（环境工程专业论文）生物质垃圾与垃圾渗滤液混合厌氧消化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本论文以生物质垃圾与垃圾渗滤液为研究对象，分别采用批式及半连续 进料方式，在不同有机负荷条件下，对两者进行中温混合厌氧消化研究。 采用批式进料的方式，对垃圾渗滤液进行单独厌氧消化实验，结果表明系 统运行较为稳定，稳定产甲烷的时间长达2 0 天，产甲烷阶段甲烷含量稳定在较 高的水平，最高为7 9 8 ，可见垃圾填埋场新鲜渗滤液具有较好的可生化性。 采用批式进料的方式，分别在3 9 v s l 和3 0 9 v s l 有机负荷条件下，对生物 质垃圾和垃圾渗滤液进行混合厌氧消化试验，结果表明：3 0 9 v s l 有机负荷条件 下系统运行更为稳定。两种负荷下，系统均能顺利过渡到产甲烷阶段，且甲烷含 量均处于较高的水平，最高甲烷含量分别为7 7 1 4 和7 4 5 。可见对生物质垃 圾与垃圾渗滤液进行混合厌氧消化具有可行性，且均能获得较好的产甲烷效果且 有机负荷对两种物料混合厌氧消化的稳定性有较大影响。 采用半连续进料的方式，分别在0 5 9 v s l d 和0 7 5 9 v s l d 有机负荷条件下， 对生物质垃圾和垃圾渗滤液进行混合厌氧消化试验，结果表明：两种负荷下均未 能取得理想的产气效果，表现为所产生物气中c h 4 含量较低，c 0 2 含量较高。在 0 7 5 9 v s l d 有机负荷条件下，系统认上升至较高的水平，最高达到9 5 7 6 m l ， 表现出明显的酸化现象。 选取批式进料3 0 9 v s l 有机负荷条件下试验数据，利用g o m p e n z 模型进行 拟合，结果表明，累积产气量随时间的变化与g o m p e r t z 模型具有较好的相关性， 从而获得最大累积产气量、最大产气速率和滞留时间模型参数。 关键词：生物质垃圾：垃圾渗滤液；混合厌氧消化；有机负荷；动力学 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 h 1t 1 1 i s t 1 1 e s i s ， s t u d i e s s e q u e l l c i n g b a t c ha n ds e m i c o n t i n o u sa n a e r o b i c c 0 d i g e s t i o nw i 也t l l eb i o m a s sa 1 1 dr e m s el e a c h a t ea tt h et e m p e r a t u r eo f35 u n g e r ab a t c ha i l a e r o b i cd i g e s t i o nw i n l 廿l er e 缸s el e a c h a t e ，t h er e s u l t ss h o wt l l a tt h e d i g e s t i o np r o c e s sm n ss t a b l ea i l dt h em e t l l a l l ec o n t e n ts t a b l ea tah i 曲l e v e l t h e h i 曲e s tm e t h a n ec o n c e n 仃i l t i o ni su pt o7 9 8 ，s h o w i n gm a tt h ef k s hr e 如s el e a c h a t e h a sag o o db i o d e 黟a d a b i h 够 ab a t c ha i l 雒r o b i cc 0 - d i g e s t i o nw i t l lb i o m a s sa n dr e 如s el e a c h a t ew i mm e o 玛a n i cl o a do f3 9 v s la l l d3 0 9 v s l t h er e s u l t sm d i c a t e sm a tm ed i g e s t i o np r o c e s s w i 血t h eo r g a j l i c1 0 a do f 3 0 9 v s li sm o r e s t a b i l i z et h a l lt 1 1 a to f3 9 v s l t h ed i g e s t i o n s y s t e mo fb o t ho r g a l l i c1 0 a dc a n 仃觚s i tt om e t h a n o g e l l i cs t a g e t 1 1 eh i 曲e s tm e t h a n e c o n c e i l t r a t i o no ft h eb i o g a l sa tt l l er e a c t i o ne 1 1 dw a s7 7 14 a 1 1 d7 4 4 7 ，s h o w i n gt h a t c 0 - d i g e s t i o nw i 也b i o m a s sa i l dr c 如s el e a c l l a t ei sf e a s i b l e ，a n d 也eo l rh a sa 伊e a t i m p a c to n 也ed i g e s