（环境工程专业论文）温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响的定量研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 厌氧填埋场中有机垃圾的降解过程，其实质是一个由多种细菌参与的多阶 段复杂的生物化学过程，其反应速率对温度的变化很敏感。在温度较高时，酶 的失活作用增强，酶反应总速率下降当温度达到5 0 - - 6 0 x 2 时，许多种酶几乎 完全失去活性。由此可见，温度是影响填埋场中有机垃圾降解的重要因素之一 针对相关研究的不足，本文首先建立了填埋垃圾降解所处阶段的判断标准 在此基础上开展了室内模拟实验研究，研究了温度对填埋有机垃圾渗滤液水质 特征和填埋气体中甲烷含量的影响。进而推导出渗滤液中有机污染物降解理论 模型，并根据实验研究结果，采用s p s s1 3 0 统计分析软件对各温度条件下渗滤 液的衰减规律进行指数曲线拟合，并建立了渗滤液c o d 浓度衰减系数和温度之 间的定量关系式最后，借鉴化学反应热力学的相关理论，尝试分析了温度对 产甲烷阶段典型反应方程平衡常数的影响，并建立了平衡常数和温度之间的定 量关系式，同时对温度效应的影响机理进行了初步探讨。 室内模拟实验研究结果表明：温度控制在4 1 和4 5 的模拟垃圾柱c a 和c 5 ，在实验启动后1 4 0 d ，渗滤液c o d 浓度分别由最大值8 6 6 1 4 m g l 和 9 0 0 0 0 m g l 降低到5 2 1 6 5 m g l 和5 4 1 3 4 m g l ，渗滤液中c o d 浓度分别降低了 9 3 9 8 和9 3 9 9 ，但实验后期氨氮浓度仍保持在l o o o m s a 。左右，这也正是传 统填埋场急需解决的问题。垃圾降解产气过程中，运行温度控制在4 1 的垃 圾模拟柱c a 填埋气体中甲烷含量最高且稳定，有利于填埋气体的回收利用。 通过s p s s1 3 0 参数估计及模型检验结果，证明了各温度条件下渗滤液c o d 浓度衰减动力学模型是合理的，可以反映出不同温度下c o d 浓度的衰减规律 根据理论分析结果，产甲烷阶段的典型反应方程c h 3 c o o h c h 4 + c d ，的平衡 常数随着温度的升高而增大，并建立了平衡常数和温度之间的定量关系式。同 时与实验研究结果进行了对比研究，得出温度效应的影响机理主要表现在两个 方面：一方面反应的平衡常数随温度升高而增大，反应速率随之而增大；另一 方面随温度升高，酶的变性作用加快，活性降低 本研究显示了实施温度控制对渗滤液污染防治和填埋气体回收利用的强大 优势，其研究结果一方面可以丰富和发展垃圾降解理论，另一方面可望为预测 我国南北方填埋垃圾的稳定化时间提供参考。 关键词：填埋有机垃圾；厌氧降解；动力学模型；平衡常数；温度 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 t h ed e 霉a d a t i o fo r g a n i cw 丛t ci na n a 即o b i el a n d f i l lj s e s s e n t i a l l y a c o m d l i c a t e db i o c h e m i c a lp r o c e s s , w 五i c hi n v o i v e ss e v e r a lk j n d so fb a e t e f i a d e g r a d a t i o np h a s 瞄a n di br e a c t i o nv e l o c i t yi s 黜i t i v ct ot c m p c r a t u r ec h a n g e w h e n t h cr e a s o nt c m p e r a t u r er c a c h 髂t 05 0 h 6 0 s e v e r a l 】d n d so fe n z y m 嚣a l m t1 0 吼 t h e i ra c t i v i t i 髓s ot c m 饿：r a t l l 咒i s co ft h ci m p o r t a n t 自c t o 培t ot h ed e g r a d a d o no f o r g a n i ew a s t ci na n a e r o b i cl 弛d 础 hv i e wo fal a c ko fr e l a t i v es t u d yi nt h i sf i e l d t h cs t a n d a r df o rj u d g i n g d e g r a d a t i o np h a s eo fm t m i d p a l l i dw 髂t e ( m s w ) i n 锄a 啪b i cl a n d f i l lw 鸹 e s t a b l i s h e dt l a e aas i m u l a t e dc x p e r i m 酬s n 坩vw a sc o n d l l e t e d , w h i c hm a i n l y m v o l v c dt h ce f f e c to ft c m p e r a t u r eo nt h ce h a r a e t e m f i 