) 时，t n 去除率波 动较大，最高去除率为9 2 6 8 ，最低去除率为7 4 5 8 ；导气管开孔间距 为2 0 c m ( 开孔率为6 2 5 ) 时，最高去除率为8 3 3 ，最低去除率为5 2 9 6 ， 所以在本实验条件下导气管开孔率取1 2 5 最优；( 3 ) 不同厚度矿化垃圾生 物反应器对渗滤液中污染物的去除主要集中在顶部进水端6 0 c m ，当床层深 度超过6 0 c m ，c o d c 。、n h 3 - n 、t n 沿床层高度的降解转化推动力有迅速 降低的趋势。如当迸水量2 4 l d 时，水流达到距上方进水端6 0 c m 时，对 c o d c 。、n h 3 n 、t n 的去除量占其去除总量的8 0 1 、8 9 9 、6 8 7 ； 水流达到距上方进水端1 2 0 c m 时，对c o d c ，、n h 3 n 、t n 的去除量占其 去除总量的9 3 7 、9 7 1 5 、8 8 7 ；水流达到距上方进水端1 5 0 c m 时， 对c o d c ，、n h 3 n 、t n 的去除量占其去除总量的9 8 7 、9 9 7 、9 4 9 。 本研究是利用准好氧矿化垃圾生物反应器处理垃圾渗滤液的一次有益 尝试，对填埋场垃圾渗滤液的场内处理具有较大的参考价值。 关键词矿化垃圾生物反应器；准好氧结构；密度；导气管开孔率；厚度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n td e s i g n st h es t r u c t u r eo fa g e d - r e f u s e - b a s e db i o r e a c t o rf o r s e m i - a e r o b i ca n dh a n d l e sl e a c h a t ea sap r o c e s s i n go b j e c ti no r d e rt or e s e a r c h t h et r e a m e n tc a p a b i l i t yo ft h es e m i a e r o b i cl a n d f i l l i n g a g e d - r e f u s e b a s e d b i o r e a c t o r ，i n d i f f e r e n t l a n d f i l l i n gd e n s i t y ，o p e n i n g r a t eo f a i r w a y a n d l a n d f i l l i n gd e p t h t h er e s u l t so fl a b o r a t o r ys i m u l a t e dt e s t si n d i c a t et h a t ：( 1 ) i nt h ed e n s i t y s c o p e o ft h i s e x p e r i m e n t ( o = 8 5 0 ，1 0 0 0 ，1 1 5 0 k g m 3 ) v a r i o u sp o l l u t a n t s r e m o v a lo fr a t i oh a sr e d u c e dal l t t l ew h i l ed e n s i t yi n c r e a s e s b u tt h es c o p eo f d e c r e a s ei sa l la r o u n d1 i th a sl i t t l ee f f e c t so ne n t i r el e a c h a t et r e a t m e n t s o t h i sd i f f e r e n t i ac a nb ei g n o r e d ；( 2 ) w h e no p e n i n gr a t eo fa i r w a yi s6 2 5 ， 1 2 5 ，2 5 ，i th a sl i t t l ee f f e c t so nc o d c ra n dn h 3 一n sr e m o v a lo fr a t i ob u t h a sal o to fe f f e c t so nt n f o re x a m p l e ，w h e nt h eo p e n i n go fa i r w a yp i p ei s 1 0 c m ( t h eo p e n i n gr a t i oi s1 2 5 ) ，t h er e m o v a lo fr a t i oo ft nk e e p sa r o u n d 9 5 5 ；w h e nt h eo p e n i n go fa i r w a yp i p ei s5 c m ( t h eo p e n i n gr a t i oi s2 5 ) ，t h e r e m o v a lo fr a t i oo ft nh a su n d u l a t e dal o t t h eh i g h e s tr a t i oi s9 2 6 8 ，a n