硕士论文-生活垃圾内嵌PRB生物反应器原位削减渗滤液污染物过.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 生活垃圾内嵌PRB生物反应器原位削减渗滤液污染物过程研究 姓名：奉均衡 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：朱南文 20090101 上海交通大学硕士学位论文 摘 要 I 生活垃圾内嵌 PRB 生物反应器原位削减渗滤液污染物过程 研究 摘 要 填埋是生活垃圾处置的主要方式， 但填埋一个主要问题是渗滤液 的污染，其高浓度污染物，对填埋场周边环境与人类健康造成了长期 严重危害。 源头削减渗滤液污染物成为减少和降低生活垃圾填埋场危 害的一个重要途径。 基于生活垃圾生物反应器填埋技术及地下水PRB 原位修复技术的原理，本研究提出了内嵌 PRB 生物反应器填埋新工 艺，旨在从填埋场源头削减渗滤液污染程度。通过比较内嵌 PRB 生 物反应器与传统反应器出水渗滤液性质及垃圾体表面沉降的差异， 不 同 PRB 材料、结构对渗滤液削减能力、运行寿命的研究，初步探讨 了内嵌 PRB 生物反应器对渗滤液中污染物源头的去除机理和效果， 从而为生活垃圾填埋场的建设和运营提供了一定的指导意义。 研究结 论主要包括： 内嵌 PRB 生物反应器和传统卫生填埋的比较结果显示： 内嵌 PRB 生物反应器填埋柱（R1）出水渗滤液的 COD、总氮、氨氮、总 磷等的值，分别为传统卫生填埋柱（R2）出水的 20- 50%，14- 43%， 33- 75%，0.15- 1.83%，表明内嵌 PRB 生物反应器对渗滤液具有良好 的污染物去除能力。填埋柱 R1渗滤液中 Cr、Cu、Mn、Ni、Zn 等重 金属浓度均远小于填埋柱 R2，说明介质层 PRB 中的废铁砂、水泥和 生石灰等活性材料对其具有较好的去除效果。因此，内嵌 PRB生物 上海交通大学硕士学位论文 摘 要 II 反应器可实现渗滤液污染物源头减量的目的。 不同材质和结构的内嵌PRB生物反应器（双层PRB1（R4）和 PRB1+PRB2（R3）的研究表明：在为期27周的试验期内，渗滤液 COD、TN、NH4+- N、TP的浓度R3分别为105465 mg/L、277.65 mg/L、 113.64 mg/L、2.36 mg/L，R4则为106258 mg/L、280.17 mg/L、46.52 mg/L、5.96 mg/L。而通过渗滤液出水性质随填埋时间的变化规律追 踪研究发现：不同填料内嵌PRB生物反应器对渗滤液削减作用不同， PRB2对于初期渗滤液污染物削减作用较大，而PRB1则具有较长时间 效果，说明PRB2填料主要起到物理化学作用，而PRB1中具有较好的 微生物降解作用。 结合比较渗滤液水量、COD、TN、NH4+- N、TP 累计释放量 及垃圾体累计沉降量，填埋柱R4 大于 R3，说明PRB1 中有机高分子 亲水材料 A 是微生物生长繁殖的良好载体，可丰富微生物数量、提 高微生物活性， 从而促进了 R4 中微生物对渗滤液污染物的快速降解。 通过对渗滤液出水中总氮与填埋时间的变化关系发现：经过 221 天后，R4 渗滤液出水的总氮浓度将小于 R3 的浓度，说明 PRB1 对渗滤液污染物的削减具有更长时期的作用，而 PRB2 的作用将受到 一定程度的限制，因而内嵌双层 PRB1 生物反应器技术，通过强化微 生物作用可实现填埋场渗滤液污染物源头削减，延长 PRB 的使用寿 命，从而可保证反应器长期可持续的稳定运行。 关键词：生活垃圾，内嵌 PRB 生物反应器，填埋，渗滤液 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT III IN SITE ACCELERATED ELIMINATION OF CONTAMINANTS IN LANDFILL LEACHATE BY EMBEDED PRB BIOREACTOR ABSTRACT Landfill is the predominated treatment technology of Municipal Solid Waste (MSW) in China, and leachate is the critical problem for landfill pollution control due to the high loading of organic matter and other toxic substances. The release of indeterminate volumes of leachate would introduce the risks to public health and the surrounding environment, and thus the on site reduction of contaminants in leachate is one of the potential resolutions for landfill. In this work, a new type of