璐o fl e a c h a t eq u a l i t ya n dm e c o m p o s m 锄o ft h cl a n d f i l lg a s t h e n , t h e 也硎t a lm o d do ft h ed e g r a 蛳o no ft h c o r g a n i cw 丛t cf r o ml a n d f i l ll c a c h a t ew 蹈髓诅b l i s h c d f u r t h e rm o b a s e do nt h e e x p c r i m t a ls t i i d yr e s u l t s b ym c a 璐o fs p s s1 3 0 ，t h c 既p o n 锄i a lm 硼c l sw c 他 韶t a b l i s h e di nt h ed i f f e r e n t 托a c i i o nt e m p c 扭t i l 螨，a l s ot h cq u a n t a f i v ef o r m u l a b e t w e e nt h ea t t e n u a d c o e 伍d 乩to fc 0 dc o n c e n 删丘o ml e a c h a t ca n dt h c 佗a d i o nt c m p e r a 帆w 弱髂t a b i i s h c d f 缸a l i y t h er c h l 如ct h e 姗o d 蜘【a m i ct h c o r i w c r ce m p l o y c di nt h i st h 岱i s ，t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e 他c g u m l 商姐娜t a n to f t h et y p i e a lr e a c t i o ni nt h em e t h a n ef c n n a 毗a l i 衄p h a s o a l s o t h cq u a n t a f i v ef o r m u l a b c t h ee g u i l i b f i u m 蛐t a n ta n dt h e 妇r a n 眦w 鹞伪t a b l i s l a e d a tt h es 锄e t i m e ，t h ea u t h o rp r i m a r i l yd i s c u s s e dt h ee f f e c tm e c h a n i s mo ft c m 口e m t i l 坞i nl 蛆d f i l l nw a ss h o w nf 如mt h es i m l l l a 同e x d e f i m e n t a ls t u d yt h a t ：q ) t h es 劬l a t c d c 0 u n a n sc 4 如dc 5 ；w h o s eo p c 妇t e m p c r a 眦v a l u 髓、张北e o n t r o u c da t4 1 卸d 4 5 ，t h cc o da 呲明眦姚硒l e a e h a t e & o p p e df r o m8 6 6 1 4m 班，9 0 0 0 0 r a g t , t o 5 2 1 6 5 m g k5 4 1 3 4 m g t t , r 龉p e e t i v e l y t h ee o r r 叩n d i n gc o dc 0 咀o e m 豫t i o n d e c r e a s e d9 3 9 8 a n d9 3 9 9 r c s p e e t i v e l y a tt h cs a m c 缸峨n a m m o m a - n c o n c c n t m t i o ns m lh i g h 盱- k e p ta l1 0 0 0 m g kt h i sw 弱m cp r o b l e mf 弛dt ot h e a n a e r o b i cl a n d f i l l h 也cp r o c e s so fm cp r o d u c t 溉o fl a n d f i l lg a s , m ec o m p o s o fm e t h a n ei nl a n d f i l lg a si nt h es 删a t e d l t m mc 4 w h o s eo p e r a d b nt c m p c r a t t t r e v a l u 髂w e r e n 仃o l l e da t4 1 ，r e a c h e dt ot h cm a x i m u mv a l u e n i si n a d ef o rt h c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 r e c y c l ea n dr e u s eo ft h el a n d f i l lg a s b yn l c a l l so ft h er e s u l t so fp a r a m e t e r se s t i m a t e da n dm o d e lv e r i f i e db ys p s s 1 3 o i