d t h el o w e s tr a t i oi s7 4 5 8 ：w h e nt h eo p e n i n go fa i r w a yp i p ei s2 0 e r a ( t h e o p e n i n gr a t i oi s6 2 5 ) ，t h eh i g h e s tr a t i oi s8 3 3 ，t h el o w e s tr a t i oi s5 2 9 6 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，t h ea p p r o p r i a t es c o p eo fo p e n i n gr a t i oi s a b o u t1 2 5 r 3 ) d i f f e r e n tt h i c k n e s so fa g e d r e f u s e - b a s e db i o r e a c t o rf o rt h e r e m o v a lo fp o l l u t a n ti nl e a c h a t ei sf o u c u so n6 0 c mt o po ft h ei n f a l l w h e nt h e d e p t ho fl a y e ri so v e r6 0 c m ，t h ed e g e n e r a t i o nt r a n s f o r m a t i o np r o p e l l i n gf o r c e a l o n gt h el a y e rh e i g h to fc o d c r ，n h 3 一n ，t nh a sr a p i d l yd e c r e a s e d f o r e x a m p l e ，w h e nt h ew a t e rp o w e rs h o u l d e r s2 4 l d ，t h ec u r r e n to fw a t e ra c h i e v e s 6 0 c mt o po ft h ei n f a l l ，t h er e m o v a lq u a n t i t i e so fc o d e 【，n h 3 一n ，t nh a v e o c c u p i e d8 0 1 、8 9 9 、6 8 7 r e s p e c t i v e l yo nt o t a la m o u n t w h e nt h ec u r r e n t o fw a t e ra c h i e v e s1 5 0 c mt o po ft h ei n f a l l ，t h er e m o v a l q u a n t i t i e s o f c o d e r ，n h 3 一n ，t nh a v eo c c u p i e d9 8 7 ，9 9 7 ，9 4 9 r e s p e c t i v e l yo nt o t a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l l 页 a m o u n t t h er e s e a r c hi sab e n e f i c i a l a t t e m p tw h i c hh a su s e dt h e s e m i a e r o b i c a g e d r e f u s e - b a s e db i o r e a c t o r t r e a t m e n tl e a c h a t ea n dh a sg r e a t er e f e r e n c e v a l u et ot h et r e a t m e n to fl e a c h a t ei u s i t ei nl a n d f i l l s k e y w o r d sa g e d - r e f u s e - b a s e db i o r e a c t o r ；s e m i a e r o b i cl a n d f i l l s t r u c t u r e l a n d f i l ld e n s i t y ；o p e n i n gr a t eo fa i r w a y ；l a n d f i l lt h i c k n e s s 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 随着城市化进程的加速，城市人口的膨胀以及生活水平的提高，城市生 活垃圾产量日益增加，其处理和处置也变得日益困难。自八十年代以来，我 国城市垃圾的产量以每年8 1 0 的速度递增；到2 0 0 0 年，城市垃圾的产量 已经达到1 4 亿吨，累计堆存的固体垃圾总量已达6 0 亿吨，占地5 4 亿m 2 ， 全国6 7 0 多座大中城市，约有1 3 陷入垃圾包围中( 1 1 。垃圾已成为影响人们 生活的一个重要因素 长期以来，填埋法在生活垃圾的三大处理方式中占主要地位，一方面与 我国国情有关，另一方面是由垃圾填埋法的优点所决定。