城市固體廢棄物好氧填埋的可行性研究

1、第33卷第3期2003年7月吉 林 大 學 學 報 (地 球 科 學 版)journa l of jilin university( e arth science edition)vol. 33no. 3jul.2003文章編號:16715888(2003) 03033505城市固體廢棄物好氧填埋的可行性研究王 蕾,趙勇勝,董 軍(吉林大學 環(huán)境與資源學院,吉林 長春130026)摘要:在我國,城市固體廢棄物(msw)多用厭氧填埋法處理,該方法有降解速度慢、 氣體不易控制等缺點 。通過好氧填埋法與厭氧填埋法處理msw的對比實驗,得出利用好氧填埋處理msw ,使有機物降解率明顯高于厭氧法。同時,

2、根據(jù)垃圾場內(nèi)部含氧量及濕度等因素將會影響好氧填埋效果,并在借鑒半好氧填埋技術(shù)的基礎上,最終提出用分層通風來提高供氧效率,并與污水回灌等方法結(jié)合,不但解決垃圾場內(nèi)部含水量不足問題,還能加快場內(nèi)有機物的降解,使其迅速穩(wěn)定。關鍵詞:好氧填埋法;厭氧填埋法;降解;半好氧填埋中圖分類號:x705文獻標識碼:a收稿日期:20020916基金項目:吉林省杰出青年基金項目(1173) ;吉林大學創(chuàng)新基金項目(403010123016)作者簡介:王蕾(1977 ) ,女,山東壽光人,碩士研究生,主要從事水土環(huán)境污染控制和治理研究, email :wangleimay 163. net.通訊聯(lián)系人:趙勇勝(196

3、2) ,男,內(nèi)蒙古達茂旗人,教授,博士生導師,主要從事水土環(huán)境污染模擬預報、 控制和治理研究 1我國城市人均垃圾產(chǎn)量為1 kg d 左右1 ,接近工業(yè)發(fā)達國家水平,而無害化處理率(43. 7 %) 卻遠遠落后于發(fā)達國家( 98 % ,包括再生及處置)2 。根據(jù)美國epa固體廢物管理部門1997年的報告3 ,美國等其他發(fā)達國家城市固體廢棄物(municipal sol2id waste,msw) 的處理用地質(zhì)填埋(landfill ) (約 60 %左右 ) ,其次是回收利用和焚燒( 約 25 %) ,用混合堆肥法處理的比例最小。地質(zhì)填埋仍是處理垃圾的主要方法 。1好氧填埋的理論基礎國際上對ms

4、w的地質(zhì)填埋主要有兩種觀點。首先是瑞士環(huán)保部門提出的最終堆放理論:固體廢物一經(jīng)堆放,不會使進入環(huán)境(空氣 、 水 、 土壤 ) 中的物質(zhì)發(fā)生顯著改變;與其相反的是 “反應堆理論” :廢物在堆放場中發(fā)生物理、 化學和生物化學作用,使填埋場內(nèi)部盡快達到穩(wěn)定4 。目前 ,地質(zhì)填埋中常用的是 “包容理論” ,主要研究各種屏障技術(shù),將固體廢物包圍起來,使其發(fā)生厭氧反應。而本文根據(jù) “反應堆理論”,提出注入空氣法,主要目的是利用供氧提高微生物的活性,使其充分分解,最終形成穩(wěn)定的產(chǎn)物 (co2和水蒸汽) 。此時 ,填埋單元相當于一個大的容器 ,通過管理調(diào)控滲濾液、 可揮發(fā)性氣體(lfg)及其它影響好氧降解的

5、因素(濕度 、 溫度等 ) ,加快場內(nèi)的生物化學反應,縮短填埋場穩(wěn)定時間。2實驗設計及步驟2. 1新老垃圾有機物降解對比實驗我國簡易垃圾場經(jīng)msw 堆放后 ,壓實并覆土,其內(nèi)部基本處于厭氧發(fā)酵狀態(tài)。本次實驗用厭氧柱模擬填埋場,柱子內(nèi)部填放垃圾,上部緩慢加水,使其處于厭氧狀態(tài)。然后從柱子底部取淋濾液,對其各項指標進行測定。其中新鮮垃圾取自北京西郊南部 “北天堂垃圾場” ,放置不足 2 個月 ;陳腐垃圾取自長春市已封場多年的 “車家垃圾廠” 。實驗裝置如圖1 ,實驗結(jié)果分析將選取有代表性的生化需氧量(cod) 的變化來說明垃圾內(nèi)部的反應情況,圖 2、 圖3 分別為新鮮垃圾、 陳腐垃圾在厭氧條件下有

