（环境工程专业论文）cstr系统填埋场渗滤液与果蔬废物混合厌氧消化试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 试验以填埋场渗滤液和果蔬废物为原料，在自带u c s t r 厌氧反应器( c o n t i n u o u s s t i r r e dt a n kr e a c t o r ，连续搅拌厌氧反应器) 进行半连续式混合厌氧消化研究。分别 以果蔬废物为物料、果蔬废物与填埋场渗滤液按7 ：3 混合为物料两种情况进行中温 厌氧消化研究。 试验结果表明：( 1 ) 在自制的c s t r 厌氧反应器中对填埋场渗滤液进行驯化， 其驯化液能顺利进行果蔬废物与填埋场渗滤液为物料的厌氧消化反应，系统能顺利进 行水解酸化、甲烷化过程，果蔬废物和垃圾渗滤液中的有机物均得到有效降解。( 2 ) 以果蔬废物为物料的半连续进料中温厌氧消化试验，随着有机负荷从o 5 、0 7 5 、1 0 、 1 2 5 9 v s l 递增，厌氧消化系统所产生的v f a 与氨氮能使系统的酸碱度( p h 值) 维 持在有利于产甲烷菌的生长环境内。整个厌氧消化过程中单位物料产甲烷率呈现上升 的趋势，在有机负荷为1 2 5 9 v s l ，试验的第8 1 天，厌氧消化系统达到最高的单位产 甲烷率，为0 7 3 3 2l g v s d 。以果蔬废物为物料的厌氧消化中，在有机负荷为1 2 5 9 v s l 时甲烷产量最大，占总产气量的6 4 5 6 ，可获得更好的厌氧消化产气效果。( 3 ) 以 果蔬废物与渗滤液按7 ：3 混合的半连续进料中温厌氧消化试验，随着有机负荷从1 0 到1 2 5 9 v s l 递增，p h 值经过初期的波动后一直稳定在7 2 左右。v f a 含量在初期 也出现一定的波动，但系统进入相对稳定的产甲烷化阶段后，其浓度始终维持在 3 6 0 m g l 左右。通过对气体成分的测算，1 o g v s l 和1 2 5g v s l 两种有机负荷的总产 气量、产甲烷量、甲烷量占总产气量的比例分别为9 8 5 6 l 、6 1 7 8 l 、6 2 2 7 ；1 2 7 8 7 l 、 8 1 0 5 l 、6 3 3 8 。与单独以果蔬废物为物料的厌氧消化相比，由于渗滤液中所含高氨 氮、高金属等物质对微生物产生一定影响，并且渗滤液作为物料造成系统底物浓度的 降低，从而使产甲烷比例略有下降。 关键词：果蔬废物；填埋场渗滤液；c s t r 系统；厌氧消化；有机负荷：产甲烷率 西南交通大学硕士研究生学位论文第t i 页 a b s t r a c t i nt h i se x p e r i m e n t , t h ea n a e r o b i cc o - d i g e s t i o nw a sc o n d u c t e di nac s t ra n a e r o b i cr e a c t o rb ya s e n a i - c o n l i n u o u sr e a c t o r w i t hf r u i ta n dv e g e t a b l ew a s t e a sb i om a s sa n dl a n d f a l ll e a c h a t ei n7 ：3m i x e d u n d e rt h et e m p e m a 鹏a b o u t3 5 c t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) l a n d f i l ll 饯r h a t ec a nb ed o m e s t i c a t e di nah o m e m a d ec s t ra n a e r o b i c r e a c t o r ，a n dt h ed o m e s t i c a t e d 蛐dc a nc a r r yo u ta n a e r o b i cd i g e s t i o nr e a c t i o ns m o o t h l yi nf i u i ta n d v e g e t a b l ew a s t ea n dl a n d f i l ll e a c h a t e t h es y s t e mc a nc a r r yo u ta c i d i f i c a t i o na n dm e t h a n a t i o np r o c e s s , o r g a n i co f v e g e t a b l ew a s t ea n dl a n d f a l lk 撒h a t ec a nb eg o tt oe f f e c t i v ed e g r a d a t i o n ( 2 ) as e m i - c o n t i n o u s a n a e r o b i cc o - d i g e s t i o nw i t ht h ef r u i ta n dv e g e t a b l ew a s t et h et e s tw a sg r a d u a l l yi n c r e a s e do nl h e o r g a n i c l o a d i n gr a t