与焚烧、堆肥等处 理方法相比，卫生填埋法具有建设周期短、工艺简单、适应性强、处理量大、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 完善和成熟的垃圾渗滤液处理工艺。所以，寻找高效、稳定、低能耗的垃圾 渗滤液处理技术已成为摆在我们面前的一个重要课题。 准好氧填埋技术研究始于上世纪7 0 年代，其原理是利用填埋场内外温 差，通过渗滤液收集管的不满流设计，使空气进入填埋场中，场内形成好氧 区、兼氧区和厌氧区，同时将渗滤液回灌，保证填埋层内含水率，在该环境 下，大大强化了生物硝化和反硝化作用，从而加速垃圾中有机物和氮化物的 降解1 4 j 。大量研究表明，采用准好氧填埋工艺可使渗滤液中氮化物的浓度大 大降低【5 卅。 矿化垃圾又称陈垃圾，它是指在填埋过程中，由成分复杂的原始生活垃 圾在特定的填埋条件下，不断发生着的各种生物化学反应( 尤以生物反应过 程为主) 的长期作用逐渐演变形成，使其逐渐成为一种在自然条件下难以形 成的、具有特殊微生物特性的多相多孔生物活体【8 1 ，张华等【9 j 对该定义进行 了进一步量化，认为填埋场封场数年后垃圾填埋场表面沉降量非常小，垃圾 自身不再产生渗滤液和气体，不再有异味，垃圾中有机质含量下降到1 0 以 下，此时的垃圾填埋场可以认为达到稳定化状态，所形成的垃圾被称为矿化 垃圾。上海地区填埋1 3 年的矿化垃圾中细菌总数达到8 6 3 x 1 0 6 个l o o g 干垃 圾，与较肥沃土壤相近【1 0 i ，这表明矿化垃圾作为污水处理基质具有良好的微 生物学特性。 本课题将准好氧填埋技术与矿化垃圾结合起来，将其引入垃圾渗滤液的 处理中，对准好氧矿化垃圾生物反应器在不同装填密度、厚度、导气管开孔 面积时垃圾渗滤液处理效果进行分析，研究密度、厚度和导气管开孔面积对 准好氧矿化垃圾生物反应器对污染物去除效率的影响及规律，最终初步探讨 技术可行、经济合理、较适合垃圾渗滤液处理的生物反应器密度、厚度、导 气管开孔面积这些结构参数的范围，从而提高矿化垃圾生物反应器处理垃圾 填埋场渗滤液的效率，降低渗滤液处理成本，也使垃圾填埋场内渗滤液处理 与矿化垃圾循环再利用结合起来，为寻求一种高效、稳定、廉价、操作简单 的垃圾填埋场渗滤液处理工艺和方法做初步的探讨。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 渗滤液来源、特征和处理技术研究现状 垃圾渗滤液，又称渗沥水或浸出液，是指垃圾在堆放和填埋过程中由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 发酵和降水的冲刷，地表水和地下水的浸泡而渗出来的污水1 1 l 】。垃圾渗滤液 主要来源及影响因素【1 2 】如图1 - 1 所示： 渗滤液的组成受垃圾成分、当地气候、场地水文地质、垃圾填埋时间和 填埋方式等因素的影响而显著变化。我国渗滤液的典型组成【1 3 】如表1 - 1 所示。 垃圾渗滤液污染的主要特点1 1 1 】： ( 1 ) 水质复杂，危害性大。张兰英等人采用g c m s d s 联合技术鉴定出垃 圾渗滤液中有9 3 种有机化合物，包括芳烃类2 9 种，烷烃烯烃类1 8 种，酸类 8 种，酯类5 种，醇、酚类6 种，酮、醛类4 种，酞胺类2 种，其它2 1 种。 其中2 2 种被列入我国和美国e p a 环境优先控制污染物的黑名单中； ( 2 ) c o d c , 和b o d 5 浓度高且生物可降解性随着填埋龄的增加而降低 c o d c , 和b o d 5 最高值可达几万，和城市污水相比，浓度高得多； ( 3 ) 金属含量高。渗滤液中有1 0 多种金属离子，这些金属离子会对生物 处理产生抑制作用； ( 4 ) 氨氮含量高，含盐量高； ( 5 ) 色度深且有恶臭，需脱色处理，臭味给运行操作及周围的环境治理带 来困难； ( 6 ) 微生物营养元素比例失调。c n 的比例常出现失调情况，给生物处理 带来一定难度。 降水 菌种 图1 - 1 垃圾渗滤液主要来源及影响因素 渗滤液的国内外处理方法主要概括如下： 垃圾渗滤液可通过两种方式进行处理，一是排入市政污水管网，与所在城 市生活污水合并处理，二是在填埋场就地处理。合并处理可充分利用城市污水 对渗滤液的缓冲、稀释和营养均衡作用，只要控制好渗滤液与生活污水的合 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 适比例，同时对渗滤液作适当预处理，该方法可取得良好的处理效果【1 4 l 。尽 管合并处理在技术上可行，但是由于垃圾填埋场通常远离城区，渗滤液接入 城市污水处理厂有定困难，所以往往不得不在填埋场就地处理。本章节重 点介绍目前较常用的渗滤液场内处理技术，包括生物法、物理化学法、土地 法和回灌法。 