（市政工程专业论文）垃圾填埋场渗滤液污染物原位消减技术及其模型化的研究.pdf

摘要 摘要 本文基于我国厌氧填埋场渗滤液处理难度大及稳定化年限长的现状，采用了 实验室模拟试验对准好氧填埋和序批式处理生物反应器两种填埋方式中污染物 变化规律进行了研究。同时在实验室研究的基础上建立了生物反应器填埋场有机 物预测模型和填埋气迁移转化三维模型。 在模拟序批式生物反应器填埋场试验中，探讨了序批式填埋生物反应器的氨 氮去除效率、反硝化能力以及厌氧氨氧化能力。结果表明：成熟垃圾柱对氨氮去 除率随时间逐渐降低，新鲜垃圾柱氨氮的累积去除率约为4 0 。实验进行9 0 d 后，硝酸盐被添加到反应器内，在2 d 内几乎全部被去除，表明填埋柱都有很强 的反硝化能力。腐熟垃圾柱在硝酸盐添加过程中出现了硫酸根浓度升高，发生了 自养反硝化。成熟柱有厌氧氨氧化能力，氨氮浓度下降1 0 3 2 。渗滤液回灌准 好氧填埋模拟试验研究结果表明，准好氧填埋场具有很强的脱氮能力，氨氮去除 率为9 7 7 。渗滤液有机物( d o m ) 分析结果表明：准好氧d o m 的三维荧光光 谱特性发生了较大变化，荧光基团从6 0 d 结构简单的类蛋白物质转变为9 5 d 结构 复杂的类胡敏酸和富里酸物质。 根据质量守恒和有机物降解动力学原理，建立了填埋场中渗滤液有机物浓度 动态变化模型，采用四阶经典r u n g e k u t t a 算法对模型进行了求解，通过室内模 拟实验对模型中参数进行了率定，并对模拟结果行了效率评价和t 检验，结果表 明实测值和模拟值具有较好的一致性。运用m o n t ec a r l o 方法对模型参数进行了 不确定性分析，从而使模型能够更加全面合理的模拟复杂多变的填埋过程。此外 我们构建了填埋场中气体迁移转化过程三维模型。应用有限单元法和迭代法对模 型进行了求解，计算出填埋场中气体的压力分布情况。结果表明填埋初期，气压 随深度和时间的增加而增加；而后气压随时间增加而逐渐消散。 关键词渗滤液准好氧填埋场序批式生物反应器填埋气模型 a b s t r a c t i i 一i i l li 皇! 曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼! 量曼量舅曼量曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼璺曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼! ! 曼曼兰曼鼍曼皇曼曼曼! 曼曼曼 a b s tr a c t 1 1 1v i e wo ft h ee x i s t i n gd e f e c t si na n a e r o b i c l a n d f i l l s ，e s p e c i a l l yt h ed i f f i c u l t yo f t l l e i rl e a c h a t et r e a t m e n ta n ds t a b i l i z a t i o n 1 a b o r a t o r ys i m u l a t i o no fs e m i a e r o b i c 1 a n d f i l la n ds e q u e n t i a lb i o r e a c t o rl a n d f i l la r ei n t r o d u c e dt oi n v e s t i g a t et h ed e g r a d a t i o n r u l e so fc o n t a m i n a t i o n b a s e do nt h e1 a b o r a t o r yr e a s e r c h s e t u pm a t h e m a t i c a lm o d e l s i m u l a t i n go r g a n i cv a r i a t i o na n dt h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) m o d e lo fg a sg e n e r a t i o na n d t r a n s p o r ti nl a n d f i l l s i nt h el a b o r a t o r yr e a s e r c ho fb i o r e a c t o r , t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e n ， d e n i t r i f i c a t i o na b i l i t ya n da n a m m o xa b i l i t yw e r ei n v e s t i g a t e di ns e q u e n c i n gb i o r e a c t o r r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nd e c r e a s e e d g r a d u a l l y ，t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nw a s4 0 f o rl e a c h a t eo ff r e s hw a s t e c o l u m n n i t r a t ew a sa d d e dt ot h r e eb i o r e a c t o ra f t e rt h r e em o n t h sd u r i n gs o l i dw a s t e b i o d e g r a d a t i o n ，a n da l lo f t h e mw e r er e m o v e di nt w od a y s ，w h i c hi n d i c a t e dt h es t r o n g d e n i t r i f i c a t i o na b i