landfill, namely embedded PRB bioreactor, was developed, making use of the Permeable Reactive Barrier (PRB) and Bioreactor Landfill (BL) cooperation together. PRB could remove some persistent organic pollutant, and bioreactor landfill could accerelate the biological degradation process of leachate in landfill by recirculation. The jointed effect of PRB and BL could accelerate the elimination of contamiants in leachate. Leachate characteristics from the embedded PRB bioreactor and the references of conventional landfill were compared. Meanwhile, the function of PRB in contaminant removal on site was also analysis by comparing the different materials and structure of PRB. The main results show as follows: (1) The embedded PRB bioreactor landfill (R1) would be more effective for the contaminant removal in leachate, comparing to the conventional landfill (R2), and the leachate in R1 occupied about 20- 50%, 14- 43%, 33- 75%, 0.15- 1.83% that of R2 in entire periods, in terms of CODCr, TN, NH4+- N and TP, respectively. Meanwhile, the quantity of leachate and the settlement in R1 were more than that of R2, meaning that microbial degradation in R1 was more activity than that in R2. The corresponding heavy metal concentration, such as Cr、Cu、Mn、Ni、Zn, in R1 were also lower than 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT IV that in R2, suggesting that the filling materials in PRB, i.e. scrap iron, cement and quicklime, played an important role in the removal of heavy metals in leachate. (2) The characteristics of leachate from R3 (PRB1+PRB2) and R4 (double layers PRB1) were compared, and the function of PRB materials and structure were analysis. It was shown that PRB2 would contribute to remove the leachate in the initial stage by physical- chemical adsorption, while PRB1 would be enhanced the microbial activity in leachate contaminant removal for a long- term periods, based on the experioments of 27 weeks. (3) Cumulative emissions of COD, TN, NH4+- N, TP in leachate and cumulative MSW settlements of R4 were more than that of R3, meaning that hydrophilic organic polymer A in PRB1 is a good biological carrier, which could improve microbial activity by