t i o ns 讪i l i 锣 as e m i c o n t i n o l l sa i l a e r o b i cc o - d i g e s t i o nw i t hb i o m a s s 柚dr e 如s el e a c h a t e w i t h t l l eo r g a n i c1 0 a do f0 5 9 v s l da n d0 7 5 9 v s l d t h er e $ u l t si n d i c a t e st h a tb o t ho ft h e 觚oo l rc o u l dn o t0 b t a i nai d e a ld i g e s t i o ne 虢c t ，w i n l 廿1 ep 耐o m a n c eo fa1 0 w m e t h a i l ec o n c e n t r a t i o na n dah i 曲c a r b o nd i o x i d ec o n t e n t t 1 1 eh i 曲e s tv f a c o n c e i l 仃a t i o ni su pt o9 5 7 6 m l 珊d e rl o a do f0 7 5 9 v s l d g o m p e n zm o d e lw a su s e dt oi 1 1 v e s t i g a t et h ec o r r e l a t i o no fa c c u m u l a t i v eb i o g 硒 y i e l d 觚d 缸e0 nb a t c hm e s o p h i l i ca 1 1 a e r o b i cd i g e s t i o nw i t ht 1 1 eo r g a n i c1 0 a do f 3 0 9 v s l t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta c 伽n u l a t i v eb i o g a sy i e l da sa 如n c t i o no f t i m eh a d a ns 仃o n ge x c e l l e l l tc o r r e l a t i o nw i mg o m p e r t zm o d e l 丘o mw h i c hk i n e t i cp 猢e t e r s o fa n a e r o b i cd i g e s t i o n ， s u c ha st h em a x i n l 啪a c c u m u l a t i v eb i o g a u sy i e l d ，t h e m a x i m m nb i o g a sr a t e ， l a g - p h a s et i m e k e yw o r d s ：b i o m a s s ；r e 向s e1 e a c h a t ；a 1 1 跏b i cc o d i g e s t i o n ；o r g a i l i c1 0 a d i n gr a t e s ； k i n e t i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 所谓生物质垃圾，主要指的是垃圾中可被生物降解转化的组分。近年来，我 国经济始终保持高速发展的势头，我国城市垃圾中生物质垃圾的比例也不断提 高。由于生物质垃圾具有可生物降解的特性，且在生物降解过程中会产生有机污 染物质，因此大量堆存的生物质垃圾将会对环境产生不良影响，同时还会造成对 生物质垃圾中所蕴涵能源的浪费。目前国内外主要采用卫生填埋、好氧堆肥和垃 圾焚烧等方式来处理城市生活垃圾，但是这几种方式已不能满足我国经济社会高 速发展及能源需求日益增加的大局，生物质垃圾厌氧消化技术由于既能实现废物 的有效处理，又能最大限度的达到回收能源的目的，越来越引起人们的重视。 能源是维持我国经济快速发展的必要条件，在我国经济保持持续高速发展的 背景下，对能源的需求量日益增大，而且我国又是一个能源相对短缺的国家，加 之我国长期的粗放型的经济发展方式，对能源的浪费极为严重，能源问题成为制 约我国经济进_ 步持续快速健康发展的瓶颈，研究生物质垃圾的有效处置方式己 成为当前我国亟需解决的问题。生物质垃圾中蕴涵着丰富的生物质能，若在垃圾 处置过程中能够实现对这部分能源的有效回收，不仅可以减轻环境污染，还可实 现对能源的充分利用，在我国大力贯彻落实科学发展观、发展循环经济的大局下， 具有极为重要的意义。 目前卫生填埋仍是我国处理城市生活垃圾的主要方式，由于我国垃圾含水率 较高，在垃圾填埋过程中会产生大量的垃圾渗滤液。垃圾渗滤液是一种高污染物 浓度的有机废水，其中有机污染物含量很高、而且含有重金属等有毒有害物质， 若不妥善处置，则会对周边地下水和地表水环境及垃圾填埋场周边土地造成严重 的污染，并且此类型污染持续时间较长，可能造成严重的二次污染。目前处理垃 圾渗滤液的主要方式主要有物理化学法、生物法及其组合工艺，但工程投资及运 行成本均较高。垃圾填埋场新鲜渗滤液具有有机污染物含量高、可生化性好的特 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 点，对其采用生物处理对于回收能源以及后续处理均具有有利的效果。