（环境工程专业论文）填埋场生活垃圾降解与稳定化过程研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着我国城市化进程的加快，原有垃圾堆场的搬迁和卫生填埋场的选 址问题迫在眉睫。生活垃圾的填埋开采资源化再填埋既可有效解决堆场矿化垃 圾的出路问题，又可以实现现有填埋场的可持续填埋。 本文以上海历年填埋垃圾样品为研究对象，系统地研究了填埋场内生活垃圾 的稳定化进程以及填埋垃圾的基本组成和性质，在此基础上充分评价了矿化垃圾 开采作业的安全性和资源化的经济技术可行性，从而为确定矿化垃圾的资源化方 案提供了科学依据。主要研究结论如下： 填埋垃圾腐殖质的可提取率，h a f a 和分子量分散度是表征填埋垃圾稳定 度的三个有效指标。填埋垃圾腐殖质的可提取率和h a f a 随填埋龄的增加分别 呈线性下降和上升趋势，拟合方程分别为y = o 0 6 9 7 x + 1 3 0 4 1 和 y = 一1 2 5 4 5 x + 3 3 6 1 6 ( x 为填埋龄) 。腐殖质提取液的分子量分散度y 随填埋龄 x 增加而变化的拟合方程为y = 2 5 。7 8 6 e x p ( - 0 1 4 7 7 曲，r 2 = 0 8 8 。基于腐殖质 提取液的分散度建立填埋垃圾的稳定度标准：腐殖质分散度在1 5 以上，矿化垃 圾处于不稳定状态；分散度在1 0 左右属于相对稳定状态；分散度保持在5 的水 平则可以认为填埋垃圾已基本稳定。填埋龄大于8 年的腐殖质提取液其分子量分 散度保持在5 的水平，填埋垃圾已经趋于稳定化。 填埋垃圾中重金属元素p b 、n i 、c r 和c d 主要以残渣态为主，稳定性较好。 在六种重金属中元素z n 的醋酸可提取态和可还原态分配比值最高，元素c u 则 主要以可氧化态形式存在，两者的环境风险性和生物可给性较为显著。填埋单元 内部具有不同于土壤环境的h 2 - h 2 s 还原条件，但在开采和资源化过程中填埋垃 圾体系的氧化还原条件会发生显著变化，可氧化态重金属存在迁移转化进入周边 环境的风险。 矿化垃圾开采和筛分作业区的污染物排放及其浓度水平符合国家污染物二 级综合排放标准和国家职业卫生设计标准。在矿化垃圾筛分作业中，悬浮颗粒污 染物和可吸入粉尘将是最主要的环境和职业健康影响因素，作业人员应采取有效 摘要 的防尘防护措旌。矿化垃圾筛分点空气中细菌总数也较室内环境标准高，但未有 致病性细菌和病毒检出。因此矿化垃圾的开采和资源化是安全的。 填埋垃圾的两大主组分为具有高资源化价值的垃圾细料和塑料，其中塑料所 占比例保持逐年上升趋势，最终将占填埋垃圾的5 0 以上。塑料组分随填埋年份 变化的拟合方程为y = 1 0 2 6 9 x l n ( x 一1 9 9 0 ) + 7 0 3 ( r 2 = o 9 0 ) 。在缺氧避光的封场环 境中塑料组分老化相当缓慢，填埋龄小于8 年的填埋塑料其力学和热学性能与原 生废塑料基本相当，填埋龄大于8 年的填埋塑料其性能损失则逐渐加速。在矿化 垃圾资源化过程中，首先人工分拣塑料组分，高品位塑料采用传统工艺直接再生 造粒，低品位塑料则可混合其它有机组分热压成型制备固体衍生燃料。矿化垃圾 资源化方案具有工艺成熟、再生成本低、产品市场稳定的特点，对于填埋场可持 续填埋的实施具有拉动效应。 关键词：矿化垃圾稳定度开采资源化 a b s t r a c t r e f u s ei nl a n d f i l l sb e c o m e ss t a b i l i z e da n d 龃a g e dr e f u s ei st h u sf o r m e d , a st h e o r g a n i cm a t t e r si nt h er e f u s ed e g r a d e sd u r i n gi t sl o n g - t e r ms t a b i l i z a t i o np r o c e s s e x c a v a t i o no fa g e dr e f u s eh a sb e e np r a c t i c e da n dt h er e c o v e r a b l em a t e r i a l sc 孤b e r e c l a i m e da n dt h er e s u l t a n tl a n d f i l ls p a c e 啪b e 咖s e df u rt h er e - p l a c e m e n to ff r e s h r e f u s e h o w e v e r , t h ep r e r e q u i s t i cf o rt h es u s t a i n a b l el a n d f i l lo fr e f u s e si sd e p e n d e n t o i lt h es t a b i l i z a t i o ne x t e n t i nt h i sw o r k , t h e 妇a ts h a r 时l a ir e f u s el