enriching the number of microorganisms, thus contributing to microbial rapid degradation of MSW. (4) Through variation of TN concentration in leachate with time, it was found that TN concentration in leachate of R4 was lower than that of R3 after 221 days experiment, suggesting that PRB1 played an important long- term role in the removal of contaminations in leachate, while the role of PRB2 will be restricted to a certain extent. Results showed that embedded double layers PRB1 bioreactor landfill, by strengthening the role of microorganisms, could remove the contaminations in leachate in situ, but also can ensure sustainable and stable operation of bioreactor. Key words: MSW, embedded PRB bioreactor landfill, landfill, leachate 上海交通大学硕士学位论文 符号说明 VII 符号说明 COD：化学需氧量 BOD：生化需氧量 TOC：总有机碳 BDM：生物可降解度 TN：总氮 NH4+- N：氨氮 TP：总磷 ICP：电感耦合等离子体发射光谱仪 GC- MS：气相色谱- 质谱联用仪 MSW：城市固体废物（Municipal Solid Waste） SL：卫生填埋技术（Sanitary Landfill） PRB：可渗透反应介质层（Permeable Reactive Barriers） BL：生物反应器填埋技术（Bioreactor Landfill） 上海交通大学硕士学位论文 第一章 引 言 1 第一章 引 言 1 选题背景 根据国家统计局 2005 年 8 月公布的城市建设统计年报数据，截止至 2004 年底，全国 661 个设市城市中生活垃圾填埋场 444 座，其处理量 6865 万 t，分别 占各类生活垃圾处理厂及总处理量的 79%和 87.7%。 我国建设部、 国家环保总局、 科技部联合制定的城市生活垃圾处理及污染防治技术政策明确指出，垃圾卫 生填埋是我国现阶段城市生活垃圾的主要处理手段。 因此可以预计城市生活垃圾 卫生填埋场将在我国得到广泛的应用。 国内外已进行了很多生活垃圾卫生填埋技术的研究， 为防止填埋场垃圾污染 周边环境及危及人类健康起到了积极的作用。 但现行的填埋技术仍然存在诸多问 题，其中一个重大难题就是渗滤液难以得到有效处理。按理论计算，目前我国城 市生活垃圾的新鲜渗滤液年产量约为 2900 万 t，可控点源排放的渗滤液为 1515 万 t，如果加上填埋场/堆场历年垃圾产生的渗滤液，则其年产量估计为新鲜渗滤 液的数倍，而 1 t 渗滤液约相当于 100 t 城市污水所含污染物的浓度1。渗滤液的 组分复杂、水量波动大、水质多变、有毒有害污染物含量高，已成为限制填埋技 术进一步应用和发展的“瓶颈”问题。 20 世纪 80 年代出现的生物反应器填埋技术，以渗滤液回灌为主要措施，将 传统的“干墓穴”填埋场转变成可人为操控的生物反应器填埋场，但生物反应器 填埋技术仍难实现源头削减渗滤液污染程度的目的。因此，在现有的生物反应器 填埋技术的基础上，如何通过改进填埋场结构、垃圾填埋方式或结合其他成熟技 术等手段来实现渗滤液污染物源头削减，是一个值得深入研究的课题。 面对渗滤液处理“瓶颈”难题及生物反应器填埋技术存在的不足，日本琦玉 县环境科学国际研究所正在进行填埋柱加载可渗透反应介质层（Permeable Reactive Barriers，简称 PRB）填埋法处理生活垃圾的中试试验研究，从 pH 值、 BOD、CODCr、TOC、重金属及苯类有机污染物等指标上说明了 PRB 填埋法对 填埋场渗滤液理想的处理效果。 本文拟将生物反应器填埋技术与 PRB 地下水修复技术相结合，兼顾两者优 势， 对新鲜垃圾进行填埋处理试验研究， 考察出水渗滤液随填埋时间的变化情况， 旨在研究 PRB 介质层中活性材料对渗滤液污染物的固定和降解作用，从而实现 试验填埋柱内渗滤液污染物源头削减、低污染释放的目的。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 引 言 2 2 研究目的与意义 2.1 研究目的 针对填埋场渗滤液处理难度大、成本高的问题，本文通过对国内外生活垃圾 生物降解规律、渗滤液处理及 PRB 技术的研究分析，提出了内嵌 PRB 生物反应 器填埋新工艺，通过 PRB 中活性材料的物理、化学及生物作用，实现源头削减 渗滤液污染物量，达到渗滤液低污染释放目的。