将新鲜渗 滤液与生物质垃圾进行混合厌氧消化，充分利用其营养元素互补的特点，是一种 创新的处理方式。 1 1 我国城市生活垃圾的产生情况及处理现状 1 1 1 城市生活垃圾产生量 城市生活垃圾主要是指城市居民生活过程中产生的固体废物，其产生量与多 种因素有关，这些因素主要包括城市人口数量、城市居民生活水平以及能源结构 也至 奇。 目前城市生活垃圾的产生量呈现逐年上升的态势，据有关资料显示，我国 2 0 0 7 年垃圾产生量己达1 5 2 1 4 5 1 0 4 t 【1 】且仍以8 1 0 的速度继续增加。以我 国目前的城市化速度，我国到2 0 3 0 年城市人口比例将达到6 0 左右，人均生活 垃圾产生量若以4 4 0 k g a 计算，则城市生活垃圾产生量至2 0 3 0 年将高达4 0 9 亿 吨。目前中国城市中约有2 3 已出现垃圾围城的局面，约有1 4 的城市由于没有 j 合适的垃圾堆放场，生活垃圾环境污染问题极为突出。生活垃圾污染问题己对城 市生态平衡构成严重威胁，且越来越制约着我国城市社会经济的持续健康发展。 【2 】 1 1 2 城市生活垃圾的组成 在城市生活垃圾处置方式的选择过程中，其组成成分是一个极为重要的影响 因素。城市垃圾可大致分为有机物质、无机物质、可回收利用物质以及其它垃圾 四类。城市生活垃圾中的有机物质主要为居民日常生活中产生的厨余废物及庭院 垃圾等，此类废物具有较好的可生物降解性能，而垃圾中的无机物质通常不会对 外界环境产生不良影响，可回收垃圾主要包括废纸、废塑料、金属、玻璃等。我 国一些城市垃圾的组成情况见表1 1 【3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 1 部分城市生活垃圾组成一览表 由于我国幅员辽阔、不同地区气候条件、生活习俗不同以及经济发展不平衡 等原因，我国城市生活垃圾表现出热值低，含水量高，成分复杂，季节性变化大 的基本特点。并且随着经济的发展，我国垃圾中的有机物质及可回收物质呈现不 断增加的趋势。 1 1 3 城市生活垃圾对环境的危害 城市生活垃圾是一种浓缩态的污染物，如不妥善处置，会对环境造成严重的 危害。生活垃圾中的污染物进入环境并对环境造成污染的途径不同于废气、废水 等常规污染物，其污染环境的途径既包括了污染物物理的迁移、扩散过程，同时 还包括许多生物、化学转化过程，其对环境影响过程表现为复杂性和长期性的特 点。城市生活垃圾对环境的影响主要包括以下几方面： ( 1 ) 侵占土地 由于城市生活垃圾的大量产生及累积，如何对其进行有效的处置已发展成为 世界性的环境问题。据有关统计，最近几年我国城市垃圾堆存量已达到7 o 1 0 9 t ， 6 0 1 0 8 m 2 土地已被垃圾侵占【4 1 。城市垃圾堆放过程中，会侵占宝贵的土地资源， 同时还会对某些自然景观产生不良的影响。 ( 2 ) 污染水体 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 城市生活垃圾中的可生物降解物质在被微生物降解过程中，会产生大量的有 机污染物。垃圾中所含的重金属在水的淋溶作用下进入外环境，可对周边水体产 生严重污染。垃圾在堆放或简易填埋过程中，由于其自身所含水分和降水的淋溶 作用，会产生大量的渗滤液，这些渗滤液进入地表水和周边土壤，会造成地表水 和地下水的严重污染【5 】。 ( 3 ) 污染大气 城市垃圾中的可生化组分在降解过程中，可产生c h 4 和c 0 2 等气体，影响 大气环境。同时，垃圾填埋过程中也会产生c h 4 等气体，如缺少必要的气体收 集设施，也会造成大气污染。一般情况下，有机固体垃圾在降解过程中的产气量 接近o 0 1 3 o 0 4 7 m 3 瓜g 【6 】，主要气体成分为c 地和c 0 2 ，其中c h 4 所占比重可达 5 0 一6 5 ，c 0 2 的含量一般在4 0 。密度较小的c h 4 逸散到大气中，容易造成 臭氧层的破坏。据研究，c h 4 对臭氧层的破坏能力是c 0 2 的2 0 倍。另外，垃圾 填埋过程中还会产生少量的h 2 s 、n h 3 、c s 2 等有害气体，也会对大气造成污染。 ( 4 ) 危害土壤生态环境 城市生活垃圾的堆放场不仅会侵占大量耕地，而且如果将未经妥善处理的垃 圾施于农田，将会对土壤生态环境造成严重危害。主要表现在以下几个方面：一 是会影响土壤的理化性质。由于垃圾肥的粒径较大，并且经常含有碎玻璃、金属 等杂质，会对土壤的团粒结构以及理化性质造成破坏，造成土壤的肥力下降。二 是由于垃圾中含有一定的重金属，如果长期将垃圾施于农田将会导致土壤中重金 属含量上升。三是垃圾中的有机合成材料以及塑料制品含量增多，如果未经过分 选回收而进入农田，将会对植物生长造成不利的影响。 ( 5 ) 传播疾病 由于我国城市居民数量近年来大幅增加，产生的垃圾及粪便也大幅增加。据 统计，目前我国城市只有4 0 5 0 的垃圾得到有效清运，而无害化处理率则只有 1 6 ，大部分垃圾、粪便未经无害化处理即进入环境，不仅对环境卫生产生不良 影响，而且还会危害人民群众的身体健康。垃圾堆放场极易成为蚊蝇、老鼠及病 原体的滋生场所，处理不慎则会成为传染性疾病的发生源。另外，生活垃圾中含 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有大量的寄生虫卵等有害微生物，若事先未经有效处理便施于农田，可能随作物 返回人体而传播疾病。 ( 6 ) 易引起爆炸事故 城市生活垃圾集中堆存过程中产生大量的甲烷气体，若得不到有效的管理与 处置，则会存在巨大的安全隐患。近年来，由垃圾堆放引发爆炸的事故屡有发生， 造成了严重的损失。 1 1 4 城市生活垃圾处置概况 城市生活垃圾处理的最终目的是实现垃圾的减量化、无害化和资源化，目前 常用的处置方法主要包括物理法、化学法及生物化学法【7 1 ，处理方式主要包括 卫生填埋、好氧堆肥、焚烧及资源化利用等。表1 2 【8 】列出了不同方式在各国垃 圾处理中所占的比例。 表1 2 部分国家垃圾处理概况 ( 1 ) 卫生填埋 卫生填埋是我国目前采用较多的垃圾处置方式，此方法具有垃圾处理量大、 投资小、运行简单等优点。但是采用卫生填埋处理城市垃圾不仅不能实现资源的 回收利用，同时填埋场需占用大量土地，在土地资源紧缺的局面下，寻求合适的 填埋场址显得日益困难；另外在填埋过程中产生的垃圾渗滤液，是一种高污染废 水，如果填埋场防渗层出现破裂，或未经有效处理而排放到环境中，将会对土地 及地下水体造成严重污染。另外垃圾填埋过程中产生的填埋气如果未经妥善收集 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 和控制，容易对大气造成污染。 ( 2 ) 焚烧 垃圾焚烧是通过燃烧垃圾中的可燃组份以回收热能的一种垃圾处理方式9 1 。 垃圾焚烧具有以下优点：可使垃圾快速、大比例减容、减重，一般可使垃圾减容 9 0 ，减重7 0 以上；可在高温下彻底杀死垃圾中的病源菌等有害微生物，以达 到无害化目的；可回收垃圾中的热能进行发电或供热，占地面积小等。在欧美发 达国家，由于垃圾中热值较高，焚烧已成为回收能源的一种重要手段而越来越被 重视。目前，垃圾焚烧己成为国外许多国家处置城市垃圾的重要手段。 垃圾焚烧处置技术的缺陷主要包括：对垃圾热值具有较高要求，通常要求热 值高于3 3 0 0 瓜g ，不适于处理高含水率的城镇有机垃圾；同时垃圾焚烧固定投 资大且运行费用高，不易在经济欠发达地区推广应用；垃圾焚烧过程中易产生二 次污染问题，最为人们熟知的当属二恶英，二恶英具有致癌、致畸、致遗传基因 突变等危害，会对人民群众健康造成严重影响。 ( 3 ) 堆肥 堆肥是利用细菌、真菌、放线菌等微生物的生物转化作用，将垃圾中的可生 物降解组分转化为腐殖质，以用作肥料的一种垃圾处理方式。垃圾在人工控制下 经过堆肥化处理，可作为土壤改良剂，为农作物提供必要的营养元素【1 们。 堆肥包括厌氧堆肥、好氧堆肥两种方式。相对于厌氧堆肥，好氧堆肥由于具 有分解速度快、所需时间短、臭气产生量少等优点，成为目前采用的主要方式。 堆肥工艺具有投资小，操作相对简单等优点，但由于目前我国尚未实现垃圾分类 收集，垃圾中所含的杂质往往难以实现有效分离。同时堆肥工艺中还存在易产生 恶臭气体、病原体不能彻底杀灭等二次污染问题。目前，我国堆肥技术还较为落 后，所生产的堆肥产品往往肥效不高，产品竞争力不足以致缺乏市场，严重制约 了我国堆肥处理工艺的健康发展。【1 1 】 ( 4 ) 综合处理资源化 垃圾的综合处理资源化是指在垃圾分类的基础上，针对垃圾中所含的不同组 分，采取不同的方式进行处理。垃圾经过分选，大致可分为可回收物质、可生化 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 物质、无机物质三类物质。对于垃圾中的有机物质，可采用厌氧消化及堆肥工艺 对其进行处理，对于可回收物质可进行回收利用，对于无机物质可用作建筑材料 等。制约此种方式发展的因素主要是实现垃圾的有效分选较为困难【l 刀。 城市生活垃圾的处理方法还包括生物转化、垃圾热解、垃圾投海、垃圾筑路 等。但是受到垃圾性质的影响，目前这些方法还没有得到广泛应用。 1 2 城市垃圾渗滤液的特性及处理现状 1 2 1 垃圾渗滤液产生情况 我国城市生活垃圾目前尚未实现源头分类收集，并且热值较低，采用其他处 理方式无法取得良好的效果，而垃圾填埋具有技术相对成熟、处理成本低、管理 及操作简单等特点，因此卫生填埋仍是目前我国采用较多的垃圾处理方式。垃圾 渗滤液是垃圾在堆放及填埋过程中由于压实、发酵和降水淋溶作用所产生的一种 高污染废水。渗滤液的产生来源包括：一是降水、地表径流以及地下水的淋溶浸 泡；二是垃圾自身所含的水分；三是垃圾填埋后在厌氧微生物的作用下降解产生 的水分【”】。垃圾中的有机物质在填埋过程中的生化反应过程可用下式表示： 有机物并吼d + c d 2 + 乩十崛一十观2 一+ 尸d 4 3 一+ ( 1 1 ) 有机物型堕_ 日2 d + c q + 埘3 + c h 4 + 吼s + 低分子有机物( 1 2 ) 渗滤液中的污染物质主要来自：垃圾自身所含的可溶性有机物及无机物；在 降水以及地表水的淋溶作用下发生溶解而进入渗滤液的污染物；垃圾在微生物作 用下发生生物化学反应产生的可溶性物质以及从外环境进入渗滤液中的溶解性 物质【1 4 】。垃圾渗滤液为高污染废水，若未经有效处理即排放，将会对填埋场附 近的地下水体、地表水体以及土壤造成严重的污染【l 5 1 。 1 2 2 城市垃圾渗滤液的特性 垃圾渗滤液是一种外观呈茶色或黑褐色，有腐臭味，污染物组分复杂的高浓 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 度废水，渗滤液中含有大量的有毒有害有机物，同时还含有高浓度无机盐以及各 种病菌等。