a n d f i l lw s , ss a m p l e df r o mt h e c o m p a r t m e n t sc l o s e df r o m1 9 9 1t o2 0 0 4 谢t l lap l a c e m e n ta g eo f1 - 1 4y e a r s t h e c o m p o s i t i o no ft h er e f u s ew 蝴d e t e r m i n e da n dt h e i rr e l a t i o n s h i p sw i t l ll a n d f i l la g e s w e e s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta n dt e c h n i c a la n d e c o n o m i c a lf e a s i b i l i t yr e f u s ee x c a v a t i o na n dr e c y c l i n gw a sa s s e s s e d t h er e f u s es t a b i l i z a t i o np r o c e s sw a sf o r m u l a t e d f o u r t e e np a r a m e t e r sw e l e s e l e c t e dt oc h a r a c t e r i z et h es t a b i l i z a t i o ne x t e n to fr e f u s e h l l m i cc o m p o s i t i o na n d m o l e c u l a rw e i g h to fh u m i cs u b s t a n c ei nt h er e f u s es a m p l e dw a su s e da ss t a b i l i z a t i o n i n d e x e so fr e f u s ea n dc l o s e dl a n d f i l lc o m p a r l m e n t s i tw a sf o u n dt h a tt o t a le x t r a c t i o n r a t i o 璇h u m i cs u b s t a n c et oo r g a n i cm a t t e r s ( y oa n dh a f ar a t i o sb 由o fh u m i c s u b s t a n c e sl i n e a r l yd e c r e a s e da n di n c r e a s e dw i t hl a n d f i l la g e ( x ，y e a r ) 谢t l le q u a t i o n s 0 f 乃= o 0 6 9 7 x + 1 3 0 4 1 衅o 7 4 1 6 ) 锄d 儿= 一1 2 5 4 5 x + 3 3 6 1 6 ( r 2 = o 7 2 8 2 ) , r e s p e c t i v e l y m o l e c u l a r - w e i g h tp o l y d i s p e r s i t yi n d e x ( p d i , y ) o ft h e r e f u s e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e dw i t hl a n d f i l l a g e ( x ) ， w i t ha r e l a t i o n s h i p o f y = 2 5 7 8 6 e x p ( - o 1 4 7 7 功( r 2 = o 8 8 ) b a s e do nt h e s ee q u a t i o n s , t h er e f u s e w i t hp d io f o v e r1 5m a yb eu s e da l li n d e xo f a g e dr e f u s ea n d 锄b ee x c a v a t e d a st h ee x c a v a t i o n o fa g e dr e f u s ed e s 廿o y st h ef i n a ll a y e r $ t n l e t u r e , t h ea i r p o l l u t a n t sw i l lb er e l e a s e df r o mc o m p a r t m e n t s t oa s s e s se n v i m n m e n t s li m p a c t , t h e a i rq u a l i t yi nt h ea g e dr e f u s ee x c a v a t i o na n ds e p a r a t i o ns i t e sw a sm o n i t