e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ev f aa n da m m o n i a p r o d u c e dc o u l dm a i n t a i nt h ep hi na c e r t a i nr a n g e , w h i c hc o u l dh e l pm d ：h a n o g e m i cb a c t e r i ag r o w t ha n dr e p r o d u c t i o nw i t ht h eo r g a n i c l o a do f 0 5 9 v s l 、0 7 5 9 v s l 、1 0 9 v s a a n d l2 5 9 v s l t h r o u g h o u tt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o ng o c e 翳，t h e m e t h a n er a t ep r ou n io f b i om a s ss h o w sa nu p w a r dt r e n d t h et e s tf o ro r 鲥cl o a d i n ga b o u t1 2 5 9 v s l i nt h e81 1 l ld a y , t h ea n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e n l sa e 知e v et h eh i g h e s tu n i to f t h ep r o d u c i n gm e t h a n er a t e o f0 7 3 3 2u g v s d a n a e r o b i cd i g e s t i o no ff i u i ta n dv e g e t a b l ew a s t em a t e f i a l s , w h i c ho 唧l i cl o a d 1 2 5 9 v s l , m e t h a n eg e t st h el a r g e s to u t p u ta n dm e t h a n et a k ep e r c e n t a g eo f6 4 5 6 o f t h et o t a lg a s p r o d u c t i o n , a l s oa n a e r o b i cd i g e s t i o nc a nb eb e t t e rt h ee f f e c to f g a sp r o d u a i 觚( 3 ) w i t ht h ei n c r e s s i n gt h e 倒c l o a df r o mt h e1 0g v s lt o1 2 5g v p hv a l u e sa f t e ri n i t i a lf l u c t u a t i o n sh a sb e e ns t a b l ea t a r o u n d7 2i ns c m i - c o n f m u o u sf e e dm e s o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o nt e s tw h i c hm i x e sh u i ta n dv e g e t a b l e w a s t ea n dl e a c h a t ew i t h7 ：3 a n dv f ah a sac l 砌i nf l u c t u a t i o ni nt h ei n i t i a l a t t e rs y s t e mi n t oa r e l a t i v e l y s t a b l es t a g eo f p r o d u c i n gm e t h a n a f i o n , v f aw a sm a i n t a i n e d 龇a b o u t3 6 0 m e 班m e a s t w e x n e n t so ft h e c o m p o s i t i o no f t h eg a sf o u n dt h a tt h et o t a lg a sp r o d u c t i o n 、t h em e t h a n ep r o d u c t i o na n dt h ep r o p o r t i o no f m e t h a n ea m o u n tt ot h et o t a lg a sp r o d u c t i o nw e r e9 8 5 6 l 、6 1 7 8 l 、6 2 。2 7 u n d e r1 0 9 v s la n d 1 2 7 8 7 l 、8 1 0 5 l 、6 3 3 8 u n d e r l 2 5 9 v s l 。