（环境工程专业论文）准好氧填埋场氮素转化规律模拟实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 准好氧填埋是一种新型的垃圾填埋方式，因其具有填埋结构简单、垃圾 降解速度快等优势而成为目前垃圾处理处置领域的一个研究热点。但目前我 国对准好氧填埋的研究主要集中在准好氧填埋场内渗滤液水质变化特性及场 内垃圾稳定机理上，而对于准好氧填埋结构中含氮化合物时空变化研究不多， 距导气管不同距离处渗滤液中含氮化合物的转化规律研究更为鲜见。本文通 过室内模拟实验，分析原位回灌下准好氧填埋结构中距导气管不同距离处各 形态氮的动态变化特性，研究准好氧填埋场渗滤液氮的污染特性以及各形态 氮相互转化规律，初步揭示准好氧填埋中含氮物质的降解规律，并在此基础 上建立准好氧填埋氮素转化数学模型。这些研究成果可为推广准好氧填埋工 艺、优化设计准好氧填埋场以及最终解决渗滤液氨氮浓度过高提供参考。 室内模拟研究表明，距离导气管越近的垃圾填埋区域，空气在垃圾层中 的流动性越强，好氧区域面积越大，垃圾的降解能力就越强，完成准好氧填 埋启动的时间越短。 反应器中各出水口渗滤液总氮、氨氮浓度变化趋势基本相同，均呈现先 上升后下降的趋势，从总体上看，下4 出水口总氮、氨氮去除效果最佳，其 次依此为下2 、大9 ，最差的为下8 出水口，可以认为出水口距导气管越近， 氨氮降解效果越好。至实验结束时，下2 、下4 、下8 以及大9 出水口总氮浓 度分别为2 4 6 3 6 m g l 、2 4 0 1 2m g l 、3 5 8 7 8 m g l 、3 9 8 7 5 m g l ，氨氮浓度分 别为1 2 3 5 m g l 、2 8 5 2 m g l 、6 6 7 3 m g l 、4 4 6 9 m g l ，各出水口总氮、氨氮 浓度均小于生活垃圾填埋场污染控制标准( g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) 浓度排放限制。 从反应器中各出水口渗滤液含氮化合物之间的相关性分析可以看出，各 出水口渗滤液氨氮与总氮相关性极显著，表明氨氮是渗滤液中氮源的主要形 式，氨氮的变化趋势主导了渗滤液中总氮的变化；氨氮与硝酸盐氮相关性有 一定显著性，表明渗滤液中硝酸盐氮大部分通过氨氮的硝化作用产生；实验 中亚硝酸盐氮与其它含氮化合物基本无相关性，且多次出现亚硝酸盐氮累积 现象。 在考虑填埋场内部渗滤液含氮物质的水解氨化、硝化和反硝化的基础上， 建立了填埋场中含氮化合物浓度动态变化模型，求得氨氮浓度衰减的数学模 型，并通过反演验证，证明了该模型能较好地反映渗滤液中氨氮浓度的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 过程和趋势。 本文的研究成果可为准好氧填埋结构中脱氮机理的研究提供参考。 关键词：准好氧填埋；垃圾渗滤液；含氮化合物；转化规律 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a b s t r a c t b e i n g a i la d v a n c e dt r e a t m e n to fw a s t ed i s p o s a l ，s e m i a e r o b i cl a n d f i l l t e c h n o l o g yi sap o p u l a rr e s e a r c hf i e l db a s e do nt h es i m p l es t r u c t u r ea n df a s t e r d e g r a d a t i o n b u tm o s tr e s e a r c h e so fs e m i a e r o b i cl a n d f i l lf o c u so nt h e1 e a c h a t e q u a l i t yc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t ym e c h a n i s mo ft h e l a n d f i l l l i r l e i n f o r m a t i o nw a sa v a i l a b l e f o rt h ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s mi nt h es e m i a e r o b i c l a n d f i l l ，e s p e c i a l l y i nt h e n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o n t h r o u g h t h e l a b o r a t o r y s i m u l a t e dt e s to ns e m i a e r o b i cl a n d f i l l ，t h i st h e s i s a n a l y s i s t h el e a c h a t e c h a r a c t e r i s t i e so fd i f f e r e n ts p a t