o r e d i tw a s f o u n dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so fa i rp o l l u t a n t sa tt h e s es i t e sw e r ec o m p l i e dw i t ht h e i n t e g r a t e de m i s s i o ns t a n d a r do fa i rp o l l u t a n t s ( g b l 6 2 9 7 1 9 9 6 ) a n dh y g i e n i c i n s t a n d a r d sf o rt h ed e s i g no fi n d u s t r i a le n t e r p r i s e s ( g b z1 - 2 0 0 2 ) a m o n gt h ea i r p o l l u t a n t sm o n i t o r e d ，t h em a i np o l l u t a n t sa te x c a v a t i o ns i t ew e r et o t a ls u s p e n d e d p a r t i c l e s ( t s p ) a n di n h a l a b l ep a r t i c u l a t em a t t e r s ( p m i o ) h o w e v e r , t h ep o l l u t a n t sr i s k s 啪b ew e l lc o n t r o l l e dw i t h i nt h ea e 圮e p t a b l el e v e lw h e nt h ep e r s o n a lp r o t e c t i v e e q u i p m e n t s ( p p e ) w e r eu s e d n op a t h o g e na n dv i r e sw e r ed e t e c t e di nt h ea g e dr e f u s e t op r o v i d ed e t a i li n f o r m a t i o nf o rr e f u s er e c y c l i n ga l le x c a v a t e dr e f u s e sw e 他 s o r t e di n t oe i g h tf r a c t i o n s ，f i n e rr e f u s e ，p l a s t i c , f i b e r , p a p e rw o o d ，g l a s sa n dm e t a l f i n e ra g e dr e f u s ea n dm i x e dp l a s t i cw a sf o u n dt ob et h et w om a i nr e c o v e r a b l e so f t h e e x c a v a t e da g e dr e f u s e , w i t l l1 4 - y e a ra v e r a g e dc o n t e n t so f5 0p e r c e n ta n d2 2p e r c e n t t h ec o n t e n t so fp l a s t i ca n df i n e rr e f u s ea m o n gt h e s ef r a c t i o n sw e r ef o u n dt oi n c r e a s e a n dd e c r e a s e d 、撕t hp | a c o m o n tt i m er e p e c t i v e l y al o g a r i t h m i cr e l a t i o n s h i pw a s e s t a b l i s h e db e t w e e np l a s t i c c o n t e n t s 包) a n dp l a c e m e n tt i m e ( x ，y e a r ) ， y = 1 0 2 6 9 x l n ( x - 1 9 9 0 ) + 7 0 3 ( r 2 = 0 9 0 ) b a s e do nt h ee q u a p i f i o n , t h ep l a s t i c c o n t e n t w a s p r e d i c t e d t os u p a s s f i n e rr e f u s e a n d w i l lo c c u p y h a l f o f r e f u s e i n 2 0 0 7 t h em e c h a n i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e so fm i x e dp l a s t i cw e r ea l s ot e