m e a n t i m e , o w i n g t o t h e e f f e c t s o m g h a m m o n i a n i t r o g e n a n dh i l g hm e t a l sc o n t a i n e di nt h el e a c h a t eo nm i a 阻讲9 1 1 1 j 曲 1 s ，a n dt ot h el e a c h a t ew o r k e da st h e m a t e r i a l ，t h em e t h a n eg a sr a t i od e c r e a s e ds l i g h t l yc o m p a r e dw i t ht h a tu n d e rt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o n , i n w h i c ho n l yt h ef r u i ta n dv e g e t a b l ew o r k e da st h em a t e r i a l k e yw o r d s ：f i - u i ta n dv e g e t a b l ew a s t e ；l a n d f i l ll e a c h a t e ；c s t r ；a n a e r o b i cc o d i g e s t i o n ； o r g a n i cl o a d i n gr a t e s ；m e t h a n ep r o d u c t i o nr a t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 引言 随着我国经济的快速发展，人民生活水平不断提高，城市规模日益扩大，环境问 题越来越受到人们的关注与重视，它不仅危害着每一个人的身心健康，也在不停的改 变着我们这个蔚蓝的地球，改变着地球上的生态资源。因此，环境保护和资源合理利 用已成为当今世界社会和经济发展的两大主题。在我国“十二五”规划中重点提到： 要把我国建设成为资源节约型和环境友好型社会，要按照减量化、再利用、资源化的 原则，大力发展循环经济，加快构建覆盖全社会的资源循环利用体系。 自改革开放以来，我国城市规模迅猛发展，城市化率不断提高，导致城市人口快 速增长，城市垃圾总量也随之攀升。据统计，每年会新增8 9 8 左右的城市垃圾。伴 随着这些垃圾总量的日益增多，随之产生的各种环境问题也日趋严重，包括对城市土 地的侵占、对水体的污染、对大气的污染以及伴随的二次污染( 如填埋场渗滤液的危 害) ，严重制约着国民经济的发展，危害着公民的身心健康。另外，随着我国现代农 业的发展，农业产业结构日趋完善，同时城镇居民生活质量也不断提高，果蔬作物的 种植比例也随之增加，但在果蔬产品的储存、加工、运输、销售过程中，不可避免的 会有大量的叶、根：茎和果实等废物最终被弃置，这不仅造成了资源的浪费，也破坏 了环境1 翔。 如何实现城市生活垃圾的减量化、资源化和无害化处理，消除城市环境污染和实 现资源二次利用的可持续发展战略已成为我国亟待解决的重要问题1 3 1 。目前，我国把 城市生活垃圾无害化处理作为一项重要的城市基础设施建设来抓，努力消除生活垃圾 的污染，提高社会环境的可持续发展能力。 1 2 渗滤液的产生、特性及处理现状 1 2 1 渗滤液的产生 随着我国城市生活垃圾的剧增，不仅占用了大量土地，产生的有毒有害物质，还 污染了土壤、水源和空气，同时垃圾还容易滋生蚊蝇，传播疾病，对人们的健康危害 极大，一旦处理不善，会造成周边环境的严重污染。目前，我国城市垃圾主要采用以 下几种方式处理：卫生填埋、堆肥化、焚烧、厌氧发酵和热解等方法。但由于我国 的国情以及垃圾填埋技术的成熟、处理费用较低以及管理方便，决定了我国垃圾处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的主要方式就是卫生填埋4 1 。 城市垃圾卫生填埋法存在一个很关键的问题，即在垃圾堆放和填埋过程中，经过 微生物的作用和降雨的共同影响，其含有的可溶性污染物会随水分渗出形成垃圾渗滤 液。一般来说，垃圾渗滤液有机物浓度高、氨氮含量大，而且其性质随季节变化幅度 大、变化规律复杂6 1 。同时由于垃圾在微生物降解过程中会生成c 0 2 ，c 0 2 溶于渗滤 液后会导致环境偏酸性，而酸性环境会使那些不溶于水的金属及其化合物溶解，导致 垃圾渗滤液中重金属类物质含量超标。此外，渗滤液中的微生物在降解有机物的过程 中会消耗大量的水中氧气，从而导致水体好氧生物的死亡，使水体变质发臭，严重污 染环境。垃圾中含有的各种病原微生物也会进入到渗滤液中，容易引发疾病的传播。 因此，为了降低渗滤液的危害，保护我们的环境，对其进行有效的处理是必须解决的 问题b 1 。垃圾填埋过程中发生的反应主要有： 各种有机物堕堡屿n h 3 + c 0 2 + n 0 2 + h 2 0 + p 0 4 3 - + s 0 4 2 。+ 各种有机物匿型翌一n h 3 + c h 4 + c 0 2 + h 2 s + h 2 0 + 低分子有机 1 2 2 渗滤液的组成和性质 渗滤液中的污染物组成复杂，一般包括四类：复杂多样的有机物，渗滤液中含 有很高的c o d 和b o d 5 ；常规无机成分，包括常见金属及其氧化物、含氯化合物、 含硫化合物或碳酸氢盐等；特殊的有机污染物；有毒金属物质，包括铬、镉、锌、 铅、镍和汞等。垃圾在填埋堆放过程中，迁移性最大的是复杂有机物和可溶性含氮化 合物刀。