（环境工程专业论文）厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场渗滤液变化规律研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国城市生活垃圾具有有机物含量高、热值低、含水率高等特点，因此卫生填埋 是我国处理城市生活垃圾主要的方式之一，而随之产生的渗滤液处理问题是实现填埋 场可持续发展的重点。国内外研究学者对厌氧型生物反应器填埋场的研究较多，但其 不能解决渗滤液氨氮含量过高的问题，同时存在填埋场稳定化进程较慢的难题。为此， 本实验将厌氧型生物反应器填埋场和准好氧矿化垃圾生物反应床串联，形成联合型生 物反应器填埋场。通过实验室模拟，研究厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场渗滤液 各项指标变化规律，并对联合型生物反应器填埋场中渗滤液降解机理进行初探。 通过对厌氧型生物反应器填埋场( a 】旧l ) 以及厌氧准好氧联合型生物反应器填 埋场( a n s a b l ) 渗滤液变化规律的研究，其结果表明： 由于各填埋场操作方式的不同，垃圾渗滤液水质水量等各项指标出现了明显的差 异。水解酸化阶段，采用3 d 次回灌频率的2 存厌氧一准好氧联合型生物反应器填埋场比 回灌频率为l d 次的3 # 厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场渗滤液产量大，c o d , t c 、 t o c 、t n 、n i - h + - n 等浓度呈现规律均为：厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场比厌 氧型生物反应器填埋场污染物降解速率快，且低回灌频率( 3 d 次) 比高回灌频率( 1 d 次) 更有利；根据测得渗滤液p h 值以及e h 值表明，三组反应器填埋场进入产甲烷阶 段的先后顺序依次是：采用3 d 次回灌频率的厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场、 采用l d 次回灌频率的厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场、厌氧型生物反应器填埋 场；甲烷发酵阶段，厌氧型生物反应器填埋场渗滤液各指标浓度依然最大，且降解速 率较慢，3 撑厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场( 1 d 次回灌频率) 有机物降解速率快 于2 撑厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场( 3 d 次回灌频率) ；实验后期由于受到渗滤 液中碳源不足的影响，准好氧矿化垃圾生物反应床中微生物降解速率被抑制，c o d 、 t n 的去除率均降低。通过研究表明水解酸化阶段低回灌频率( 3 d 次) 有利于垃圾降 解，产甲烷阶段高回灌频率( 1 d 次) 更为有利。 关键词：厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场；渗滤液；矿化垃圾 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 b e c a u s eo ft h em u n i c i p a ls o l i dw a s t ew i t hh i g ho r g a n i cc o n t e n t , l o wc a l o r i f i cv a l u e ， l l i g hm o i s t u r ec o n t e n t , t h es a n i t a r yl a n d f i l li so n eo ft h em a i nw a y so fd e a l i n gt h em u n i c i p a l s o l i dw a s t ei nc h i n a a n dt h er e s u l t i n gl e a c h a t et r e a t m e n ti st h em a i np o mt oa c h i e v e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h el a n d f i l l a n a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l sw e r es t u d y i n gm o r e i nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r s ，b u tt h ep r o b l e mo f h i g ha m m o n i an i t r o g e nc o n t e n t o fl e a c h a t ec o u l dn o tb es o l v e dw h i l et h es t a b i l i z a t i o np r o c e s so fl a n d f i l lw e r es l o w e r t o s o l v et h ep r o b l e m s ，t h ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l ( a n b l ) a n ds e m i a e r o b i ca g e dr e f u s e b i o f i l t e r ( s a a r b ) w e r ec o m b i n e dt od e v i s ea na n a e r o b i c s e m i a e m b i cb i o r e a e t o rl a n d f i l li n t h i se x p e r i m e n t t h r o u g ht h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o n s ，t h ev a r i a t i o n so fl e a c h a t ei n d i c a t o r s w e r es t u d y i n g ，a n dt h ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo fl e a c h a t ew e r ep r e l i m i n a r ys t u d y i n gi nt h e a n a e r o b i c s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l s t u d y i n gr e s p e c t i v e l yo nt h ev a r i a t i o n so f l e a c h a t ei n d i c a t o r si na l la n a e r o b i cb i o r e a c t o r l a n d f i l l ( a n b l ) a n da na n a e r o b i c s e m i a e r o b i cb i o r e a e t o rl a n d f i l l ( a n - s a b l ) ，t h er e s u l t s s h o wt h a t ： d u et ot h ed i f f e r e n to p e r a t i o nw a y so ft h el a n d f i l l s ，t h ev a r i a t i o n so fl e a c h a t ei n d i c a t o r s s h o wt h es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s i nh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o np h a s e ，t h el e a c h a t ep r o d u c a t i o n i nt h ea n a e r o b i c - s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l2 舞、析t h1t i m ep e r3d a y so f t h er e c i r c u l a t i o n f r e q u e n c yw a sm o r et h a nt h a ti nt h ea n a e r o b i c - s e m i a e r o b i eb i o r e a c t o rl a n d f i l l3 群、啊t i l1t i m e p e r1d a y so ft h er e c i r c u l a t i o nf r e q u e n c y , a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fl e a c h a t ec o d ，t c ，t o c ， t na n dn i - h + - nh a ds h o w nt h a tt h ed e g r a d a t i o nr a t eo ft h ea n a e r o b i c - s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o r l a n d f i l lw e r ef a s t e rt h a nt h ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l ，m o r e o v e r , l o wr e c i r c u l a t i o n f r e q u e n c y ( 1t i m ep e r3d a y s ) w a sb e t t e rf o rt h ew a s t ed e g r a d a t i o nt h a nh i g hr e c i r c u l a t i o n f r e q u e n c y ( 1t i m ep e r1d a y s ) ；a c c o r d i n gt ot h el e a c h a t ep h v a l u ea n de hv a l u e ，t h eo r d e ro f t h r e er e a c t o rl a n d f i l li n t ot h em e t h a n o g e n i cp h a s ew a si nt u h i ：t h ea n a e r o b i c s e m i a e r o b i c b i o r e a c t o rl a n d f i l lw i t h1t i m e p e r 3 d a y s o ft h er e c i r c u l a t i o n f r e q u e n c y 、t h e a n a e r o b i c s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l lw i t h1t i m ep e rl d a y so ft h er e c i r c u l a t i o n f r e q u e n c y 、t h ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l ；i nt h em e t h a n ef e r m e n t a t i o np h a s e ，t h e c o n c e n t r a t i o n so fl e a e h a t ei n d i c a t i o n si nt h ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l lw e r es t i l lt h e l a r g e s t ，a n dt h ed e g r a d a t i o nr a t ew e r es l o w e s t f u r t h e r , t h ec o dc o n c e n t r a t i o nd e g r a d a t i o n r a t ei nt h ea n a e r o b i c - s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l3 群( t h er e c i r c u l a t i o nf r e q u e n c yw a s1 t i m ep e r1d a y s ) w a sf a s t e rt h a nt h ea n a e r o b i c - s e m i a e r o b i eb i o r e a e t o rl a n d f i l l2 j 5 i ( t h e r e c i r c u l a t i o nf r e q u e n c yw a s1t i m ep e r3d a y s ) ；i nt h el a t ee x p e r i m e n t s ，d u et ot h ei m p a c to f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 n 页 暑曼舅喜舅皇量量曼舅皇舅曼曼皇皇皇曼曼毫鼍量皇曼葛寡曼曼曼皇曼皇皇曼曼曼置曼曼曼曼寰曼曼皇皇曼曼皇曼量曼曼曼皇曼皇量曼曼量鼍鲁皇曼曼曼曼曼鲁置舅曼曼量曼曼曼吕皇寰 一 l e a c h a t ec a r b o ns o u r c e m i c r o b i a ld e g r a d a t i o nr a t e si nt h es e m i - a e r o b i ca g c dr e f u s eb i o f i l t e r w e l es u p p r e s s e d , s ot h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o da n dt nd e c r e a s e d i ns u m m a r y , t h e r e s u l t ss h o wt h a t , i nh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o np h a s e ，t h el o wr e c i r c u l a t i o nf r e q u e n c y ( 1t i m e p e r3d a y s ) w a sg o o df o rt h ew a s t ed e g r a d a t i o n , o nt h ec o n t r a s t , i nt h em e t h a n o g e n i cp h a s e ， t h eh i g hr e c i r c u l a t i o nf r e q u e n c y ( 1t i m ep e rld a y s ) w a sf a v o r a b l ef o r t h a t k e yw o r d s ：t h ea n a e r o b i c s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l ；l e a c h a t e ；a g e dr e f u s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着我国经济的快速增长和城市化进程的不断推进，我国城市生活垃圾产量以每 年3 - 1 0 的速度快速增长i l j 。2 0 0 9 年，我国城市生活垃圾无害化处理达到7 1 ，全国 各类生活垃圾处理设施5 6 7 座，处理能力为3 5 6 万讹，实际处理量约为1 1 2 亿讹， 其中填埋场处理垃圾占7 5 4 1 2 1 。