固体废物的最终处置课件

固体废弃物的处理与处置

Treatment&DisposalofSolidWastes

环境工程系

杨治广

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2011、9—2011、12第八章固体废物的最终处置

原则：使固体废弃物最大限度地与生物圈隔离，使之永远不致对人类以及环境造成不可接受的危害。第一节概述第二节固体废物的常用处置方法第三节填埋场的防渗技术第四节渗滤液的产生和处理第五节终场覆盖与封场第六节生物反应器填埋场技术第一节概述一处理和处置的区别⑴固体废物的处理固体废物的处理（Treatment）通常是指通过物理、化学、生物、物化及生化方法把固体废物转化为适于运输、贮存、利用或处置的过程。目前采用的主要方法包括压实、破碎、分选、固化、焚烧、化学处理、生物处理等。⑵固体废物的处置固体废物处置（Disposal）是指将固体废物最终置于符合环境保护规定要求的场所或设施以保证有害物质现在和将来不对人类和环境造成不可接受的危害。包括管理处置、回收处置、排放处置和永久性隔离处置。二固体废物的处置原则2限制接触、减少影响对那些有环境污染影响的固体废物，特别是危险废物和放射性废物，最终的安全处置原则是最大限度地使之与人类生物圈相隔离，以减少和避免废物中的毒性物质进入人类生活环境的转移量。二固体废物的处置原则3相对集中、消除污染《固体废物污染环境防治法》要求对危险废物进行集中处置的原则。可以节约人、财、物力，并有利于监督管理；同时可降低风险和危害。我国规划了30个危险废物处置场（四川两个，一个在成都附近，一个在攀西地区），300个医疗垃圾处理处置场。选址较为困难，周围居民反响较强烈，地方政府也不积极，如广东危险废物处置场选址中山就遇到很大困难。三、固体废物处置的三重屏障系统1废物屏障系统根据填埋的固体废物（生活垃圾或危险废物）性质进行预处理，包括固化或稳定化处理，以减轻废物的毒性或减少渗滤液中有害物质的浓度。2密封屏障系统密闭屏障系统主要由表面密封系统和基础密封系统组成，是利用人为的工程措施将废物封闭，使废物渗滤液尽量少地突破密封屏障，向外渗出。其密封效果取决于密封材料品质、设计水平和施工质量保证。主要包括防渗层、排水系统和排气系统。第二节固体废物的常用处置方法1海洋处置海洋处置是利用海洋具有的巨大稀释能力和净化能力，选择适宜的倾倒场所来消纳固体废物的方法。过去人们一直把海洋看作容量没有限制的巨大处置场，因而在20世纪70年代以前，包括工业发达国家在内的许多国家都曾采用这种方法处置工业废物和放射性固体废物。如美国仅1968年就在墨西哥湾等海域投弃工业废物450万吨，包括58%的废酸，12%的废油，7%的废农药，还包括废碱、卤代烃类、造纸黑液、酚和氰化物等。海洋处置费用低。1972年在伦敦缔结了《防止倾倒废物及其它物资污染海洋公约》，但目前各国对此争议较大，我国对海洋处置基本呈否定态度，还制定了海洋倾倒固体废物管理条例，日本1993年才批准该公约，1996年原则上禁止海洋投弃处置。主要的海洋处置方法包括：海洋倾倒利用海洋的稀释能力，危险废物或放射性废物需固化或稳定化。远洋焚烧投弃。2地表处置（堆存法、土地填埋法、土地耕作法、地面贮液塘）⑴堆存法土地堆存法：不溶解、不扬尘、不腐烂变质的固体废物筑坝堆存法：粉煤灰、尾矿粉（攀钢矿山公司尾矿场）⑵土地填埋法①土地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，是一种按照工程理论和土工标准，对固体废物进行有控管理的综合性科学工程方法。②操作方式：由堆、填、埋（覆盖）向包容、屏蔽隔离的工程储存方向发展。④土地填埋处置工作程序：科学选址→场地防护（如防渗）处理→填埋操作和封场→维护监管⑤土地填埋处置优点：工艺简单，成本低廉，适应性广，已成为固废最终处置的一种主要方法。⑥土地填埋处置主要问题：渗滤液的收集、控制；因法律颁布和污染控制标准的制定，填埋要求更严格，故使处理费用不断增加;占用大量的土地资源。⑦填埋场的功能：A