表1 - 1 填埋场渗滤液的典型组成 项目 颜色 嗅味 色度 p h 值 t s s 碱度c a c 0 3 有机酸 氯化物 变化范围项目变化范围项目 变化范围 黄褐色黑色c o d3 0 0 0 4 5 0 0 0f e 1 0 6 0 0 恶臭、略有氨味b o d 5 5 0 0 3 8 0 0 0c u 0 1 1 4 3 5 0 0 1 0 0 0 0 倍 t o c1 5 0 0 4 0 0 0 0p b 0 0 5 1 2 3 4 0 8 5 n h 3 - n2 0 0 5 0 0 0 z n 0 2 1 3 4 8 2 5 0 0 3 5 0 0 0 n 0 3 - n5 2 4 0 c a 2 0 0 4 5 0 0 6 0 0 0 1 5 0 0 0 n 0 2 - n 0 5 2 0c r0 0 1 2 6 1 4 6 2 4 6 0 0 t n 4 0 0 3 0 0 0 h g 0 o 0 3 2 2 5 0 0 1 0 0 0 0t p0 5 3 0a s 0 0 1 o 5 筮兰竺! 二：! ! 竺= ! ! ! = 竺! ! 二! ： ( 1 ) 生物法 生物法可分为好氧生物处理、厌氧生物处理和厌氧好氧组合生物处理等3 类。好氧生物处理常用工艺包括序批式活性污泥反应器( s b r ) u c l 、生物活性炭 活性污泥法( p a c t ) 【1 6 1 、周期循环活性污泥法( c a s s ) 【1 7 】等。厌氧生物处理包括 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 1 1 8 、厌氧滤池( 1 , 9 l 、厌氧折流板反应器( a b r ) 等。 与厌氧处理相比，好氧法处理成本高、耐冲击负荷差，对营养元素有较 严格要求( 如常需外加磷源) ；而与好氧处理相比，厌氧法处理时间长、对低 浓度渗滤液处理效果欠佳，且对温度幕i l p h 值要求严格。在采用生物法处理垃 圾渗滤液的实际应用中，单纯的厌氧处理或好氧处理几乎没有，基本都采用 厌氧好氧组合工艺【2 1 _ 2 4 1 。生物法处理垃圾渗滤液与其他处理方法相比较有 在建设和运营费用上有一定优势，但是渗滤液水质复杂，水量波动较大，营 养元素比例失衡，随着填埋时间增长，b c 逐渐降低，这对于生物法的处理 效果影响较大。 ( 2 ) 物理化学法 常见的物理化学法包括化学氧化与催化氧化法、吸附法、混凝沉淀法和 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 膜过滤法等。 化学氧化与催化氧化几乎能转化渗滤液中所有的污染物，常用的氧化剂 主要是h 2 0 2 和0 3 。张跃升等1 2 5 1 在h 2 0 2 c o d = 1 5 、活性炭h 2 0 2 = o 6 、p h = 2 的条件下，对渗滤液中c o d 和色度的去除率分别达到8 2 8 和8 5 5 ；k i m 等 【”】用h 2 0 2 膪e ”加v 处理渗滤液，在p h = 3 ，光照功率8 0k w m 3 ，f e 2 + 用量1 m m o l l ，c o d h 2 0 2 = 1 ，o l r 0 6k g c o d ( m 3 h 1 时，c o d 的去除率大于7 0 ， 且铁催化剂用量和污泥产量都大大降低。c h i a n g 等1 2 7 】发现电解氧化对b c 很 低的渗滤液非常有效，当反应时间为6 h ，使用s p r 电极，电流密度1 5 a d i n 2 ， 外加氯化物使溶液的c r 浓度为7 5 0 0 m g l 时，c o d 的去除率为9 2 ，n h 3 n 完 全去除。 吸附法是利用活性炭、沸石、粉煤灰、焦炭等材料的巨大表面积和不规 则的网孔结构，通过吸附作用去除渗滤液中难降解的有机物( 酚、多氯联苯、 胺类等) 、金属离子和色度。d i a m a d o p o u l o s 冽用粉末活性炭处理混凝后的渗 滤液尾水( c o d5 0 2 1 1 4 1m l ) ，在p h = 7 ，吸附时间4 h ，活性炭用量6 9 l 时， c o d 可去除7 3 。l e e 等【2 9 】用人工沸石处理渗滤液，当沸石用量为1 5 9 l ，p h = 6 4 时，n h 3 - n 去除率大于5 0 ，m n h 、z n 2 + 、c d 2 + 和p b 2 + 的去除率分别为8 5 、 9 5 、9 5 和9 6 ，但c u “和c r 6 + 的去除效果不明显。 混凝沉淀可有效地去除渗滤液的浊度、色度和重金属离子，对c o d 也有 一定的去除效果。尚爱安等【3 0 】研究了絮凝剂a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，p a c 、f e c l 3 和p f s 对 垃圾渗滤液的预处理和后处理效果。结果表明，p a c 和p f s 的混凝效果较好， 混凝预处理可有效降低难降解有机物的含量，并提高渗滤液的可生化性。沈 耀良等【3 1 】采用聚合氯化铝作为混凝剂，焦炭作为吸附剂处理垃圾渗滤液， c o d 去除率达到8 9 ，色度去除率为6 8 ，并且可以完全去除铜。赵庆良【3 2 l 、 方建章【3 3 】采用磷酸铵镁( m a p ) 沉淀法，在有效脱除高浓度氨氮( 7 0 9 0 ) 和 c o d ( 1 0 3 0 ) 的同时，出水可生化性也有一定的改善。 膜分离的机理主要是膜的筛分作用，包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等 工艺。