垃圾渗滤液的污染物含量的典型值见表1 1 哪： 表1 1 垃圾渗滤液的污染物含量的典型值 成分范围典型值成分范围典型值 b o d f l ( m g l ) 16 6 0 - 2 4 3 0 0 9 0 0 0 碱度( r a g l ) 5 0 0 0 - 110 0 03 5 0 0 t o c ( m g l ) 3 0 9 5 - 2 2 2 3 07 5 0 0 硫酸盐( r a g l ) 5 2 7 8 63 5 c o d ( m g l ) 5 0 2 m 4 33 0 015 0 0 0 p h ( m g t , ) 6 51 - 8 2 56 8 9 s s ( m g l ) 6 7 4 0 - - 4 8 4 0 0110 0 0 钙“m g l ) 10 - 4 0 0 09 0 0 有机氮 4 “8 1 62 5 0 钾( m g g ) 2 0 0 15 0 03 0 0 ( r a g l ) 氨氮( m g 几) 9 4 1 2 8 5 01 2 0 0 钠( m l ) 5 0 0 3 0 0 02 0 0 硝酸盐 6 8 53 0 锌( m g l ) 0 2 - 1 3 7 1 5 ( r a g l ) 总磷( m g l )7 州 2 5 氯盐( m e l ) 3 3 7 06 0 硬度( r a g l ) 3 0 0 - 5 4 0 02 1 0 0 总铁( m g l ) 5 2 0 212 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由表1 1 可以看出，与一般的生活废水相比，垃圾渗滤液具有自己的特点： ( 1 ) 污染物组成复杂、危害大。有机物种类繁多，目前己发现渗滤液中可能存在 的有机物超过1 0 0 种，且存在相当数量的致癌物和有毒物：含有高浓度无机类溶解性 盐，重金属离子种类多，危害大；营养比例失调，磷不足，氨氮含量高；含有大量病 原微生物。张兰英等四1 在研究垃圾渗滤液所含污染物种类时，采用气相色谱质谱 计算机联用技术，测定出垃圾渗滤液中有机化合物多达9 3 种，其中被列为环境优先 控制污染物黑名单就有2 2 种。 ( 2 ) 有机物含量高。垃圾在填埋堆放过程中由于发生厌氧发酵，特别是在酸性发 酵阶段，大量有机物分解后溶于渗滤液中，导致其有机污染物浓度( 以c o d 计) 最 高可达几万毫克每升。同时，随着垃圾填埋场的“年龄”增长，渗滤液的可生化性降 低，其b o d 5 c o d 值甚至在0 1 以下，不利于生化处理。 ( 3 ) 金属含量高。垃圾渗滤液中含有很多金属离子，常见的包括钙、镁、钠、钾、 铁等。研究表明，在酸性发酵阶段，由于酸性环境致使金属及其氧化物溶解，使得渗 滤液金属含量增加。这些金属离子中有很多是有毒有害的，对厌氧微生物具有严重的 抑制作用，影响生化处理。同时，这些有毒有害的金属物质还有可能进入地下水和地 表水，通过生物链蓄积危害动植物和人类健康。 ( 4 ) 水质变化大o 渗滤液在形成过程中受多种因素的作用，其水质变化较大。其 水质不仅取决于填埋场的结构、垃圾的组成成分、垃圾的产量，还取决于垃圾在填埋 场中堆填的年数。随着“年龄”的增加由最初的易生物降解变为难生物降解，渗滤液 发生了本质的变化。此外，填埋场作为一个露天处理垃圾废物系统，其还会受到降雨、 降雪以及季节温差变化的影响。表1 2 为渗滤液特征随填埋场“年龄”的变化。 表1 2 渗滤液指标随填埋场时间的变化 ( 5 ) 氨氮含量高。随着垃圾渗滤液中含氮有机物的微生物分解，其氨氮含量会呈 增长趋势，当渗滤液的氨氮浓度达到一定量时，就会对微生物产生抑制，使生化处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的效果大大降低。如果渗滤液中的氨氮物质进入到水体，又会造成水体的富营养化， 破坏水体的生态平衡。 ( 6 ) 营养元素比例失调。在生化处理过程中，微生物需要一定的营养物质用于自 身代谢活动。研究表明，最佳的生化处理营养物质比例为c ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：i 。但在垃圾 渗滤液中，氨氮浓度和磷元素含量都很高，造成c ：n ：p 比例的失调，不利于微生物的 代谢活动，也给渗滤液的生化处理带来一定的难度。 ( 7 ) 其他特点。垃圾渗滤液会散发恶臭，污染大气；在生化处理过程中，容易形 成泡沫，影响系统的运行；同时，渗滤液中含有很多有机物，如腐殖质、胺类、酚类 等，它们是很难降解的，一般生化处理后，仍具有很高的c o d 浓度4 1 。 垃圾渗滤液的主要污染指标有：c o d 、b o d 5 、氨氮和重金属离子。从表1 1 可 知，以上所有污染物指标的值均很高，这严重地制约了微生物对其的生化处理：高浓 度有机物经过厌氧水解产生挥发性脂肪酸，可能导致反应器内p h 值下降到4 5 以下， 使微生物的酶体系活性丧失；高浓度氨氮，尤其是游离氨对微生物有抑制性；高浓度 的重金属离子可以使微生物酶失去活性，使微生物的代谢活性下降甚至完全消失。 1 2 3 渗滤液的危害及处理现状 由于我国国情及相关条件限制，目前卫生填埋依然最广泛的被运用于垃圾处理 中。因此，填埋过程中产生的渗滤液量就非常大，对其的处理研究就显得非常必要和 迫切。经过近几十年的分析研究，人们发现垃圾渗滤液中含有许多对人体有害的物质。 