储留功能：是填埋场的基本功能，正逐步弱化。利用形成的一定空间，将垃圾储留其中，待空间充满后封闭，恢复该区的原貌。B隔水功能：是填埋场的主要功能。隔断垃圾与外界环境的水力联系，须设防渗层和渗滤液集排水系统，以防止垃圾分解及与降水接触产生渗滤液对水体污染，同时还须设降水（场内周边）集排水系统，地下水集排水系统和封闭系统（每日、中间、最终）。C处理功能：是新近为人们认识的一种功能，主要针对垃圾填埋场。有两方面含义：填埋场要对渗滤液及排出的填埋气体进行必要的处理；垃圾在填埋层中的生物和其他物化作用下达到稳定的过程。（3）土地耕作法（土地处理法）土地耕作处置是指利用现有的耕作土地，将固体废物分散在其中，通过生物降解、植物吸收及风化作用，使固体废物污染指数逐渐达到背景程度的方法。用于处理污水处理厂污泥和石化厂的固体废物，但对重金属等有毒、有害废物不能用该方法。要求：废物能被降解，土地较平（以免流失），土壤空隙率较大，含水率在6～22%之间，场地无断层，距离水源地150m，耕作层在地下水位1.5m以上。⑷地面贮液塘液体废物在处置前使其中的残渣和游离成分保留而水分蒸发、渗透和释出。场址要求：处置区必须位于地下饮用水源之下；有不透水岩层把注入废物的地层隔开，使废物不致流到有用的地下水源和矿藏中；有足够的容量，面积较大，厚度适宜，空隙率高，饱和度适宜；有足够的渗透性，且压力低，能以理想的速度和压力接受废液；地层结构及其原来含有的流体与注入的废物相容。⑵水力地下压裂处置利用高压将混有水泥砂浆的具有一定毒性的废液注进地下探明的深层页岩中，待此种混合液凝固后即成为该页岩层的组成部分，从而达到在地下长期禁锢剧毒性危险废物的目的。⑶深地层埋藏主要用于放射性固体废物的处置。处置的影响周围地质环境的影响，如造成滑坡、崩塌、泥石流等；填埋机械噪声对公众的影响；填埋场孳生的害虫、昆虫、鼠类以及鸟类传播疾病；填埋垃圾中的塑料袋、纸张以及尘土等在未来得及覆土压实情况下可能飘出场外，造成环境污染和景观破坏；流经填埋场区的地表径流可能受到污染。⑹大气环境影响预测与评价：释放的气体可采用面源模式；⑺噪声环境影响预测及评价⑻污染防治措施：渗滤液的治理和控制措施以及防渗层破裂的补救措施；释放气的导排或综合利用措施以及防臭措施；减振降噪措施⑼环境经济损失效益分析：评价污染防止措施投资以及项目的经济、社会和环境效益⑽其它评价：土地、生态、土壤、景观、气体爆炸等风险评价、公众调查等3环评要求：施工期、运营期和封场后监管期均要评价第三节填埋场的防渗技术1防渗系统的功能：防止渗滤液污染土壤和地下水，控制气体的迁移，控制地下水污染。2填埋场防渗材料①无机天然防渗材料天然粘土材料；人工改性防渗材料（粘土的石灰、水泥改性，粘土的膨润土改性）②人工合成有机材料主要是塑料卷材、橡胶、沥青涂层等，常称为柔性膜。包括高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚氯乙稀（PVC）、氯化聚乙烯（CPE）、氯磺聚乙烯（CSPE）、塑化聚烯烃（ELPO）、乙烯－丙稀橡胶（EPDM）、氯丁橡胶（CBR）、丁烯橡胶（PBR）、热塑性合成橡胶、氯醇橡胶等，渗透系数均可达10-11cm/s。其中，HDPE是应用最为广泛的填埋场防渗柔性材料。4标准要求现行标准：城市生活垃圾卫生填埋技术规范CJJ17－2004自然防渗：天然粘土及改性粘土防渗层渗透系数不应大于10－7cm/s，场底及四周厚度不应小于2m人工防渗：应采用复合防渗系统，地下水贫乏地区可采用单层防渗系统，特殊地质和环境要求非常高的地区的库区底部采用双层防渗系统。美国：82年前单层粘土防渗层，82年开始试验单层土工膜防渗层，83年改用双层土工膜防渗层，84年又改用单层复合防渗层，87年开始广泛使用带有两层渗滤液收集系统的双层复合防渗层。5天然粘土防渗层的设计与施工①合理选择土料渗透率公式渗透率与空隙大小的平方呈正比。②恰当控制含水量研究表明，在同样的压实密度下，高于最优含水量的土层的渗透系数远小于低于最优含水量的土层的渗透系数。为避免防渗层压实时过干而导致过高的渗透性，考虑含水量的防渗层正确设计程序为：a在实验室中分别将修正、标准和降低的击实力按普氏击实程序作出ρd——ω击实曲线，每一种击实力应取5~6个不同含水量的样本进行击实；b对压实土样进行渗透试验以确定每一压实土样的渗透能力，分别对不同击实力形成的土样的渗透系数以含水量为横轴作k—ω图；c将k值符合要求的实验点重新表示在ρd——ω图上构成防渗层防渗可接受区；d在可接受区域内再参考剪切强度、可施工性、当地习惯等因素进行修正，最终形成防渗层可施工区。③严格履行施工规程经过压实粘土层的水流绝大部分发生在粘土土块之间的相对较大的孔隙中。为减少甚至消除块间大孔隙，施工时除了要采用较高的含水量使土块相对湿软易被重塑外，还要使用较重的碾压机具使土块被压碎。同时要求压实后每层土层厚度不得超过15cm，以避免土层过厚而出现上紧下松的现象。另外为避免不同土层界面间形成高透水率地带而出现界面水流，前一土层压实表面应先扒松后再施工下一层土层。因此，防渗层的压实密度对其渗透性有很大的影响，当含水量相同时，压实功能越大，土层越密，土块被重塑的可能越大，此时土粒被重新排列，土层中大孔隙数量减少同时连贯性也降低，渗透系数自然也就相应降低。