i a ls t r u c t u r ei ns e m i a e r o b i c1 a n d f i l l s t u d i e st h e v a r i o u sf o r m so fn i t r o g e nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e si ns e m i a e r o b i cl a n d f i l l r e v e a l s t h eb a s i cr u l e so ft h en i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o ni ns e m i a e r o b i cl a n d f i l ls t r u c t u r e b a s e do nt h er e s e a r c h ，t h e o r e t i c a lb a s i si sp r o v i d e ds o a st op r o m o t i o nt h e s e m i a e r o b i cl a n d f i l lt e c h n o l o g y , o p t i m i z a t i o nt h ed e s i g no fs e m i a e r o b i cl a n d f i l l ， a sw e l la saf n a ls e t t l e m e n to fa ne x c e s s i v ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e n t h ei n d o o rs i m u l a t i o ns t u d ys h o w s ，t h ec l o s e rl a n d f i l lz o n i n gt oa i r w a y , t h e s t r o n g e ra i rf l o w , t h eg r e a t e ra e r o b i ca r e a ，t h es t r o n g e rg a r b a g ed e g r a d a t i o na b i l i t y , t h el e s st i m ei ss p e n tt oc o m p l e t es e m i a e r o b i cl a n d f i l l t h ec h a n g et r e a d so ft o t a ln i t r o g e na n dn i t r a t en i t r o g e ni ne a c hl e a c h a t eo u t l e t i ss i m i l a rt ot h a to fa m m o n i an i t r o g e nt h a ts h o w sad o w n w a r dt r e n da f t e rt h ef i r s t r i s e o v e r a l l t h et na n dn h 3 - nc o n c e n t r a t i o ni nt h el e a c h a t ei sf o u n dt ob e r e m o v e db e s ti nt h eo u t l e t 4i nt h es e m i a e r o b i cs i m u l a t i o nr e a c t o rs e c o n d l y ，s of o r o u t l e t 2 o u t l e t 9 t h ew o r s tf o ro u t l e t 8 ，w h i c hc a nb ea s s u m e dt h a tt h eo u t l e ti s a p a r tf r o mt h ea i r w a yt ob ec l o s e r , t h ea m m o n i an i t r o g e nd e g e n e r a t i o ne f f e c ti s b e t t e nt h et nc o n c e n t r a t i o n o fo u t l e t 2 o u t l e t 4 o u t l e t 8a n do u t l e t 9i s 2 4 6 3 6 m g l ，2 4 0 1 2 m g l ，3 5 8 7 8 m la n d9 8 7 5 m g lt ot h ee n do f t h ee x p e r i m e n t ， t h en h 3 - nc o n c e n t r a t i o ni s 1 2 3 5 m g l ，2 8 5 2 m g l ，6 6 7 3m g l ，4 4 6 9m g l i t s h o w st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no ft na n dn h ，一ni sl e s st h a nt h ee m i s s i o nl i