刘军【1 0 1 等在实验室对垃圾渗滤液中的污染物进行了详尽分析，采用气质联用技术共检 测出6 3 中有机污染物，包括各种烷烯烃、酯类、羧酸类、醇酚类、醛酮类、酰胺类 以及芳烃类有机物，其中有多达6 种污染物被列入环境优先控制“黑名单”。它们不 仅污染环境，破坏生态，而且还具有促癌、致癌、致突变的危害，其中有1 种物质已 被确认为致癌物，另外4 种具有促癌、辅致癌作用，还有1 种物质存在致突变的风险。 叶秀雅1 等分析了生化组合工艺中垃圾渗滤液的有机成分，结果表明：垃圾渗滤液 原液中含有多种有机污染物，其中酞酸酯类有机物含量最高，高达2 7 1 4 ，还有其 他酚类、多环芳烃类、多氯联苯等有机物含量也较高。这些污染物不仅会对人体健康 产生危害，而且还严重的威胁着我们赖以生存的生态环境。 垃圾渗滤液的污染与其他的污染不同，它具有不易察觉和持久性的特点，因此一 旦污染问题显现时，会造成难以弥补的危害。1 9 7 6 年，美国腊芙运河地区发生剧毒化 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 学污染事件就是由于化学废物填埋形成的渗滤液造成的，此事件造成花草坏死、腐蚀 灼伤等现象，同时当地癌症发病率也明显增高1 1 2 1 欧洲多瑙河流域由于垃圾堆埋产 生的渗滤水造成地下水污染，导致居民饮用水受到影响；我国甘肃兰州东盆地雁滩水 源地由于垃圾渗滤液污染而无法再供居民饮用，西盆地马滩水源地也受到影响致使部 分水井报废 1 2 】；2 0 0 0 年，北京南部的北天堂垃圾填埋场的渗滤液污染地下水，造成 周围地下水污染，引起当地居民不满与恐慌：由于垃圾渗滤液污染，珠海与澳门交界 处的部分河流出现水体富营养化，导致水生生物灭绝、农田产量降低t 1 3 1 福建红庙 岭垃圾综合处理场运行后，由于渗滤液处理不完善，导致下游的水体受到严重污染， 其中红庙溪水常年呈灰黑色、浑浊，时常散发出阵阵异臭。使用该水浇灌的沿村近十 公顷农田全部绝收，同时对沿岸水生生物养殖也产生重要影响1 4 1 0 上述实例充分反 映了垃圾渗滤液对环境的危害，通常渗滤液对环境的污染和影响往往要持续几年、几 十年甚至几百年，而且其修复处理非常缓慢并为此需要付出高昂的代价。因此，必须 采取有效措施，妥善处理垃圾渗滤液，避免其对环境造成二次污染。 随着垃圾渗滤液对环境造成污染的案例越来越多，人们已开始认识到渗滤液处理 的必要性和紧迫性，伴随着我国新一轮生活垃圾填埋场建设的高潮，研究和推进经济 可行的渗滤液处理工艺，减少对环境的污染，成为垃圾填埋处理技术的热点。近些年， 在垃圾渗滤液的处理研究中，国外学者已经取得了许多卓有成效的进展，并且部分已 经运用于工程实践中；而我国在这方面的研究起步较晚，工艺技术还不完善。 由于渗滤液的水质特殊，目前多数处理工艺都还不完善，一般根据其具体水质特 征及经济技术要求采取多种工艺相结合的方式处理。 根据渗滤液处理场地的不同，通常可分为场内和场外两种处理。 渗滤液场外处理( 与城市污水厂合并处理) 当垃圾填埋场附近有城市污水处理厂时，填埋场渗滤液常采用与污水合并处理的 方式。这不仅降低了渗滤液的输送成本，同时合并过程中城市污水会对垃圾渗滤液起 到缓冲、稀释和营养平衡作用，从而降低了渗滤液的处理难度。f c e c e i l 【15 】等人采用 s b r 工艺研究渗滤液与城市污水合并处理的效果，研究表明：在进行合并处理时，渗 滤液的体积必须保证在污水总体积的2 0 以内，否则会影响处理效果。同时通过对含 氮物质的测定，渗滤液中的总凯氏氮会影响系统的硝化反应。由于我国目前还没有全 部建场内渗滤液处理厂的经济实力，因此采用垃圾渗滤液场外处理是一种非常经济可 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 行的方案。它不仅可以有效处理渗滤液，还可以为污水处理提供营养物质，一举两得。 当然，在实际的处理过程中，我们还要结合渗滤液的特性以及污水处理厂的建设采用 合理的合并处理工艺。 渗滤液场内处理 渗滤液场内处理主要针对远离城市的大型垃圾填埋场。由于这些填埋场渗滤液产 量大且远离污水处理厂，采用独立处理系统显得尤为必要。图1 1 为最典型的渗滤液 场内处理工艺流程： 渗滤液4 三至至三 叫( 三至至至三 4 二 处理出水 根据渗滤液场内独立处理工艺的特征，场内处理方法又可以分为生物法、物化法 和土地法等。 生物法主要是利用微生物处理垃圾渗滤液。微生物在代谢过程中会分解有机物， 将其转化为自身所需物质或生成甲烷、c 0 2 等气体，可以有效降低渗滤液中的c o d 、 氨氮含量。根据处理过程中起主要作用的微生物呼吸类型的不同，生物处理主要分为 厌氧和好氧两类。一般认为，当渗滤液含有高浓度的有机物( c o d 浓度在5 0 0 0 0 m g l 以上) 时，通常采用先厌氧后好氧的处理方法；当渗滤液中有机物含量较低( c o d 浓度在5 0 0 0 m g l 以下) 时，通常采用好氧或其他处理方法。目前最常见的生物处理 有活性污泥法、生物滤池、厌氧污泥床、生物转盘、生物流化床等多种方法。 物化处理主要是通过物理沉降、絮凝以及化学反应等方法处理垃圾渗滤液。通过 一系列的物理化学反应，可以去除渗滤液中的悬浮固体、重金属物质、部分有机物质 等。在渗滤液处理过程中，物化处理主要起到预处理作用，以便为生物处理减轻处 理负荷；同时还可以作为生物处理或其他处理方法的后续保证工艺。