ti sp r o v e dt h a tt h ea t t e n u a t i o nk i n e t i cm o d e lo fc o dc o n c e n t r a t i o nf r o m l e a c h a t ew a sr e a s o n a b i c a n di tc o u l dd e s c r i b et h ec o dc o n c e n t r a t i o na t t e n u a t i o n r u l ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s i ti s c o n c l u d e dt h a tt h ee g u i t i b r i u mc o n s t a n ti n c r e a s e dw i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e df o r t h et y p i c a lr e a c t i o nc h 3 c o o h - c h 4 + c 0 2i 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 n , t h eq u a n t i t a t i v ee q u a t i o nb e t w e e nt h ee g u i h b r i u mc o n s t a n ta n dt e m p e r a t u r e w a se s t a b l i s h e d c o n t r a s tw i t ht h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a l s t u d y , t h e e f f e c t m e c h a n i s mo ft e m p e r a t u r oc o u l db ea t t r i b u t e dt ot w oa s p e c t s ：t h er e a c t i o n e g u i l i b r i u mc o n s t a n ti n c r e a s e dw i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d , a n dt h er e a c t i o n v e l o c i t y n c r e a s e da c c o r d i n g l y ；o i lt h eo t h e rh a n d , t h ea c t i v i t yo ft h ee n z y m ed r o p p e d 埘t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d i ti sp r o v e dt h a tc o n t r o l l i n gt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r eh a dt h eg r e a ta d v a n t a g et o t h ec o n t r o lo fl e a c h a t ep o l l u t i o na n dt h er e c y c l ea n dr e u s eo ft h el a n d f i l lg a s 弛 r e s e a r c hc a ne n r i c ha n dd e v e l o pt h ew a s t ed e g r a d a t i o nt h e o r i e s ；o nt h eo t h e rh a n d , i t c a ns u p p l yp r o o ft of o r e c a s tt h es t a b i l i z a t i o nt i m eo fm s wi nl a n d f i l li nn o r t ha n d s o u t ho fc h i n a k e yw o r d s ：o r g a n i cw a s t e ；a a n e r o b i cd e g r a d a t i o n ；k i n e t i cm o d e l ；e g u i l l b r i u m c o n s t a n t ；t e m p e r a t u r 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 1 1 1 城市生活垃圾的增长 城市生活垃圾是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动 中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废物( 不 包括工厂所排出的工业固体废物) 城市生活垃圾的产生量主要与地理条件、城 市人口、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。 