l i t yi nt h et h r e eb i o r e a c t o r s u l f a t ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dd u r i n g n i t r a t ea d d i n gp r o c e s sa n ds u g g e s t i n gap o r t i o no fn i t r a t er e m o v a lm a yb ea t t r i b u t e d a u t o t r o p h i cd e n i t r i f i c a t i o n ，a n a m m o xp r o c e s sw a sf o u n di no l dw a s t ec o l u m n ，t h e c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e nd e c r e a s e d10 - 3 2 1 1 1 er e m o v a lr a t eo fa m m o n i a n i t r o g e na n da c c e l e r a t i n gt h es t a b i l i z a t i o np r o c e s so f w a s t ei ns e m i a e r o b i cb i o r e a c t o r l a n d f i l lw e r ei n v e s t i g a t e d r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e r ew a gs t r o n gn i t r o g e n r e m o v a l a b i l i t y i nt h es e m i - a e r o b i cb i o r e a c t o rl a n d f i l l ，t h er e m o v a lr a t ew a s 9 7 7 t h er e s u l t so fd o mf r a c t i o n a t i o ns h o w e dt h a tc h a r a c t e r i s t i eo fd i s s o l v e d o r g a n i cm a t t e r ( d o m ) c h a n g e dg r e a t l y ，a n d f l u o r e s c e n c e p e a kc h a n g e d f r o m p r o t e i n - - l i k e f l u o r e s c e n c ea t6 0 dt oh u m i c - l i k ea n df u l v i c - l i k ef l o r e s c e n c ei n s e m i a e r o b i cb i o r e a c t o rc o l u m n i nt h et e x tam a t h e m a t i c a lm o d e ls i m u l a t i n go r g a n i cv a r i a t i o ni nt h el e a c h a t eo f b i o r e a c t o rl a n d f l l lw a sp r e s e n t e da n dd e m o n s t r a t e db a s e do nm a s sb a l a n c eo f c o n t a m i n a n t sa n dd e g r a d a t i o nk i n e t i c s t h em o d e lw a ss o l v e dn u m e r i c a l l yu s i n ga f o u r t h - o r d e rr a n g e - - k u t t aa l g o r i t h ma n dt h em o d e lp a r a m e t e r sw e r ev a l i d a t e db y m o n i t o r i n gd a t a e f f i c i e n c ya s s e s s m e n ta n dt t e s tw e r ep e r f o r m e df o rs i m u l a t i n g r e s u l t s ，a n dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es i m u l a t i n gr e s u l t sa n dm o n i t o r i n gd a t ah a v en o m a r k e dd i f f e r e n c e i l l u s t r a t i v ee x a m p l e so ft h em o d e l so u t p u ta r ep r e s e n t e dt o d e m o n s t r a t ee f f e c t so fd a t au n c e r t a i n t yo no r g a n i cc o n c e n t r a t i o nb ym o n t ec a r l o m e t h o d t h u s ，t h en u m e r i c a lm o d e lp r e s e n t e di np a p e rc a ns t i m u l a t et h eo r g a n i c v a r i a t i o n a c c u r a t e l y a n d c o m p r e h e n s i v e l y i nt h e c o m p l e x l yc h a n g e f u l l a n d f i