6、機物降解曲線,橫坐標水土比5ws為隨著實驗進行淋濾液的累計質(zhì)量(w) 與厭氧柱中垃圾的總量(s) 之比 ,它是一個無量綱變量,隨著時間的增加,ws值也增大 。從圖 2、 圖 3 中可以看出:反應初期,新鮮圖1厭氧柱模擬垃圾填埋場示意圖fig. 1experimentaldesign of landfillby anaerobic column圖2新鮮垃圾cod降解示意圖fig. 2cod degradation curve of freshw aste圖3陳腐垃圾cod降解示意圖fig. 3demonstrativefigureof cod changing by old w aste垃圾有機

7、物濃度從最初的18 680 mg l 垂直降至7720 mg l ,中期的變化較初期小,cod 降到 3 600 mgl ,最終在 cod900 mg l ,ws為 1. 0 時基本穩(wěn)定;陳腐垃圾也由初始值932 mg l 大幅度降至284.4 mg l 后略微浮動至260. 4 mg l ,在ws為 1. 2 時 ,cod 在200 mg l 左右小幅度變化。新老垃圾cod降解率分別為 0. 95,0. 44。由以上數(shù)據(jù)可以看出,在厭氧發(fā)酵初期 ,新鮮垃圾或是陳腐垃圾,降解效果都很好,而降解到一定程度時就難以繼續(xù)。說明用傳統(tǒng)的厭氧填埋有很大的局限性,需作改進 。2. 2好氧填埋、厭氧填埋處理

8、msw 對比實驗為使好氧 、 厭氧實驗結(jié)果具有可比性,所用垃圾均來自長春市 “車家垃圾場” ,并在相同環(huán)境,同一時間進行實驗,各自包括飽和帶和非飽和帶。其中飽和帶的含水率大于50 % ,非飽和帶的含水率約為15 %。厭氧裝置見圖1 ,用 2 個厭氧柱分別代表厭氧飽和帶以及厭氧非飽和帶。好氧裝置見圖4 ,由好氧槽和充氣設備組成,包括飽和帶、 非飽和帶 。圖4好氧槽飽和帶及非飽和帶實驗裝置圖fig. 2experimentaldesign of saturation zone and unsatur2ation zone in aerobic tanker3好氧 、 厭氧對比實驗結(jié)果分析3. 1t

9、oc 、 tn 降解率的分析圖 5、 圖 6 分別是總有機碳(toc) 、 總氮 ( tn) 降解率柱狀圖。圖中 1 ,2 ,3 ,4 分別為好氧飽和帶、 好氧非飽和帶、 厭氧飽和帶 、 厭氧非飽和帶。由圖 5 可知 :總體來看,好氧條件下toc 降解效果較好。好氧飽和帶toc降解變化最大,約 50 % ,非飽和帶相對較低 ,約 36%。二者的差異主要是因為好氧非飽和帶 msw內(nèi)部含水率較低,需水微生物在養(yǎng)料上得不到滿足,一定程度上抑制了微生物的降解能力;厭氧飽和帶toc降解率較非飽和帶大,此規(guī)律與好氧條件下一致。由圖 6 tn 降解率可以看出,無論是好氧條件還是厭氧條件,tn 降解能力相差不

10、大。這是由于硝酸633吉 林 大 學 學 報(地 球 科 學 版)2003年 圖5toc在好氧厭氧條件下降解率比較fig. 5comparison of toc degradation rate圖6tn在好氧厭氧條件下降解率比較fig. 6comparison of tn degradation rate根與氨根在適宜條件下發(fā)生轉(zhuǎn)化,tn 總體上保持不變 。反應方程如下:有 機 氮 細菌分解nh3 + o2+ 消化細菌no-3 細菌脫氮作用n2。3. 2好氧厭氧條件下各項指標最終值的比較表 1是氯離子、硬度 、 總 fe、 ph 、 cod、 tn 在好氧和厭氧條件下飽和帶、 非飽和帶中垃圾場