另外，压实功能增加时，最优含水率也相应降低，更易使土层中各点落在最优含水量曲线之上。故在设计防渗层时，在考虑经济性以及压实机具性能前提下压实土层的密度应尽可能高。④防范环境要素影响在设计防渗层时必须考虑填埋场当地气候特征，克服可能的气候干燥、霜冻、昼夜及季节温差变化等的影响，预防已竣工的或正在施工的防渗层干裂而增大渗透系数。6渗滤液通过防渗层对地下水污染的考虑渗滤液实际渗流速度：渗滤液穿透防渗层所需时间：由于渗流非均匀性，实际时间将远小于计算时间。对于可降解污染物，其浓度变化有：防渗层的有效孔隙率ηe五填埋作业工艺与设备1垃圾填埋场的典型填埋工艺填埋工艺的确定原则：分区作业，减少垃圾裸露面压实多填，延长填埋场使用年限控制源头，落实环保措施超前规划，采取合理的填埋方式，缩短稳定期，有利于填埋场的复用。2填埋作业⑴定点倾卸设卸料平台，或采用倾斜面作业。⑵摊铺由推土机完成，每次垃圾摊铺厚度为60cm左右。⑶压实作业专用压实机完成，或用推土机替代。⑷限时覆盖日覆盖的作用：改善道路交通；改进景观；减少恶臭；减少风沙和碎片飞扬；减少疾病通过媒介传播的危险；减少火灾危险等。一般选用砂土进行，15cm左右。中间覆盖用于填埋场部分区域需要长期维持开放（2年以上）的情况，作用是：防止气体的无序排放；防止雨水下渗；将降雨排出场外。一般选用粘土，厚度30cm左右。⑸分区填埋在平坦场地，可采用水平填埋或垂直填埋两种作业方式，后者能减少渗滤液产量，被广泛使用。在斜坡或峡谷地区，也可采取水平填埋或垂直填埋两种作业方式，垂直填埋作业又分为顺流填埋和逆流填埋，一般采用顺流填埋方法。分区填埋作业示意图注：1～11表示填埋顺序 3填埋设备推土机、压实机、挖掘机、装载机、起重机、破碎和筛分等预处理设备（需要时）、杀虫剂喷洒设备。第四节渗滤液的产生和处理渗滤液是指废物在填埋或堆放过程中因其有机物分解产生的水或废物中的游离水、降水、径流及地下水入渗而淋滤废物而形成的成分复杂的高浓度污染废水。1渗滤液的产生⑴渗滤液的来源及影响因素①渗滤液的来源降水入渗、外部地表水入渗、地下水入侵、垃圾中的水分、覆盖材料中的水分、有机物分解生成水（1961年美国加州水污染控制委员会研究表明每米厚度的垃圾降解过程中产生的渗滤液为42mm，与降雨相比甚小。）②影响渗滤液产生量的影响因素严格布设防渗系统和覆盖系统，准好氧填埋场蒸发量降水：降雨量、降雨强度、降雨历时、填埋场覆盖情况、填埋垃圾的含水量和持水能力地表径流：地形、填埋场覆盖材料、植被、土壤渗透性、表层土壤的含水率和排水条件（坡度等）。③渗滤液控制措施入场垃圾含水量的控制控制地表水的渗入量控制地下水的渗入量⑵渗滤液的产量估算①平衡估算法L=P+W+Q1+Q2-E1-E2-Q3-Q4-H式中，L为渗滤液产生量；P为填埋场作业区的降水量；W为垃圾中的含水量；Q1为作业区域的地下水入渗量；Q2为地表水径流流入量；E1为填埋场地表自然蒸发量；E2为填埋场地表植被叶面蒸发量；Q3为填埋场地表流失量；Q4为作业单元底部防渗层渗透量；H为填埋垃圾持水量。SSW=WSW+WTS+WCM+WA(R)-WLG-WWV-WE-WB(L)式中，SSW为渗滤液产生量；WSW为引入固体废弃物的含水率；WTS为引入污泥的含水率；WCM为覆盖材料的含水率；WA(R)为表层入渗的水量；WLG为填埋场气体形成过程中损失的水量；WWV为随填埋场气体排出的饱和水蒸气所携带的水量；WE为填埋场表面蒸发作用损失的水量；WB(L)为从填埋场底部防渗层渗漏的水量。Q=（Wp-R-E）Aa+QL式中，Q为渗滤液年产量，Wp为年降水量，R为年地表径流量，E为年蒸发量，Aa为填埋场地表面积，QL为垃圾产水量。②经验公式日本田中等人提出，当表面透水性能较好时Umax=0.25×[1+(C-1)lg(1.4R0.3)]Wmax/R0.6当表面透水性能较差时Umax=0.25CWmax/R0.6式中，Umax为最大渗滤液发生量（mm/d）；Wmax为最大月间降水量（mm/月）；C为流出系数；R为渗滤液渗出延迟时间（d）③浸出系数法Q＝（C1A1＋C2A2）P式中，Q为渗滤液产量，P为降水量，A1为填埋作业区面积，A2为已封场面积，C1、C2均为系数，一般C1取0.5，C2取0.3。实际上，受进场垃圾含水率特点、降雨季节差异等影响，渗滤液水量波动较大。一般可逐月求出渗滤液产量，根据平均产量设计渗滤液处理系统规模，再设计调节池容积。⑶渗滤液的水质特征污染物种类多：郑曼英对广州大田山填埋场渗滤液分析表明，渗滤液中检测出77种有机物，其中可疑致癌物1种，辅助致癌物5种，而77种有机物仅占渗滤液COD的10%左右。Oman对多个填埋场渗滤液分析中发现了150多种不同的有机污染物，但只有29种出现在一个以上的填埋场中。有机污染物浓度高：渗滤液COD浓度可能高达10万mg/L。氨氮浓度高：高达10000mg/L。色度高：初期黑色，后期褐色。水质随时间（季节、填埋后时间）变化运行方式对其影响很大2渗滤液的运移⑴水力学基础①填埋场中水分的赋存形式填埋垃圾中水分能以固态水、气态水和液态水三种物理状态存在，其中液态水又可分为吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等。固态水在寒冷地区的冬季，当填埋场局部温度低于渗滤液的冰点时，储存于垃圾孔隙中的渗滤液便冻结成冰。