垃圾渗滤液水质受到垃圾成分、填埋时间、气候及季节等多种因素的 影响，而呈现出明显的非周期性特点【1 6 1 7 】。垃圾渗滤液中的有机污染物成分复杂 且浓度很高，包含大量挥发性有机酸以及难降解物质，而且含有高浓度的氨氮及 重金属离子等【18 1 。 垃圾渗滤液的水质特性见表1 3 【1 9 】： 表1 3 渗滤液污染物组成一览表 由上表可以看出，垃圾渗滤液的水质具有如下特点【2 0 】： ( 1 ) 有机污染物种类多，水质极为复杂：垃圾渗滤液中有机组分主要是大量 难降解的有机化合物，如酚类、杂环芳烃、多环芳烃类等化合物，可占到渗滤液 中有机污染物的7 0 以上【2 l 】。郑曼英等【2 2 1 研究发现渗滤液中包含7 7 种有机污染 物质，其中包括多种致癌物，并且有5 种被列入我国环境优先污染物“黑名单”。 垃圾渗滤液中的污染物成分比城市污水更为复杂，这也是垃圾渗滤液难于处理的 原因所在。 ( 2 ) 有机污染物浓度高且变化范围大。垃圾渗滤液中的c o d 。，浓度可达到 9 0 0 0 0 m l ，b o d 5 浓度最高可达到3 8 0 0 0 m l ，比城市污水表现出更高的污染 特性。垃圾渗滤液中c o d 汀和b o d 5 浓度随着垃圾填埋时间的增长而降低，且 b o d 5 c o d 甜值逐渐下降，而碱度则逐渐上升。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 金属离子含量高，垃圾渗滤液中的金属离子有十多种，其中铁、锌离子 浓度较高，铁和锌的浓度分别可达2 0 0 0 m l 、1 3 0 m l 左右。 ( 4 ) 氨氮含量高，随着垃圾填埋时间的增加，渗滤液中的氨氮浓度也不断升 高，可达到1 7 0 0 m l 左右。高浓度的氨氮会对微生物的活性产生抑制，使生物 处理效果降低。 ( 5 ) 营养元素之间的比例严重失调。采用生化法处理污水对于营养元素比例 的要求一般为b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：l ，但是由于渗滤液中氨氮含量高，造成c n 比 偏低，并且由于p 元素缺乏( b o d 5 t p 3 0 0 ) ，无法满足微生物生长所需的营养比 例，给生物处理造成了难度。 1 2 3 城市垃圾渗滤液处理现状 1 2 3 1 垃圾渗滤液与城市污水合并处理 目前国内处理渗滤液的常用方案是将渗滤液与城市污水合并处理，此种方式 可以节约大量用于建设渗滤液处理设施的资金，实现处理成本的降低。合并处理 在对渗滤液进行稀释的同时，还可以对渗滤液的营养元素比例进行调节，从而提 高处理效果【2 3 2 4 】：由于垃圾渗滤液水质复杂，水质水量变化大，当采用此种处理 方案时，必须合理的控制渗滤液与污水的混合比例，才能实现污水处理系统的稳 定运行。 将渗滤液与城市污水合并处理，处理费用相对低廉，但是受到混合比例的影 响，处理量不大，并且由于垃圾填埋场往往距离污水处理厂较远，因此需要较高 的运输费用，而敷设管线直接输送又投资过高，因此此方案实现难度较大。 1 2 3 2 垃圾渗滤液单独处理 目前普遍采用的渗滤液处理技术包括物理化学处理、生物处理以及土地处 理。生物处理法包括厌氧处理，包括上流式厌氧污泥床反应器、厌氧折流板反应 器、厌氧塘等；好氧处理，包括活性污泥法、曝气塘、生物转盘等，以及厌氧好 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 氧组合处理工艺。物理化学处理技术主要有混凝沉淀法、活性炭吸附法、化学氧 化法、催化氧化法和膜处理技术( 反渗透、超滤) 等。 ( 1 ) 生物处理 生物处理法，通常包括厌氧生物处理、好氧生物处理以及厌氧一好氧组合工 艺处理【2 5 】。对于c o d 浓度小于5 0 0 0 m l 的渗滤液适宜采用好氧生物处理方法， 而对于c o d 在5 0 0 0 5 0 0 0 0 m l 之间的垃圾渗滤液则应先进行厌氧处理，以去 除高浓度的有机污染物，同时可产生可观的c h 4 。 好氧生物处理 好氧生物处理工艺是在好氧条件下，通过微生物转化污染物质用于自身生长 代谢，从而达到去除污染物的目的。好氧生物处理不仅可显著降低渗滤液中 b o d 5 、c o d 和氨氮的浓度，并且可以去除铁、锰等金属污染物。好氧生物处理 技术便于管理，操作相对简单，且抗冲击负荷能力强，微生物驯化时间短，同时 好氧处理对环境要求较低，即使在低水温条件下，反应器也能正常运行。 好氧生物处理的缺点是处理性能容易受到重金属等抑制因素的影响，并且由 于渗滤液中一般磷元素含量偏低，往往需要另外添加磷酸盐才能实现较好的处理 效果。另外当外界温度突然升高时，好氧处理难以保证高的污染物去除率，并且 在曝气过程中，时常发生泡沫问题，需安装除泡装置。同时好氧处理的能耗较大 大，且由于污泥产量大而需要额外的污泥处置费用。 厌氧生物处理 厌氧生物处理是利用厌氧微生物的作用，首先将基质中的难降解有机物分解 为结构简单的低分子有机物，其后在产甲烷菌的作用下将有机物最终转化为甲烷 和二氧化碳的过程。厌氧生物处理的优点是操作相对简单、能耗较低、剩余污泥 量少、投资及运行费用低，同时产生的沼气可用作燃料。由于垃圾渗滤液中污染 物含量高，其中多数为可生化物质，采用厌氧生物处理既可以有效去除污染物， 又可以获得能源回收的效果。 