近2 0 年来，随着我国社会经济的高速发展和城市化进程的快速推进，城市 人口不断增多，城市生活垃圾产量也同步保持长期的快速增长由于其严重影 响环境卫生质量和成胁人民群众身体健康，因而城市生活垃圾问题已成为当今 世界最严重的公害之一目前，我国城市生活垃圾人均年产生量达到4 4 0 k g ，而 且城市垃圾总量以每年8 一1 0 t 1 】的速度增长。截止2 0 0 2 年底，我国共有城市 6 0 0 多个，每年仅城市生活垃圾清运量就达1 3 6 亿吨冈可以预计，我国的垃 圾总产量仍会继续保持较高的增长势头 董锁成【3 j 根据目前我国城市化趋势预测，到2 0 1 0 年、2 0 3 0 年和2 0 5 0 年， 我国城镇人口将分别达到6 l o s 、9 3 x l o s 和1 1 9 9 x 1 0 8 人若按照目前我国 城市人均年产4 4 0 k g 生活垃圾的水平推算，将分别产生生活垃圾2 6 4 x1 0 8 吨、 4 0 9 x 1 0 8 吨和5 2 8 1 0 8 吨( 见表1 1 ) 表1 - 1 中国城市人口、生活垃圾现状及其增长趋势嘲 由此可见，2 1 世纪前5 0 年，随着我国人口增长和城市化双高峰的到来， 城市生活垃圾增长的高峰也将滚滚而来如何有效地处理和处置不断产生的数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 量巨大的城市生活垃圾，已经成为摆在人们面前的一个比较棘手的问题 1 1 2 主要垃圾处理处置方式及其优缺点 尽管可供选择的垃圾处理处置手段包括焚烧、堆肥、卫生填埋、厌氧发酵、 气化、热解、蚯蚓分解、制建筑材料等，但目前业已成熟且广泛应用的也不外 乎焚烧、堆肥和卫生填埋三种。 1 1 2 1 焚烧 垃圾焚烧是随着近代工业发展而产生的一种垃圾处理方式，始于1 9 世纪 8 0 年代垃圾焚烧处理是依靠垃圾中可燃成分与空气中的氧气发生燃烧反应而 使垃圾中的有机污染物和细菌污染物得到彻底去除的一种垃圾处理方式焚烧 可使垃圾减量7 5 - 9 0 ，还可回收热能，但该处理方式建设和运行费用高( 见 表1 2 ) ，同时运行时还产生大量恶臭物以及二恶英等有毒有害化合物污染大气 环境，部分国家垃圾焚烧发展势头已有所减弱咐 7 i 作为发展中国家，我国多 数地区尚不具备以焚烧法为城市生活垃圾主要处理方式的经济实力和条件。 1 1 2 2 堆肥 垃圾堆肥处理具有很悠久的历史，我国部分农村地区至今仍在采用这种既 处理垃圾又可产生肥料的方法来处理农村生活垃圾。现代的垃圾堆肥是在有控 制的条件下( 调控氧气、温度、水分、微生物等) ，依靠垃圾中固有的微生物， 使垃圾中有机成分分解并转化为腐殖土状的有机肥和土壤改良剂堆肥能使垃 圾减量，还可生产肥料，应是一种比较有发展前途的垃圾处理方式，但其占地 大、费用高( 见表1 2 ) ，长期使用堆肥的农田还可能出现重金属积累。垃圾堆 肥中玻璃灰渣等无机成分多，有机质含量并不十分理想，导致其销路存在一定 的问题，部分堆肥处理厂甚至将堆肥产品直接送到填埋场进行填埋处置，运转 日渐困难【氐峨堋 1 1 2 3 卫生填埋 城市垃圾卫生填埋处置是从传统的堆放和土地处置发展起来的一项最终处 置技术，不是单纯的堆、填、埋，而是利用工程手段，按照土地标准，采取有 效技术措施，对垃圾处理技术进行有效控制，防止渗滤液及有害气体对水体和 大气的污染，并将垃圾压实减容至最小，填埋占地面积也最小的科学工程方法 在每天操作结束或每隔一定时问用土覆盖，使整个过程对公共卫生安全及环境 污染均无危害 近年来有人提出。生物反应器”( b i o - r c a c z o rl m z d f f i l i n g ) 的概念，即利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 填埋层作为有机物降解的生物反应器，处理填埋场产生的含高浓度有机物的渗 滤液和使垃圾中的有机物迅速降解【1 1 1 表1 2 三种城市生活垃圾处理处置方式的特点 由表1 2 可知，在传统的城市生活垃圾三大类处理方式【明中，由于填埋法 处理垃圾费用低而被国内外广泛采用，我国几乎9 0 以上是采用填埋法处理城 市生活垃圾的；而由于受到生活垃圾缺乏有效分类收集的影响，堆肥法在我国 城市生活垃圾处理中受到一定的限制；与此同时，由于受到垃圾组分和经济条 件的限制，焚烧技术在我国城市生活垃圾处理中应用较少因此；填埋仍将是 我国现阶段乃至今后相当长一段时间内主要的城市生活垃圾处置方式填埋主 要分为好氧填埋、准好氧填埋和厌氧填埋三种目前，因厌氧填埋操作简单， 施工费用低，同时还可以回收甲烷气体，被国内外广泛采用。 1 1 3 影响填埋有机垃圾降解的因素 影响填埋场中垃圾降解的因素可分为两大类：一类是环境因素，包括温度、 p h 值、湿度和氧化还原电位等；另一类是基本因素，包括微生物量、有机物组 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 成、营养比等混合接触条件。 1 1 3 1 温度 微生物生长的温度范围很广，约为- - 5 8 5 。根据不同微生物生长温度可 将其分为低温型、中温型和高温型。垃圾的降解主要发生在中温和高温段中 温型最适温度为1 8 - - 3 5 ，最高为4 0 4 5 ；高温型最适温度为5 0 - - 6 0 ，最高 为7 0 - 8 5 1 2 b a r l a z ( 1 9 8 7 ) 等研究表明【1 3 1 ，当垃圾处于4 1 环境中时，其降 解速度最大，填埋气的产量也达到了最大温度高于或低于4 1 ，垃圾降解速 度都会变慢，当温度高于7 0 或低于一5 时，微生物将停止活动，垃圾也将不 再降解。