由于我国城市生活垃圾有机物含量高、含水率高、热 值低，因此卫生填埋是我国垃圾处理的主要方式。传统卫生填埋场解决了原有垃圾露 天堆放臭气熏天，渗滤液不经任何处理随意排放等垃圾堆放存在的问题，但是在自然 条件下垃圾降解速度很慢，随着传统卫生填埋场封场后，仍需对填埋场中垃圾渗滤液 进行处理、对填埋气体进行导排和燃烧处理【3 j ，同时也伴随覆盖材料和防渗材料的失效， 渗滤液可能污染地下水。 为了解决传统卫生填埋场存在的环境问题，我国从2 0 世纪9 0 年代起，开始对生 物反应器填埋场进行研究。1 9 9 7 年同济大学徐迪民教授率先对渗滤液回灌进行研究， 结果表明经过回灌后的渗滤液其有机污染物含量已大大降低【4 】。随后，有研究发现改变 回灌渗滤液的p h 值【5 1 、渗滤液回灌前加热【删、添加污泥进行微生物接种【伽、改变渗 滤液回灌频掣删、场外硝化后进行回灌p q 0 1 等均可以降低填埋场中有机污染物浓度， 从而加速了填埋场稳定化进程。 生物反应器填埋场通过回灌渗滤液，可以提高垃圾填埋体中垃圾湿度、增强微生 物活性，加速填埋垃圾中有机物污染物的溶出和分解速度，从而加快填埋体的沉降速 度和有机物的降解速度。国内学者霍守亮、席北斗等通过对生物反应器填埋场新鲜垃 圾和腐熟垃圾渗滤液进行交叉回灌，研究序批式生物反应器填埋场n i - h + - n 去除率、反 硝化能力以及厌氧氨氧化能力，其结果表明该工艺对n h 4 + - n 具有一定的去除能力，在 9 0 d 内山+ - n 的去除率由1 0 0 降低到0 ，n h 4 “的累计去除率为4 0 左右，新鲜垃 圾柱具有很强的反硝化能力，外部硝化处理后的渗滤液回灌进新鲜垃圾填埋体中进行 反硝化可提高垃圾填埋场的稳定化进程【1 1 1 。在序批式填埋场中，通过交叉回灌，可以 将老填埋区中成熟的生物种群接种到新填埋区，以减少新填垃圾填埋区中好氧阶段， 有利于其快速进入产甲烷阶段，有利于其中垃圾降解微生物种群的平衡，加快填埋垃 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 圾的降解【1 2 】。与渗滤液直接回灌型生物反应器填埋场比较，序批式生物反应器填埋场 即使在低回灌频率情况下，其垃圾降解速率亦更高、产甲烷速率更快、产气时间更短、 填埋场稳定化程度更高，减少了运行费用，提高了填埋场的使用率i l 引。 填埋场中的垃圾经过数年的降解后，除了少量极其稳定的无机组分( 如砖石、玻 璃等) 和一些极难生物降解的有机物( 如橡胶、塑料等) 没有改变或变化较小外，其 余大部分组分都被微生物逐渐降解。通过回灌渗滤液的淋滤，各种物质之间的相互作 用，以及微生物和其它生物体的生长繁衍活动等诸多因素的长期作用后，填埋场中的 复杂有机物被分解为c 0 2 、c h 4 、h 2 、h 2 0 、n i - - 3 、h 2 p 0 4 、s 0 4 2 等简单的无机物，同 时还形成许多中间产物，这些中间产物与微生物及其排泄物再反应络合形成一种外观 性状类似腐殖质的颗粒状多孔物质矿化垃圾【1 3 】。生物反应器填埋场通过渗滤液回 灌等人工强化措施加速稳定后，较传统填埋场更快形成矿化垃圾。同济大学赵由才等 将矿化垃圾定义为填埋场封场8 1 0 年后，垃圾中易降解的物质已经完全或接近完全降 解，垃圾填埋场表面的沉降量非常小，垃圾自然分解的渗滤液和气体产生量很少或几 乎不产生，即便产生其渗滤液c o d 的浓度也较低，垃圾填埋单元达到稳定化状态，即 无害化状态时的垃圾，也叫基本稳定化垃圾或陈垃圾【1 3 】。由于矿化垃圾富含有机质、 结构松散，通透性好，吸附能力强，阳离子交换容量高，加之其上附着有种类繁多、 数量庞大、适应性强的微生物和各种活性酶，因此，以其为填料所构建的生物反应床 在处理渗滤液【1 4 】、畜禽废水【1 5 】、焦化废水【1 6 1 、城市生活废水1 1 7 】等多类废水的应用日渐 增多【1 8 】。 本实验基于上述学者对生物反应器填埋场和矿化垃圾的研究，采用厌氧型生物反 应器填埋场和准好氧矿化垃圾生物反应床串联的实验方案，以研究厌氧- 准好氧联合型 生物反应器填埋场中渗滤液变化规律。利用矿化垃圾处理填埋场渗滤液可以实现填埋 场快速稳定化，最终实现其可持续发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 生物反应器填埋场的研究现状 生物反应器填埋场是通过有目的的控制手段，强化微生物作用过程，从而加速垃 圾中易降解和中等易降解有机组分转化和稳定的一种垃圾卫生填埋场运行方式【1 3 】 1 9 1 。 根据填埋垃圾体的好氧( 厌氧) 状态和运行特点，生物反应器填埋场可分为厌氧型生 物反应器填埋场、好氧型生物反应器填埋场、准好氧型生物反应器填埋场以及它们的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 组合联合型生物反应器填埋场等四类【2 0 】。 ( 1 ) 厌氧型生物反应器填埋场研究现状 厌氧型生物反应器填埋是在传统卫生填埋场的基础上，通过对垃圾渗滤液回灌、 调节p h 值及微生物接种等方式以加快垃圾降解速度，从而加速填埋场稳定化进程【1 3 】 【2 1 2 3 1 。国外的研究始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 5 年美国p o h l a n d 教授在实验室条件下对 渗滤液回灌技术进行了研究阱】，提出了控制填埋场稳定化进程的方法【2 5 2 0 q 。