气态水气态水以水蒸气状态储存和运动于非饱和垃圾的空隙中，能随填埋垃圾分解产生的CO2、CH4等气体一起逸出填埋场外。吸附水由于分子引力和静电引力的作用，使垃圾颗粒表面具有表面能，而水分子是偶极体，因而水分子能牢固地吸附在垃圾颗粒表面形成极薄的一层水膜，即吸着水。这种水在颗粒表面结合得非常紧密，其吸附力达一万大气压，只有当空气中的饱和差很大或温度高达105℃时分子扩散力才可使其离开颗粒表面。薄膜水在紧靠吸附水的外面，还有很多水分子也受到垃圾颗粒表面静电引力的影响，吸附着第二层水膜，即为薄膜水。随着吸附水层的加厚，水分子距离垃圾颗粒表面渐远，加之水分之间存在有斥力，使吸引力大为减弱。这种水的特点是：两个质点的薄膜水可以相互移动，由薄膜厚的地方向薄的地方转移；不受重力的影响；不能传递静水压力；薄膜水的厚度可达几千个水分子直径。吸附水和薄膜水都是受垃圾颗粒表面的静电引力而形成的水膜，因而它们的含量主要取决于垃圾颗粒的表面积大小，垃圾颗粒越细，则上述两种水越多。毛管水毛管水是指垃圾孔隙中籍助于表面张力而保持的液态水。包括悬着毛管水和支持毛管水。悬着毛管水是指不受填埋场渗滤液饱水带影响的毛管水，主要来源于大气降水和渗滤液回灌后垃圾体中所吸持的液态水。悬着毛管水除存在于毛管孔隙外，还存在于垃圾颗粒相互接触的地方，此时也称触点水。支持毛管水是指饱水带渗滤液沿着垃圾毛管孔隙系统，上升至一定高度并保持在垃圾中的毛管水。毛管孔隙越小，渗滤液上升越高。支持毛管水除位于渗滤液收集系统饱水带以上外，还位于渗滤液饱和滞水带上部。重力水当薄膜水的厚度不断增大时，颗粒表面静电场的引力逐渐减弱，当引力不能支持水的重量时，液态水在重力作用下就会向下运动。在非饱和带的非毛管孔隙中形成能自由向下流动的水就叫重力水。产生重力水的条件是基质含水率高于其持水率。②垃圾的含水率概念调蔫湿度（WiltingPoint）为通过植物蒸腾作用后残余在垃圾中的最低体积含水量值。田间持水率（FieldCapacity）为通过长期重力排水后垃圾中所能保持的体积含水量。从某种意义上讲，在垃圾含水率达到田间持水率后，毛管水达最大值，此时加入填埋场的水量将导致等量的渗滤液流出。在厌氧型生物反应器填埋场中，填埋垃圾的田间持水率是一个非常重要的概念，它反映了填埋场所能吸持水分的能力，是渗滤液管理需掌握的一个重要指标。饱和含水率（SaturationContent）为垃圾所有孔隙均充满水后的体积含水量，在数值上饱和含水率等于垃圾的孔隙率。其中垃圾含水率与田间持水率的差值反映了填埋场所能继续吸持或能排除的渗滤液量。固体 液体 气体 可利用的持水能力 城市垃圾田间持水率值Zeiss和Major（1993）将填埋场开始产生渗滤液时的垃圾含水率定义为实际持水率（PracticalFieldCapacity），而将填埋场进入水分与排出水分数量达到平衡时的垃圾含水率定义为有效贮水率（EffectiveStorage）。测定垃圾持水率时，一般都先将垃圾饱水，再通过长期重力排水后测定垃圾的体积含水率，因而填埋垃圾的田间持水率与实际持水率相差很大。因此，填埋垃圾的有效贮水率应介于实际持水率和持水率之间。城市垃圾的调蔫湿度约为8.4%～17%。不同研究者获得的城市垃圾的田间持水率值变化较大，而城市垃圾实际持水率的变化相对较小，介于0.0996～0.155之间，城市垃圾的有效贮水率则介于0.19～0.29之间。渗滤液在填埋垃圾体的运移途径、垃圾组成、密度、尺寸和填埋时间是垃圾田间持水率的主要影响因素。垃圾中纸张、纸板和纺织品等越多，其田间持水率越高；垃圾的压实密度越大，其田间持水率越高；破碎垃圾的持水率比原状垃圾持水率高；填埋时间越长，剩余可降解物越少，田间持水率越低。⑵填埋场中渗滤液的运移①渗滤液的运移途径垃圾中的渗滤液流动分为两部分，其中一部分是随时间较快衰减的通道流，另一部分则为衰减较慢的基质流。降水或回灌P(t)后，除部分渗滤液以基质流I1(t)的形式渗入垃圾体外，其余渗滤液以通道流S1(t)的形式通过填埋垃圾间的大空隙下渗，若降水（回灌）速率超过基质流和通道流输送能力，还会形成局部的横向径流R(t)和向上的溢流O(t)（在垃圾体中进行回灌时）。通道流S2(t)在向下运移过程中，不断以基质流I2(t)的形式向途经垃圾补充水分，使沿途垃圾体含水率升高。当降水（回灌）完成后，降水（回灌）处的通道流S1(t)和基质流I1(t)停止，同时不仅通道流停止向途经垃圾体补充水分，相反的是通道流附近的垃圾体以基质流I3(t)的形式向渗滤液运移通道释水，因而通道流S2(t)会逐渐衰减但短期内不会停止。随着降水后时间的增加，通道流S2(t)衰减较完全后，基质流I4(t)开始在填埋垃圾渗滤液运移中占主要地位。基质流I4(t)较充分利用了填埋垃圾体中细小空隙对渗滤液的吸持作用，基质流尽管流速较小，但衰减较慢，在实施低降水（回灌）频率的填埋场中特别是降水（回灌）较长时间后占据主要地位，同时基质流I4(t)对填埋垃圾体含水率的贡献也较大。②常见渗滤液运移模型⑴基于非饱和达西流的方程根据连续性方程，垂直方向上的水分运移方程为（1）式中：q——水分流动通量，L.T-1θ——体积含水量，z——垂直坐标（正轴向下），Lt——时间，T由于达西定律同样适用于非饱和渗流，因而垂向上的水分运移可用下式表示