k e n n e t he h a n z 等研究了温度对于填埋场垃圾试样产气的影响，结果 表明，4 1 是垃圾产气的最佳温度，而在4 8 - 5 5 1 2 之间垃圾基本上不产气。赵 由才等( 1 9 9 4 ) 通过实验证明【1 4 i ，负温条件( - - 1 3 - - 0 ) 下的垃圾的降解速率 明显小于低温环境( 和1 0 ) 中的垃圾。 1 1 3 2 湿度 水作为营养物质、酶、胞外酶和气体的溶剂，以及在不同转化时( 水解过 程) 作为化学有效物质，水的存在是微生物活动和厌氧降解成功的基本条件 垃圾卫生填埋过程中能承受的含水率范围较宽，为2 5 - 7 0 含水率较高时，容 易产生恶臭；而当含水率较低时，又不利于垃圾的微生物降解g e o r g e t c h o b a n o g l o u s 等人认为垃圾降解的最佳含水率为5 0 - 6 0 ，并给出了有充足水 分和水分不充足条件下垃圾产气的比较，结果表明，垃圾含水率较高，产气量 也较高。 1 1 3 3 p h 值 在卫生填埋过程中，垃圾中的有机物被微生物所降解，而产甲烷菌最适宜 p h 值为6 8 可4 5 ，低于6 8 或高于7 5 产甲烷菌的活性低，且要求绝对厌氧 因为p h 值的变化可以影响不产甲烷菌的活动，从而间接影响产甲烷菌。p h 值 高时会使c 0 2 浓度下降，而p h 值低时又会抑制细菌的活动 1 1 3 4 垃圾中有机物组成 在垃圾厌氧降解过程中，为满足微生物生长的需要，垃圾中要有足够的碳、 氮、磷存在，一般c n 值宜在( 1 0 - 2 0 ) ：1 之间，此时有机物去除率最大若 c n 值太高，则细菌生长所需的氮量不足，容易造成有机酸的积累，从而抑制 产甲烷菌的生长如c n 值太低，盐大量积累，p h 值上升到8 以上，也会抑制 产甲烷菌的生长另外，m o r t o n s t b a d a z 等人所作的垃圾质量平衡研究表明， 垃圾中的糖分在厌氧条件下生成羧酸而引起p h 值下降，抑制垃圾的降解 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 4 本研究课题的提出 传统填埋场垃圾的降解过程，是一个同时进行着物理、化学和生物反应( 生 物反应占主导地位) 的复杂而又漫长的过程，其实质是一个由多种细菌参与的 多阶段复杂的生物化学过程。而生物化学反应是一种以生物酶为催化剂的化学 反应，其反应速率对温度的变化很敏感在温度较高时，酶的失活作用增强， 酶反应总速率下降。当温度达到5 0 - 6 0 时，许多种酶几乎完全失去活性，催 化反应速率接近于零。由此可见，温度是影响填埋场中垃圾降解速率的重要因 素之一因而系统研究温度对填埋有机垃圾厌氧降解的影响，一方面对于丰富 和发展垃圾降解理论具有一定的理论意义，另一方面可望为填埋垃圾渗滤液的 污染控制和预测我国南北方填埋垃圾的稳定化时间提供参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 】填埋有机垃圾降解进程研究进展 关于填埋有机垃圾的降解进程，国内外已经做了大量的研究工作。f a r q u h a r 和r o v e r s ( 1 9 7 3 ) 【1 5 】以气体组成变化为依据，首先将填埋垃圾的降解进程分为 好氧、厌氧不产甲烷、厌氧不稳定产甲烷和厌氧稳定产甲烷四阶段r e e s ( 1 9 8 0 ) 1 6 1 在综合考虑气体组成、羧基酸浓度和纤维素含量变化基础上，将填埋垃圾的 降解进程分为好氧、厌氧不产甲烷、厌氧不稳定产甲烷、厌氧稳定产甲烷和成 熟好氧五阶段e h r i g ( 1 9 8 4 ) 1 7 1 则在着重考虑渗滤液变化特征基础上将填埋垃 圾的降解进程分为四阶段p o h l a n d 和h a r p e r ( 1 9 8 6 ) 1 s l 将填埋垃圾的稳定进程 分为包括初始调整阶段、过渡阶段、酸化阶段、甲烷发酵阶段和成熟阶段的五 个步骤。h a m 和b a r l a z ( 1 9 8 7 ) 1 9 1 将填埋垃圾稳定过程分为好氧、缺氧和厌氧 三阶段。b a r l a z 等( 1 9 8 9 ) 闭以渗滤液回灌实验结果为依据，将填埋垃圾的稳 定过程分为好氧、厌氧酸化、加速产甲烷和减速产甲烷四阶段。p a v l o s t a t h i s ( 1 9 9 5 ) 2 1 】认为有机物的厌氧消化过程主要包括产酸和产甲烷两个阶段【2 1 】，而 对于不溶性有机物( 有机垃圾) ，一般可认为在上述两阶段之前多一个“液化阶 段”1 2 2 , 2 3 。填埋场中垃圾的生物降解过程可分为耗氧降解和厌氧降解两个阶段 陋j 。目前，大家公认的厌氧过程分为水解、产酸和产甲烷三个阶段瞄】尽管以 上划分将厌氧型填埋场化分为不同的降解阶段，其实质没有差别，即填埋垃圾 实现稳定所经历的步骤完全相同，只不过这些步骤历时长短存在较大差异而已。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 2 温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响研究进展 传统填埋场垃圾的降解过程，其实质是一个由多种细菌参与的多阶段复杂 的生物化学过程。