s t e da n d c o m p a r e dw i t hw a s t e dp l a s t i ci nm s w i t w a sf o u n dt h a tt h ep r o p e r t i e so ft h em i x e d p l a s t i c si nr e f u s ew e r en o ts i g n i f i c a n t l yd e t e r i o r a t e dw i t hl a n d f i l la g eo fb e l o w8y e a r h o w e v e r , w e a t h e r i n gp r o c e s so fp l a s t i c sw a sa c c e l e r a t e dw h e nt h el a n d f i l la g ew a s o v e r8y e a r s t h ep l a s t i ca tt h el a n d f i l l 伽b er e c y c l e du s i n gt h et e c h n o l o s i e sd o n ei n t h ec o n v e n t i o n a lp l a s t i cp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：a g e dr e f u s e , s t a b i l i z a t i o ni n d e x ，e x c a v a t i o n , r e c y c l i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：南抽二 细叮年c 1 月f d 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月 日 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：韧玉h 2 唧年c 月c 口e t 第1 章引言 第1 章引言 1 1 研究背景 在生活垃圾焚烧和填埋处置工艺中，卫生填埋工艺凭借其建设投资省和运行 成本低的经济优势，目前在世界上许多国家得到了广泛应用，成为发展中国家生 活垃圾的主流处置方式；在国土面积较大的发达国家中，也有许多国家采用卫生 填埋方法【1 埘。根据我国目前的经济现状和未来的发展趋势，在今后相当长的时 间里，卫生填埋仍然是我国处理生活垃圾最重要的方法之一i s - s 。 目前，我国迫切需要解决现有生活垃圾简易堆场的生态修复和新建卫生填埋 场的选址问题。一方面，我国现有的卫生和准卫生填埋场以及数目众多的垃圾堆 场已填入或堆放垃圾上亿吨。近年来随着我国城市化进程的加快，位于城郊的垃 圾堆场迅速被新建的城区所包围，原有垃圾堆场的搬迁和生态修复迫在眉睫。上 海市市区和郊区生活垃圾堆场处置垃圾量累计已达2 0 0 0 万吨，北京、天津、广 州等大城市所堆存的填埋垃圾估计也有几千万吨。三峡库区、大运河两岸也存在 已经搬迁或急需搬迁的几千万吨填埋垃圾。另一方面，我国社会经济正值快速发 展阶段，许多城市的垃圾年产量都以5 左右的速度递增，导致原有填埋场达不 到设计使用年限要求，需要寻址建设新的卫生填埋场。然而当前快速推进的城市 化进程又造成土地资源紧张，导致填埋垃圾选址工作变得越来越困难 7 , - 9 1 。 生活垃圾进入填埋场后的漫长时间里，将会逐渐发生复杂的物化反应和生物 降解过程。填埋数年后的垃圾组成和性能已与生活垃圾本体存在明显差异，为便 于同生活垃圾相区别，研究中称填埋单元内垃圾残留为填埋垃圾。在中国南方高 湿热地区历时8 1 0 年以上，北方寒冷地区历时1 0 - 1 5 年以上，生活垃圾中易降 解物质已完全或接近完全降解，此时的填埋垃圾可以认为基本上达到了无害化状 态，即矿化垃圾，可进行开采和资源化 i o , 1 1 】。在矿化垃圾主要组分中，粒径小于 4 c m 的矿化垃圾细料因其特殊的形成历程而蕴含数量庞大且种类繁多的多阶段 降解性微生物群落，具有其它水处理介质所无法比拟的优越性能。在此基础上开 发的矿化垃圾生物反应床工艺目前已在畜禽废水和渗滤液处理领域得到广泛推 广，为矿化垃圾的开采和资源化提供了一条重要出路1 1 2 1 3 】。另一方面，矿化垃圾 第1 章引言 中含有数量可观的塑料、纤维和玻璃等可回收物质，具有较高的资源化价值。矿 化垃圾开采和筛分后，可以得到5 0 6 0 的矿化垃圾细料，2 5 3 0 的可回收物 料，如塑料、玻璃、金属、化学纤维和橡胶等【m 1 6 1 。 矿化垃圾的开采和资源化不仅可以回收可资源化组分，还可以腾出填埋空间 再次填埋新鲜生活垃圾，从而实现填埋场库容的动态循环使用，延长填埋场的使 用年限。因此，近年来矿化垃圾的开采和资源化受到越来越多的重视，已经成为 欧盟和日本等国家的重要研究与实践领域。我国有些填埋场已使用多年，当中的 一部分垃圾已成为矿化垃圾，完全可开采利用。