m i to f ( g b l6 8 8 9 2 0 0 8 ) a sc a nb es e e nf r o mt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sb e t w e e nt h ev a r i o u sn i t r o g e n c o m p o u n d so fl e a c h a t ei nt h es e m i a e r o b i cs i m u l a t o r , t h e r ei sas i g n i f i c a n tp o s i t i v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 _ _ _ l _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ l i i m l m i i m i l _ - _ l l l _ _ _ _ l _ _ l _ _ l l _ - _ - - l _ - l - _ - _ - 一 c o r r e l a t i o nb e t w e e nt na n dn h 3 n t h i si n d i c a t e st h a tn h 3 一ni st h em a i nf o r mo f n i t r o g e ni nt h el e a c h a t ea n dt h ec h a n g eo fn h 3 一nd o m i n a t et h ed y n a m i co f t n t h en h 3 na n dn 0 3 一nh a v eac e r t a i nc o r r e l a t i o n ，i n d i c a t i n gt h a tm o s to ft h e n 0 3 一np r o d u c e db yn i t r i f i c a t i o n o fn h 3 一n t h e r ei s b a s i c a l l y n or e l e v a n c e b e t w e e nn 0 2 - na n do t h e rn i t r o g e n - c o n t a i n i n gc o m p o u n d s t h ep h e n o m e n o no f n i t r i t en i t r o g e na c c u m u l a t i o ni sa p p e a r e ds e v e r a lt i m e si nt h ee x p e r i m e n t b a s e do nt h eh y d r o l y s i s ，a m m o n i f i c a t i o n , n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o no f l e a c h a t ei nt h el a n d f i l l ，t h ed y n a m i c sm o d e lo ft h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e n c o m p o u n d si sc o n s t r u c t e d 1 1 1 er e s u l t so ft h i sp a p e rc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h es t u d yo fd e n i t r i f i c a t i o n m e c h a n i s mo fs e m i a e r o b i cl a n d f i l l s k e y w o r d s ：s e m i a e r o b i cl a n d f i l l ：l e a c h a t e ：n i t r o g e nc o m p o u n d st r a n s f o r m a t i o n r l l l e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：赤k 谰f 日期：2 霹扣月加日 指导老师签名：李参辛 日期：阳7 小，y 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 目前国内外对准好氧填埋内渗滤液氮素迁移转化的研究不多，且大都为 小型规模模拟实验，本论文通过建立中试规模的准好氧填埋反应器，分析了 原位回灌下准好氧填埋结构中含氮化合物的动态变化规律，并研究了反应器 中不同出水口渗滤液中各形态氮的相关性，同时建立了准好氧填埋结构中氮 素转化模型，以上具体内容可以参见本文第三章第二节和第三节以及第四章。 这些研究结果可为准好氧填埋结构中脱氮机理的研究提供参考。 