而生物化学过程是一种以生物酶为催化剂的化学反应，其反 应速率对温度的变化很敏感。在温度较高时，酶的失活作用增强，酶反应总速 率下降。当温度达到5 0 - 6 0 0 时，许多种酶几乎完全失去活性，催化反应速率 接近于零由此可见，温度是影响填埋场中垃圾降解速率的重要因素之一关 于温度对填埋场中垃圾降解速率的影响，国内外已经做了大量的研究工作( 国 外从上世纪7 0 - 8 0 年代开始) 在温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响方面，r e e s ( 1 9 8 0 ) 【1 6 】的研究结果表 明，随着填埋场深度的增加，垃圾层中的温度受外界气温的影响逐渐变小，当 填埋深度大于2 1 m 时，其温度受场地温度影响不明显；当深度大于4 7 m 时，其温 度不受场地温度影响i c e n n e t h 等( 1 9 8 2 ) 瞄l 和b a r l a z 等( 1 9 8 7 ) 对填埋场 产气的最佳温度进行了探讨，研究结果表明，产甲烷的最适宜温度为4 1 m a m - a l v a r e z 和v i m r t i a ( 1 9 8 6 ) 唧研究发现，最大甲烷产生速率在4 2 ，但累 积最大甲烷产量出现在3 4 - 3 8 之间b a r l a z 等( 1 9 8 7 ) 1 1 3 】研究表明，当垃圾 处于4 1 环境中时，其降解速率最大，填埋气的产量也达到了最大温度高于 或低于4 1 ，垃圾降解速率都会变慢，当温度高于7 0 0 或低于一5 时，微生 物将停止活动，垃圾也不再降解r o b c r li ch a m 等( 1 9 8 7 ，1 9 9 3 ) 1 1 9 2 s 认为， 垃圾填埋场中3 0 - 4 0 是最适合微生物产气的温度赵由才等( 1 9 9 4 ) 1 1 4 l 通过 实验证明，负温条件( 一1 3 - o ) 下的垃圾降解速率明显小于低温环境( 和1 0 ) 中 的垃圾。m c b e a n ( 1 9 9 5 ) 网研究表明，最佳的厌氧微生物繁殖温度为3 0 4 1 ， 温度降低1 0 ，微生物产甲烷能力迅速下降c h a i a m p o 等( 1 9 9 6 ) p o 研究了意 大利一个填埋场内温度分布的状况，在1 2 m 处，堆体温度为1 0 - 1 5 ，在3 - 5 m 处，温度为3 5 加，在5 2 0 m 处，温度为4 5 6 5 因此，在1 - 5 m 处，中温 甲烷菌起主要作用，而在更深的垃圾堆体中则嗜热甲烷菌起主要作用。彭绪亚 等( 2 0 0 3 ) p l j 通过城市生活垃圾的填埋降解模拟实验，研究了不同温度、不同 垃圾成份对垃圾降解及填埋气产生过程的影响。实验结果表明，提高垃圾体温 度能显著增加填埋气的产生量在其它条件相同的情况下，a 柱平均温度为2 6 3 ，b 柱为3 2 6 0 ，单位质量有机质产气量b 柱是a 柱的2 0 4 倍；最大产气速 率b 柱是a 柱的4 3 倍，且比a 柱更快达到产气高峰罗锋等( 2 0 0 4 ) 【3 2 】通过 试验研究表明，填埋垃圾产气的最佳温度在4 0 和4 1 之间侍倩等( 2 0 0 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 网分析了年气温变化对c i - h 产生速率的影响，并对计算填埋气产生速率的 s c h o u c a n y o n 一阶动力学模型进行了探索性的改造李帆等( 2 0 0 6 ) 例研究认 为，在准好氧填埋场中除了填埋层中氧气浓度对产甲烷过程有重要影响外，温 度对于甲烷浓度也具有明显的影响。下层平均温度为5 5 4 0 ，甲烷浓度为2 5 ， 中、上层平均温度分别为6 9 7 和7 3 ，甲烷浓度分别为6 和0 3 ，过高的温 度及好氧环境对中、上层甲烷的产生有很大的抑制作用。郭丽芳等( 2 0 0 6 ) 1 3 5 1 对垃圾准好氧填埋和厌氧填埋的酸积累程度进行了对比试验研究，。其研究结果 表明：模拟垃圾柱外环境温度对填埋垃圾柱的影响较大，较高的温度有利于固 相垃圾的分解和有机物的降解。文献【3 6 】提及，不同类型的微生物有不同的最适 温度有研究表明垃圾降解中4 1 是最佳产气温度，而在铝巧5 之间，垃圾 几乎不产气 在有机垃圾厌氧降解动力学方面，除相当部分学者认为填埋场有机污染物 衰变符合一级动力学规律( 即c c o 酬( 砌) 【3 7 ，3 8 舅柏】) 外，y o u n g ( 1 9 8 9 ) 1 4 l l 建立了垃圾降解过程中水解、产酸和产甲烷三阶段的数学模型，模型中还考虑 了温度和p h 对各阶段反应进程的影响。s h e l l e y 等( 2 0 0 1 ) 1 4 2 则运用系统动力 学模型对填埋垃圾降解和稳定化过程进行了数值模拟。 在固相垃圾水解动力学方面，v a v i l i n 等( 1 9 9 6 ) 【4 3 】对四种水解动力学模型 ( 一级动力学模型、两阶段模型、m o n o d 方程和c o n t o i s 方程) 对污泥、猪粪、牛 粪和纤维素的降解规律进行了模拟，发现在确定的停留时间下，四种模型的拟 合结果都和前人的模拟实验值吻合得比较好，当固体停留时问变化范围较大时， m o n o d 方程拟合结果较差，c o n t o i s 方程和两阶段模型较好另外，v e e k e n 和 h a m e l e r s ( 1 9 9 9 ) l 辨j 试验研究了温度对有机垃圾水解速率的影响，并根据试验结 果估计了颗粒状有机垃圾水解反应的活化能值为6 4 1 4 k j m o l 。