针对上海老港填埋场的矿化垃圾 资源化研究表明，每开采1 0 0 0 0 吨矿化垃圾，所腾出的空间可以回填7 0 0 0 8 0 0 0 吨新鲜的生活垃圾。矿化垃圾的开采和新生活垃圾的回填，可以尽可能延长填埋 场的使用寿命，无论对节约土地资源和建设填埋场的庞大投资，还是解决上海市 生活垃圾出路问题，均有重大意义。 基于矿化垃圾开采和资源化的实践，近年来有学者开始提出可持续填埋的理 论。生活垃圾填埋场是一座巨大的生物反应器，矿化垃圾是反应器的产物，可以 综合利用；而作为反应器本身，填埋场可以不断的进行循环使用。因此，通过填 埋场的填埋一开采与利用一再填埋的过程，不仅实现了生活垃圾的综合利用，而 且充分利用了土地填埋特有的低投资、低处理成本、易管理的优势，是我国生活 垃圾处理发展过程中两难处境的理想解决方案。从可持续发展角度来看，生活垃 圾选择填埋场填埋，事实上是将生活垃圾以资源的形式保存给后代，待一次资源 枯竭或科学技术发展后，人们可以对填埋在卫生填埋场中的垃圾资源进行开采和 重新利用。 1 2 课题来源 本课题来源2 0 0 5 年上海市科学技术委员会重大专项课题( n o 0 5 d z l 2 0 0 3 ) 和2 0 0 3 年上海市科学技术委员会科研计划项目矿化垃圾资源化再生循环 利用成套技术与工程示范( n o 0 3 2 3 1 2 0 4 4 ) 。 2 第1 章引言 1 3 研究内容 本课题通过对上海老港生活垃圾填埋场1 9 9 1 2 0 0 4 年填埋垃圾的试验性规 模开采，对填埋垃圾稳定化进程和资源化进行全面研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 填埋垃圾稳定化进程的表征体系的建立 对填埋垃圾中有机物和腐殖质性质进行系统研究，主要是腐殖质组成、分子 量、热重特性、元素组成和红外光谱特性。最终选择填埋垃圾腐殖质组成和提取 液分子量两个指标建立填埋垃圾稳定度的表征体系。 ( 2 ) 填埋过程中重金属形态分配和转化的研究 采用b c r 分步提取法，研究c u 、c d 、c r 、n i 、p b 和z n 六种重金属在填埋 过程中的形态分配和转化规律，进而评估不同稳定度的填埋垃圾在资源化过程中 的重金属环境风险。 ( 3 ) 矿化垃圾开采作业的环境健康安全评价 基于目前实践成熟的矿化垃圾开采和筛分作业方案，对矿化垃圾现场开采和 筛分作业环节的空气质量、施工安全和作业人员的职业健康进行全面评价，提出 相关风险控制措施。 ( 4 ) 矿化垃圾资源化价值评估和方案选择 基于填埋垃圾分选数据，对填埋垃圾组成和资源化价值进行评价和预测，根 据资源化的经济技术可行性原则，设计以优质填埋塑料造粒再生和混合有机物制 备r d f 的填埋垃圾资源化方案。 1 4 创新点 本论文研究的创新点在于：第一，利用上海老港生活垃圾填埋场按单元填埋 作业的有利条件，实现填埋龄1 一1 4 年间填埋垃圾和渗滤液的系统采样工作有 效提高填埋垃圾稳定化表征结论的可靠性；第二，鉴于不同填埋年份的生活垃圾 组成存在明显差异，在填埋垃圾稳定度的表征工作中引入相对指标弥补填埋垃圾 母体差异性造成的误差：第三，从填埋场稳定化过程主要以有机物的降解和腐殖 化为主，应用主成分分析法筛选出腐殖质组成和分子量两个有效指标，建立了一 套简易可行的稳定度评价体系；第四，通过对上海老港生活垃圾填埋场1 9 9 1 第1 章引言 2 0 0 4 年填埋垃圾的小规模开采，对填埋垃圾组成和资源化价值进行评价和预测， 对填埋垃圾的开采和资源化提供指导。、 4 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 2 1 生活垃圾填埋场的稳定化进程 生活垃圾进入填埋单元后就开始经历一系列机理复杂的稳定化过程，主要反 映在有机物的无机化和腐殖化两个方面。一方面，复杂有机物质在填埋单元厌氧 微生物的作用下，分解成较为简单的无机物，如c 0 2 、c l 王4 、h e 、h 2 0 、n h 3 、 h 2 p 0 4 、s o ? 。等。另一方面有机物降解形成的许多中间产物经缩合而变成新的复 杂腐殖质。生活垃圾在填埋单元内的稳定化过程一般可以分为5 个阶段：调整阶 段、过渡阶段、酸化阶段、甲烷化阶段和稳定阶段。 第一阶段调整阶段 生活垃圾在填埋和覆盖后即进入初始调整阶段。生活垃圾中易降解组分迅速 与垃圾所夹带的氧气发生好氧生物降解反应，释放出c 0 2 、h 2 0 和热量，生活垃 圾堆体温度快速升高至3 0 4 0 c 。 第二阶段过渡阶段 生活垃圾堆体内氧气消耗殆尽后，填埋单元内部环境经由缺氧阶段而最终形 成厌氧条件。生活垃圾由好氧降解过渡到缺氧降解，同时在填埋单元内形成以兼 性厌氧菌和真菌为主导的优势微生物群落。填埋垃圾中的复杂有机物质也被兼性 厌氧微生物转化为有机酸和其他中间产物。由于有机酸的形成及填埋气体中二氧 化碳浓度的逐渐升高，填埋垃圾和渗滤液p h 值缓慢下降，生活垃圾的稳定化进 程也开始进入酸化阶段。 第三阶段酸化阶段 ， 当填埋气体中h 2 含量达到最大后，p h 值逐渐下降达到5 0 甚至更低，填埋 垃圾稳定化即进入酸化阶段。在此转化阶段所涉及到的微生物总称为非产甲城 菌，由兼性厌氧菌和专性厌氧菌组成。