靛捆p f 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 1 1 1 我国城市生活垃圾概况及处理处置方式 城市生活垃圾又称为城市固体废物，它是指在城市居民日常生活中或为 城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，其主要成分包括厨房残 余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃陶瓷碎片、砖瓦渣土、粪便、 以及废旧家具、废旧电器、庭园废物等等。城市生活垃圾主要产自城市居民 家庭、城市商业、餐饮业、旅游业、服务业、市政环卫、交通运输业、文教 卫生业、行政事业单位、工业企业单位以及水处理污泥等。城市生活垃圾的 产生量主要与地理条件、城市入口、经济发展水平、居民收入、居民消费水 平和城市居民燃气化率有关，其中城市规模、数量和人口的增加是影响城市 生活垃圾增长的主要因素。 随着我国经济的高速发展，城市化的进程加快，城市的数量和人口逐渐 增加，城市生活垃圾问题变得日益突出，垃圾包围城市的现象非常普遍【2 】。目 前，中国城市人均日产垃圾约l 公斤，垃圾人均年产量达4 4 0 公斤，6 0 0 座城 市目前已堆放或填埋各类垃圾8 0 亿吨，有2 3 的城市被垃圾群包围。全国的 垃圾年清运量达到了1 8 亿吨，而每年还在以8 1 0 的速度增长【3j 。垃圾作 为老鼠、蚊蝇以及各种病菌的滋生地，给城市居民的身体健康造成严重威胁。 同时，垃圾的随意堆放会使得土地被侵占并造成土地质量恶化，还可能污染 地下水和地表水，堆放场内产生的有害气体还会污染大气，造成温室效应， 引发爆炸和火灾，传播疾病及恶化生活环境等等，特别是垃圾产生的渗滤液 会对环境造成严重的污染。 我国城市生活垃圾处理以减量化、资源化、无害化为基本原则。为了实 现城市生活垃圾无害化、减量化、资源化的目的，目前国内成熟且常用的垃 圾处理方法有焚烧、堆肥和填埋三种。焚烧虽能回收热能，但烟气必须净化， 残渣需填埋处理【4 j ，且焚烧对垃圾成分有一定的要求，技术高，项目投资也高 【5 】，故焚烧法在我国应用不是很普及；堆肥处理只能处理垃圾中可腐有机成分， 不能处理全部垃圾，而且处理量小，不能满足日益增多的生活垃圾需求，并 存在产品长期使用会造成“土壤渣化、质量不稳定、销路不畅等问题，所以 堆肥处理也不是目前我国城市生活垃圾处理的主要方法【6 j ；填埋法由于具有一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 次投资省、运行费用低、适用范围广等特点，被认为是目前最适合我国国情 的处置方法。由建设部、国家环保总局和科学技术部联合发布的城市生活 垃圾处理及污染防治技术政策中明确指出，卫生填埋是垃圾处理必不可少 的最终处理手段，也是我国现阶段城市垃圾的主要处理手段【_ 7 1 。 1 1 2 卫生填埋技术的发展 卫生填埋又称卫生土地填埋，是一个涉及多种学科领域的城市生活垃圾 最终处置手段，它也是应用最早最广的城市垃圾的最终处置技术。早在公元 前3 0 0 0 年古希腊米诺文时期，克里特岛首府康诺所斯就曾把垃圾填入低凹的 大坑中，并进行分层覆土，这是有史以来关于土地填埋的最早记录。近代， 第一个城市生活垃圾填埋场是于1 9 0 4 年在美国伊利诺伊斯州的香潘市建成的【引， 其后俄亥俄州的丹顿( 1 9 0 6 年) ，伊阿华州的德文波特( 1 9 1 6 年) 等地也相继建成 了城市垃圾填埋场，这些垃圾填埋场的建设和运行奠定了土地卫生填埋处理 的最早期技术基础咿j 。但这种早期的垃圾填埋只是简单的垃圾入坑填埋，并未 控制其对环境的污染，不可避免的对周围的环境造成了严重的污染，这种状 况一直持续到上世纪3 0 年代，在美国加利福尼亚，才首次提出了“卫生填埋 的概念，即对垃圾渗滤液和填埋气体进行控制的填埋方式1 1 0 】。尽管当时的技 术还很粗糙，对周围环境的影响依然存在，卫生填埋还是得到了很大的应用； 到了1 9 6 0 年，全球己有约1 4 0 0 个城市采用该法来处理固体废物。进入7 0 年 代后，该项技术得到了广泛发展【l 。 我国卫生填埋技术起步较晚，在2 0 世纪8 0 年代初，城市垃圾处理主要 以高温堆肥和裸露堆填为主，因此垃圾渗滤液和填埋气对环境产生了严重的 二次污染。到8 0 年代中后期，我国垃圾填埋技术才有了初步发展，即初始填 埋法。进入9 0 年代，我国城市垃圾卫生填埋技术进行了一次质的飞跃。在深 圳、昆明、保定等城市相继建成采用h d p e 膜水平防渗的垃圾卫生填埋场， 表明我国的卫生填埋技术逐步与国际接轨。 1 1 3 生物反应器填埋及准好氧填埋技术 1 1 3 1 生物反应器填埋技术 生物反应器填埋场是通过有目的的控制手段强化微生物过程从而加速垃 圾中易降解和中等易降解有机组分转化和稳定的种垃圾卫生填埋场运行方 式。这些控制手段包括液体( 水、渗滤液) 注入、覆盖层改良、营养添加、p h 调节、温度调节和供氧等i l 引。其中，渗滤液回灌技术不仅能够净化渗滤液， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 提高填埋气体产量和能源化利用率，而且能够加速填埋垃圾的稳定化，缩短 封场维护时间，降低填埋场环境风险，因而是城市生活垃圾填埋处理技术研 究的热点【1 3 - 15 1 。 二十世纪7 0 年代初期，美国乔治亚理工学院的p o h l a n d 教授首先开始了 模拟生物反应器填理场的实验室研究【16 1 ，并通过实验室实验验证了回灌的效 果。