厌氧生物处理工艺的缺点是容易受到环境因素及干扰物质的影响，低温条件 下处理效果较低。由于产甲烷细菌对环境条件极为敏感，因此厌氧处理对操作要 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 求非常严格。另外厌氧处理抗冲击负荷能力较差，菌种驯化时间长。厌氧法一般 作为高浓度有机废水在好氧处理前的预处理工序，厌氧处理出水中的c o d 浓度 和氨氮浓度仍比较高，溶解氧很低，不宜直接排放，一般需要进行后续处理【2 6 2 7 1 。 厌氧一好氧联合处理 厌氧处理适于处理有机污染物浓度高的废水，但出水水质通常不能达到排放 标准，因而常将厌氧、好氧技术组合运用。目前运用的渗滤液处理工艺中，大多 都采用厌氧好氧联合处理系统。实践证明，采用厌氧一好氧处理工艺既节约成 本，也可达到较高的处理效率，不仅能有效去除c o d 、b o d ，还可去除n 、p 等。 ( 2 ) 物理化学方法 垃圾渗滤液中通常含有高浓度的c o d mb o d 5 、n h 3 n 和重金属离子，且 可生化性较差，利用物理化学方法对渗滤液进行前处理或后处理，可改善废水的 可生化性，将生化处理后出水通过物化方法进一步去除有机污染物有助于达标排 放。 常用的物理化学方法主要有活性炭吸附法、化学沉淀法，化学氧化法、密度 分离法、离子交换法、化学还原法、膜渗析、湿式氧化等方法。较之生物处理方 法，物化处理抗水力冲击负荷能力强，出水水质较为稳定，对难生物降解的渗滤 液处理效果较好【2 引。但是由于物化方法处理成本较高，故常用于渗滤液的预处 理和深度处理【2 9 】。 ( 3 ) 土地处理 土地处理是指通过土壤颗粒的过滤、植物吸收以及微生物的生物转化作用， 从而达到污水净化目的的处理工艺。土地处理技术具有运行简单、投资小的优点， 适合在土地资源丰富的地区使用。土地处理技术主要包括表面漫流系统、渗滤系 统以及湿地系统等【3 0 1 ，污水回灌法和人工湿地是目前应用较多的土地处理方法 【3 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 3 厌氧消化技术研究现状 厌氧生物处理技术最早是用于处理生活污水，随着环境污染日益严重，以及 能源危机的出现，厌氧消化技术由于具有能源回收的效果逐渐受到人们的关注。 随着诸如厌氧滤池( a n a e r b i cf i l t e r ，a f ) 、上流式厌氧污泥床反应器( u p f l o w a n a e r o b i cs 1 u d g eb e d ，u a s b ) 等一批高效反应器的出现，厌氧消化处理技术的处 理效率及处理负荷都得到了大幅提升【3 2 1 。 厌氧消化处理技术具有工艺稳定、运行简单等优点，并且消化过程中污泥产 量少从而减少了剩余污泥的处置费用，具有生态和经济上的优势。近年来厌氧消 化技术发展迅速，出现了大量采用厌氧消化技术处理城市垃圾的处理厂。目前在 厌氧消化领域处于领先地位的国家主要包括德国、丹麦、瑞士等，这些国家均已 将厌氧消化技术进行了市场化运作，出现了德国h a a s e 工程公司、比利时o 唱柚i c w 瓠t es y s t e m s 公司、瑞士k 0 m p o g a s 公司等大型处理公司。 我国开展有机垃圾厌氧消化技术研究的时间相对较晚，虽然近年来厌氧消化 技术的研究力度大大增加，但仍与国外发达国家存在较大差距，突出表现为：厌 氧消化沼气产率低，系统运行及自动化水平较低，配套技术和设备不够完善，市 场化运作机制尚未形成等 3 3 1 。 1 3 1 厌氧消化工艺概况 根据厌氧消化级数，厌氧消化有单级、两级厌氧消化之分；根据系统运行连 续性，可以分为批式厌氧消化、连续厌氧消化；根据固含量不同，可分为湿式厌 氧消化：t s 低于1 0 、中固体厌氧消化：t s 为1 5 2 0 和高固体厌氧消化： t s 为2 0 4 0 【3 4 1 。根据厌氧消化温度不同又可分为常温、中温及高温厌氧消 化。 目前有代表性的工艺包括以下几种： ( 1 ) 单级湿式厌氧消化：单级湿式工艺相对比较简单，该工艺主要采用连续 搅拌罐式反应器( c o n t i l l u o u s l ys t i r r e dt a i l l ( r e a c t o r ，c s t r ) ，操作过程中以一定的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 速率进出料，根据原料类型和消化温度的不同，消化周期为1 4 2 8 d 。该工艺较 为典型的有芬兰的w a s s a 工艺、佛罗里达州的s o l c o n 工艺和德国的e c o t e c 工艺等【3 5 j 。 ( 2 ) 单级高固体厌氧消化：较为典型的工艺包括瑞士k o m p 0 9 2 l sa g 公司开发 的k o m p o g a u s 工艺、比利时有机垃圾系统公司( o 唱a i l i cw 如t es y s t e m s ) 开发的 d 瑚c 0 工艺以及法国s t e i m n u e l l e r v a l o 玛a s 砌公司开发的o r g a 工艺。 ( 3 ) 两级湿式厌氧消化：有代表性的工艺包括荷兰的p a c q u e s 工艺、德国的 b i o c o m p 工艺以及德国和加拿大的b t a 工艺。