11、內(nèi)部反應末期的數(shù)值比較,從表中可以看出: (1) 好氧槽及厭氧柱飽和帶的ph 略大于7,已達中性,而厭氧非飽和帶 ph 為 6. 2 ,這是由于 msw 中氧氣量不足,含水率低 ,使微生物降解速率減慢,填埋場仍處在厭氧酸化狀態(tài) ; (2)從各項指標的最終值來看,好氧填埋法處理垃圾 ,對總 fe、 cl-、 硬度 、 tn 的影響不大,較厭氧填埋法并無太大的優(yōu)勢,而在處理有機物方面效果顯著 ;(3) 據(jù)表 1 中 cod 值 ,好氧條件下處理msw具明顯優(yōu)勢 。由于實驗在相同外界環(huán)境下,用相同垃圾且同時進行,造成飽和帶與非飽和帶差異的主要原因是 msw 內(nèi)含水率的不同。反應初期,微生物活動頻繁,

12、需水量較大,降解速度快,至反應末期,能量的消耗使微生物活性減弱,此時飽和帶的水分過多 ,又成為其降解的障礙,使得同為好氧或厭氧條件下飽和帶最終值反而大于非飽和帶。表1好氧厭氧條件下各項指標最終值比較table 1final data comparison of several items under the aer2obic and anaerobic situations(cl)硬度(總fe)(tn)(c od)(mg?l- 1)ph好氧槽飽和帶非飽和帶1 200.961 601.281 406.6561 582.4883.821. 943.5829. 538327. 57. 6厭氧柱飽和帶

13、非飽和帶1 000.81 200.961 406.6561 582.4882.721.3729.6729.1478647. 56. 23. 3垃圾場內(nèi)部溫度變化分析溫度是微生物降解的指示。msw 經(jīng)堆放后,填埋場內(nèi)垃圾在微生物的作用下漸漸腐熟,溫度有升高的趨勢 。本次實驗分別記錄了好氧槽內(nèi)、 厭氧柱內(nèi)的溫度變化情況。(1)厭氧柱內(nèi)溫度普遍高于室溫。同時非飽和帶的溫度略高于飽和帶,使得 cod 濃度最終值造成差異 ,分別為 64 mg l ,78 mg l 。(2)雖然好氧槽內(nèi)溫度普遍較室溫低,但反應末期各指標值較厭氧柱低。主要是因為:好氧槽容積大 ,暴露在空氣中的面積較厭氧柱大,使積聚起的熱量

14、很快散失;同時鼓風使低溫空氣進入垃圾空隙中,也帶走一部分熱量。4優(yōu)化填埋場的方案4. 1影響好氧發(fā)酵的環(huán)境因素根據(jù)以上數(shù)據(jù)的分析可知:首先供氧量的多少至關重要6 。供氣量太大,不但造成供氣量過剩,還把發(fā)酵裝置中的熱量帶走,使裝置內(nèi)的溫度升不上去;供氣量太小,對微生物供氧不足 ,使 msw分解速度減慢。其次溫度也很重要。由于好氧菌的生命活動是由一系列生物化學反應組成的,這些反應受溫度的影響極為明顯。再次微生物生長也需要一定的濕度,實驗中的厭氧 、 好氧條件下,非飽和帶toc降解率約36 % ,都低于飽和帶。因此 ,當 msw自身水分不足以維持有機質(zhì)的生物降解時,應人為提高垃圾含水率。國內(nèi)733第