此后，英国、加拿大、澳大利亚、德国、意大利、瑞典和日本等国也相 继开始了该方面的研究。在这些研究中，不仅包含了大量的实验室模拟研究， 还有很多的填埋小单元甚至大规模的现场研究，研究对照参数包括渗滤液回 灌、渗滤液p h 值的调节、注水、污泥接种、垃圾密度、供氧、升温、垃圾破 碎、日覆盖与最终覆盖、不同性质垃圾混合、营养的添加、填埋时间等。 p o h l a n d l l 6 j 对4 个模拟垃圾柱进行了渗滤液回灌、调节回灌渗滤液的p h 值以 及微生物接种的对比实验研究，同年完成了美国e p a 研究项目渗滤液回灌 卫生填埋场的稳定以及残余物处置。研究表明：在比对照垃圾柱短得多的时 间内，回灌垃圾柱渗滤液c o d 浓度和t 、，a 浓度降到了较低水平，从而认为 p h 调节和渗滤液回灌是实现渗滤液c o d 浓度和t v a 浓度快速下降的最佳方 式。t i t t l e b a u m 1 7 j 通过4 个模拟垃圾柱的实验研究表明，结合p h 调节的渗滤 液回灌操作是一种处理填埋场渗滤液的有效手段，能加快填埋垃圾体中厌氧 微生物的繁衍，加速垃圾中有机成分的生物稳定从而缩短填埋场复用所需的 时间，促进渗滤液b o d 、c o d 、t o c 浓度的快速下降，此外，垃圾破碎、营 养( n ，p ) 添加对垃圾的生物稳定没有效果。o n a y 和p o h l a n d l l 8 】于1 9 9 8 年进行 了生物反应器填埋场脱氮的研究，他们采用自然通风和人工送风的手段将填 埋场分成缺氧、厌氧和好氧3 个部分，上层缺氧区用于反硝化脱氮，中部厌 氧区用于产气，下层好氧区用于硝化脱氮，模拟实验结果表明：氮的转化率 为9 5 ，同时渗滤液中的硫酸根也能得到有效去除。 相比之下，我国有关生物反应器填埋的研究还处于起步阶段，我国从1 9 9 5 年起才开始进行渗滤液回灌实验研究，且研究重点也主要集中在渗滤液回灌 这一单存的操作方式上，但对生物反应器填埋场进行系统研究和报道还相对 不多。徐迪民，李国建等f 1 9 , 2 0 j 通过渗滤液回灌实验研究了填埋垃圾层以及土 一垃圾混合层对过流渗滤液的净化能力，研究表明进行过渗滤液回灌的垃圾 体相当于一个生物滤池。王琪等【2 1 1 、董路等 2 2 1 通过四个模拟垃圾柱分别进行 了注水、渗滤液回灌以及垃圾柱是否与空气接触等对比研究，研究认为渗滤 液回灌能加速填埋场的稳定、改善渗滤液的水质、回灌过程中垃圾与空气接 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 触能提高渗滤液中氨氮的去除效果。何若等 2 3 , 2 4 对模拟垃圾柱+ u a s b 反应器 的联合处理系统开展了实验研究，结果表明该系统对甲烷气体收集、利用以 及加速填埋垃圾稳定均有积极作用。欧阳峰【2 5 】通过生物反应器填埋场模拟实 验研究，验证了生物反应器填埋场具有加速填埋场渗滤液中有机污染物浓度、 n 0 3 浓度、9 0 4 2 - 浓度、重金属离子浓度衰减，加快填埋垃圾稳定，增大产甲 烷量，减少渗滤液场外排放量和处理量的优势。李启彬等【2 6 】通过模拟实验研 究表明，污泥接种、回灌前对渗滤液进行加热均有利于生物反应器填埋场快 速稳定。 根据环境条件差异，生物反应器填埋单元可分为厌氧型、兼氧型与好氧 型三种类型1 27 1 。准好氧填埋通过改变填埋场内供氧量以强化微生物作用过程， 从而加速有机物的降解，亦属于兼氧型生物反应器的一种类型o 1 1 3 2 准好氧填埋技术 准好氧填埋技术是由福冈市、福冈大学共同开发的一种垃圾处理技术。 1 9 7 5 年，在福冈市政府的支持下，在福冈大学实验室建成了全球第一个准好 氧填埋场，从实践验证了准好氧填埋对环境的积极作用【2 8 1 。1 9 7 9 年被日本厚 生省批准推广使用，在日本已经被认定为标准方式。1 9 8 0 年，日本福冈大学 的花岛正孝教授，在“准好氧填埋”理论的基础上进行了“循环式准好氧填 埋 的实验，并且已经用于实践中【29 | ，花岛教授通过实验得到的结论是：3 年间准好氧填埋垃圾中的有机污染物约9 0 转入气相，成为c 0 2 、n 2 等气体； 而厌氧填理，有机污染物约9 0 转入渗滤液中。目前日本一般废弃物的最终 处置场普遍采用了准好氧填埋结构，日本的工程实践证明了准好氧填埋方式 比较适合填埋垃圾的无机物含量较高，规模属于中、小型的垃圾填埋场。 这一技术在日本的成功实践也逐渐引起欧美学者的关注。o n a y 和p o h l a n d 等学者在解决卫生填埋晚期渗滤液氮含量高的问题时，构思了将填埋场分为 缺氧带、厌氧带、好氧带运行的新思路，将脱氮过程所需要的碳源和硝态氮 从填埋场底部的好氧区送至项部的缺氧区，而厌氧区中残留的c 和n 则相应 地送至好氧区，从而实现硝化和反硝化，他们实验室的研究结果为氨氮去除 率9 5 ，同时渗滤液中硫化物也可得到有效的去除。意大利的r o b e r tr a g a 提 出了p a f ( p r e t r e a t e da e r o b i cf l u s h i n g ) 的填埋形式1 3 u 】，在准好氧填埋结构或好 氧填埋结构下对垃圾进行淋洗，渗滤液中的c o d 、t k n 和n h 3 n 浓度下降 很快。