在实验室 模拟条件下通过对渗滤液进行回灌研究，结果表明一年中渗滤液中氨态氮转化为硝酸 盐氮的量为1 5 0 2 0 0 m g l 2 7 ，随后通过对渗滤液和气体特征变化规律的研究，表明生 物反应器填埋场具有渗滤液污染物降解能力、原位厌氧处理能力以及原位硝化能力 2 7 2 9 o 此后，英国、加拿大、德国、丹麦、瑞典、意大利和日本等国相继开展了渗滤液 回灌、污泥接种、调节p h 值、营养物添加等强化手段对填埋场稳定化进程进行研究。 从2 0 世纪8 0 年代开始，国外生物反应器填埋场的研究逐渐进入现场应用阶段，主要 采用的手段有渗滤液回灌、接种污泥、垃圾预处理、改变垃圾密度等。截至1 9 9 3 年， 在美国、德国、英国和瑞典，已经有接近2 0 个生物反应器填埋场【2 9 1 。1 9 9 7 年北美固 体废弃物组织调查得出，在美国境内已有超过1 3 0 个填埋场实行了渗滤液回灌技术 【2 3 】【3 0 】 o 生物反应器填埋场通过对渗滤液回灌从而降低了渗滤液外排量和其中污染物浓 度，垃圾得到快速降解而体积减少、沉降加快【3 1 】【3 2 1 。同时由于渗滤液回灌优化了填埋 层中微生物生长的环境，生物反应器填埋场比传统卫生填埋场更快到达产甲烷化阶段， 缩短了填埋场稳定化时间。 填埋场中固相降解主要是通过固相污染物直接向气体转化，或者固相污染物转化 到液相中再转化至气相，污染物转化为气体时可认为已被降解。固相降解主要和填埋 层中微生物作用关系较大，当填埋场温度较高时，高回灌频率的渗滤液有利于固相、 液相同微生物接触，此时微生物降解固相速度较快，因此当温度较低时，应适当降低 渗滤液回灌频率 3 3 】。焦胜，霍守亮通过建立模型较精确地预测填埋场渗滤液可降解有 机物的质量浓度【3 4 】【3 5 1 。通过对模型进行敏感性分析表明，对模拟结果影响较大的是固 相有机物向液相溶出和液相降解速率常数的变化，而影响较小的是固相直接降解速率 常数和渗滤液回灌率变化。渗滤液回灌不仅要影响垃圾固相向液相和气相迁移，同时 回灌量和回灌频率还决定填埋场产酸阶段时间、产甲烷速率和产甲烷量。有研究表明， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 温度为3 5 ( 2 左右时厌氧型生物反应器产甲烷速率最高。温度较高时，高回灌频率( 1 d 次) 有利于提高填埋场产甲烷速率；但温度较低时，适当的低回灌频率( 5 0 次) 更有 利f 3 6 】。较大水量的渗滤液回灌有利于垃圾产气，提前垃圾产气时间，同时也可以缩短 垃圾水解酸化阶段时间，增大垃圾产气量1 3 7 】。 ( 2 ) 准好氧型生物反应器填埋场研究现状 准好氧填埋不采用动力供氧，空间设计上渗滤液收集管道存在不满流区域，由于 垃圾填埋层降解产生一定的温度差，在其推动力下外界空气自然流进堆体，使填埋层 内部形成_ 定的好氧区域，以使渗滤液得以降解，从而加快填埋垃圾的分解稳定速度 【3 8 】。与好氧型生物反应器填埋场相比，准好氧生物反应器填埋场中空气利用内外温差 产生密度差，不需要强制通风，节约成本。与厌氧型生物反应器填埋场相比，由于好 氧微生物作用，准好氧生物反应器填埋场中有机污染物降解速率、填埋场稳定化进程 均较快。 准好氧填埋场对渗滤液中含氮物质的降解有利，渗滤液中含氮污染物主要是氨氮， 准好氧填埋场初期氨氮含量呈直线上升趋势，而后降解速率较快，填埋后期，渗滤液 中含氮物质主要是硝酸盐氮，氮类污染物得到较好的去除【3 9 1 。但由于后期碳源的不足， 微生物降解作用减弱，有机物的去除率较小，王琪提出在准好氧填埋后期可通过回灌 填埋场产酸阶段渗滤液，以补充碳源，此方法既可降解渗滤液有机污染物浓度也可增 强准好氧填埋场反硝化作用h o 。同时准好氧填埋场中渗滤液的回灌，提供给填埋层更 多的有机物，加快填埋场中产气过程的进行，从而加速填埋场稳定化1 4 l 】。 准好氧填埋场比厌氧型生物反应器填埋场对渗滤液的降解、产甲烷量、产甲烷速 率和填埋场稳定化更为有利，随着填埋场封场后填埋场垃圾降解成为“矿化垃圾”，学 者对矿化垃圾处理垃圾渗滤液的研究逐渐深入，将矿化垃圾与准好氧技术相结合的实 验方法在“以废治废”的理论中最为有效。刘丹等人在厌氧矿化垃圾生物反应床的理 论基础上对其结构进行优化，提出了准好氧型矿化垃圾生物反应床( s e m i a e r o b i ca g e d r e f u s eb i o f i l t e r ，s a a r b ) 处理渗滤液的思路。准好氧矿化垃圾床处理渗滤液的有效性 主要取决于柱体中氧浓度大小和微生物活性，柱体中氧浓度大小与柱体内外温度差、 回灌频率有一定的关系，微生物活性取决于氧浓度。渗滤液回灌频率一定程度上可以 增加填埋层中复氧量，但随着回灌频率越高，填埋层中单位时间内反应床的处理负荷 增加，因此，渗滤液回灌频率只能控制在一定范围内，王玉琦实验研究表明回灌频次 为2 次d 时，准好氧型矿化垃圾牛物反应床处理渗滤液效果较好。同时采用s a a r b 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 量曹量曼置置皇曼皇曼皇舅皇曼皇罾曼曼曼鼍量曼鼍曼量曼皇皇曼皇曼曼量曼皇鲁皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇量量皇舅量皇量鼻量皇曼曼舅鲁皇量皇皇皇曼曼虽曼曼一 二级反应床在实验既定的条件下，能保证氨氮去除率在9 0 以上，出水c o d 和氨氮浓 度可满足生活垃圾填埋场污染控制标准( g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) 中渗滤液处理后出水水质 标准【4 2 1 。 ( 3 ) 联合型生物反应器填埋场研究现状 联合型生物反应器填埋场是厌氧型、好氧型和准好氧型等不同类型的生物反应器 填埋场在时间、空间和运行方式上的不同组合f 2 0 】，随着生物反应器填埋场研究的不断 深入，联合型生物反应器填埋场的研究也逐渐增多。黄群贤将厌氧消化和好氧污泥回 流处理垃圾渗滤液相结合，c o d 去除率达到9 0 以上，但垃圾渗滤液中氨氮含量较高， 在进行生化处理之前应采取化学方法去除一部分氨氮【4 3 】。厌氧准好氧联合型生物反应 器填埋场对氨氮和有机污染物的去除率明显高于厌氧型填埋场单独去除率，同时也可 以解决厌氧型填埋场产生大量恶臭气体m 、渗滤液中氨氮浓度过高等污染问题。 1 2 2 生物反应器填埋场渗滤液处理的研究现状 生物反应器填埋场技术通过渗滤液回灌、添加营养物质、调节p h 值及垃圾预处 理等手段提高垃圾含水率，加快垃圾降解速率，将垃圾稳定化进程缩短为2 3 年，以 降低填埋场的长期风险及维护费用【2 1 1 4 5 - - 4 7 。 p o h l a n d 将填埋场产甲烷区垃圾渗滤液回灌到新装填垃圾产酸区，同时将新垃圾排 出的渗滤液回灌至老龄填埋区，其有利于垃圾中有机污染物的溶出和降解，从而加速 垃圾填埋场的稳定化进程【4 9 】。t i t t l e b a u m 对渗滤液p h 值进行调节，并添加营养物， 回灌至填埋场中以降低渗滤液中污染物浓度【5 0 】。t u r g u t 等人通过改变渗滤液回灌方式 和填埋场结构，以研究氮转化率，其转化率可达到9 5 1 n 】。o n a y 通过通入空气模拟脱 氮型生物反应器填埋场系统，使产生硝化作用的渗滤液回灌以实现反硝化脱氮过程【5 2 1 。 m e t h t ar 【5 3 j 在实验室条件下模拟和进行现场实验，说明渗滤液回灌可提高垃圾含水率、 产甲烷能力，加快垃圾沉降速度。w a r t i nm 【5 4 j 对实验室条件下和现场实验条件下的数 据进行对比，说明了垃圾固体废弃物尺寸大小、渗滤液回灌对渗滤液p h 值、b o d 、 c o d 以及氯化物降解速度的影响。中试规模厌氧型生物反应器填埋场研究表明渗滤液 回灌对加速填埋场稳定化具有明显效果1 4 r l 。场外硝化原位反硝化处理填埋场渗滤液思 路【5 5 1 ，在国外已有工程应用【5 6 1 。而且由于场外硝化具有高效率，国内外研究已较多【5 7 1 ， 并广泛应用于工程实践。 我国学者从渗滤液回灌频率着手研究了生物反应器填埋场稳定化技术。从渗滤液 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 置罾曼皇葛皇皇曼量曼量量曼曼喜璺曼舅鲁量曼曼舅曼舅曼量曼量皇皇量皇曼曼量曼曼量曼曼曼皇皇曼曼皇曼量皇皇詈皇量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼鼍舅量量 水质变化来看，当回灌频率为3 d 次时渗滤液c o d 等有机污染物浓度最低，固相垃圾 降解也最快【5 8 】。在调节p h 值前提下，渗滤液回灌频率越高，越先产甲烷，但当频率 大于3 d 次时，开始产甲烷时间基本相同【5 8 】。当生物反应器进入产甲烷阶段后，则宜采 用高有机负荷的渗滤液( 如新装填垃圾填埋场产酸阶段出水) 回灌【3 7 1 。渗滤液回灌可 以增强垃圾层中质量传递以及促进积水区中水分的运动，高的回灌率可以使垃圾中产 甲烷微生物群更加快速的产生【5 9 1 ，有助于增大产气量和气相转化率，从而加快了填埋 场稳定化进程。不同的回灌方式下填埋场中渗滤液时空分布规律不同，在渗滤液回灌 条件下，王洪涛建立了填埋场生物反应器三维饱和非饱和非稳定水分迁移数值模型， 模型能够准确地模拟不同回灌条件下填埋场水分时空分布规律，为填埋场设计和运行 提供合理的理论依据【删。 针对厌氧处理垃圾渗滤液不能解决渗滤液中高氨氮含量的问题，刘丹等人提出了 准好氧矿化垃圾床( s a a r b ) 处理垃圾渗滤液的工艺。张爱平通过对s a a r b 中进水 量、进水c o d 浓度、进水n 】阻+ n 浓度等因素影响进行研究，提出s a a r b 最优运行 方式，并提出s a a r b 中硝化反硝化生物脱氮机理【6 1 1 。王玉琦对s a a r b 二级串联床处 理渗滤液效果进行了研究【4 2 】。 1 2 3 存在的主要问题 生物反应器填埋场采用渗滤液回灌操作，可以加速填埋场中垃圾降解和稳定化进 程，垃圾降解过程中蛋白质等含氮物质降解后产生氨氮含量较多，渗滤液在填埋场运 行较长时间内保持较高氨氮浓度6 2 1 【6 3 1 ，且随着生物反应器填埋场产甲烷化阶段到达的 时间提前，填埋场进入产甲烷阶段后，渗滤液c o d 浓度快速下降，此时渗滤液中碳氮 比下降，可生化性变差。 k j e l d s e n t 删指出高浓度的氨氮含量对填埋场均有毒性，何仕均1 6 5 】研究表明当氨氮浓 度提高到2 9 l ，厌氧产甲烷活性下降2 0 。填埋场高浓度氨氮在填埋场后期抑制了垃 圾有机污染物的降解，从而延长了垃圾填埋场产甲烷时间以及填埋场稳定化的时间【lo 】。 o n a y 和p o h l a n d 等学者提出了将填埋场分为好氧带、厌氧带、缺氧带运行的新思路， 以解决填埋场后期渗滤液中氮含量高的问题，通过实验研究结果表明，氨氮的去除率 可达到9 5 【5 2 】。