同时考虑到填埋场中 PRB 活性 材料易失活或发生堵塞，而更换困难的实际问题，比较了不同 PRB 材料和组合 工艺下延长 PRB 使用寿命的研究， 从而使得内嵌 PRB 在生物反应器中长期稳定 的源头削减渗滤液污染物量。 2.2 研究意义 内嵌PRB生物反应器通过源头削减渗滤液污染物浓度， 对于部分解决垃圾产 业化进程中渗滤液浓度高、持续时间长等问题具有重要的实际意义。垃圾填埋过 程中，通过往中间覆土层中添加PRB活性介质材料，可有效促进渗滤液污染物的 固定和降解， 对于增强垃圾填埋场的周边环境安全和降低填埋场建设和运行成本 具有重要的理论和现实意义。 3 研究内容 基于以上的认识， 本文从城市生活垃圾在填埋场中的降解及渗滤液污染物的 源头处理展开研究，主要研究内容包括以下几个方面： PRB生物反应器填埋法与传统卫生填埋法的比较研究 通过将生物反应器填埋技术和PRB技术相结合， 在生物反应器填埋柱内添加 可渗透反应介质层PRB1和PRB2，构建内嵌PRB生物反应器，在两介质层的联合 作用下，主要考察了渗滤液水质特征等变化过程，并与同源传统卫生填埋技术的 渗滤液性质进行比较，探索一种内嵌介质层垃圾填埋处理新方法。 不同 PRB 材料、结构对渗滤液削减能力及其运行寿命的研究 为解决污染物质在 PRB 中不断淀积和积累，或长时间作用下介质层饱和穿 透而使 PRB 介质被动失活问题，通过比较不同 PRB 介质材料和结构，比较了不 同 PRB 组合下的防“失活”和微生物降解渗滤液的效用。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 引 言 3 4 研究思路 本论文的研究思路归纳于图1- 1。 图1- 1 论文实施的技术路线 Fig.1- 1 Technical route of dissertation 5 研究创新点 提出了结合PRB技术与生物反应器填埋技术的内嵌式PRB生物反应器填埋 新技术，实现了源头削减渗滤液污染物目的。 比较了不同 PRB 材质和结构对渗滤液源头削减的作用，提出了适合不同填 埋时期的内嵌式 PRB 生物反应器结构。 资料调研 生物反应器填埋技术背景研究 PRB 技术背景研究 室内模拟试验研究 模型的设计制作 试验方案制定 模型的运行 传统卫生填埋技术 内嵌 PRB 生物反应器填埋技术 PRB1+PRB2 作用机理分析 数据监测与基本规律分析 双层 PRB1 作用机理分析 提出生活垃圾内嵌 PRB 生物反应器填埋处理新工艺 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 4 第二章 文献综述 1 填埋场垃圾生物降解过程1,2,3 填埋场稳定化是一个同时进行着物理、化学、生物反应的复杂而漫长的过程，大 体上可将稳定化过程分为五个阶段，每个阶段渗滤液的性质都存在明显差异。这五个 阶段分别为：初始调整阶段(Initial adjustment phase)、过渡阶段(Transition phase)、酸 化阶段(Acid phase)、甲烷发酵阶段(Methane fermentation)和成熟阶段(Maturation phase)。图 2- 1 为填埋场稳定化五阶段划分的示意图。 图2- 1 填埋场稳定化过程 Fig.2- 1 MSW stabilization process - 初始调整阶段；- 过渡阶段；- 酸化阶段；- 甲烷发酵阶段；- 成熟阶段 第一阶段（初始调整阶段） 垃圾进入填埋场后，易降解组分迅速与垃圾中所夹带的氧气发生好氧生物降解反 应，生产 CO2、水以及小分子有机物，同事释放一定热量，引起垃圾层温度升高。本 阶段主要生化反应如下： 碳水化合物 222 111 222 xyz C H Oxyz OxCOyH O + 热量 含氮有机物 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 5 22322xyzvstu C H O NaH ObOC H OeNHdH OfCO+ 热量 第二阶段（过渡阶段） 随着氧气的消耗殆尽，填埋场内开始形成厌氧条件，垃圾降解开始由好氧降解过 渡到兼性厌降解氧，兼性厌氧微生物为这一阶段的优势菌。此阶段垃圾中的硝酸盐和 硫酸盐分别被还原为N2和H2S，填埋场内氧化还原电位逐渐降低，渗滤液pH值开始下 降，纤维素开始发生分解，产甲烷作用逐步形成。 第三阶段（酸化阶段） 兼性和专性厌氧细菌是这一阶段的优势种群，这些微生物的代谢活动产生大量的 有机酸、NH4+、H2、CO2以及热量，CO2是填埋气的主要成分，渗滤液COD、VFA和 金属离子浓度继续上升至中期达到最大值后开始下降，pH值降至最低(5.0甚至更低)， 此后缓慢上升。 第四阶段（甲烷发酵阶段） 产甲烷菌的数量逐渐增大并成为优势菌，大量醋酸和其它有机酸以及H2转化为 CH4，发生的主要生化反应如下： () 3242 n 524n4nCH COOHCH OCHnCO+ 厌氧 热量 （有机酸） （菌细胞） 在此阶段，渗滤液COD浓度、BOD5浓度、金属离子浓度和电导率迅速下降， BOD5/CODCr0.4，pH值上升至6.8- 8.0。