常见的物理化学 处理主要包括混凝沉淀、吸附交换、膜法、催化氧化等。但由于渗滤液的特殊性，单 独使用物化法处理是很难实现其达标排放的，并且物化处理运行复杂、处理成本较高。 因此，在实际工程运用中，常常利用各种处理方法的优点形成组合处理工艺，这样不 仅使工艺流程得到简化，又减少了处理投资成本，更重要的是处理效果会更加明显。 f o r i g i e ( 1 9 8 8 年) 建议：当渗滤液的c o d 浓度很高( 如1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 m g l ) ，氨氮浓 度很低( 2 0 0 m g l 左右) ，b o d 5 c o d 在0 仙8 时，适合于生物处理“1 。目前，国内 渗滤液的场内处理工艺多是各种处理技术的结合体，图1 2 所示工艺流程的是国内渗 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 滤液处理比较成功的技术图。 图1 2 国内渗滤液的场内成功处理工艺 土地处理主要是利用土壤的物理化学反应以及土壤微生物的共同作用去除渗滤 液中的悬浮固体和溶解成分。常见的土地处理系统包括人工湿地系统、人工快渗系统 以及表面漫流系统等。当然，土地法处理后的渗滤液仍含有较高的污染物浓度，因此 实际运用中还需要结合其他工艺联合处理。 随着科技水平的不断提高，近十几年间国外渗滤液处理技术已日趋完善，简单生 化处理技术已经无法满足人们对渗滤液的处理要求，取而代之的是高效的膜处理工 艺。通过反渗透膜技术以及结合一些高效的生化处理工艺，可以使渗滤液得到有效的 处理。2 0 0 3 年以来，随着国家倡导建设资源节约型、环境友好型社会，国家开始加大 垃圾及渗滤液处理力度，包括菏泽市单县垃圾处理厂、青岛小涧西垃圾综合处理厂、 北京安定垃圾处理厂和珠海市西坑尾垃圾填埋场等采用先进膜技术的工程陆续建成， 使我国渗滤液处理水平不断提高，为创造和谐环境提供了保障。图1 3 为我国最早引 进的膜技术处理渗滤液工艺咖t - r o ( 碟管式反渗透处理工艺) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 - 3d t - r o 设备处理渗滤液流程 1 3 固体废物和果蔬废物的处理现状 1 3 1 固体废物种类和特性 中华人民共和国固体废物污染环境防治法中明确提出：固体废物，是指在生 产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者 放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入 固体废物管理的物品、物质t 1 6 1 。固体废物来源于人类的生产过程和消费过程。 在我国，固体废物一般按废物来源分为城市固废、工业固废、农业固废和危险废 物四大类。固体废物复杂多样、且不具有流动性，因此，它们对环境的污染危害与水 和大气的污染危害有明显的不同。 固体废物不同于废水和废气，其具有以下几个鲜明特征： “废物”与“资源”的相对性 任何产品都有自己的生命周期，随着时间的推移，产品经过使用和损耗后，最终 都将被弃置成为废物。但所谓的“废物”仅仅是相对于当时的科技水平而言，随着科 学技术的不断发展，今天的废弃物也可能成为明天的有用资源。例如，石油炼制过程 中产生的残留物，开始是污染环境的废弃物，现已变成了大量使用的沥青筑路材料； 动物粪便长期以来被看成污染环境的废物，今天却已经有技术把动物粪便转化成气体 燃料。同样，粉煤灰是发电厂长生的废物，但却可以用来作为建筑业上砖的原料；冶 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 金业产生的高炉渣可用来生产建筑用的水泥，电子线路板可用来回收贵重金属，等等。 固体废物的复杂多样性 固体废物种类繁多、成分也非常复杂。它既有无机物又有有机物，既有非金属又 有金属，既有无毒物又有有毒物，既有单质又有合金，既有单一物质又有聚合物。因 此，对大多数固体废物来说，单靠一种技术是很难解决问题的，常需要采用多种技术 才能真正地实行其资源化利用和无害化处理。 固体废物的持久危害性 固体废物无法流动到环境中进行“消化”，它通常会通过散发有害气体、释放渗 滤液和侵占土地等方式污染周围的地下水、地表水、空气和土壤，进而通过动植物等 食物链影响人类身体健康，而且，这种过程是长期的、复杂的和难以控制的。因此， 从某种意义上讲，固体废物对环境的危害比废水和废气更大、也更持久。 1 3 2 果蔬废物的产生和特性 瓜果蔬菜是我们日常生活中最常见且必不可缺少的生活物资。它们不仅给我们提 供必要的营养物质，包括各种维生素、膳食纤维和矿物质，而且各种瓜果蔬菜的合理 搭配还丰富着我们的生活品味。然而，在果蔬的生产和加工过程中必然会产生废物。 果蔬废物是指瓜果蔬菜在生产、加工、运输、储存等过程中产生的大量茎、干、叶和 果的废弃物。日常生活中，无论是水果还是蔬菜几乎都会产生废弃物，其产生量与蔬 菜水果的种类、质量以及加工工艺等因素有关。据研究表明1 1 7 1 我国城市生活垃圾 中，新鲜果蔬废物所占比例大概为2 0 5 0 ，每年果蔬废物的总量相当于瓜果蔬菜 总量的2 5 3 0 左右。据统计t 1 8 1 每年水果和蔬菜因为各种原因遭到丢弃的总量约 有一亿多吨，造成巨大的经济损失。