而现阶段国内研究对渗滤液c o d 去除效果的研究较多，针对填埋场后 期氨氮浓度过高的研究较少，高浓度氨氮的去除是渗滤液处理难题之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 量皇量曼量曼舅舅葛皇曼昌葛曼曼皇葛曼曼量曼曼鼍曼量曼曼曼曼量量曼曼曼量皇曼皇曼曼曼曼量量曼曼鼍曼量曼鼍曼量曼皇鲁置置量皇曼曼曼曼量曼皇曼量曼鼍曼曼曼一一一 1 3 论文的选题、研究意义、内容及技术路线 1 3 1 论文的选题 从国内外对厌氧型生物反应器填埋场研究现状来看，大多数研究的是改变填埋场 运行条件以达到降低填埋场污染物浓度和加快填埋场稳定化进程，通过改变渗滤液回 灌条件可以有效的降低渗滤液中有机污染物浓度( 特别是对c o d 的去除率较高) ，提 高填埋场产甲烷量和产甲烷速率，但仍存在n i - h + - n 大量积累、填埋场稳定化进程慢等 缺点。同时在对矿化垃圾研究中发现，矿化垃圾在处理畜禽废水i 碉、印染废水【6 7 1 、焦 化废水【锄、含酚废水【6 9 1 等过程中，污染物的降解效果均较好。矿化垃圾处理垃圾渗滤 液的研究也较多【7 0 】，但存在总氮去除率较低等问题。 目前，准好氧矿化垃圾生物反应床的研究主要应用于处理垃圾渗滤液，研究结果 表明矿化垃圾对渗滤液c o d 、t n 、n h 4 + - n 的去除效果均较好【7 l 】【7 2 】。本文基于对厌氧 型生物反应器填埋场和准好氧矿化垃圾生物反应床的研究，研究了厌氧准好氧联合型 生物反应器填埋场( a n a e r o b i c s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l ，a n s a b l ) 渗滤液中各 项指标的变化规律。 1 3 2 研究意义 随着我国经济的持续增长和城市化进程的加快发展，城市人口不断增加，城市生 活垃圾产生量增加【7 3 1 。我国目前城市垃圾的主要处理方式为填埋，其经济效益较好。 然而填埋产生的渗滤液，气体是垃圾在填埋过程中主要产生的污染物，对两者的处理 和处置是现在城市生活垃圾填埋工作的重点和难点。 为了有效地控制和处理垃圾在填埋过程中产生的污染物，本课题将厌氧型生物反 应器填埋场与准好氧矿化垃圾生物反应床进行串联，通过对该体系中液相特征指标的 研究，有效地减小生物反应器填埋场的污染，加快生物反应器填埋场稳定化研究。 课题研究的意义是：将厌氧型生物反应器填埋场与准好氧矿化垃圾生物反应床进 行串联研究，可有效地处理城市生活垃圾填埋场的渗滤液，减少填埋场对环境的污染， 加快填埋场稳定化进程。从环境和经济的角度来看，减少了环境污染，降低了填埋场 后期的维护和治理费用，具有较好的环境经济效益。 1 3 3 研究内容 本课题选取成都市固体废弃物卫生处置场( 原长安垃圾填埋场) 中矿化垃圾和西 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 皇曼曼置皇曼曼曼皇皇曼曼量皇皇曼曼置皇曼皇曼皇曼曼曼曼寰曼皇曼量曼曼皇曼曼量曼皇鼍曼皇曼皇寰曼篡量皇量曼曼量皇曼皇量皇皇葛量皇鼍昌皇曼量曼曼皇曼曼量曼曼曼皇皇 南交通大学家属区生活垃圾为研究对象。将厌氧型生物反应器填埋场与准好氧矿化垃 圾生物反应床串联进行研究，研究内容如下： ( 1 ) 比较厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场与常规厌氧型生物反应器填埋场 中垃圾降解速率和渗滤液中污染物降解情况，探究联合型生物反应器填埋场在不同回 灌频率下渗滤液各项指标的变化规律。 ( 2 ) 研究在不同的回灌条件下，两组厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场、 一组厌氧型生物反应器填埋场对渗滤液中污染物的处理效果。 ( 3 ) 基于以上两点研究，对联合型生物反应器填埋场中渗滤液降解机理进行初 步探讨。 1 3 4 技术路线 本课题的研究技术路线如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图卜1 研究技术路线框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 量曼曼曼量量皇曼曼皇曼曼皇曼皇曼曼舅曼量量皇皇曼量曼量曼曼曼曼皇曼量曼罾曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼鼍皇皇皇曼量量曼量曼曼量量曼曼量置粤量曼量寡 第2 章厌氧准好氧联合型生物反应器填埋场的基本原理 2 1 生物反应器填埋场净化渗滤液的基本原理 2 1 1 生物反应器填埋场渗滤液的产生 垃圾渗滤液是垃圾在堆放和填埋过程中，由于受雨水的冲刷、淋洗以及地表水和 地下水的长期浸泡而滤出的污水，其形成过程包括生物、化学、微生物降解过程【1 3 1 。 填埋场中垃圾渗滤液的主要来自以下几方面： ( 1 ) 直接降水垃圾渗滤液的产生主要来自于降雨、降雪。降雨特性( 如降雨频 率、降雨强度、降雨量、降雨持续时间等) 是影响渗滤液产量的主要因素。 ( 2 ) 地表径流地表径流是指来自场地表面上坡方向的径流水。径流量取决于填 埋场场址地势、场地覆盖材料的种类及渗透性能、场地的植被情况及排水设施的完善 程度等。 ( 3 ) 地表灌溉与场址区域土壤类型和植被种植情况有关。 ( 4 ) 地下水当地下水位高过填埋场地底部时，地下水就可能渗入填埋场内产生 过多的渗滤液。 ( 5 ) 废物中的水分垃圾装填时带入的水分是渗滤液的主要来源之一。