b o h d z i e w i c z 等州采用m b r + r o i 艺对波兰某地垃圾渗滤液进行了试 验研究，m b r 出水中c o d 由1 7 8 0 m g l 降至8 4 6 m g l ，r o 膜出水降至5 6 m g l 。 罗宇等】采用m b r 法对场龄7 年的填埋场垃圾渗滤液进行了试验处理研究， 出水q b c o d 降至4 0 0 m g l 以下，采用n f 法深化处理后可达国家一级标准。关 莉p 6 】采用“厌氧前处理+ 好氧m b r ”工艺对长春市三道垃圾填埋场的经喷洒 回灌的渗滤液和裴家垃圾填埋场的典型中、晚期渗滤液进行了试验研究，出 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 水各项指标明显优于对比的“厌氧前处理+ 好氧s b r ”工艺。北京天地人环 保科技有限公司利用d t - r o 设备在北京阿苏卫垃圾填埋场、六里屯垃圾填埋 场、重庆龙头寺垃圾填埋场、上海黎明垃圾填埋场和老港垃圾填埋场进行了 渗滤液的处理试验。结果证明，d t - r o 系统对进水水质有较强的适应能力， 排放水质可达到生活垃圾填埋污染控制标准( g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 ) 中的一级 排放标准限值1 3 7 】。但是d t - r o 技术前段未采用生物处理，必须采用较大的压 差以保证渗透通量，一次投资费用和运行成本均比较高，此外d t - r o 系统产 生的浓缩液处置也是一个难点。重庆长生桥垃圾填埋场采用d t - r o 技术处理 垃圾渗滤液，运行成本高达3 0 元m 3 以上。 ( 3 ) 土地法 土地处理法主要是通过土壤中的微生物作用使渗滤液中有机物和氨发生 转化，通过蒸发作用减少渗滤液的产生量。目前应用较广的是人工湿地技术。 美国c h u n c h u l a 填埋场采用表面流人工湿地处理渗滤液，c o d 去除效率达 9 0 f 3 引。s a w a i t t a y o t h i n 等 3 9 】采取上述工艺处理渗滤液，在水力停留时间8 d 情况下，b o d 5 、t n 和粪大肠杆菌去除率分别达至l j 9 1 、9 6 和9 9 以上。 b u l c 等【3 3 】构建了总面积4 5 0 m 2 的潜流式人工湿地处理垃圾渗滤液，在水力负 荷为3 c m d 的情况下，出水中c o d 、b o d 5 和n h 3 - n 去除率分别达到6 8 、4 6 和8 1 。该技术在国内应用较少，仅上海老港垃圾填埋场采用芦苇湿地作 为渗滤液的后处理单元。周益洪【4 0 】对采用潜流湿地和垂直流湿地作为处理老 龄渗滤液的后处理单元和新鲜渗滤液的前处理单元，考察了其可行性、两种 人工湿地的差异以及对污染物的去除效果。研究结果表明：潜流湿地和垂直 流湿地对垃圾渗滤液具有较好的去除效果，两种湿地去除效果没有明显区别， 作为处理渗滤液的前处理单元和后处理单元，如果运行条件合适，是可行的。 ( 4 ) 回灌法 渗滤液回灌实质上是把填埋场作为一个以垃圾为填料的巨形生物滤床， 垃圾渗滤液在流经覆土层和垃圾层时，由于物理过滤、吸附截留、化学沉积、 生物降解等作用得到处理，同时因为蒸发作用而大大减量。p o h l a n d 4 1 】研究发 现在垃圾层的作用下，渗滤液中的v f a 、c o d 、b o d 、t o c 浓度下降较快。 d i a m a d o p o u l o s 4 2 1 、r e i n h a r t 4 3 】等通过渗滤液的回灌处理，出水c o d 可分别从 1 5 8 0 0 m g l 、3 5 0 0 0 r a g 哺定地降至为1 1 4 1 m l 、5 0 0 0 m e , l 。该工艺在国外 应用很广，美国国内仅上世纪8 0 年代就有2 0 0 多个填埋场采用渗滤液回灌工 艺，但目前在国内应用较少，缺乏成熟的工艺设计和运行经验。徐迪民等一j 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 李国建等1 4 5 】通过渗滤液回灌实验研究了填埋垃圾层以及土垃圾混合层对过 流渗滤液的净化能力，研究表明进行渗滤液回灌的垃圾体相当于一个生物滤 池。赵庆良等【4 6 l 在啥尔滨某地建立了室外模拟垃圾填埋场，进行了渗滤液回 灌与不回灌的跟踪监测研究。结果表明：回灌能减量8 7 0 5 的渗滤液，明显 改善渗滤液水质，降低渗滤液处理难度。邓舟等1 4 7 】通过构建中试反应柱，发 现回灌对渗滤液中有机污染物有很好的处理效果。 必须指出，采取回灌法处理厌氧填埋场的渗滤液时，尽管有机污染物去 除效果良好，但渗滤液出水中往往出现氨氮积累的问题i 删。这是因为在厌氧 型填埋场中，垃圾堆体内部为严格厌氧条件，氨氮无法通过生物硝化反硝化 反应去除 1 2 2 准好氧填埋技术的研究现状 准好氧填埋是由日本的花岛正孝1 4 9 】提出的，自从这一概念提出以来，国 内外学者对于该类型填埋场渗滤液中污染物的迁移转化过程进行了一系列的 研究工作。