或（2）式中：K——导水率（或渗透系数），L.T-1H——总土水势，L——基质势，LZ——重力势，L式（4）就是描述一维不可压缩液体垂直通过均质不变形非饱和基质的著名的Richards方程。由于K和D均与含水率直接非线性相关，因而该方程具有高度的非线性性质。尽管Richards建立非饱和流方程的出发点在于解决土壤中非饱和水的流动，但二十多年来，该理论已广泛用在垃圾卫生填埋场渗滤液流动规律的研究中。Ahmed等（1992）和Khanbilvardi等（1995）在一维非饱和流的基础上建立了反应填埋场渗滤液流动特征的二维模型—FILL（FlowInvestigationforLandfillLeachate）模型，模型中渗滤液运移方程为式中x和z分别代表水平和垂直方向坐标。殷勇等（2002）和王洪涛、殷勇（2003）还建立了填埋场三维饱和非饱和渗滤液迁移模型，即

（6）式中：h——饱和条件下为压力势，非饱和条件下是填埋垃圾的基质势，L——贮水率，非饱和条件下为0，L-1C(h)­——容水度，饱和条件下为0，L-1K(h)——渗透张量，L.T-1W——源汇项，T-1

上述渗滤液流动模型建立的基础在于将填埋垃圾考虑成理想的均质各向同性孔隙介质，由于事实上填埋垃圾组成性质的随机变化特征，完全符合达西流的垃圾很难出现，因而填埋场内短流、非均匀流非常普遍，多数垃圾含水量尚未达到持水率时渗滤液已经从局部通道快速流出，填埋场渗滤液产生时间远小于模型预测时间。尽管Bendz等（1997）认为填埋后期垃圾的非均质性将会弱化、非均匀流发生机率会有所减小，但Ragle等（1995）在对美国华盛顿附近的Seattle填埋场进行观测时发现已填埋16年的老填埋区的短流现象远比刚填埋3.6年的垃圾更明显。因而在实际应用时，不加判别地将这些模型用于预测填埋场渗滤液的运移会产生很大偏差。②基于非均质各向异性特征的渗滤液运移研究由于传统填埋场只需掌握渗滤液产量以便更好地进行渗滤液处理系统的设计和管理，通过合理的参数确定后，那些基于非饱和达西流建立的渗滤液流动模型基本能满足该要求。但生物反应器填埋场更加在意的是如何通过渗滤液回灌等操作实现垃圾体中水分的均匀分布和填埋垃圾的快速降解，因此正确认识回灌渗滤液的流动机理和模式就显得尤为重要。为此，近10年来，以加拿大人Zeiss为代表的部分学者开始对填埋场实际渗滤液流动机理进行模拟实验和理论研究。Zeiss和Major（1993）在模拟实验中对不同压实密度的9个垃圾柱的水分流动模式和特点进行了研究，实验结果表明渗滤液快速流动通道普遍存在，分别占垃圾柱截面面积的28%左右，其实际持水率（开始产生渗滤液时的含水率）仅为0.136，远小于普遍应用的HELP模型采用的0.294的缺省值，而实验垃圾柱导水率（分别按渗滤液产生时间和渗滤液流量计算）更是高于HELP模型采用缺省值（1.2×10-7cm/s）4～5个数量级，实验过程中发现渗滤液快速通道面积和实际持水率基本不随垃圾压实密度发生变化。Zeiss和Uguccioni（1995）利用3个垃圾柱就两种不同的注水速率对垃圾中水分流动的机理和模式进行了研究，结果表明低速注水同样不能避免渗滤液快速流动通道的形成，尽管沟流仍是主要的水分运移机制，多数垃圾吸力随注水时间降低表明达西流也事实上存在，流动稳定时渗滤液快速流动通道占有45%的面积，尽管实验垃圾的实际持水率仅0.0996，但实验后期其最终贮水率达到了0.294。Uguccioni和Zeiss（1996）对8个1.8m×1.6m×1.5m的矩形垃圾单元分别按两种注水速率和两种压实密度进行水分运移的模型比较研究，单元实验结果表明高注水速率能减小渗滤液产生时间和有效贮水率，高压实密度能增加实际持水率和有效贮水率，作者分别将预测填埋场渗滤液产量的HELP模型和用于岩土工程水分运移规律研究的PREFLO模型（两相裂隙—孔隙介质流动膜型）用于模拟实验单元渗滤液产生和运移特征的计算，由于两模型部分参数确定不合理因而计算结果与实验结果偏差很大，调整参数后情况有所改观。Zeiss和Uguccioni（1997）采用注塑方式对模拟实验单元的垃圾孔隙进行了检测，结合渗滤液流动参数，计算出8个实验单元中有5个单元出现的渗滤液沟流的雷诺数大于10，即表明渗滤液沟流已不属层流范围了。Zeiss（1999）就采用脉冲回灌（每两周回灌一次）和连续回灌（每4小时进行一次小水量回灌）两种渗滤液回灌方式的垃圾填埋单元渗滤液流动特征和垃圾降解趋势进行了实验研究，结果表明两种回灌方式均不能克服渗滤液的沟流现象，但连续回灌渗滤液流动分布更加均匀，实际持水率能得到一定提高，仅从渗滤液COD衰减趋势判断，两种回灌方式对垃圾稳定进程变化影响不大。Mccreanor和Reinhart（2000）（1998）在研究中同时考虑了垃圾渗透性能的各向异性并首次用概率分布函数的形式来表示垃圾体渗透系数的非均匀分布，作者在研究过程中发现沟流是回灌渗滤液的主要流动方式，同时垃圾孔隙中的非饱和达西流也不容忽视。Nopharatana等（2003）对序批式厌氧反应器（SBAR）中新老反应器间（内）发生的渗滤液和物质交换进行了数学模拟，其建立的固相垃圾降解综合模型不仅考虑了流动模型和生物反应、物理化学平衡模型之间的耦合作用，更重要的是在流动模型中将反应器分为发生沟流的活性域和出现孔隙间达西流的死域，活性域渗滤液的流动以堰流方程表示，死域中渗滤液的流动以小孔流方程表示，活性域和死域间渗滤液交换以小孔流动方程表示，通过与模拟实验结果比较，该综合模型的可靠性得到了检验。