填埋气体中CH4体积百分含量达到50- 60%， 其余部分以CO2为主。 第五阶段（成熟阶段） 由于垃圾中大量营养物质已随渗滤液排出，可生物降解有机物逐渐减少，填埋垃 圾进入腐熟阶段。渗滤液中的有机物以难降解物质为主，BOD5/CODCr=0.1，pH值维 持在偏碱性状态。填埋气的主要组分依然以CO2和CH4为主，但产率显著降低。 上述五个阶段描述了填埋场垃圾稳定化过程，这个过程取决于填埋场的物理、化 学和微生物环境，填埋垃圾的特性，管理措施及自然条件等因素。有机物厌氧降解过 程见图2- 2，其中：1- 发酵细菌、2- 产氢产乙酸菌、3- 同型产乙酸菌、4- 利用H2和CO2 的产甲烷菌、5- 分解乙酸的产甲烷菌。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 6 1 水解 1 发酵 2 产氢产乙酸 2 3 同型产乙酸 4 5 图2- 2 有机物厌氧降解过程 Fig.2- 2 Anaerobic degradation of organics 2 填埋场渗滤液研究 2.1 渗滤液性质 填埋场渗滤液是垃圾处理过程中产生的一种高浓度、多组分、易变化的污水，其 组成和浓度与填埋场构造方式、垃圾种类、填埋时间、季节、气温等密切相关。因此， 整个填埋场的渗滤液实质是不同阶段、不同水质的渗滤液综合的结果。一般渗滤液包 含以下四种污染物1： 溶解性有机物，可表示为 CODCr、TOC，包括烃类、挥发性脂肪酸和一些难降 解有机物，像富敏酸类和腐殖酸类化合物。 无机常量成分(macro components)：Ca、Mg、Na、K、NH4+、Fe、Mn、Cl-、 SO42-、 HCO3-等常见的一些无机元素， 它们在填埋场稳定化过程中的变化趋势如图 2- 3 所示，随着填埋时间的增加，SO42-和Cl-的浓度都减小，Zn和 Fe 浓度先升高后降低。 重金属：Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg 及类金属 As 等 8 种常见的有毒金属。 重金属离子易与大分子有机物、无机离子等以离子交换、络合(螯合)、沉淀、吸附等 作用结合，因而渗滤液中重金属离子存在的形态主要是有机络合物态和无机络合物 态，游离态只占较小一部分。 异型生物质的有机物(XOCs)，主要来自家庭和工业化学品，但渗滤液中的含量 较低(一般每种物质浓度低于 1 mg/L)，包括一系列的芳香族碳氢化合物、苯类物质和 氯代脂肪烃(chlorinated aliphatics)。 复杂有机物、碳水化合物、蛋白质、脂类 简单溶解性有机物 脂肪酸(丙酸、丁酸、乙酸、乳酸等)、醇类 氢气、二氧化碳 乙酸 甲烷、二氧化碳 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 7 图2- 3 填埋场稳定化过程渗滤液中部分无机物的变化趋势 Fig.2- 3 Profiles for evolution of inorganics concentrations in leachate 另外，渗滤液水质随水量变化而变化，雨季时渗滤液污染较为严重，并且渗滤液 水质在日、时尺度上变化也较大。 Nancy Ragle 等4研究表明，渗滤液水质的时变化系 数和日变化系数高达 200%和 300%。填埋初期，渗滤液成黑色，可生化性较好，而随 着填埋时间的延长，渗滤液逐渐变成褐色，可生化性变差，水质随填埋场填埋龄改变 而改变5。表 2- 1 和表 2- 2 分别列出了不同填埋龄、不同降解阶段的垃圾渗滤液水质 特性。 由于渗滤液含有多种污染物，因此对环境的危害性往往是多种污染物共同作用的 结果，必须从总体上来考虑渗滤液的毒性。由此可见，垃圾渗滤液是一种高浓度有毒 有害污水， 我国环境保护部颁布执行了新修订的 生活垃圾填埋场污染控制标准 （G B 1 6 8 8 9 - 2 0 0 8 ）。该标准是对生活垃圾填埋污染控制标准（G B 1 6 8 8 9 - 1 9 9 7 ）的修订， 对生活垃圾填埋场建设和运行中的污染防治和环境保护等进行了统一的要求，使生活 垃圾填埋场的建设和运行更符合建设资源节约型与环境友好型社会的要求，对保护环 境具有十分重要的意义6。 