目前被业内称为“福冈方式 ，已推广到许多国家。马来西亚、印度尼 西亚、菲律宾、巴西、韩国的多个城市通过与日本进行技术合作也采用了此 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 填埋技术来处理城市生活垃圾。 我国对准好氧填埋技术也开展了积极的探索，研究主要集中在场内垃圾 的稳定机理及渗滤液特征上。王琪【3 l 】等人的实验室研究表明：在准好氧状态 下，n h 3 一n 浓度可以降到1 0 m g l 以下，沼气产生速率大大高于未回流的填埋 层，同时填理层渗滤液中有机物浓度大大降i 氐( c o d 去除率最高可以达到9 5 以上) 。张陆良、刘丹1 3 2 j 基于室内垃圾模拟柱试验，分析了准好氧填埋早期垃 圾渗滤液的产生过程及垃圾降解的机理，得出了启动期内垃圾渗滤液产量的 变化趋势，总结出准好氧结构的部分优点，并针对早期准好氧渗滤液产量的 特点作了相应的讨论。田艳锦等 3 3 1 研究表明准好氧填埋结构比厌氧填埋结构 更有利于渗滤液中污染物的去除( 尤其是氨氮的去除) ，准好氧填埋场稳定化 速率大于厌氧填埋场。这些研究都表明，准好氧填埋工艺不仅可以加速有机 物的降解和填埋场的稳定化，而且可以从源头降低渗滤液中污染物的强度， 为渗滤液的后续处理降低难度。目前，在我国，山东潍坊、湖南长沙、衡阳 等城市己开始该技术的实验性应用工程。 准好氧填埋技术不需鼓风设备，通过增大排气、排水管径，扩大排水和 导气空间，使排气管与渗滤液收集管路相通，利用填埋场内垃圾分解产生的 热量造成内外温差使空气流自然通过排水管等进入填埋体，在填埋地表层、 集水管附近、立渠或排气设施左右成为好氧状态，从而扩大填埋层的好氧区 域，促进有机物分解。空气接近不了的填埋层中央部分等处成为厌氧状态， 在厌氧状态领域，部分有机物被分解，还原成硫化氢，垃圾中含有的镉、汞、 铅等重金属离子与硫化氢反应，生成不溶于水的硫化物，存留在填埋层中。 与垃圾的好氧填埋相比，准好氧型结构的垃圾填埋场容易建设，维护费用也 低，并且能够使垃圾渗滤水中污染物质快速降解，从而使垃圾渗滤水水质稳 定化时间明显缩短；与厌氧填埋场相比，除了垃圾分解较快，堆体稳定速度 快，大大降低渗滤液的水质水量外，场内危险气体如c 出、h 2 s 的产量也大大 减少，填埋场的安全性及卫生条件更好【3 4 】。此外，在投资和运行费用上它与 厌氧填埋场没有多大的差别。由此可见，准好氧垃圾填埋场综合了厌氧型填 埋场和好氧型填埋场的优点，是一种很有潜力和挑战性的垃圾处理技术。 1 1 4 问题的提出 在厌氧填埋场渗滤液中，氨氮的浓度高，变化范围大，特别是在填埋后 期，c o d 浓度呈下降趋势，而氨氮浓度则保持较高水平并持续很长时间。根 据对美国、加拿大等2 0 多个城市的垃圾渗滤液的研究表明：渗滤液中氨氮的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 浓度一般在2 0 0 1 2 0 0 m g l 之间变化，最高可达1 5 0 0 r n g l 3 5 】。o m a n 【3 6 】等人对 城市生活垃圾渗滤液中的有机污染物进行研究后得出结论，渗滤液中氨氮含 量通常占总氮的8 5 9 0 。国内也有卢洪成【37 j 等关于垃圾渗滤液中氨氮含量 很高，且变化较小的相关报道。过高的氨氮会污染填理场周围的环境，郑曼 英等p 酬报导广州市老虎窿填埋场虽然1 9 9 2 年封场，但是1 9 9 5 年其排放的渗 滤液b o d 、c o d 、氮和磷仍然超标，其中氮超标最为严重。刘东【3 9 】在对武汉 市郭茨口、流芳和金口垃圾场多年调研的基础上，对武汉市拟建的二妃山垃 圾填埋场地下水环境的影响因素研究后指出，垃圾渗滤液对地下水环境存在 巨大的潜在危害性，其氨氮值超过地下水质量3 类指标值5 0 0 倍，且污染强 度随着垃圾填埋量的增加而增大；垃圾渗滤液潜在污染危害年限长，渗滤液 中氨氮值衰减至地下水质量3 类指标需近6 0 年的时间，其危害年限与垃圾成 分有关。 目前，对渗滤液中氨氮的处理技术主要是物理化学和生物脱氮处理技术。 对渗滤液中的氨氮进行单独的物理化学方法由于工艺复杂或成本过高不适合 我国国情。传统生物脱氮技术处理高浓度氨氮渗滤液有较大的局限性，一方 面，由于高浓度氨氮渗滤液对生物处理系统有一定的抑制作用；另一方面，。 随着垃圾的不断降解，有机污染物浓度降低，c n 比例失调，处理难度增大。 而我国由于填埋场一般距污水处理厂较远，要将渗滤液输送至污水处理厂需 铺设较长的管道，成本很高，也不适合我国国情。因此，研究利用填埋场自 身功能来降低渗滤液中污染物浓度，尤其氨氮浓度具有非常重要的意义。 准好氧填埋渗滤液中氨氮变化特点与厌氧填埋不同。准好氧填埋技术是 一种新型的填埋工艺，该工艺中由于好氧、兼氧和厌氧状态的存在，使抑制 微生物活性的氨氮浓度大大降低，而硝酸盐浓度有所升高，消除了厌氧填埋 渗滤液中氨氮累积的现象，更有利于后续渗滤液的处理。目前我国对于准好 氧填埋场渗滤液中氨氮的研究比较薄弱，从填理场源头入手，通过改变反应 机理，充分利用填埋场本身的处理功能，减少渗滤液人工处理工序，无疑是 渗滤液污染控制的新理念。 由于我国在很长的时间内都会将卫生填埋作为城市生活垃圾的主要处置 手段，加强卫生填埋的相关研究势在必行。