h a n a s h i m a ”j 通过准好氧填埋与厌氧填埋的对比试验发现，3 年里 采用准好氧填埋法的垃圾中有机污染物约9 0 转入气相，成为c 0 2 、n 2 等气 体；而用厌氧填埋的垃圾中有机污染物约9 0 转入渗滤液中。o n a y 等f 5 1 l 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 。周北海等【5 2 j 通过对厌氧和准好氧填埋的渗滤 液成分的分析，发现准好氧填埋渗滤液中的有机物浓度降低较快，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；王琪 等p 3 l 通过模拟试验得出，准好氧环境下垃圾渗滤液通过回灌后出水n h 3 n 浓 度可以降到1 0 m e l 以下，同时填埋层渗滤液中有机物浓度大大降低，c o d c r 去除率最高可以达到9 5 以上。李启彬【5 4 】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1 5 副在中试条件下研究了不同回灌水力负荷和氨氮浓度对循环式准好 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 。唐平p6 j 研究表明准好氧填埋场的导液管和导气管管径相同的情况更 有利于渗滤液中污染物质的去除和加速垃圾中有机物的降解，导气管开孔面 积并不是越大越好。曹霞 4 1 研究表明准好氧填埋场的渗滤液水质降解效果随 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 着压实密度的增大而减弱。 从以上研究可以看出，采用准好氧填埋工艺可以较快的将渗滤液中污染 物浓度降至一个较低水平，处理效果与反应器使用了准好氧填埋结构有很大 关系。并且准好氧填埋结构内部的导液管导气管管径、导气管的开孔面积以 及填埋垃圾的压实密度对垃圾的降解以及渗滤液出水水质都有很大影响。 1 2 3 矿化垃圾处理渗滤液的研究现状 目前国内外文献尚未发现准好氧环境下矿化垃圾处理垃圾渗滤液的研究 报道。同济大学从上世纪9 0 年代开始，对基于厌氧环境下的矿化垃圾处理渗 滤液进行了一些研究工作。褚衍洋等旧进行了矿化垃圾反应床- 4 - s b r 工艺处 理垃圾渗滤液的实验室研究，在试验水质c o d c ，分别为2 2 6 4 8 和1 3 2 3 6g l ， n h 3 n 分别为8 5 0 和6 4 2 m g l 时，采用矿化垃圾床+ s b r 工艺处理垃圾渗滤 液，在水力负荷0 1 1 4 i g 矿化垃圾d ，s b r 反应时间为1 0 h 条件下，出水中 c o d c r 小于3 0 0 m g l ，n h 3 n , 5 于2 0 m g l ，达到了垃圾渗滤液的二级排放标准 水平。赵由才课题组针对利用矿化垃圾处理垃圾渗滤液分别进行了小试、中 试试验，并在上海老港填埋场进行了日处理5 0 m ，渗滤液的示范工程研究。小 试试验中，渗滤液原水n h 3 n 浓度为5 0 0 8 0 0m g l ，在进水负荷8 0 2 0 0 l m 3 矿化垃圾d 条件下，去除效率可达9 9 以上【5 8 】。在中试试验中n h 3 n 的去除 率高于4 2 1 5 9 l ，t n 去除效率未在以上文献中反映。在示范工程的日常运行过 程中，经过三级矿化垃圾生物反应床处理后出水中n h 3 n 总去除效率在 9 6 5 一9 9 8 之间，出水浓度始终低于2 5 m g l ，而t n 去除效率在5 8 5 一7 2 9 之间变化，其主要成分为硝酸盐氮i 删。山东即墨垃圾填埋场采用该工艺处理 渗滤液，设计处理规模为7 0 m 3 d ，监钡4 结果表明，渗滤液中氨氮平均去除率 达$ u 9 9 4 1 6 1 1 。王罗春等1 5 9 】对以上试验研究归纳总结后认为，水力负荷低、 占地面积大和t n 去除效率低是厌氧矿化垃圾生物反应床的主要缺点。 综上所述，目前国内外文献尚未发现准好氧环境下矿化垃圾处理垃圾渗 滤液的研究报道，那么对于研究准好氧内部结构不同时，矿化垃圾处理渗滤 液的研究报道更是未见涉及。厌氧矿化垃圾反应床对垃圾渗滤液中n i t ，n 的 去除效率较高，但对t n 的去除效率低。而准好氧填埋工艺对于垃圾渗滤液中 氮化合物的去除效果良好，所以将准好氧填埋技术与矿化垃圾结合起来处理 垃圾渗滤液理论上是可行的以及研究准好氧内部结构对渗滤液处理的影响是 根据现实需要而定的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3 论文主要研究目的、内容及技术路线 垃圾渗滤液可通过两种方式进行处理，一是排入市政污水管网，与所在城 市生活污水合并处理，二是在填埋场就地处理。合并处理可充分利用城市污水 对渗滤液的缓冲、稀释和营养均衡作用，只要控制好渗滤液与生活污水的合 适比例，同时对渗滤液作适当预处理，该方法可取得良好的处理效果。尽管 合并处理在技术上可行，但是由于垃圾填埋场通常远离城区，渗滤液接入城 市污水处理厂有一定困难，所以往往不得不在填埋场就地处理。为了寻求一 种高效、稳定、廉价、操作简单的场内处理方法，本论文拟利用填埋场自身 产生的矿化垃圾来处理渗滤液，以达到以废治废的目的。 