p a c q u e s 是一种中温工艺，主要用 于处理水果蔬菜垃圾。该工艺水解反应器内t s 为1 0 ，采用气流搅拌，消化 物先经过脱水，液体部分进入上流式厌氧污泥床反应器( u p n o wa 1 1 a e r o b i cs l u d g e b l a l l k e t ，u a s b ) 产甲烷，一部分固体作为接种物加入水解反应器中，剩余固体用 于堆肥【3 6 】。加拿大b t a 工艺的t s 要求也在l o 左右，同属于中温厌氧消化。 ( 4 ) 两级高固体厌氧消化：该工艺比较典型的是德国维尔利公司的 b i o p e r c 0 1 a t 工艺，它与p a c q u e s 工艺相似，所不同的是b i o p e r c o l a t 工艺是在高 t s 含量以及微好氧条件下完成水解，酸化相为微好氧水解反应器，产甲烷相采 用附着式生物膜反应器，可将消化周期缩短为7 d 。并且与单级湿式工艺相比， 该系统具有较高的有机负荷。 ( 5 ) 单级间歇式厌氧消化：典型的单级间歇式工艺有荷兰的b i o c e l 工艺【3 7 1 ， 每年能处理生物质垃圾3 5 0 0 0 t 。该工艺为中温厌氧消化工艺，与单级湿式工艺相 比，处理相同数量的垃圾，b i o c e l 工艺产气量约低4 0 。 1 3 2 厌氧消化过程促进技术研究现状 ( 1 ) 预处理 采用不同的措施对反应物料进行预处理对厌氧消化的效率有很大的影响。厌 氧消化预处理措施主要包括物理预处理、生物预处理及化学预处理。g h o s h 等【3 8 】 在厌氧消化研究中采用n a o h ( o 5 9 1 0 0 9 。v s ) 对挥发性有机物进行处理，结果甲 烷产量提高了3 5 。m w e e m a u e s 【3 9 】在对污泥厌氧消化的研究中，采用臭氧进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 预处理，结果使挥发性有机物转化率提高到6 7 ，预处理提高了之后的厌氧消化 效果，臭氧使用量为0 1 9 0 3 g c o d 。1 时，使甲烷产生量提高了1 8 倍，而且甲烷产 生速率也明显提高。p a l m o w s l ( i 等研究发现，通过减小颗粒粒度可提高纤维素 的生物转化率，增加产甲烷量，还可以缩短消化时间。h a s e g a w a 等【4 1 1 研究发现 通过在6 0 7 0 条件下对有机污泥进行好氧预处理，使得系统产气量提高了1 5 倍。 ( 2 ) 添加微量元素 某些微量元素在厌氧消化过程中也有相当重要的作用，适量的微量元素可加 速厌氧微生物的细胞合成，某些痕量离子还可对厌氧消化中的生物化学反应产生 催化作用。陈朝猛等【4 2 】在有机垃圾中温厌氧消化研究中，通过添加f e 、n i 、c o 等微量元素使产甲烷量增加了4 3 4 ，甲烷含量则提高了5 1 ，有机固体转化 率提高了1 0 2 ，同时缩短了厌氧消化周期。g r a c i e l a 等研究了加入镍、钴等 微量元素对甲烷菌产甲烷动力学的影响，发现随着镍、钴离子浓度的增加，甲烷 产量指数增长率和线性增长率都相应提高。 ( 3 ) 搅拌 搅拌也是影响厌氧消化产甲烷量的重要因素。通过搅拌可以促进厌氧微生物 与底物的接触，提高底物的消化效率、增加产甲烷量，同时可缩短消化周期。 k 撕m 等【删研究发现，在有机负荷2 9 v s ( l d ) 条件下，采用生物气搅拌时，系统 的生物气产生率为o 9 4 1 圳，而采用机械搅拌时，系统生物气产生率为0 8 8 l d ， 不搅拌时，系统生物气产生率为0 8 4 l d 。张记市等发现通过搅拌使厌氧消化周 期缩短了3 5 d ，若搅拌强度不适当，则会发生物料漂浮及污泥分层现象【4 卯。 1 3 3 厌氧消化抑制因素研究现状 在厌氧消化过程中存在着诸多抑制因素，主要包括：挥发酸、氨、硫化物、 重金属离子等。氨主要由蛋白质和尿素生物分解产生。氨氮在水溶液中，主要是 以铵离子和游离氨两种形式存在。其中游离氨具有良好的膜渗透性【4 6 1 ，是抑制 作用产生的主要原因。不同反应器类型、微生物种群及反应条件下对应的氨氮抑 制性浓度不同。g a l l e n 等f 4 7 】分别在中温及高温条件下研究了氨氮对系统甲烷产 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 量的影响，发现高温条件下系统甲烷含量较低，原因是高温条件下系统中氨氮浓 度更高。高温条件下系统氨氮浓度为1 4 9 l 1 ，而中温条件下为1 9 l 1 。硫酸盐是 很多工业废料的常见成分，在厌氧反应中，硫酸盐被硫酸盐还原菌( s r b ) 还原成 硫化物。这些硫化物主要含有s 弘、h s 及h 2 s ，其中h 2 s 存在于液相和气相中 且毒害作用最大，主要是因为h ：s 呈电中性，而中性物质能顺利通过带负电细 菌的细胞膜，从而破坏其蛋白质。重金属离子的毒性可使消化器运行不稳定或失 败，重金属离子的抑制机理包括：导致酶功能的破坏；重金属离子与硫醇或蛋白 质分子上的基团结合可破坏细胞酶结构【4 8 】；重金属离子与辅酶中的其他金属离 子发生离子交换。重金属离子对厌氧微生物的影响结果，主要取决于离子浓度、 存在形态、p h 、氧化还原电位等工艺条件【4 9 1 。