第二阶段产生的有机酸和其他中间产物被 这些微生物转化为低分子量的甲酸和乙酸以及大分子的富里酸或其它更复杂的 腐殖酸。 第四阶段产甲烷阶段 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 在此阶段产酸和产甲烷过程同时进行，但有机酸的形成速率会明显减慢。产 甲烷菌成为填埋单元内的优势微生物种群，产酸菌产生的c 0 2 、h 2 和有机酸被 产甲烷菌转化为甲烷和二氧化碳。填埋单元的p h 值将会升高到6 8 , - - 8 0 的中性 值范围内。渗滤液的p h 值也将上升，而b o d 、c o d 和电导率将下降。 第五阶段稳定化阶段 当可生物降解组分基本被分解完时，生活垃圾的稳定化进程就进入稳定化阶 段。在此阶段，填埋气体的主要组分依然是c 0 2 和c 也，但填埋气体产率显著 降低，渗滤液c o d 也含有大量的难降解腐殖酸物质。 2 2 填埋垃圾稳定化进程的表征方法 在生活垃圾填埋初期，生活垃圾降解产生的中间产物会不断水分迁移至渗滤 液中，使得渗滤液的c o d 和b o d 5 等有机质指标浓度升高。另一方面，也正是 由于有机物生物降解的减量化造成了填埋场地表的加速沉降。然而，随着生活垃 圾中有机物的不断生物降解，渗滤液的c o d 和b o d 5 等浓度又逐渐降低，单位 时间地表沉降量也逐渐减少。因此，可以从宏观和微观两个方面来科学评估填埋 场的稳定化进程。 国内外学者对垃圾填埋场的稳定化作了大量的研究，但在评价固体垃圾的稳 定化方面，目前还没有统一的分析指标，且垃圾指标的分析方法还不成熟。同时， 生活垃圾组成的非均匀性和波动性给稳定化研究工作造成很大难度。国内外文献 一般主要是从填埋气体的组成和产率、渗滤液的产量和浓度、填埋垃圾组成和性 质、填埋场地表沉降量指标入手。 ( 1 ) 表观指数 简易垃圾堆场的稳定化程度可以通过填埋垃圾表观初步确定。堆放时问久远 而充分稳定化的填埋垃圾通常无臭味，外观与土壤较为相似，呈疏松的团粒结构； 基本稳定的填埋垃圾颜色呈褐色，具有轻微臭的气息，结构较疏松；若明显感觉 到填埋垃圾有臭味，有小飞虫生存，有部分或明显结块，这说明填埋垃圾依然处 于降解状态。 ( 2 ) 产气比指数 在生活垃圾稳定化过程中，填埋气体的组成和产率将随填埋时间的推移而呈 6 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 现阶段性变化规律，这一特点在表征生活垃圾填埋场的稳定度中有重要作用。然 而，由于生活垃圾简易堆场未采用标准终场覆盖工艺，因而很难有效地测定堆场 中填埋气体的组成和产率。对此，也有学者通过测定填埋垃圾的有机碳含量计算 填埋垃圾的最大理论产气量。新鲜垃圾与填埋垃圾的最大理论产气量之比定义为 产气比指数，比值越大表示产气潜势越大，越不稳定。 、 ( 3 ) 有机质含量 新鲜生活垃圾组中易降解有机物组分通常为3 0 o o 。生活垃圾的稳定化 过程主要体现在有机组分的降解和转化过程，无机部分只有很少部分发生变化。 因此，有机质含量是垃圾稳定研究的最主要指标，可以直接反映垃圾的稳定化程 度。 ( 4 ) 渗滤液 垃圾渗滤液水质表示溶于水中的各种污染物质的量，其中有机组分占很大比 例。随着填埋垃圾稳定度的增加，渗滤液中污染物浓度持续下降，水质会逐渐好 转。垃圾浸出液则是在实验条件下，按照一定的规范对垃圾样品进行浸泡后得到 的水样，实际上是填埋场渗滤液形成的试验模拟过程。新鲜垃圾浸出液中c o d 一般很高。待填埋垃圾完全稳定化后。浸出液c o d 仅有3 0 5 岫g ，l 。因此，填 埋垃圾浸出液的c o d 、t p 、t n 等指标可以在一定程度上反映垃圾稳定化程度。 ( 5 ) 生活垃圾填埋龄 生活垃圾在填埋单元内将会随着填埋龄的增加而不断降解。实际上，填埋垃 圾的实际稳定度会因填埋场当地气候条件和填埋作业方式的不同而存在较大差 别。但有一点可以肯定，垃圾的堆龄越长，垃圾降解就越充分。国内卫生填埋场 中垃圾的降解速率较国外高，降解周期也要短一些。在正常情况下，卫生填埋场 中城市垃圾的稳定化周期大约为2 5 3 0 年。 2 3 大型生活垃圾填埋的稳定化研究 迄今为止，国内外学者已系统地研究生活垃圾填埋过程中渗滤液水量和水 质、填埋气体组成和产率以及填埋垃圾微观性质的变化规律。这些研究方法通常 采用实验室模拟( 一般是几公斤至几十公斤垃圾量) 和小规模现场试验( 几十吨 生活垃圾量) 。实际上，由于实验室和小规模现场试验与生活垃圾填埋的实际条 7 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 件相差甚远，一些研究结论往往不适用于大型填埋场垃圾的稳定化进程。以垃圾 降解生化反应速率常数k 为例，对实际填埋场进行研究所得到的k 值比实验室 模拟所得数据小得多。 为真实反映生活垃圾的稳定化进程，大型填埋场现场填埋研究的方法也被学 者们采用。上海老港填埋场的现场研究试验是在填埋场北侧的试验小n ( 1 7 号单 元) 进行的，整个填埋试验单元完全按标准垃圾卫生填埋场设计。