显然，同时考虑大尺寸垃圾空隙间渗滤液沟流和细小垃圾颗粒间和颗粒内达西流的两相流模型更加符合生物反应器填埋场内回灌渗滤液的流动特征，它将是今后填埋场渗滤液流动水力学的研究方向。随机模型可能是今后研究渗滤液运移的一个方向。3渗滤液的收集A渗滤液的蓄积会引起如下问题：场内水位升高会使更多废物浸在水中，导致有害物质更多的浸出，从而增加渗滤液的处理难度；场内积水会使底部衬里的静水压力增大，增加了水平防渗系统失效及渗滤液下渗污染土壤和地下水的危险；场内废水过多会影响填埋场的稳定性。因此，美国规定填埋场衬里或场底以上渗滤液水位不得超过30cm。B渗滤液收集系统的主要功能渗滤液收集系统的主要功能是将填埋场内产生的渗滤液迅速汇聚收集，并通过输水管、集水池等送到指定地点，如渗滤液处理站或城市污水处理厂进行处理，避免渗滤液在填埋场内长时间过多蓄积。C收集系统的构成主要由汇流系统和输送系统两部分组成。汇流系统：位于防渗衬层上是由砾石、卵石或碎渣、碎石构成的导流层，设有导流沟和收集管。输送系统由集水池、提升系统和调节池等组成。导流层：厚度大于30cm，由粗砂、卵石等组成，渗透系数应大于1×10-3cm/s，坡度大于2%，导流层与废物之间需要铺设土工织物等人工过滤层，以免细粒物质堵塞导流层。导流沟：一般为等腰梯形沟，设在导流层底部，由主、支沟贯穿整个场底，沟内填充卵砾石或碎石。导流管：管材一般采用高密度聚乙烯（HDPE），其上应预先制孔，一般孔径15-20mm。集液池和提升系统：平原型填埋场因为渗滤液无法借助重力从场内导出，需要设置集液池和提升系统。集液池多设在废物坝前最低洼处，容积一般为5m×5m×1.5m。提升系统包括提升管和提升泵等。调节池：是渗滤液收集系统的最后一个环节，可以作为渗滤液初步处理的设施，还可以起到水质和水量调节的作用，从而保证渗滤液后续处理设施的稳定运行和减少暴雨期间渗滤液外泄污染环境的风险。常采用地下式或半地下试。池底、池壁需要防渗处理。4渗滤液的处理污水处理厂单独处理：生物法（好氧生物处理、厌氧生物处理、厌氧－好氧生物处理）、物化法（混凝、高级氧化法，包括臭氧处理、Fenton处理、光催化法、电子辐射处理、活性炭－H2O2氧化处理）、土地处理法及组合工艺（厌氧或兼氧表面塘、人工湿地）、反渗透处理。合并处理：与城市生活污水混合处理。水质、水量变化大而导致适应性差，处理费用高（美国初期渗滤液26.42＄/t和后期渗滤液5.28＄/t）。据称达到我国一级排放标准每吨处理费用高达100元，达到3级排放标准后与城市污水一并处理其实并不科学（停留时间短，难降解污染物难以在较短时间内去除，其实只是稀释作用）。渗滤液回灌处理。七气体的导排与综合利用垃圾填埋产生的气体主要由：CH4、CO2、N2、O2、硫化物、NH3、H2、CO及其他微量化合物组成，称为填埋气。温室效应，火灾爆炸性，少量有毒气体填埋场产生的甲烷气体在低洼处或建筑物内聚集会产生爆炸危险；甲烷气体是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的21倍，城市垃圾产生的甲烷占全球甲烷排放量的6-18%。另外填埋气还含有一氯甲烷、氯仿、硫化氢、氨等有毒有害气体。1厌氧填埋场气体的产生Farquhar和Rovers（1973）以气体组成变化为依据，首先将填埋场的稳定过程分为好氧、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。1980年，Rees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，将填埋场稳定进程分为好氧、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。Ehrig（1984）则在着重考虑渗滤液变化特征基础上将填埋场稳定进程分为四阶段。Pohland和Harper（1986）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。Ham和Blarz（1987）将填埋场稳定过程分为好氧、缺氧和厌氧三阶段。Blarz等（1989）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。从以上对填埋场稳定进程的分析看，厌氧型填埋场的稳定需经历好氧（Ⅰ）、缺氧（Ⅱ）、厌氧（Ⅲ）和成熟好氧（Ⅳ）四个阶段，其中厌氧阶段又可分为厌氧不产甲烷阶段（Ⅲ-1）、厌氧加速产甲烷阶段（Ⅲ-2）和厌氧减速产甲烷阶段（Ⅲ-3）。t图2-5厌氧型生物反应器填埋场的稳定进程 Ⅳ Ⅲ-3 Ⅲ-2 Ⅲ-1 Ⅲ Ⅱ Ⅰ 受填埋垃圾中含氧量所限，好氧阶段（Ⅰ）历时较短。此时，垃圾中的糖类物质与氧发生好氧反应而生成水和二氧化碳，反应过程为C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O，同时释放一定的能量，垃圾温度明显升高。在好氧阶段产生的渗滤液中，污染物主要来源于垃圾中颗粒物的洗出、可溶物的溶解和少量固相垃圾好氧分解产生的有机物。在缺氧阶段（Ⅱ），分子氧已经耗尽，硝酸盐还原菌和硫酸盐还原菌分别以NO3-