通常认为，酸化细菌与产甲烷菌 相比对重金属能力有更强的抵抗能力p 。 1 3 4 混合厌氧消化研究现状 混合厌氧消化是指利用厌氧消化工艺对两种或多种有机废物进行联合处理 的方法。混合厌氧消化通过在消化物料间建立起良性互补的关系，从而可提高系 统的产气量与产气率，而且此种处理方式还可以节约设备成本，提高经济效益 【5 l 】 o 目前，在生物质垃圾联合厌氧消化研究中，涉及较多的是生物质垃圾与剩余 污泥的联合消化研究。p s o s n o w s l ( i 【5 2 】等对污泥与城市可生化垃圾进行了联合厌 氧消化研究，发现加入可生化垃圾使污泥的c n 由9 ：1 提高到1 4 ：1 ，采用污泥与 可生化垃圾7 5 2 5 ( v s s ) 的比例混合，甲烷产率达到0 4 0 6 l g v s ，并且 发现采用半连续两相消化效率更高。l n e v e s 【5 3 】等对咖啡废物与污泥进行了联合 厌氧消化研究，发现咖啡废物具有较高的水解速率，获得了0 2 4 0 2 8 m 3 c l 肚g v s 的甲烷产率，v s 去除率达到7 5 8 0 。朱亚兰【5 4 】等对城市可生 化垃圾与厌氧剩余污泥进行了批式混合厌氧消化研究，确定了不同有机负荷条件 下的酸化过程特性。还有一些学者对生物质垃圾与畜禽粪便进行了联合厌氧消化 研究，h 锄e d m 【5 5 1 等对牛粪与食品垃圾进行联合厌氧消化研究，采用6 8 3 2 和 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 5 2 4 8 ( v s s ) 两种比例对牛粪和食品垃圾进行混合，分别取得了2 8 2 执g v s 和 3 1 1 m g v s 的甲烷产率。h i 血c h 嗍等对城市生物质垃圾与粪便进行高温联合厌氧 消化，结果在水力停留时间1 4 1 8 d ，有机负荷为3 3 4 o ，粪便比例为 5 0 ( v s s ) 时，系统运行稳定，表现出高的甲烷产率及低的v f a 浓度，甲烷产 率达到o 6 3 o 7 1 l g v s 。r e n e ，舢v a r e z 【5 7 1 等采用半连续方式对屠宰场固体废物、 粪便和果蔬废物进行联合厌氧消化，三种物料采用相同的v s 比例混合，在有机 负荷o 3 1 3 k g v s m 3 d 条件下可以获得o 3m 3 l ( g v s 的甲烷产率，甲烷含量达到 5 4 5 6 ，当进一步增加负荷时，由于系统有机负荷过载以及缓冲性能不足，甲 烷产量下降。 1 4 课题研究的目标及内容 1 4 1 课题研究目标 以垃圾渗滤液和其他生物质垃圾为研究对象，在试验基础上，系统研究不同 进料方式及有机负荷试验条件对垃圾渗滤液和生物质垃圾混合厌氧消化的影响， 通过分析系统运行过程中逾、n h 3 _ n 、碱度、产气量及甲烷含量的变化，对渗 滤液和生物质垃圾混合厌氧消化的规律进行探究，借助试验取得的相关试验数据 和工艺参数，以期对垃圾渗滤液和生物质垃圾混合厌氧消化的进一步实际应用提 供有益的参考。 1 4 2 课题研究内容 ( 1 ) 垃圾渗滤液水质分析； ( 2 ) 垃圾渗滤液与生物质垃圾的混合厌氧消化试验； ( 3 ) 实验结果分析。 ( 4 ) 垃圾渗滤液与生物质垃圾混合厌氧消化动力学研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第二章厌氧消化技术原理 厌氧消化技术是指利用厌氧微生物的一系列生物化学作用，将固体废物中的 有机物分解为c 池、c 0 2 等物质的过程，从而达到有机固体废物的减量化、无害 化、资源化。厌氧消化过程通过系统中多种菌群的协同作用，最终实现复杂基质 的转化。厌氧消化过程涉及水解、酸化及产甲烷等一系列生物化学反应，多种微 生物之间相互影响和制约，构成一个复杂的生态系统【5 8 】。 厌氧消化的理论研究，历经二阶段、三阶段、四阶段理论的发展历程。二阶 段理论将厌氧消化菌群分为不产甲烷菌及产甲烷菌两类，相应的将厌氧消化过程 分为酸化和甲烷化两个阶段【5 9 1 。随着人们对厌氧菌群的进一步研究，b 巧a n t 等 人于1 9 7 2 年提出了厌氧消化三阶段理论唧】，将整个厌氧消化过程分为了水解酸 化、产氢产乙酸、产甲烷三个阶段，三阶段理论的重要贡献是发现了产氢产乙酸 细菌在厌氧消化过程中的重要作用，如图2 1 所示。后来在第一届国际厌氧消化 会议上，z e i k u s 等【6 1 】又提出了四阶段理论，此理论把整个厌氧消化过程分为了 水解阶段、。产酸阶段、产乙酸阶段及产甲烷阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 注：l 一发酵细菌：2 - 产氢产乙酸菌：3 - 同型产乙酸菌；4 - 利用h 2 和c 0 2 的产甲烷菌： 5 分解乙酸的产甲烷菌 图2 1 厌氧消化基本过程 水解酸化阶段：淀粉、蛋白质、纤维素、脂肪等大分子有机物在水解酶的作 用下，逐步分解为葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、甘油等小分子有机物。之后产酸细 菌进一步将这些物质分解为乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸以及醇类、酮类、 h 2 、c 0 2 等物质。 产氢产乙酸阶段：由于丙酸、丁酸、乙醇不能被产甲烷菌直