试验场底部铺 设有粘土和高分子材料衬底及排水管道，四周为厚2 0 米的粘土墙。填埋完毕后 在垃圾表面覆盖了3 0 c m 的粘土，四周设有排水沟。填埋试验单元中垃圾填埋高 度为4 米，有效填埋面积3 0 0 0 m 2 ( 5 0 m x 6 0 m ) ，共填埋垃圾1 0 8 5 8 2 6 吨，所填 垃圾中有机物3 8 ，无机物“，可回收废品1 8 ，含水率4 1 。 整个现场试验从微观和宏观两个层面对填埋场的稳定化过程进行定量描述。 在微观上主要是对渗滤液水质( 如c o d 、b o d 5 、n i l 3 - n 等) 、填埋组成和理化 性质等与时间的关系进行关联。在宏观上选用填埋单元表面沉降s 作为填埋场稳 定化的表征指标，对试验填埋单元表面7 个代表观测点的沉降量进行长期观测。 现场试验研究发现，随着填埋时间的延长，垃圾中挥发性物质含量、有机碳 含量、粗纤维含量、可生化降解物含量( b d m ) 、总糖含量等均会明显下降，b d m 则是填埋垃圾稳定度的有效标志；对渗滤液中c o d 、b o d 5 等污染指标的研究发 现，c o d 、b o d 5 、n h 3 - n 的衰减是符合指数衰减规律的【1 6 - 2 们。 在宏观方面，填埋单元封场后1 5 0 2 5 0 天，地表沉降观测点的沉降量相对 增加很快，此后填埋场地表沉降速率开始明显变慢。综合填埋场垃圾的生物降解 和渗滤液污染物浓度的研究结果，发现填埋垃圾中有机物的降解率( 单位时间有 机物含量的减少量) 与填埋场的沉降率( 单位时间沉降除以垃圾高度) 有直接关 系。因此填埋场的地表沉降率也可用于填埋场稳定化进程的表征和预测1 2 1 瑚。 基于上述填埋垃圾、渗滤液和表面沉降的试验结果，最终建立了一套大型生 活垃圾填埋场稳定化进程的数学模型，并对填埋场渗滤液浓度和填埋垃圾物化指 标的变化进行预测。通过与老港填埋场1 9 8 9 年到1 9 9 4 年填埋单元的对应指标进 行比较，进一步证实了这套数学模型在模拟和预测填埋场稳定化进程的可靠性。 根据填埋场稳定化的数学模拟和预测结果，可以认为在封场1 5 2 0 年后老港垃圾 填埋场就可安全地进行建筑用地以外的土地资源再利用。此时渗滤液降到国家规 8 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 定的填埋场渗滤液一级排放浓度1 0 0 m 鲫以下，已不用进行任何处理即可直接排 放，填埋垃圾也达到了无害化和稳定化。 表2 - 1 生活垃圾填埋场稳定化进程的数学评价模型( t 天) 另外也有研究人员以上海老港填埋场1 9 9 1 2 0 0 4 年间填埋垃圾及渗滤液为 研究对象，对大型生活垃圾填埋场的稳定化过程进行系统表征。填埋垃圾选用n 、 p 、k 、t ( ) c 、电导率、h f 比值、粒径分布7 个宏观指标；渗滤液性质分析选用 n p o c 、c o d 、t o c 、n h 4 + 、 i n 、正磷酸盐、t p 、电导率、p h 、o r p 、碱度、 矿物油、 i k d a 组分分布、h o a 所占比例1 4 个综合指标。 由于填埋垃圾和渗滤液的性质受原始生活垃圾性质和填埋环境条件等诸多 因素影响，不同填埋年份渗滤液和填埋垃圾的指标数据出现相异的变化趋势 【2 2 1 。为了有效反映填埋场的稳定化过程，消除不同年份数据的波动性和随机 性，专业数据处理软件s p s s 也被用来对试验数据库进行主成分分析，归纳得出 可以直观反映填埋场稳定度的综合值f ，最终建立渗滤液与填埋垃圾的降解动力 学过程【3 7 1 。 ( 1 ) 渗滤液的主因子分析 在对渗滤液中1 4 组常规数据进行分析的过程中，通过采用s p s s 统计软件， 进行主因子分析。主因子分析结果表明，2 个主成分可以全面反映全部指标的信 息。第一主成分基本可以有效反映前1 3 个指标信息；疏水性部分物质所占比例 9 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 则由第二主成分反映。因此，可以定义两个新变量来代替原来的1 4 个变量，通 过计算得出综合值f 的主成分表达式及每一个参数的权重，并建立其与年份之间 的关系，建立主成分综合模型y = 8 6 3 7 0 t ( 1 s 2 9 ) ( 其中t 为填埋时间) 。 f = 0 2 0 9 1 z x l + 0 2 咣珥z x 2 + o 2 8 2 8 z ) ( 3 - 60 2 7 7 3 z x 4 - 60 2 7 5 7 z x 5 + 0 2 5 8 6 z x 6 + 0 2 5 7 2 z x 7 - t - o 2 7 2 4 z x 8 + 0 2 6 7 3 z x 9 _ _ 0 1 9 1 9 z x l o - 6 0 2 7 3 1 z x l l + 0 2 0 6 3 z x l 2 - 6 0 2 2 9 6 z x l 3 + 0 0 8 6 3 z x l 4 ： 姗 加咖 d 5 0 0 0 4 a 强 叫咖 5 姗 o f l y = 8 6 3 7 0 1 1 1 2 9 r = 08昭5 、 讹 图2 - 1 老港填埋场渗滤液综合指标f 与填埋时间的关系 如果以渗滤液排放标准为基础，并赋以相关的经验数值( 其中f 1 = 1 4 7 8 ； f 2 = 2 1 5 5 ) ，则渗滤液主成分综合模型表明，填埋场如不进行人工调节或处理，渗 滤液自然降解达到一级排放标准的时间约为3 2 年，而达n - 级排放标准的时间 约为2 2 年。 ( 2 ) 填埋垃圾的主因子分析 按相同数据分析方法对不同填埋龄垃圾的n 、p 、k 、t o c 、电导率、i - i f 比 值、粒径分布等参数进行主因子分析，得出了老港填埋场各年龄段垃圾参数的主 成分综合标准值以及相关综合值。 f = 0 3 6 7 9 z x l + 0 2 4 3 1 x 2 + 0 2 9 7 5 z x 3 + o 2 0 2 0 z x 4 + 0 2 9 4 9 z x 5 + o 2 2 6 0 z x 6 - 0 1 2 3 5 z x 7 0 3 4 0 7 z x 8 0 1 9 8 3 z x 9 1 0 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 【 j p ， 、 卜k 1 弋沁 飞丧专： - 0 1 2 4 l x r = 1 7 9 4 6 r 2 = o 4 6 8 2346 t a 791 11 2 图2 - 2 老港填埋场垃圾综合指标f 与填埋时问的关系 以f 主成分综合模型的各个系数作为渗滤液各参数权重，综合所选指标表征 每一年份垃圾的污染物浓度及特性，并建立其与年份之间的关系，其中其基本的 模式符合指数函数：y = 1 7 9 4 6 e , ( - 0 1 2 4 1 x0 ( t 为填埋时问，r 2 = 0 8 4 6 5 ) 。 2 4 生活垃圾简易堆放场的稳定化周期研究 在对生活垃圾简易堆场稳定化进程的表征过程中，也有学者选用最大理论产 气量、垃圾填埋龄、填埋垃圾有机质含量和浸出液污染物浓度四个评价指标。整 个研究对三峡水库淹没区2 3 个县的典型垃圾堆放场进行采样分析测试，主要使 用统计分析和模糊评价的数学方法对填埋垃圾稳定化进程进行研究。对填埋垃圾 样品的研究表明不同填埋垃圾的表观和微观指标表现出明显的差异性1 3 8 , , - 4 6 1 。 1 3 年的垃圾组分中可降解的有机成分多，多数大于1 5 ，筛下物少，垃 圾处于不稳定状态。 3 5 年的垃圾样品的有机质含量基本上小于2 0 0 ，6 4 的垃圾样品的有机 质含量1 5 2 0 ，1 8 垃圾的有机质含量1 0 1 5 ，有8 的垃圾样品的有 机质含量小于1 0 。9 2 的垃圾浸出液c o d 小于污水一级排放标准( 6 0 m g l ) ， 7 2 小于3 0 m g l ，5 2 小于1 5 m g l 。有机质和浸出液c o d 两者的相关系数为 0 3 0 ，属于弱相关。因此认为3 5 年的垃圾部分降解，垃圾较不稳定 5 l o 年的垃圾样品9 0 的有机质小于2 0 ，5 5 的垃圾样品的有机质为 s 6 4 2 o s 6 4 2 o 趔如婚- 第2 章生活垃圾填埋场稳定化的研究进展 1 0 1 5 ，有1 3 的垃圾样品的有机质小于1 0 ，所以垃圾的有机质降解得比 3 5 年的垃圾充分，也有一些已经接近土壤。垃圾浸出液c o d9 7 j x 于6 0 m g l ( 一级排放标准) ，9 0 d , 于3 0 m g n ，5 4 d 、于1 5 m g l 。有机质和浸出液c o d 两者的相关系数为0 2 6 ，属于弱相关。根据5 年以上垃圾组分分析可知，垃圾中 的有机物大部分分解，大多数为筛下物和不可降解的塑料类，可降解有机物小于 5 。因此，认为5 l o 年的垃圾降解比较充分，垃圾较稳定。 大于1 0 年的垃圾全部样品的有机质小于1 8 0 ，4 8 的垃圾样品的有机质为 1 0 e 6 t 5 ，5 4 的垃圾样品小于1 2 ，3 5 的垃圾样品的有机质小于t o o , 6 。可 见垃圾的有机质降解得比5 1 0 年的垃圾充分，也有一些已经接近土壤。垃圾浸 出液c o d9 6 j , 于3 0 m g l ，5 3 d , 于1 5 m g l ，仅有4 为3 0 6 0 m g l 。有机 质和浸出液c o d 两者的相关系数为0 5 2 。属于中相关。垃圾组分分析表明，垃 圾中没有可降解的有机物，绝大多数为筛下物和不可降解的塑料类。因此，认为 大于1 0 年的垃圾降解较充分，垃圾处于稳定化状态。 在对三峡库区填埋垃圾样品的稳定化指标分析的基础上，建立一套生活垃圾 简易堆场稳定化评价分级体系，运用模糊评价方法对三峡库区沿江生活垃圾堆放 场稳定度进行综合评价。 表2 - 2 生活垃圾简易堆场稳定化评价分级体系 在这一填埋垃圾稳定度评价分级体系中。三峡库区沿江生活垃圾堆放场垃圾 稳定化的因素集为v = 填埋垃圾有机质含量浸出液c o d 浓度填埋气体产气 量填埋龄1 ，评价集为a = 稳定较好稳定基本稳定未稳定) ，经严格专家打 分归一化后的权数分配为w = o 2 60 2 70 2 50 2 1 。这一体系分别建立每种评价 指标的