大量的瓜果蔬菜废物不仅增加了城市生活垃圾的 处理压力，同时果蔬中含有的大量有机物作为一种资源未回收利用，也是一种极大的 浪费。 作为固体废物，果蔬废物不仅拥有着一般固体废物的通性，它也有着自己的一些 特点。主要表现为： 果蔬类废物含水率大。与一般的固体废物相比，瓜果蔬菜废物都具有含水率大 的特征。通常情况下含水率在6 0 一8 0 左右，固体含量在8 1 9 ，特殊作物含水 率甚至能达到9 6 以上，粘性大或呈半固体状态，不易脱水。据莫舒颖研究1 1 9 1 通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 过系统地测定黄瓜、番茄、辣椒、茄子和芹菜等主栽蔬菜残株各部分的含水量，结果 表明其含水率都在7 3 7 7 9 1 9 1 左右。v i t o r t i a a 2 0 1 等通过测定常见果蔬废物表明， 其含水率达到9 1 5 6 ，t s 为8 4 4 ，v s 为7 7 5 。 果蔬废物可降解有机物含量大。瓜果蔬菜作为人类生存的营养物质，其含有大 量的可降解有机物，因此果蔬废物也含有大量的有机物。以干物质计算，一般果蔬废 物的总挥发固体的含量占总固体的8 0 以上，其中糖类和半纤维素含量占到7 5 左 右，还有9 左右的纤维素等；同样以干基计算，果蔬类废物的碳含量达到6 0 以上， 氮含量在3 以上，总磷含量在0 3 0 5 左右；挥发性固体含量占总固体的8 0 以 上，即v s t s 0 8 ，容易被微生物降解1 2 1 1 0 因此，果蔬废物也是一种可被利用的资 源。表1 3 为常见果蔬类废物的主要组成。 表1 3 常见果蔬废物的主要组成 单位：g k g 果蔬废物产量大、产地集中。果蔬废物除日常生活中产生外，主要产生在果蔬 种植地、果蔬加工厂、果蔬中转运输站以及城镇农贸市场等地，易于实现集中处理。 因为果蔬废物所具有的这些特殊性质，就要求我们去寻找出一种切实可行的途径 对其进行规模化处理，己减少对环境的污染。随着国家现代农业的发展，瓜果蔬菜废 物总量也越来越大，它不仅侵占土地，而且大量堆积还会腐烂发臭、孳生蚊蝇，成为 传播细菌病毒的传染源，同时其所含的氮磷钾等元素经降雨冲刷也会污染地表水和地 下水，严重影响着周边环境和人类身心健康。因此，我们在处理果蔬废物时要做到减 量化、无害化处理，同时还要做到资源化利用，实现综合利用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 目前，国内外针对果蔬废物主要采用传统的处理工艺，包括卫生填埋、好氧堆肥 和厌氧消化处理，另外少量的果蔬废物用作畜牧养殖饲料。 作为城市生活垃圾等固体废物的最终处理方式之一，卫生填埋成为了果蔬废物处 理的主要途径。由于卫生填埋结构简单、处理量大、建设和运行成本低，目前仍然是 国内处理垃圾的主要方式。但填埋会占用大量土地，造成土地资源紧张；同时，由于 果蔬废物的含水率高，在填埋过程中会产生大量的渗滤液，从而加大了渗滤液处理的 压力。另外，在垃圾填埋过程中由于厌氧环境会产生填埋气，其甲烷含量可达 5 0 7 0 ，如果收集处理不当，很容易引起爆炸的危险t 2 2 1 。随着我国城市化的快速 推进，目前土地资源也越来越稀缺，填埋场建设越来越困难，并且果蔬废物作为一种 可利用资源，通过填埋处理也造成了资源的浪费。因此，世界各国均积极致力于减少 可资源化的垃圾进入填埋场。作为积极倡导绿色经济的欧盟各成员国，在本世纪初就 明确指出，在未来5 年内江进入到垃圾填埋场的可生物降解垃圾量降至1 9 9 5 年的 7 5 ，并最终使垃圾填埋场的垃圾有机物含量控制在5 以内1 2 3 1 。 好氧堆肥是处理有机废物的常用手段，其具有占地少、处理快、卫生无害化程度 高、参数控制简单、设备要求低、易于操作等优点。好氧堆肥堆体温度高，温度可达 到6 0 左右，不仅可以有效杀灭病原菌，同时可以加快有机物质的降解速度，处理效 果高效。由于好氧堆肥具有良好的性能，许多国家针对瓜果蔬菜废物的特点，研发了 些专门用于果蔬垃圾好氧堆肥的工艺，这些工艺不仅高效而且安全卫生。h u a n g 眩4 1 等研究了蔬菜废物好氧堆肥的经验模型，提出了好氧堆肥的主要控制反应，包括外霉 素催化反应和多酶催化反应。v a l l i n i 2 5 1 等设计了动态翻填好氧堆肥沟装置，可以有 效处理瓜果蔬菜废物。通过在轨道上移动的翻堆装置使上层废物与底层废物翻填，达 到供氧的目的。该装置的单次发酵周期为3 5 天，然后进行二次发酵。日处理能力最 高可达5 t 左右。e 1 h a g g a r 2 6 1 发明了便携式好氧堆肥处理装置，它主要适用于热带地 区果蔬垃圾的小型化处理。该装置每次只能处理1 0 公斤废物，其中果蔬废物占6 0 ， 草料4 0 ，每2 天需翻转一次物料，以防止发生局部厌氧。结果表明，堆肥化进行到 第2 天温度即可达到6 5 ，第9 天堆肥物料回复到室温( 3 2 左右) ，堆肥后的腐殖 质成为性状良好的土壤改良剂。从以上各种研究看，对果蔬废物采用好氧堆肥处理可 以获得良好的效果，而且好氧堆肥所需设备简单、操作方便，能产生比较理想的有机 肥料。而对于不足之处，主要还是由于果蔬废物含水率过高的特点，在处理过程中必 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 须添加结构调理剂进行调节，因此会造成成本升高。 