垃圾入场 时会携带水分，其中包括固体废物本身携带的水分以及从大气、雨水中吸附量。 ( 6 ) 垃圾降解产生的水分垃圾在填埋场内降解时会产生水分，其产生量与垃圾 的组成、温度、p h 值和菌种等因素有关。 2 1 2 渗滤液的特性 垃圾渗滤液具有污染物组分复杂、污染物浓度高、重金属离子含量高等特点f 7 4 1 。 其特性如下： ( 1 ) 有机污染物种类较多，水质复杂垃圾渗滤液中含有大量的有机物，含量较 多的有烃类及其衍生物、酸酯类、醇酚类、酮醛类和酰胺类等。张兰英等测得垃圾渗 滤液中有机化合物多达9 3 种【7 5 1 ，我国和美国e p a 将其中2 2 种列为环境优先控制污染 物。1 9 8 8 年美国环保局公布了填埋场中如苯、二甲苯、含卤素化合物等2 0 余种非甲烷 类有毒有害挥发性有机化合物，部分具有致癌作用，其浓度达1 0 石( p p m ) 级【7 6 1 。 ( 2 ) 污染物浓度高和变化范围大垃圾渗滤液中b o d 5 和c o d 浓度可高达每升几 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 万毫克，在垃圾厌氧产酸发酵阶段，垃圾中可降解有机物质分解成大量的有机酸，渗 滤液p h 值小于7 ，此时b o d 5 c o d 为o 5 o 6 ，随着填埋时间的增加，比值减小，碱 度上升。 ( 3 ) 水质水量变化大渗滤液产生量随季节变化大，污染物组成及其浓度随填埋 时间和季节变化大。 ( 4 ) 重金属含量高由于我国城市生活垃圾未经过严格的分类和筛选，因此渗滤 液中重金属离子浓度较高，其中f e 3 + 浓度高达2 0 5 0 m g l ，p b 2 + 浓度达1 2 3 m g l t 7 7 1 。 ( 5 ) 氨氮含量高城市生活垃圾渗滤液中n h 4 + - n 浓度较高。渗滤液中氮多以 n 】h 4 + n 的形式存在，约占总氮的7 0 - , - 8 0 ，当n 】豳+ n 含量过高时，会影响填埋场中 微生物活性，降低生物处理效果。 ( 6 ) 营养元素比例失调在生化处理过程中，污水中较适宜的营养元素比例是 b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而一般垃圾渗滤液中的b o d 5 p 大都大于3 0 0 ，其中p 含量 较低。 2 1 3 生物反应器填埋场渗滤液处理机理 ( 1 ) 填埋场稳定化阶段 根据垃圾降解过程，大体上可将填埋场稳定化过程分为五个阶段，即初始调整阶 段( i n i t i a la d j u s t m e n tp h a s e ) 、过渡阶段( t r a n s i t i o np h a s e ) 、酸化阶段( a c i dp h a s e ) 、甲 烷发酵阶段( m e t h a n ef e r m e n t a t i o n ) 及成熟阶段( m a t u r a t i o np h a s e ) ，如图2 1 所示。 1 0 0 喜8 0 萎6 0 霎4 0 r 2 0 餐 麓 爱 时间 l ui i vv 、 厂 、m 瓯 0 2 琵、 。、 一 时间c = = i 初始调整阶段；1 1 过渡阶段；i 玎酸化阶段；i v 甲烷发酵阶段；v 成熟阶段 图2 1 填埋场稳定化进程 初始调整阶段 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 垃圾填入填埋场内后，即可认为开始稳定化过程，进入初始调整阶段。此时垃圾 中易降解组分迅速与填埋垃圾所夹带的氧气发生好氧生物降解反应，生成c 0 2 和h 2 0 ， 同时释放一定的能量，垃圾温度明显升高f 侧。本阶段的主要生化反应可表示如下： 碳水化合物 c ，h q + ( x + 互1y 一三1z ) 0 2 一妃0 2 + 丢姐：o + 能量 含氮化合物 c ，h ，o ：n 。嘣2 0 + b 0 2 一c ，h ，o ，+ e n h 3 + d h 2 0 + 声0 2 + 热量 由于此时填埋场属氧化环境，垃圾中的部分含氮物质、含硫物质分别被氧化成n 0 3 。 和s 0 4 2 。填埋垃圾中可溶糖类因氧化反应而得以减少，进而减弱了后续阶段的酸积累 程度口9 1 。 过渡阶段 随着填埋场内氧气被耗尽，厌氧环境逐渐形成，填埋场进入过渡阶段。垃圾在兼 性厌氧茵和真菌等微生物的作用下，发生厌氧降解。 此阶段垃圾中的硫酸盐和硝酸盐分别被还原为h 2 s 和n 2 ，填埋场内渗滤液p h 值 开始下降，氧化还原电位逐渐降低。 酸化阶段 由于厌氧环境的形成和持续，产氢产乙酸菌等兼性和专性厌氧细菌日益增加，并 逐渐占据主导地位，此时填埋场气体中h 2 浓度值达到最大，填埋场进入酸化阶段【7 3 】。 在酸化阶段，h 2 、c 0 2 是填埋气的主要组分，渗滤液中c o d 、金属离子浓度和v f a ( 挥发性脂肪酸) 等渐渐上升至最大，而后逐渐降低，同时p h 值继续下降至最低值 5 0 甚至更低，此后缓慢上升。在此阶段，主要是半纤维素和纤维素水解积累产生的乙 酸，以及蛋白质第二、三阶段的水解产物限制了垃圾中产甲烷细菌的生长。 甲烷发酵阶段 产甲烷细菌将大量乙酸、有机酸以及h 2 分解为c h 4 。此时h 2 含量下降至很低， 填埋场进入产甲烷阶段。在此阶段，所有可降解垃圾被产甲烷细菌和其他专性厌氧细 菌分解为简单的无机物或稳定的矿化物。这一阶段主要发生的反应是： 5 n c h 3 c o o h 与2 ( c h 2 0 ) 。+ 4 n c h 4 + 4 r i c 0 2