厌氧填埋由于稳定化进程长、渗 滤液中氨氮浓度高和处理难，其应用受到限制。而准好氧填埋技术能在较短 的时间内使填埋场达到稳定，在投资和运行费用上它与厌氧填埋场没有多大 的差别，这使得准好氧填埋在垃圾处置中具有广阔的前景。而我国对准好氧 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 填埋的研究仅仅开始于近几年，且研究主要集中在准好氧填埋场内渗滤液水 质变化特性及场内垃圾稳定机理上，而对于准好氧填埋结构中含氮化合物时 空变化研究不多，距导气管不同距离处渗滤液中含氮化合物的转化规律研究 更为鲜见。因此，对准好氧进行系统的研究以掌握其降解机理更应成为当前 的环境工作者迫切需要解决的问题。本文通过室内模拟实验，分析原位回灌 下准好氧填埋结构中距导气管不同距离处各形态氮的动态变化特性，揭示准 好氧填埋结构中氮素变化规律，为推广准好氧填埋工艺、优化设计准好氧填 埋场以及最终解决渗滤液氨氮浓度过高问题提供参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 中后期垃圾渗滤液中氨氮脱除的研究现状 垃圾渗滤液中氨氮含量高是厌氧填埋渗滤液的重要水质特征之一，同时 也是渗滤液处理的难点。对渗滤液中氨氮变化的研究开始于近十几年，主要 集中在中后期垃圾渗滤液氨氮的去除上。渗滤液中n h ，n 的处理技术主要有 吹脱法、电化学氧化、化学沉淀以及生物脱氮技术等。 吹脱法是将渗滤液调节至碱性，然后在汽提塔中通入空气或蒸汽，通过 气液接触将游离氨吹脱至大气。王文斌等1 4 0 】对吹脱法去除垃圾渗滤液中的氨 氮研究表明，在水温大于2 5 ，气液比控制在3 5 0 0 左右，渗滤液p h 值控制 在1 0 5 左右时，对于氨氮浓度高达2 0 0 0 4 0 0 0 m g l 的垃圾渗滤液，去除率可 达到9 0 以上。廖琳琳等1 4 l 】对吹脱法影响因素的研究结果为：当p h 为9 2 1 1 5 时，吹脱效率随p h 值增加而提高；此外，水温越高，吹脱效率越高。o z t u r k 等【4 2 j 研究发现，通过机械通风在p h 为1 1 5 ，通风2 4 小时，氨吹脱效率最高 可达9 0 。可见，氨吹脱效果明显，处理效率较高。但由于需要调节p h ，必 须投加大量的碱，而且为了曝气，还需要提供一定的风量，造成了处理费用 偏高。同时氨吹脱只是将废水中的铵离子转化为游离氨，最后将之排放到大 气中，实质上氨的污染问题并未得到解决。此外，温度对氨吹脱影响较大， 低温时效率急剧下降。电化学氧化是在电场的作用下，将溶液中的氨氧化为 氮气等含氮物质，同时利用水中次氯酸的氧化作用达到去除氨氮的目的。杨 云军等 4 3 1 采用连续式电解槽对垃圾渗滤液进行了预处理，氨氮去除率高达 9 8 4 ，c o d 的去除率也达到了9 0 4 ，极大地降低了后续生化处理的负荷， 并且对难降解污染物( 如苯胺、苯酚等) 也有良好的去除作用。李小明等1 4 4 】采用 电解氧化法对广州大田山渗滤液进行深度处理的研究表明：电解氧化过程中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 n i - - 1 3 n 优先于c o d 被氧化去除，在p h 值为4 0 左右，c l 。浓度为5 0 0 0 m g l ， 电流密度1 0 a d m 3 ，用s p r 三元电极为阳极，电解时间4 h ，氨氮浓度为 2 6 3 m g l ，c o d 为6 9 3 m g l 时，去除率分别为1 0 0 和9 0 6 ；并且发现s p r 三元电极明显优于d s a 二元电极和石墨电极。电化学氧化除氨速率快，处理 效率可达1 0 0 ，同时对c o d 的去除率也在8 0 以上，而且对难降解污染物 也有良好的去除。但该方法要消耗大量的电能，增加运行成本。化学沉淀法 是向渗滤液中投加镁盐和磷酸盐，使n h 4 + 生成难溶盐m g n h n p 0 4 6 h 2 0 ( 简 称m a p ) ，通过重力沉淀，达到去除氨氮的目的。k a b d a s l i i1 4 5 和l ix z 4 6 】等 均报道了以磷酸铵镁盐的形式去除氨的报道，该方法是垃圾渗滤液处理技术 与方法中最常用最省钱最重要的方法，但是其工艺流程需要进一步优化。此 外，周爱娇等【47 j 利用等离子体对垃圾渗滤液进行了预处理，发现调节p h 值后 氨氮去除率可达到6 0 以上。这种方法对氨氮也有一定程度的降低，但这种 方法要应用到实践中还有一定的困难。 渗滤液经预处理脱氨后氨氮浓度有所改善但还须进一步处理目前主要采 用生化处理方法。陈石等【4 引利用s b r 处理渗滤液的研究表明：当进水n h ，一n 在1 5 0 2 5 0 m g l 时，出水基本维持在1 0 r n g l 左右，去除率在9 0 以上。王小 虎等1 4 刿的研究表明，对新渗滤液用s b r 法处理时，控制污泥负荷为 o 0 5 5 8 k g c o d k g m l s s d ，对老渗滤液控制污泥负荷为 0 0 3 5 2 k g c o d k g m l s s d ，出水中n h 3 一n 小于2 5 m g l ，但出水c o d 较高，这 主要是由于渗滤液中难降解物质含量高而造成的。