和SO42-

为电子受体发生下列还原反应，同时消耗一定的COD基质。SO42-+4H2+H+→HS-+4H2OCH3COO-+SO42-+H+→2HCO3-+H2SNO3-+4H2+2H+→NH4++3H2OCH3COO-+NO3-+H++H2O→2HCO3-+NH4+

2NO3-+5H2+2H+→N2+6H2O在缺氧阶段，受回灌渗滤液流动的影响，厌氧型生物反应器填埋场填埋垃圾中的可溶物继续溶解，同时淀粉、纤维素等固相垃圾的水解酸化反应不断发生，因而渗滤液的挥发性脂肪酸VFA、COD等有机污染物浓度不断升高，pH不断下降，碱度开始上升，随着NO3-

和SO42-的耗尽，厌氧型生物反应器填埋场就正式过渡到厌氧阶段。在厌氧不产甲烷阶段，固相垃圾水解进行到一定程度后，由于累积的高浓度COD、VFA等的抑制作用，使固相垃圾的继续水解不能进行，因而COD、VFA等有机污染物升高到一定程度后，不再继续升高。在该阶段，pH开始回升，逐渐向产甲烷反应过渡。随着填埋场环境向适宜甲烷菌生长繁衍的方向转变，生物反应器填埋场开始进入加速产甲烷阶段。此时不仅产甲烷速率迅速增加到一个最大值，填埋场气体中甲烷含量也逐步上升到50～60%的水平，COD、VFA开始快速下降，pH和碱度继续上升。由于填埋场渗滤液中先前积累的VFA和COD被甲烷菌消耗而转化为甲烷气体，此时固相垃圾水解速率也不能满足日益增长的甲烷菌的要求，因而厌氧型生物反应器填埋场很快进入减速产甲烷阶段。此时，甲烷气体产生速率逐步下降，但甲烷气体含量、渗滤液pH、碱度等基本保持不变，COD、VFA则缓慢下降。当垃圾中可生物降解有机垃圾被基本分解完毕后，厌氧型生物反应器填埋场进入成熟好氧阶段。此时，渗滤液污染物浓度很低且基本稳定、沉降已基本停止、甲烷气体基本不再产生而标志该填埋场已基本稳定，大气重新进入填埋场内导致少量好氧反应发生，渗滤液中常常含有一定量的难降解的腐殖质和富里酸。2气体组成与性质厌氧填埋场气体的典型组成3产生量根据化学计量式、化学需氧量和可生物降解特性计算或经验法、实测法取得产甲烷量。化学计量式：CaHbOcNd＋[(4a-b-2c-3d)/4]H2O→[(4a-b-2c-3d)/8]CH4+[(4a-b+2c-3d)/8]CO2+dNH3

化学需氧量法：1gCOD＝0.35LCH4(0℃,1atm)

经验法：0.03-0.045m3/kg.d（受环境条件影响）实测法可生物降解特性法：式中，Ci为单位质量垃圾中某有机成分的产甲烷量；K为经验常数，526.5L/kgVS；Pi为某组分占单位垃圾湿重的百分比；

Mi为某有机组分的含水率；

Vi为某有机组分的VS含量；

Ei为某有机组分的VS中可生物降解物质的含量；

C为单位质量垃圾的甲烷最高产量，100－170m3/kg垃圾。4产生速率及影响因素影响因素：含水率、营养物质、微生物量、pH值和温度SchollCanyon模型：假设产气速率随着填埋场废物中有机组分（用产甲烷潜能L表示）的减少而递减，即dL/dt=-kLk为产气速率常数对同一时间填埋的垃圾，若假设其潜在产气总量为L0，则到t时刻的累计产气量为剩余产气量为气体产生速率为对于多年连续填埋的填埋场，其产气速率需要将历年填埋垃圾的产气速率进行叠加，即式中：t—时间，从填埋场开始运行起；R(t)—t时刻产气速率；W—每年填埋的垃圾总量；k—降解速率系数；M—年数，若t<N，则t=M，否则，t=N根据化学计量式、化学需氧量和可生物降解特性计算或经验法、实测法取得产甲烷量5填埋气收集为了控制填埋气对环境的不利影响并对其进行资源化利用，需要收集，分为主动收集和被动收集两种系统。主动收集：是利用抽真空的办法来收集气体，一般用于大型填埋场中，系统包括抽气井输送管道、抽风机、冷凝液收集装置、气体净化设备及填埋气利用系统等。被动收集：在填埋场内靠填埋气自身的压力沿着设计的管道流动而收集，适合用于小型城市垃圾填埋场（容积小于40000m3）。6净化和利用净化过程：脱水、去除硫化氢、去除二氧化碳、去除N2和O2。其中，关键是去除二氧化碳，方法有吸收分离、吸附分离和膜分离。用途：锅炉、民用或工业燃气、汽车、发电、用作化工原料。1977年，美国建立了第一个锅炉燃烧填埋气能量回收系统。第五节终场覆盖与封场最终覆盖系统的功能：减少雨水和其他外来水渗入垃圾堆体，减少渗滤液产量；控制填埋场气体和恶臭从填埋场无组织排放和散发；抑制病原菌及蚊蝇的繁殖和扩散；防止地表径流被污染；防止水土流失；改善景观。1终场覆盖的设计最终覆盖系统的组成：表土层、保护层、排水层、屏障层、基础层（气体收集层）2终场覆盖材料压实粘土、土工膜、土工合成粘土层（透气）3封场后的植被恢复注意根系，选择物种时应注意下列影响：填埋场气体对根系的毒性；氧气含量低；持水能力低；土壤含水率低；土壤温度高；土壤压实过密九填埋场的复用填埋场场地复用技术是对填埋场内稳定垃圾进行开挖、分选以利用其中的有用物质，利用填埋场的再生填埋能力或改变填埋场地的最终用途的一种垃圾卫生填埋场利用技术。填埋场稳定的评价：目前尚无标准，一般应同时考虑渗滤液污染强度、气体产生速率、表面沉降三类指标渗滤液可以参考渗滤液排放标准，Rohrs等考虑气体累积产量超过最大理论产量的95%，Malesani等将产气速率低于最大产气速率的5%，Malesani等将当年发生的沉降量低于垃圾填埋结束后发生的总沉降量的5%作为衡量填埋场沉降稳定的标准。图德国布尔库堡夫填埋场场地复用作业流程