李启彬( 2 0 0 4 ) 4 5 1 在建立的厌氧型生物反应器填埋场降解和稳定的动力学模型中；考虑了温度 对固相垃圾水解速率系数k 的影响。m o r a - n a r a n j o 等( 2 0 0 4 ) 4 6 1 考虑了温度对 有机垃圾厌氧降解过程中甲烷产率和水解系数的影响，并根据物理模拟和数值 模拟的结果估计了水解阶段和产甲烷阶段的温度影响系数( 水解阶段： j r - 0 0 3 ：产甲烷阶段：j r - 0 0 4 c 4 ) 除此之外，在温度对有机垃圾厌氧消化方面，国内外也开展了大量的研究 工作。如文献【4 7 】中提及，产甲烷的过程即厌氧发酵过程，其与温度有着密切的 关系，厌氧发酵通常在2 个温度范围内微生物代谢速度会达到高峰，即位于 3 5 3 8 c 的中温发酵和5 晰5 的高温发酵。按运行温度可将厌氧消化分为常温 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 消化、中温消化( 3 5 左右) 和高温消化( 5 5 左右) 目前，废物的厌氧消化 大多是在中温下进行的，但随着废物处理排放卫生标准的提高，高温厌氧消化 越来越引起研究者们的关注吴满昌等( 2 0 0 5 ) 【船l 通过对城市生活垃圾厌氧消 化进行批量实验，发现温度对消化程度，启动时间和产沼气中甲烷体积分数等 均有重要影响，采用中温，常温和高温发酵实验结果表明：城市生活垃圾厌氧 处理的较佳温度为5 5 。然而在高温消化的实验中，往往出现和中温消化相当 甚至更低的处理能力，如g h o s h 等( 1 9 9 9 ) 使用传统高效反应器，观察到5 5 的高温比3 5 的处理只使甲烷含量提高了7 ，这主要是由于在高温条件下， 自由n i - 1 3 的浓度比中温条件下高，毒性抑制更为显著。另外，在这些高温实验 中没有一个稳定的高温菌群也是一个重要的原因如m i c h a e lj b r o u g h t o n 等 ( 1 9 9 8 ) 1 4 9 1 在羊油的序批式厌氧消化试验中发现：油脂在3 5 时能够快速的降 解为长链脂肪酸( l c e a ) 和挥发性脂肪酸( v e a ) ，但是在5 0 时反应就难以 控制了。h b o u a u a g u i 等( 2 0 0 4 ) s o l 试验对比研究了厨余垃圾( f v w ) 在管式 厌氧消化器中高温( 5 5 ) 和低温( 2 0 ) 、中温( 3 5 ) 条件下的降解行为。 试验结果表明，高温消化器中的产气量平均比低温和中温消化器分别高出1 4 4 和4 l ；其产生的净能量分别比低温和中温厌氧消化器高出1 9 5 7 k j d 和 4 9 0 7 k j d 。 1 2 3 研究的不足及存在的问题 综观国内外的相关研究现状，在温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响的研究 方面，国内外学者主要基于水解是整个降解过程的限速步骤这一观点，用填埋 气产量及速率来表征垃圾的降解速率，针对温度对产甲烷和固相垃圾水解速率 的影响具有较一致的定性结论：( 1 ) 最佳产甲烷温度在4 0 , 4 2 c 之间；( 2 ) 在 一定温度范围内，固相垃圾水解速率符合a r r h e n i u s 公式；( 3 ) 由一步转化的最 简化反应方程分析热能的产生及转化 但在温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响的系统研究方面还存在很多问题， 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 填埋垃圾降解阶段的判断标准少见报道。 ( 2 ) 温度对填埋有机垃圾厌氧降解的影响缺乏比较系统，完整的研究填 埋场的实验室模拟实验结果表明，垃圾的最佳降解温度为4 1 【1 3 挪酗在此 温度下，垃圾所产生的气体、浸取液的速度最大大部分试验研究都是为了寻 找垃圾降解的最佳温度，因此，出于垃圾降解产生沼气这一资源化考虑，几乎 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 所有垃圾厌氧降解试验均是在4 1 下进行的【”j 1 捌，而忽视了通过多个温度的 设置，结合生化反应动力学，建立填埋有机垃圾厌氧降解的动力学模型，从而 实现温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响的定量研究。 ( 3 ) 国内对温度影响条件下的填埋有机垃圾降解各阶段的定量研究较少， 尤其缺乏温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响机理方面的理论研究 1 3 论文选题、研究内容、思路及技术路线 1 3 1 论文选题 鉴于温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响相关研究的不足，依托导师承担的 国家自然科学基金项目“温度一渗流化学耦合条件下城市生活垃圾渗滤液产 生及运移规律研究( 项目批准号：4 0 3 0 2 0 3 3 ) ”，本文选定“温度对填埋有机垃 圾厌氧降解影响的定量研究”为题，通过对填埋有机垃圾降解特性及降解进程 的分析，建立了填埋垃圾降解所处阶段的判断标准，然后通过室内模拟实验研 究了温度对填埋有机垃圾降解进程的影响，并获得了大量基础性数据，进而建 立了温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响的数学模型，最后结合生化反应热力学 的相关理论，分析了温度对填埋有机垃圾厌氧降解的影响 1 3 2 研究内容及方法 鉴于城市生活垃圾填埋场中有机垃圾降解过程的复杂性，本文采用理论分 析和物理模拟相结合的研究方法主要研究内容如下： ( 1 ) 填埋垃圾降解阶段判断标准的建立通过分析填埋有机垃圾降解特性 及降解进程，采用定性判断和定量判断相结合的方法，建立了填埋有机垃圾降 解所处阶段的判断标准。 ( 2 ) 温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响实验研究通过室内模拟实验，研 究了温度对填埋有机垃圾渗滤液水质和填埋气体中甲烷含量的影响。 ( 3 ) 填埋有机垃圾厌氧降解动力学研究。在室内模拟实验的基础上，建立 了温度影响条件下渗滤液c o d 浓度衰减数学模型，并根据实验结果确定模型参 数，进而探讨温度和渗滤液c o d 浓度衰减系数之间的定量关系 ( 4 ) 温度对填埋有机垃圾厌氧降解影响理论分析借鉴化学反应热力学的 相关理论，以填埋有机垃圾厌氧降解产甲烷阶段的典型反应方程为研究对象， 分析了温度对生化反应平衡常数的影响，并将研究结果与实验研究结果进行对 比，最后对温度效应的影响机理进行了初步分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 3 3 研究思路及技术路线 本论文以理论研究和物理模拟为基础，研究过程遵循“资料收集一理论分 析物理模拟一建立模型一参数确定模型检验一模型应用”的研究思路。本 研究的技术路线如图1 0 l 所示。 论文相关国内外资料调研 上 长安填埋场填埋垃圾特性分析 工 j上 填埋有机垃圾降解特性填埋有机垃圾降解进程 上 j r i 填埋垃圾降解阶段判断标准的建立 上上 i 工 室内模拟实验研究理论分析 il i建立有机垃圾厌氧降解的数学模塑 温度对生化反应平衡常数的影响 工工 上 对比研究 图1 1 本论文研究技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章填埋垃圾降解阶段判断标准的建立 在厌氧填埋场中，垃圾的降解是一个复杂的过程，同时进行着多种物理、 化学和生物反应其中，微生物对有机物的生物降解作用起主导作用，它包括 多种连续的或并行的生化反应途径因此，研究垃圾降解各阶段的规律及判断 标准具有重要的理论意义，同时对于指导填埋场的运行实践有一定的实际应用 价值。本文基于填埋垃圾降解所处阶段的判断标准少见报道这一事实，在分析 填埋有机垃圾降解特性及降解进程的基础上。以成都市长安垃圾卫生填埋场中 填埋垃圾为研究对象，采用定性判断和定量判断相结合的方法，建立了填埋垃 圾降解阶段的判断标准。 2 1 填埋有机垃圾降解特性 填埋场是一个既有无机物又含有机物，既有无生命体又有生命体，且不断 地进行着物理、化学、生物反应的微生态系统【5 3 1 一般是由固相( 矿物碎屑、 无机及有机颗粒等) 、液相( 渗滤液) 和气相( 填埋气) 所组成的三相复合系统， 每个组成都具有自身的理化性质，相互间处于相对稳定或变化状态 填埋场垃圾的稳定化，是一个同时进行着物理、化学和生物反应的复杂而 又漫长的过程，一般要持续几十年甚至上百年的时间在这一过程中，填埋场 不仅仅具有贮留垃圾、隔断污染的功能，而且还具有生物降解和污染处理等功 能由于垃圾填埋场组成与结构的复杂性，污染物进入垃圾填埋场后，就会在 垃圾微生物渗滤液填埋气体微生态系统内发生一系列物理、化学和生物学反 应，如吸附、沉淀、生物降解等过程，使污染物得到降解、净化 2 1 1 填埋垃圾的组成 填埋场中垃圾土的成分复杂，主要有菜叶、肉骨、皮纸、塑料、橡胶、纤 维、砖瓦、炉灰、土石、玻璃、金属、陶瓷、果核、草木等其中砖瓦、炉灰、 土石等为无机物，不随时间的延长而发生成分的改变；塑料、肉骨等为有机物， 随着填埋方式、填埋时间等而发生成分的改变，即分解或降解。 我国的垃圾与国外也有很大的差异表面上看来，我国城市垃圾中渣土比 例很高但考虑在国外卫生填埋场中均采用土或其他材科作为日覆盖和中间覆 盖，覆盖物大约占填埋容积的2 0 左右，按照质量百分数计算则接近5 0 由 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 于我国的绝大多数历史遗留的垃圾堆放场没有填埋操作，如果将垃圾场中填埋 物的平均组分进行对比，则国外填埋场和我国的生活垃圾堆放场的有机、无机 组分的比例事实上大体相当，但混和的程度不同我国与国外垃圾成分的主要 差别在于食品结构不同形成的差异，即欧美国家食品中的蛋白质类和脂肪类偏 高一些。与我国垃圾相比，c n 比较低可能是造成国外垃圾稳定周期相对较长 的原因之一 根据成都市环境卫生科学研究所2 0 0 4 年所作“二o o 四年成都市城区生活 垃圾成分及物理性质报告”，列出了成都市城区居民生活垃圾成分( 注：由报告 中对城市生活垃圾的采样以及分析方法可知所分