随着科学技术的不断发展，厌氧消化技术逐步取代传统处理工艺，成为城市有机 固体废物的新型处理方式。由于果蔬废物有机成分多、含水率高、容易腐烂变质，产 生高浓度的渗滤液并散发臭气，因此这类垃圾特别适合厌氧消化处理，在产甲烷的同 时，实现有机质的稳定化和无害化处理。目前常用的厌氧消化处理果蔬废物方式包括 固体床反应器、厌氧序批式反应器、升流式固体反应器、完全混合搅拌反应器。还有 其他工艺方式也被用于处理果蔬垃圾，如连续、半连续、并联序批式干式、多种反应 器组合的连续两相等技术方法。c o n v e r t i 眨7 1 等进行了水果和蔬菜废物批式试验研究， 研究表明：果蔬废物的厌氧消化运行周期很短，总共消化反应了4 7 天，试验的第2 6 天出现最大产气率0 1 6 m 3 k g t s 一。a g l a n e 2 8 1 分别进行了苹果、菠萝、玉米、甜菜 等的厌氧消化试验，结果表明各种废物均可以获得较高的产气率，其产气率都在 0 4 2 7 l g v s j 以上。m a t a - a l v a r e z 2 9 1 等进行了菜市场废物的厌氧消化研究，试验在中 温单相c s t r 反应器中进行。由于蔬菜废物水解酸化速度快，会迅速生成挥发性有机 酸，从而制约了试验的有机负荷率，试验的极限有机负荷率为3 k g t v s m - 3 d 。a g l a n e 眨8 1 采用连续搅拌反应器进行厌氧消化研究，当试验o l r 超过4k g t v s m - 3 d 。1 时，所 测气体成分中c 0 2 的含量增加，同时系统p h 值下降，厌氧消化反应受到抑制。 此外，我国作为一个畜牧生产大国，也日益受到资源不足的影响。而果蔬废物有 机物含量较高，富含糖类、蛋白质、粗纤维以及少量的脂类和无机物，并且所含有的 这些营养物质多为水溶性的，易于动物家畜消化吸收，因此也常常被用于饲料化。但 是由于这种饲料化的规模过小，因此不能成为果蔬废物的主要处理途径。 1 4 课题研究的意义及内容 1 4 1 课题研究意义 由于填埋场渗滤液和果蔬废物具有有机物浓度高、产生源相对集中，可以采用厌 氧消化工艺将其资源化。它不仅能实现果蔬废物和填埋场渗滤液的减量化处理，减少 对环境的污染，同时还能产生生物质能，实现废物的资源化。厌氧消化处理果蔬废物 和填埋场渗滤液具有很大的技术优势和广阔的应用前景，但实际中关于二者的混合厌 氧消化还鲜有报道，尤其是在c s t r 系统下进行的填埋场渗滤液和果蔬废物混合厌氧 消化研究还未见诸报端。因此，本论文将就这一问题进行试验研究，为实现填埋场渗 滤液和果蔬废物厌氧消化的产业化、工业化提供一定的试验依据，但由于时间和条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 的限制，本论文仅进行了初步的试验和探讨，所得结果可供进一步的研究提供参考。 1 4 2 课题研究内容 本论文的主要研究内容是： ( 1 ) 填埋场渗滤液和果蔬废物的预处理及基本的参数分析 ( 2 ) 对自制的c s t r 反应器进行试运行，并驯化填埋场渗滤液 将取来的填埋场渗滤液量取6 l 投入到自制厌氧反应器中，每日定时测定p h 、产 气量，并用气相色谱仪分析其气体成分，观察系统运行状况，使驯化达到稳定。 ( 3 ) 以果蔬废物为原料的半连续式厌氧消化试验的研究 以果蔬废物为原料，采取半连续投料方式由低到高逐渐提高有机负荷进行试验。 试验在中温3 5 下进行。分析厌氧消化过程中的水解酸化规律及产气情况，探索此物 料条件下的最佳有机负荷。 ( 4 ) 以果蔬废物和填埋场渗滤液混合为原料的半连续式厌氧消化试验研究 以果蔬废物和渗滤液按7 ：3 ( 以v s 计) 混合为原料，进行半连续式厌氧发酵，研究 混合厌氧发酵的水解酸化产气情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 4 3 课题的主要技术路线 收集相关资料，查阅国内外文献 1 r 提出问题，确定研究内容 1r 自制厌氧消化反应器 r l ii + 1r 反渗滤以果蔬填埋场试验 应液的垃圾为渗滤液过程 器培养原料的与果蔬中的 的及驯 厌氧消废物混 问题 启化化反应合厌氧解决 动消化方案 1r 试验数据的整理和分析 1r 课题的研究、结论及论文的撰写 1 4 4 课题研究的创新性 本课题的创新性主要体现在：按照废物处理资源化的原则，利用填埋场渗滤液与 果蔬废物进行混合厌氧消化研究，为处理果蔬废物提供一条可行的方向，而且也为处 理渗滤液提供一个新的技术方案，达n - 者的同时治理。此外，通过c s t r 系统进行 混合厌氧消化处理，在利用资源产能的同时，为进一步处理渗滤液和果蔬废物提供了 必要的运用研究数据，为工艺推广提供了重要参数依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第二章厌氧消化技术原理概述 厌氧消化( a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，a d ) 是在厌氧微生物的作用下，有控制地使废物 中可降解的有机物转化为甲烷、二氧化碳和稳定物质的生物化学过程【3 0 】。与其它处理 技术相比，厌氧消化技术的最大特点是：( 1 ) 产生大量的能源沼气实现了有机废 物的资源利用；( 2 ) 在有机废物厌氧消化过程中消耗