15、3期 王 蕾,趙勇勝,董 軍:城市固體廢棄物好氧填埋的可行性研究的衛(wèi)生填埋終場覆蓋多采用滲透系數(shù)很小的防護層 ,防止降水 、 地表徑流等的影響,這在一定意義上減少了滲濾液,但同時也抑制了需水量較大的微生物的生長繁殖。因此 ,好氧填埋場應不完全限制滲濾液的產(chǎn)生,而是適量利用滲濾液循環(huán)等手段一方面增加 msw的含水率,同時引進回灌中的細菌、 好氧微生物加快有機物的降解。4. 2現(xiàn)有的處理msw的好氧填埋場模式下部陳腐垃圾加土覆蓋后,已進入穩(wěn)定的產(chǎn)氣階段 。根據(jù)垃圾發(fā)酵的4 個階段7 ,即有氧分解、 厭氧分解 (無甲烷生成 ) 、 厭氧分解(有甲烷生成,但不穩(wěn)定 ) 、 厭氧分解 ( 有甲烷生成,穩(wěn)

16、定 ) 。當陳腐垃圾中的甲烷進入新鮮垃圾層中,會形成易燃易爆的混合氣體 ,給填埋場帶來危害。kallel amjad 教授提出了處置城市垃圾的半好氧填埋模式8 : (1) 該模式是在老式填埋場中采用豎直井通入空氣,加快微生物反應 。上層通風確保場內(nèi)垃圾為好氧狀態(tài),下層通風灌入空氣到陳腐垃圾內(nèi)部,使其由厭氧狀態(tài)變成好氧狀態(tài) ,產(chǎn)生性質(zhì)穩(wěn)定的co2; (2) 該模式與通風井和滲濾液收集系統(tǒng)結(jié)合,充分利用自然通氣來加快微生物的反應。4. 3好氧填埋場的優(yōu)化根據(jù)影響本次實驗結(jié)果的幾個因素,并借鑒kallel amjad教授半好氧垃圾填埋模式,將厭氧式填埋改進為好氧填埋,如圖 7 所示 。井中安裝上、

17、中 、下 3 根供風管 。豎直井上部通風負責供給垃圾好氧降解時所需的氧氣。圖7好氧填埋場優(yōu)化示意圖fig. 7optimizationof aerobic landfillsite中部通風管的作用與半好氧模式相同,空氣滲入垃圾層將比重小于空氣的甲烷驅(qū)替出去,使垃圾從厭氧發(fā)酵階段轉(zhuǎn)換為好氧階段。下層通風管位于淤泥層,主要是將厭氧消化狀態(tài)的污泥轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚跸?。它與回灌裝置結(jié)合,使污水流向垂直井,抽水到地面后,污水與空氣接觸,易于形成活性污泥,重新回灌到上層新鮮垃圾,不但能調(diào)節(jié)垃圾填埋場的濕度,還為垃圾場內(nèi)部有機物的降解補充營養(yǎng)。5結(jié)論與建議本文通過好氧填埋與厭氧填埋處理msw 的對比實驗 ,得出以

18、下結(jié)論:(1) 應用好氧填埋法處理msw 時 ,有機物降解效果優(yōu)于厭氧填埋法。(2) 好氧微生物分解有機物時,氧必不可少,但要適量 。(3)垃圾場內(nèi)部處于好氧狀態(tài)時,濕度的大小是影響垃圾內(nèi)部降解的一個重要條件。(4)分層通風提高了供氧效率,與污水回灌結(jié)合 ,不但解決了垃圾場內(nèi)部含水量不足的問題,還加快了場內(nèi)有機物的降解。從長遠看,好氧填埋可使垃圾在短期內(nèi)完全腐熟。當然厭氧填埋也有其自身的優(yōu)點,因此要本著無害化 、 資源化原則9 ,利用危險性評價方法,深入研究好氧填埋和厭氧填埋技術(shù),兼顧二者的優(yōu)點,提出適合 msw處理的最優(yōu)方法。參考文獻:1 聶永豐,王偉.我國填埋場滲濾液控制現(xiàn)狀、 問題與解決

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25、 dongjun(college of environment and resources,jilinuniversity,changchun130026,china)abstract : anaerobicsanitarylandfill is popular in disposingmsw(municipal s olid waste ) in china. but it hasseveraldisadvantages , suchas slowdegradationrate, difficulties in gascontrolling, etc. thispaperthroughanaerobicandaerobiccontrastingexperiments, elicits that organicsdegradationratein aerobicland fill is betterthanin anaerobiclandfill.at the sametime , accordingto that severalfactors, suchas oxygencontent, humidity and s o on , will influ2enceaero