图臭气稳定系统工作原理图第六节生物反应器填埋场技术1基本背景为减少渗滤液产量，传统的垃圾卫生填埋场要求实行单元填埋、每日覆盖，封场时再用自然土和粘土甚至土工膜组成最终覆盖层。因此严格按上述要求施工的填埋场封场后就成了一个垃圾的“干墓穴”，由于湿度减小，微生物活动减弱甚至停止，封场后很长一段时间（数十年）内垃圾保持不变或变化很小。公众将填埋场中未分解的垃圾体看作是一颗将来人为控制系统失效后会发生爆炸的“定时炸弹”，故许多城市在新填埋场选址时遇到了很大的阻力。那些防水措施存在缺陷的填埋场，虽然有水进入场内使填埋垃圾发生降解，但水量分布不均使填埋场达到稳定仍需数十年才能完成，还伴随着长期的渗滤液处理和填埋场监管问题。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一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、备选覆盖层设计、营养添加、pH调节、温度调节和供氧等。自二十世纪70年代起美国、英国、加拿大、澳大利亚、德国、丹麦、意大利、瑞典和日本等相继开始了生物反应器填埋场的研究。我国从95年起进行了为数不多的渗滤液回灌实验室研究。2生物反应器填埋场对污染物的去除及阻滞机理⑴对一般有机污染物的净化机理 渗滤液回灌不仅提高了生物反应器填埋场湿度还增加了有机物和微生物，若再配合营养添加和pH调节等操作，就完全可以创造一个适合厌氧微生物生长繁殖的环境，众多研究者均一致认为此时的填埋场完全就是一个天然的厌氧生物滤池。此时，垃圾中易降解和中等易降解的有机组分以及回灌的渗滤液中的有机组分在微生物作用下迅速发生水解、酸发酵和甲烷发酵等反应，从而在比传统填埋场短得多的时间内场内垃圾和回灌渗滤液中的有机污染物得到有效去除而不仅仅是转嫁了污染途径。⑵对重金属的阻滞机理生物反应器填埋场对重金属的阻滞受渗滤液性质的影响。早期填埋场处于产酸阶段，渗滤液pH一般较低，许多金属离子都能迁移，此时渗滤液更具危害性。随着产甲烷阶段的快速形成，填埋场的氧化还原电位(Eh)迅速降低，处于还原条件下的低Eh促使微生物将渗滤液中的SO42-

还原成S2-,使众多金属离子形成极难溶的硫化物沉淀。随着此时填埋场迅速向中性或弱碱性转化，也有利于金属离子形成碳酸盐沉淀和氢氧化物沉淀，而垃圾在降解过程中生成的大分子类腐殖质也易与重金属离子形成稳定的螯合物。形成沉淀和螯合物后，重金属得以大量滞留，渗滤液中Fe、Ni、Cd、Zn、Pb等浓度降至极低的水平。⑶对有毒有机物的去除机理 生物反应器填埋场通过渗滤液回灌延长了渗滤液在场内的水力停留时间，使微生物与有毒有机物、必须营养物能保持连续的接触，强化了专性微生物的同化作用及其对有毒有机物的生物转化、去除过程。生物反应器填埋场的优势⑴降低外排渗滤液污染强度 在填埋前期渗滤液中污染物浓度很高，此时可将渗滤液全部回灌，待填埋场进入甲烷化阶段后再根据现场情况排放部分污染强度已较低的渗滤液。众多渗滤液回灌研究表明外排渗滤液典型浓度值为COD70~500mg/l,BOD30~350mg/l，因而在排放时可根据情况不需处理或只进行简单处理。⑵增加填埋场有效容积 一方面填埋垃圾快速分解而体积减少、沉降加快，增大了填埋能力；另一方面使用其它日覆盖层也可使土—垃圾比小于传统填埋场1:4的比例，提高填埋场的空间利用率，最终减少填埋场占地。⑶提高气体产量和产气速率 由于优化了微生物生长环境，生物反应器填埋场快速进入甲烷化阶段，使产气时间提前，产气期更集中，单位垃圾产气量更大，因而更具回收利用价值。⑷加速填埋场稳定 下图是传统卫生填埋场与生物反应器填埋场场内湿度变化情况与易降解和中等易降解有机垃圾的降解趋势，可以看出生物反应器填埋场能在封场后较短一段时间内实现稳定。填埋场提前稳定可缩短封场后维护监管时间，减小控制系统后期可能失效的长期潜在风险，还可提前复用填埋场地。⑸减小渗滤液水量水质波动对场外处理系统的冲击 生物反应器填埋场内垃圾体的巨大缓冲能力完全可以均衡如降雨等外因造成的渗滤液水量和水质波动，从而使外排的渗滤液能保持一定程度的稳定，减少对场外渗滤液处理系统的冲击。⑹减小渗滤液处理系统的设计风险 由于生物反应器填埋场初期渗滤液不需排放，故完全可以根据前期渗滤液特点针对性地设计渗滤液处理系统，避免了传统填埋场渗滤液处理系统“事前”盲目设计造成的实用性和处理效率的误差。⑺降低填埋垃圾处理成本4生物反应器填埋场设计及运行要求⑴日覆盖材料 在满足防尘、防病、防臭、防火、防动物等功能后，生物反应器填埋场每日覆盖不应影响渗滤液从垃圾顶部到底部的连续渗透，同时占据最少的填埋场空间。Watson还建议用泡沫塑料或土工织物取代传统的土壤覆盖，填埋下一层垃圾时揭开覆盖材料下次再用。⑵布水系统 布水系统应满足均匀布水要求和防堵塞要求。由于卫生问题，一般宜采用地下回灌方式，填埋期间可利用气体收集井回灌也可分层设穿孔管道，填埋结束后用穿孔管道或地下喷流型布水器设回灌布水区。一般布水器下衬砾石或破碎轮胎，上覆粗沙或破碎轮胎。⑶垃圾破碎、混合及压实控制 垃圾破碎后填埋可增加垃圾、渗滤液、微生物相互接触面积，从而加速垃圾分解。垃圾混合可提高垃圾填埋的均一性而利于渗滤液均匀下渗，还可避免含糖量高的食物垃圾集中而抑制甲烷化进程。垃圾压实要兼顾多填埋和满足渗滤液传输要求，避免不均匀的压实形成渗滤液优先通道。⑷渗滤液回灌操作 根据产气和渗滤液日常监测结果灵活调整回灌操作。对产酸阶段的场区少回灌，甲烷化的场区回灌量可增至最优回灌水平。产甲烷区回灌至产酸区利于微生物接种，产酸区回灌至产甲烷区又为甲烷菌提供食物和营养。pH调节Pacey(1995)认为pH调节是生物反应器填埋场最有效的管理手段之一。产酸阶段的渗滤液回灌前先中和，避免场内有机酸积累而抑制甲烷菌生长繁衍。还可在覆盖层或垃圾体中加入石灰消化污泥等碱性物质增强填埋场的pH缓冲能力。⑹缺