表 2- 1 不同填埋龄垃圾渗滤液水质特性7 Table2- 1 Composition of MSW Landfill Leachate of different ages 指标 第 1 年 第 2 年 第 3 年 一般情况 BOD5 4460 13000 11359 10907 COD 11210 20032 21836 18533 TSS 1994 549 1730 1044 TDS 11190 14154 13181 13029 pH 值 7.1 6.6 7.3 6.9 碱度 （CaCO3） 5685 5620 4830 5404 硬度 （CaCO3） 5116 4986 3135 4652 Ca 651 894 725 818 Mg 652 454 250 453 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 8 指标 第 1 年 第 2 年 第 3 年 一般情况 磷酸盐 2.8 2.6 3.0 2.7 氨氮 1966 724 883 1001 TKN 1660 760 611 984 硫酸盐 114 683 428 462 Cl- 4816 4395 3101 4240 Na 1177 1386 1457 1354 K 969 950 968 961 Cd 0.04 0.09 0.10 0.09 Cr 0.16 0.43 0.22 0.28 Co 0.44 0.39 0.32 0.39 Fe 245 378 176 312 Ni 0.53 1.98 1.27 1.55 Pb 0.52 0.81 0.45 0.67 Zn 8.7 31 11 21 Hg 0.007 0.005 0.011 0.007 注：指标除 pH 值外，单位均为 mg/L。 表 2- 2 不同降解阶段垃圾渗滤液水质特性8 Table2- 2 Composition of MSW Leachate of different degradation phases 指标 单位 阶段 阶段 阶段 阶段 BOD mg/L 100- 10000 1000- 57000 600- 3400 4- 120 COD mg/L 480- 18000 1500- 71000 580- 9760 31- 900 TVA mg/L 100- 3000 3000- 18800 250- 4000 0 BOD/COD - 0.23- 0.87 0.4- 0.8 0.17- 0.64 0.02- 0.13 氨氮 mg/L 120- 125 2- 1030 6- 430 6- 430 pH 值 - 6.7 4.7- 7.7 6.3- 8.8 7.1- 8.8 导电率 O/cm 2450- 3310 1600- 17100 2900- 7700 1400- 4500 2.2 渗滤液处理方法 渗滤液的处理技术，主要包括：物化法，如混凝9,10、化学沉淀11、活性炭吸 附9、电化学氧化12、反渗透膜13、AOPs法9,14,15等，但其处理费用较高通常只用于 去除色度、SS、氨氮、重金属离子；生物法，好氧生物法如活性污泥法16、生物接 触氧化17、生物转盘18、AB法15、SBR法19,20、氧化塘21等，好氧法不仅可去除渗 滤液中有机污染物还可用于渗滤液脱氮；厌氧生物法有UASB法22,23、ABR法24,25、 厌氧滤池26等。填埋场产生的渗滤液有机污染浓度一般较高，宜先采用厌氧生物法进 行处理，但厌氧处理出水中有机物浓度和氨氮浓度仍较高，一般达不到排放标准。因 此，经常是厌氧- 好氧联合处理27,28；土地处理法，土地法处理渗滤液是利用土壤- 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 9 微生物- 植物这一陆地生态系统的吸附、离子交换、化学沉淀和生物降解等作用使渗 滤液得到不同程度改善的生态方法。目前研究和应用最多的渗滤液土地处理法是人工 湿地(Constructed Wetland)29，不过该方法受土地资源的限制。 3 生物反应器填埋技术研究进展 3.1 生物反应器填埋技术的发展 填埋场是一个独特的、动态的、复杂的垃圾- 微生物- 渗滤液- 填埋气微生态系统， 其稳定化过程是一系列生物、化学和物理共同作用的演替。实际上，传统垃圾填埋场 封场后就成了“干墓穴”，存在众多的不足，其中一个主要的不足在于传统垃圾填埋 场处理技术仅把填埋场作为一个被动接受垃圾的系统，垃圾的生物降解是一个无任何 控制的自然降解过程，无法为微生物生长提供一个适宜的环境，垃圾的生物降解受到 了限制。此外，传统填埋技术还面临渗滤液污染强度高等诸多问题。鉴于传统填埋技 术的不足，二十世纪后期，美国、英国、加拿大、澳大利亚、德国、丹麦、意大利、 瑞典和日本等国相继开始了一种改进的填埋方式即生物反应器填埋技术的研究，其目 的是最大限度利用有限的填埋库容、实施渗滤液源头污染控制、从以往的被动管理转 向主动控制等30。 北美固体废弃物协会SWANA（The Solid Waste Association of North America）对 生物反应器填埋场（Bioreactor Landfill，简称BL）定义如下31：“ 生物反应器填埋场 是有目的的控制强化填埋场中的微生物反应，使垃圾中能降解的有机组分在封场后 5- 10年内完成稳定化过程的卫生填埋场。生物反应器填埋场按操作方式不同分为好氧 生物反应器（aerobic bioreactor）、兼型生物反应器（facultative bioreactor）和厌氧生 物反应器（anaerobic bioreactor）三种类型32。好氧生物反应器填埋场在回灌渗滤液 的同时鼓入氧气或空气，使填埋场内部保持有氧反应的状态，以强化好氧微生物的降 解活性，大大加快填埋场垃圾的稳定化过程。但其能耗和成本很高，应用和研究得相 对较少。