传统的生物脱氮工艺在处 理高浓度氨氮废水时，高的游离氨抑制了硝化细菌的活性，导致出水难以达 标排放，而对于低c n 比废水，则常需添加碳源物质。此外，传统的生物脱 氮工艺还有耗氧多，速率慢，易引起二次污染等缺点。因此近年来，许多研 究者开始探索将生物脱氮新技术应用于垃圾填埋场渗滤液脱氮处理中。新型 生物脱氮技术主要有短程硝化反硝化、厌氧氨氧化以及同步硝化反硝化等。 短程硝化反硝化对碳源需求降低，碱度消耗减少，可以节约药剂添加量，缩 短反应时间；同步硝化反硝化可节省反应器体积；厌氧氨氧化不需要曝气。 与传统脱氮技术相比，新型生物脱氮技术大大降低了处理成本，使高效低成 本生物脱氮成为可能。但新生物脱氮技术才起步，其理论和技术均不成熟， 几乎没有应用到实际废水处理中。 1 2 2 准好氧填埋过程中氢氮去除的研究现状 准好氧填埋场中渗滤液回灌是垃圾稳定过程中氨氮降解的一种简单实用 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的方法，其实质是将经过好氧处理的渗滤液回灌至垃圾填埋层，利用垃圾层 固有的厌氧环境与有机碳源，实现硝化渗滤液的反硝化脱氮。 张陆良等i 川j 对准好氧填埋垃圾渗滤液中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和 有机氮等各含氮化合物浓度随时间变化的趋势进行了研究。结果表明，准好 氧填埋中氨氮呈现出先增加然后降低的趋势，硝酸盐氮和有机氮几乎呈现出 与氨氮相同的趋势。准好氧填埋能够加速填理场垃圾渗滤液中含氮物质的降 解，在很短的时间内就实现了氨氮去除，有效的避免了渗滤液中氨氮浓度高， 处理难的情况。但是该文对准好氧填理垃圾渗滤液中氨氮浓度变化规律的研 究还不甚全面且实验监测的指标较少，对含氮物质最终的去向研究不深。 王晓龙p 、程家丽1 5 z j 通过对生活垃圾准好氧填埋和厌氧填埋的实验室模 拟研究，探讨了不同填埋方式下垃圾渗滤液中含氮化合物变化规律及其相互 间的转化以及空间分布特征。结果表明：准好氧填埋场上层、中层和下层有 机物和总氮浓度呈稳定下降的趋势，并且它们空间层次差异很明显，呈现出 上层 中层 下层的规律；准好氧填埋结构三层氨氮均呈不断稳定下降的趋势， 氨氮与总氮浓度相关性较显著；准好氧填埋上层渗滤液氨氮浓度与硝酸盐浓 度相关性极显著，大部分氨氮转化成了硝酸盐，中层和下层基本属于兼氧和 厌氧状态，氨氮的硝化作用较弱，硝态氮浓度低，氨氮与硝态氮相关性显著； 准好氧填埋与厌氧填埋各层渗滤液中均出现了亚硝酸的累积，上中下三层亚 硝酸盐累积量逐渐增加。但该实验规模较小，受环境影响较大且采样点之间 的距离较小，采样点的数据连续性较差，对空间进行的等值线插图准确性不 高。 王琪等【2 l j 实验室模拟研究了准好氧、厌氧回流对渗滤液水质的影响，结 果表明：准好氧填埋渗滤液中c o d 去除率高达9 5 ，氨氮浓度在准好氧填埋 状态下可以降低到1 0 m g l 。周北海等【5 副通过填埋结构对渗滤液成分影响的实 验研究后发现：准好氧填理渗滤液中的氨氮含量大大低于厌氧填埋。于晓华 等【5 4 j 研究也表明，向填埋层中供给( 连续或间歇供给) 少量空气，可以缓解渗滤 液氨氮难以处理的困难，大大降低渗滤液后续处理的压力。其实验结果都表 明了采用准好氧填埋构造可以避滤液中氨氮难以处理的难题，但实验的规模 都较小，对具体垃圾填埋场的指导有限。 郭辉东等p 纠就渗滤液原液回灌和经好氧预处理后回灌两种操作方式对垃 圾中含氮物质的水解过程产生的不同影响进行了研究，考察了垃圾渗滤液中 氨氮与凯氏氮浓度的变化规律。结果表明：不同的回灌方式所产生的渗滤液 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 中氨氮与凯氏氮比值的变化规律十分相近。但上述研究都只停留在对试验数 据的整理统计上，并没有对氨氮降解等机理进行深入剖析。 t u r g n t 等p 6 j 研究表明，渗滤液中氮的去除效率与垃圾填埋单元和操作条 件( 渗滤液回灌等) 有相当大的联系，渗滤液回灌的氮去除率达到3 0 5 2 ，而 没回灌的只有1 6 2 5 。基于渗滤液回灌有利于渗滤液污染的去除，胡海【5 7 】 等在实验室模拟垃圾填埋场的填埋条件，用垃圾填埋柱进行渗滤液的回灌实 验，考察了水力负荷、有机负荷、p h 值和碳氮比等实验因素，经过高温和低 温等不同的环境条件，对垃圾渗滤液回灌过程中的污染物，特别是氨氮的去 除规律作了比较详尽的研究。该研究虽然考察了多种因素对垃圾渗滤液回灌 过程中去除污染物的影响，但没有把研究目光集中到氨氮去除的机理上。 o n a y 和p o h l a n d 等i l 酬将准好氧填埋场分为缺氧带、厌氧带、好氧带运行， 位于上部的缺氧区用于反硝化作用，底部的好氧区用于n h 3 n 转化为硝态氮， 中间的厌氧区用于存储渗滤液并且实现硝态氮一氨氮的转化，结果氨氮去除 率为9 5 。p r i c e 掣弱j 研究发现，填埋场可以作为反硝化反应器，能脱除硝态 氮，将其转化为氮气。但上述研究都只证明了准好氧填埋场有利于渗滤液中 氨氮一硝态氮一氮气的转化，并没有对渗滤液中氨氮迁移、转化的规律进行 研究。 目前国内外关于渗滤液中氨氮的去除研究取得了不少成果，准好氧填埋 场能有效地降低氨氮浓