1 3 1研究目的 论文以“矿化垃圾生物反应器结构对渗滤液处理的影响”为题，将准好 氧填埋结构引入到矿化垃圾生物反应器中，通过改变矿化垃圾生物反应器自 身结构，研究准好氧矿化垃圾生物反应器在不同装填密度、厚度、导气管开 孔面积时处理渗滤液的可行性和合理性，对渗滤液中污染物的迁移转化进行 分析，从而找到更加适合渗滤液处理的生物反应器结构，为提高城市垃圾卫 生填埋场垃圾渗滤液处理效果和效率提供理论依据和技术支持。 1 3 2 研究内容 1 矿化垃圾装填密度对准好氧矿化垃圾生物反应器处理垃圾渗滤液的影 响研究。分析比较不同密度环境下矿化垃圾处理垃圾渗滤液中污染物的机理 和异同点，确定较适合准好氧矿化垃圾生物反应器处理填埋场垃圾渗滤液的 密度参数范围。 2 导气管开孔率对准好氧矿化垃圾生物反应器处理填埋场垃圾渗滤液的 影响研究。分析比较不同导气管开孔面积环境下矿化垃圾处理垃圾渗滤液中 污染物的机理和异同点，确定较适合准好氧矿化垃圾生物反应器处理填埋场 垃圾渗滤液的导气管开孔面积参数范围。 3 矿化垃圾装填厚度对准好氧矿化垃圾生物反应器处理垃圾渗滤液的影 响研究。分析比较不同厚度环境下矿化垃圾处理垃圾渗滤液中污染物的机理 和异同点，确定较适合准好氧矿化垃圾生物反应器处理填埋场垃圾渗滤液的 厚度参数范围。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 3 3 研究思路及技术路线 本论文的研究过程遵循“资料收集一理论分析一室内模拟一数据分析一 结论验证”的研究思路，在实施过程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，其次是实验内容与实验进程的 初步设计，其次制作实验装置，在各项实验不断进行的过程中，根据已获实 验数据所显示的具体结论，不断完善和调整试验内容和实验计划，逐步完成 各项实验研究任务，获取大量实验数据，通过对实验数据的科学分析获得合 理结论，实现课题研究目标。 具体技术路线见图1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 课题相关国内外资料调研 1 l 实验启动前期准备工作 上i 昕鲜垃圾基本特性研究矿化垃圾的基本特性研究 上 实验装置设计制作、运行方式确定 i 矿化垃圾生物反应器驯化方式比选 隹好氧矿化垃圾生物反应器结构处理渗滤液效果研究 0， ，j ， 装填密度装填厚度 导气管开孔面 影响研究影响研究积影响研究 r 数据监测及污染物去除机理分析 确定准好氧矿化垃圾生物反应器结构参数范围 图1 2 实验研究技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章本研究的理论基础 论文主要是将准好氧填埋结构和矿化垃圾结合起来处理渗滤液，所以本 章主要针对准好氧填埋结构、矿化垃圾以及渗滤液的生物处理的技术原理及 机理进行介绍，为实验数据部分的理论分析提供充分的依据。 2 1 渗滤液生物处理的原理 2 1 1 好氧生物处理 好氧生物处理是废水生物处理中应用最为广泛的一大类方法。在充足溶 解氧条件下，有机污染物作为好氧微生物的营养基质，被氧化分解，浓度降 低。根据生物处理中微生物的存在形式，好氧生物处理方法主要可分为活性 污泥法和生物膜法两大类f 。 1 活性污泥法的净化机理 初期吸附作用指的是在正常发育的活性污泥微生物表面覆盖着多糖类的 黏滞层，从而形成具有生理、物理、化学吸附作用和絮凝、沉淀作用的生物 絮凝体。在其与污水接触时，污水中呈悬浮状和胶体状态的有机物即被活性 污泥所凝聚和吸附而得到去除；活性污泥中微生物的代谢是指有机物在吸附 到微生物表面后，在透膜酶的催化作用下，小分子有机物能够直接透过细胞 壁被细菌摄入体内，但大分子有机物则需要在水解酶的作用下被水解成小分 子后才能被摄入体内。进入微生物体内的有机物将作为营养物质被微生物加 以代谢。如图2 1 所示，在好氧条件下，微生物将可降解有机物的1 3 氧化 分解成c 0 2 和h 2 0 等稳定的无机物，并释放出能量，这一过程即为分解代谢， 其余2 3 则为微生物合成代谢，用于合成新的细胞物质，使活性污泥自身增 值。同时，8 0 的微生物细胞物质也被自身氧化分解为无机物并产生能量， 不能被分解的残留物以剩余污泥的方式被排放到活性污泥处理系统。 2 生物膜法的净化机理 生物膜法是将细菌、原生动物和后生动物等活性微生物固定在滤料或某 些载体上，并在其上形成膜状生物污泥一生物膜。、污水与生物膜接触，污水中 的有机污染物作为营养物质为微生物所摄取，从而使污水得到净化，为生物 自身也得到繁衍增值。生物膜是微生物高度密集的物质，在膜的表面和一定 深度的内部生长繁殖着大量的各种类型的微生物和微型动物，并形成有机物 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 污染物细菌原生动物( 后生动物) 的食物链，。生物膜是由好氧和厌氧两层 组成，有机物的降解主要在好氧层内进行。流动层中的溶解氧和有机物通过 附着水层传递给生物膜，共微生物进行呼吸和代谢作用，这样就使污水在流 动过程中得到逐步净化。微生物代谢产物则随附着水层进入流动水层，并随 其排走，而c 0 2 及厌氧分解产物如h 2 s 、n h 3 及c i - 1 4 等气态代谢产物则从水 层逸出进入空气。 