兼型生物反应器是利用氮素循环加速填埋垃圾的稳定化：首先，通过好氧处 理将渗滤液中氨氮转化为硝酸盐， 即硝化反应， 然后将硝化渗滤液回灌至垃圾填埋层， 进行反硝化反应去除垃圾体内有机物，硝酸盐转化为无害气体N2。目前广泛采用的是 厌氧生物反应器填埋场，其主要组成和运行方式如图2- 4所示，通过渗滤液回灌保证 垃圾层中含水率，以适宜厌氧微生物生长繁殖，整个过程厌氧降解起主导作用，对填 埋气甲烷可进行收集并加以利用。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 10 图 2- 4 厌氧生物反应器垃圾填埋单元33 Fig.2- 4 Anaerobic bioreactor MSW landfill unit 不管何种类型的生物反应器填埋场，其填埋单元都是垃圾、微生物及污染物的统 一混合体。在填埋场环境中，垃圾层中存在着极为丰富的微生物种类，数量也极为庞 大，尤以细菌为多，每克垃圾内细菌可高达 1012个，其次为放线菌，再次为真菌。真 菌在物种类型和数目上虽然较少，但其生物物质的量与细菌相当（Filip,1979）。 生物反应器填埋场中垃圾降解的主体和核心便是通过可控手段增加微生物数量， 提高生物活性。为深入了解生物反应器填埋场微生物生态效应，国内外学者采用细胞 壁磷脂酸，特别是脂肪酸甲基酯(phospholipid fatty acids, PLFA)、磷酯- 醚酯 (phospholipid ether lipid, PLEL)及变性梯度凝胶电泳分析(denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE)测定方法对填埋场中微生物功能和结构的多样性进行了翔实研 究34,35。 Silvey36用PLFA方法研究序批式生物反应器填埋场微生物演替说明新填埋区 发酵进行到18- 38天时，填埋垃圾层微生物种群适宜用于新填埋区接种。Shen37研究 表明，渗滤液循环回流和垃圾高效降解菌株的接种有利于生物反应器填埋垃圾厌氧环 境的形成，促进垃圾厌氧降解关键性微生物的生长。 生物反应器填埋技术可通过一系列手段，如渗滤液回灌、污泥接种、高温- 中温 填埋、pH 值调节、营养物质添加等来优化填埋场环境使其成为一个有控的生物反应 器，增强微生物活性，提高垃圾的生物降解速率和效率。该反应器不仅对填埋场产生 的渗滤液能实现很大程度的场内就地净化，为填埋场的提前稳定创造良好的条件，还 同时具备贮留垃圾、隔断污染和资源恢复等多个功能，因而是城市生活垃圾填埋处理 技术研究的热点38,39,40,41,42。 从 20 世纪 70 年代由美国科学家 Pohland 等率先开展了渗滤液回灌生物反应器填 埋技术的实验室规模研究至今，该项技术经历了小试研究、中试研究和工程应用研究 三个发展阶段。将近 40 年的生物反应器填埋技术代表性研究成果如表 2- 3 所示。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 11 表 2- 3 生物反应器垃圾填埋技术研究进展 Table2- 3 Research progress of Bioreactor Landfill 发展 阶段 研究学者或 填埋场名词 年 份 研究内容 Pohland 1975 首次提出渗滤液回灌有利于加速污染物的溶出和有机 污染物的分解，同时加速垃圾层的稳定化进程43。 Leuschner 1989 传统填埋需 19.3 年可获得 80%降解率，直接回灌则需 10.2 年，回灌前调节 pH 需 4.2 年，添加污泥与营养物 仅需 3.2 年44。 Mosher 1997 渗滤液回灌能促进垃圾中有机物的降解，增加填埋场有 效库容量，缩短产气时间45。 徐迪民 李国建 1995 1997 渗滤液回灌可改善填埋垃圾层结构，增加微生物种类， 有利于垃圾的降解和稳定化，并对渗滤液 COD 有一定 的去除效果46,47。 小 试 研 究 欧阳峰 2003 回灌前对渗滤液进行加热、加入污泥进行微生物接种有 利于填埋场渗滤液有机污染物浓度的快速下降;较低的 渗滤液回灌频率有助于生物反应器填埋场快速进入产 甲烷阶段48。 Sonoma County Landfill, California 1972 比较了不同含水率对垃圾降解的影响，发现通过采取渗 滤液循环等 BL 技术可显著提高填埋场内微生物的活 性，加速垃圾的稳定化进程49。 Lower Spen Valley Landfill England 1990 1991 2 个中试单元研究添加污泥与渗滤液回灌对填埋垃圾稳 定化过程的影响以及稳定化垃圾开挖再用的可行性8。 Florida Bioreactor Landfill, Florida 2001 3 个中试单元评价渗滤液回灌、填埋体通风对垃圾稳定 化过程的影响32。 中 试 研 究 蒋建国 2007 深圳下坪填埋场中试规模厌氧型生物反应器，较高的回 灌水力负荷能够加速垃圾中有机质的溶出，提高填埋气 体的产生速率50。 Alachua County Southwest Landfill, Florida 在 10.9ha 填埋场作业面积上，渗滤液产生量为 7.8m3/ha/day，实现渗滤液回灌 4.3m3/ha/day8。 