2 0 内源代谢 图2 - 1 微生物三项代谢活动之间的数量关系 3 好氧生物处理净化反应过程的影响因素 只有在适宜的环境条件下，微生物的生理活性才能的到正常的运行，因 此调节好影响微生物生理活性的众多因素对好氧处理技术而言非常重要。 溶解氧( d o ) ，在实际运行过程中，一般将反应器出口处溶解氧浓度控 制在2 m 班左右；营养物质，主要包括碳源、氮源、无机盐及生长素等，通 常碳源、氮源、磷的需求比为1 0 0 ：5 ：1 ；p h 值，活性污泥的最优p h 范围通常 为6 5 8 5 之间；温度，活性污泥微生物的最适宜温度范围介于1 0 4 5 之 间；有毒物质，对微生物生理活动有毒害作用或抑制作用的物即无机有机物 质大致有重金属、氰化物、h 2 s 、卤族元素及其化合物，酚、醇、醛、燃料 等。但是，只有在有毒物质在环境中达到极限允许浓度时，毒害和抑制作用 才会显露出来。 2 1 2 厌氧生物处理 厌氧生物处理工艺的实质是利用厌氧微生物的代谢特性，将废水中的有 机物进行还原，同时产生甲烷气的一种经济而有效的处理技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 厌氧生物处理的机理分析 厌氧生物处理一般主要包括以下三个阶段( 如图2 2 所示) ：i 水解、发 酵阶段，有机物首先通过发酵细菌的作用生成乙醇、丙酸、丁酸和乳酸等， 如多糖先水解为单糖，在通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸：i i 产氢、 产乙酸阶段，产氢产乙酸菌将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇降解转化为乙酸、 h 2 、c 0 2 ；i i i 产甲烷阶段，产甲烷菌利用乙酸、h 2 和c 0 2 产生c i h 。 脂肪酸( 丙酸、丁酸、乳酸笱) 、醇类等 图2 2 厌氧发酵三阶段示意图 2 厌氧生物处理净化反应过程的影响因素及参数范围 影响厌氧硝化过程的各项因素主要包括：温度，厌氧细菌可分为嗜热菌 ( 高温菌) 、嗜温菌( 中温菌) 和嗜冷菌( 低温菌) ，相应生长的适宜温度为 4 2 7 5 、2 0 4 2 和5 2 0 ：p h 值，影响厌氧降解作用的是厌氧反应器 内的p h 值，而不是进水的p h 值。产甲烷菌可以消耗脂肪酸，并产生致碱物 质如h c 0 3 等，而使由于脂肪酸的积累而下降而回升的p h 值上升。一般来 说，产甲烷菌最适宜的p h 值范围为6 8 7 2 ；氧化还原电位，由于所有的产 甲烷菌都是严格的厌氧细菌，因此严格的厌氧是其进行正常生理活动的基本 条件。非产甲烷茵可以在氧化还原点位为+ 1 0 0 1 0 0 m v 的环境正常生长和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 活动，丽产甲烷菌的最适宜氧化还原点位为1 5 0 4 0 0 m y ；营养要求，厌氧 细菌对n 、p 等营养物质的要求略低于好氧微生物，营养比例为 c o d ：n ：p = 2 0 0 ：5 ：1 ；有毒物质，常见的抑制厌氧生物过程的物质主要有硫化 物、氨氮、重金属、氰化物等。 2 1 3 生物脱氮机理 生物脱氮机理主要包括同化作用、安化作用、硝化作用、反硝化作用以 及同步硝化反硝化作用等，根据本次实验的理论需要，本部分重点介绍硝化 作用、反硝化作用和同步硝化反硝化作用。 1 硝化作用 ( 1 ) 硝化作用机理 渗滤液中的氨氮可以在有氧存在的情况下，被微生物氧化为亚硝酸盐， 并进一步被氧化为硝酸盐，这一过程被称为生物硝化过程。它包括两个基本 反应步骤：由亚硝化菌参与的将氨氮转化为亚硝酸盐( n 0 2 的反应；由硝 化菌参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐( n 0 3 i v ) 的反应。其中亚硝化菌有亚硝 酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属等，硝化菌有硝酸杆菌属、硝 酸螺菌属和硝酸球菌属等。亚硝化菌和硝化菌都是化能自养菌，它们利用 c 0 2 、c 0 3 2 和h c 0 3 等作为碳源，通过与n h 3 、n 啦+ 或n 0 2 - 的氧化还原反应 获得能量。硝化反应需在好氧条件下进行，并以氧作为电子受体【5 9 1 。 亚硝化菌和硝化菌的特性基本上类似，但亚硝化菌的生长速率比较快、 世代期较短，较易适应水质水量的变化和其他不利环境条件。而水质水量 的变化或出现不利环境条件时较易影响硝化茵的生长，因而当硝化菌的生 长受到抑制时，易在硝化过程中发生n c 2 n 的积累问题。 ( 2 ) 影响硝化反应的环境因素 影响硝化反应的主要环境因素包括：p h 值，硝化反应要消耗碱，因此， 如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化的进行。p h 值会急剧下降。而硝化 细菌对p h 十分敏感，亚硝化菌和硝化菌分别在p h 值为7 0 7 8 和7 7 8 1 时活性最强，p h 值超出这个范围，其活性便急剧下降。