Brgoboruohg Landfill, England 建造 42m24m18m带渗滤液回灌及进行营养调节和接 有菌种的生物反应器填埋场 2 个， 经 9 年的运行和监测， 产气量是传统卫生填埋场的 2- 3 倍51。 Breitenau Landfill Austria 建造深度 17m、面积 3798m2的生物反应器填埋场，累 积产气量和渗滤液的 COD 去除效果都明显好于传统卫 生填埋场，填埋场稳定化程度加快52。 工 程 应 用 New River Regoinal Lnadfill, Florida 生物反应器填埋场工程于 1998 年动工，到 2002 年全部 建设完成，2002 年 7 月开始产气53。 我国生物反应填埋技术起步于 2 0 世纪 9 0 年代，由同济大学率先开展渗滤液回灌 技术的研究。近年来，国内学者在渗滤液回灌频率、回灌前处理、污泥接种等方面展 开了研究工作，对我国生物反应器填埋技术的发展起到了积极推动作用，但将该项技 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 12 术应用于工程还比较少见，而据 Carosn 报道，目前在美国已有约 2 0 0座垃圾填埋场 采用了生物反应器填埋技术54，可见生物反应器填埋技术在我国尚待进一步研究。 3.2 生物反应器填埋技术调控因素研究 3.2.1 水分调节 合适的水分含量可加速垃圾中微生物群落和生物催化剂酶的活性，加快垃圾 降解速率。由此可见，对垃圾层的水分进行调控是非常必要的。研究发现，有机物生 物降解的最佳含水率为 60- 80%49。而回灌可增加垃圾层的含水率，一般可从 20- 25% 提高到 60- 70%，可保证有机组分的水解、产氢产乙酸细菌在生化反应中所必须的水 分，同时回灌的渗滤液也是微生物活动重要的溶剂，从而增加垃圾中微生物的活性， 加速产甲烷的速率、垃圾中污染物溶出及有机物的分解。 3.2.2 pH 调节 微生物的生长需要适宜的酸碱环境，适宜的 pH 环境将促进微生物，如产甲烷菌 在合适的环境中发挥作用，为此在垃圾降解过程中，需要尽量保持 pH 在可促进微生 物发挥其作用的范围内，其中产甲烷菌的最适 pH 值范围为 6- 849，通过增强生物降 解作用，从而缩短填埋场稳定化时间。因回灌所带来的水力冲洗作用加速了有机组降 解产物挥发性有机酸的快速溶出以及产酸阶段 CO2的溶出，从而使反应产物浓度降 低，平衡向正反应方向进行，间接加速产酸速度，减小产酸阶段的时间，使得 pH 值 由偏酸性到向碱性过渡所需时间大大缩短。有时为了获取较理想的适应微生物生长的 pH 范围， 就需要通过添加酸性或碱性物质加以人为调节， 常用的 pH 调节剂有石灰等。 3.2.3 营养物添加 垃圾降解的厌氧消化过程本质上是微生物的培养、繁殖过程，待消化的有机废物 是微生物的营养物质。在厌氧消化过程中，各种微生物需要不断地分解有机物，从中 吸收和获得生命活动所需的物质和能量。因此，有机废物中含有的营养元素的种类和 数量就显得非常重要。微生物生长所必需的营养成分包括碳、氮、磷以及其它微量元 素等。除了需要保持足够数量的营养成分之外，各营养成分之间还需要保持合适的比 例，以为微生物提供足量且平衡的养分，其中原料中碳与氮的平衡，亦即碳氮比尤为 重要。当有机废物的某些养分不够或比例失调时，就需要额外添加和进行调节。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 文献综述 13 3.2.4 生物接种 生物反应器内微生物的种类和数量是决定垃圾降解速率与效率的关键因素，旺盛 的微生物生长状态可提高反应器对垃圾的降解能力，加快有机物的分解速度。因而可 通过往生物反应器内添加接种物来有效提高垃圾中微生物的种类和数量，实现微生物 对垃圾的快速降解作用。渗滤液回灌可使大量适应填埋单元环境的微生物（主要为产 甲烷菌）重新进入填埋场内，具有接种效果，加速产酸细菌与产甲烷细菌之间的平衡， 可实现填埋系统高效稳定运行。此外，常见的“ 接种物” 是含有丰富厌氧微生物的活性 污泥或发酵液等。将垃圾与活性污泥、河道、湖泊淤泥、畜禽粪便等混合填埋，可增 加填埋场内有益微生物的种类和数量。同时，也可以往填埋场内添加适合微生物附着 生长与繁殖的良好载体，从而可保证填埋场内微生物庞大的数量和繁多的种类。 3.2.5 温度控制 温度是决定反应器中垃圾降解速率的关键因子，对微生物的种群有着重要的影 响，而且垃圾降解过程的其它因素也会随着温度的变化而改变。填埋场温度主要取决 于微生物产生的热量与损失的热量差值。对于一个管理良好的填埋系统，温度可以根 据需要进行适当的调节，良好的保温措施有利于温度的上升。垃圾降解速率的最有效 温度一般在 45- 60 之间，若低于 20 ，微生物增殖缓慢，降解速率较低；若温度 高于 60 ，则大部分微生物受抑，导致降解速率降低。在合适的温度范围内，温度 越高，微生物降解速度越快。但在实际情况下，填埋垃圾层温度受到大气温度、周边 环境以及覆盖层的影响，波动很大，操作、控制较