l l m o r e o v e r , b a s e do nt h es t u d yo fo u rd o m a i np e o p l ea l lo v e rt h ew o r l d ，w e d e v e l o pac o m p r e h e n s i v et h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) m o d e lo fg a sg e n e r a t i o na n d t r a n s p o r t i nl a n d f i l l s i nt h i s m o d e l ，g a sg e n e r r a t i o na n dg a st r a n s p o r t i o nw e r e c o m b i n e d ，s o l u t i o nt ot h em o d e li sa c c o m p l i s h e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h e i i a b s t r a c c r ii i - - i i i i i ii 一 i 皇鼍曼皇舅曼寡鼍曼曼甍 i n t e r a t i v es o l u t i o na p p r o a c hi sa d o p t e dt og e tt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o ni na c c o r d a n c e w i t ht h ec h a r a c t e ro ft h en o n l i n e a rm a t h e m a t i e a lm o d e l 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r e s s u r eo fs o l i dl a n d f i l lg a si n c r e a s e dw i t ht h ed e p t ha n dt i m ei ni n i t i a ls t a g e - , a n d d i s p e r s e dg r a d u a l l ya f t e r w a r d k e y w o r d s ：l e a c h a t es e m i a e r o b i cl a n d f i l ls e q u e n t i a lb i o r e a c t o rl a n d f i l ll a n d f i l l - g a s m o d e l h i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇袋喀嗍趔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 弥丝姬 导师签名：l 日期：2 翌空幺翌主1 2 7 第1 章绪论 | i 曼量皇曼皇! 皇曼曼曼曼曼皇曼量皇鼍 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的及意义 随着我国城市化发展、城市人口的增加和人民生活水平的提高，城市固体废 物逐年迅速增加。城市固体废物中含有大量的有害有毒物质，对人类生存环境造 成很大的威胁，能否采用合理的方法处理和利用固体废物问题，已成为世界可持 续发展战略的重要内容之一，受到世界各国的普遍关注。 城市固体废物的处理方法很多，主要有堆肥法、填埋法和焚烧法等，但 m s w ( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ) 的填埋处理仍是普遍应用的一种处置方法，即使在发 达国家，m s w 的填埋处理率也很高。对于中国来说，垃圾有机成分低、含水率 高、污染日益严重而投入资金又不足，在今后相当长的时间内，m s w 仍将以卫 生填埋为主。但现行的填埋技术存在很多问题，填埋场的消纳能力低、稳定化时 间长、使用寿命短、渗滤液处理难，填埋气回收困难以及对周边环境的污染严重 等。填埋场的影响不仅仅会造成环境的污染、资源的浪费，更威胁着人民的生活 安全和经济社会的发展。研究m s w 填埋场的污染物迁移转化机理，是解决现行 填埋场存在问题的关键，是实现城市生命体健康发展的重大需求。 卫生填埋是现阶段垃圾处理的主要手段之一，垃圾卫生填埋场的设计、运行、 维护以及对填埋场的进一步改进方案都与填埋场中污染物迁移转化机理息息相 关。因此对填埋场中污染物迁移转化机理的研究对城市垃圾处理防止二次污染有 重大意义，本论文以国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“现代城市病 的系统识别理论与生态调控机理”的第三子课题题“城市固体废物循环与转化机 理研究 部分内容为依托，进行垃圾填埋场渗滤液原位消减技术及模型化研究， 希望为填埋场的污染控制和管理提供技术支撑。 1 2 论文综述 随着经济的发展、城市化进程的加快、城市人口的增加和人们生活消费水平 的提高，城市生活垃圾的增长十分迅速。发达国家垃圾增长率为3 2 - 4 5 ， 发展中国家为2 3 ，我国垃圾年均增长率达8 左右，而且垃圾中易腐有机 物的比例逐年增加。全球年产垃圾超过1 0 0 亿吨，其中美国达3 0 亿吨，我国1 年垃圾产量达1 4 2 亿吨【l 】。据报道，2 0 0 0 年我国城市周围历年堆存未能处理的 生活垃圾量达6 0 多亿吨，占地多达5 亿平方米，全国有2 0 0 多座城市仍处于垃 圾的包围中，严重威胁着城市及城郊居民的生活环境和身体健康【2 ，3 】；2 0 0 2 年我 国城市生活垃圾清运量1 3 6 亿吨，占全世界生活垃圾总量的1 4 以上。目前垃圾 投放场所不足和环境污染等问题，威胁和阻碍看我国城市经济的发展。随着垃圾 产量的增多和垃圾组成的复杂化，垃圾简单堆放所带来的卫生、安全和社会问题 日益突出，迫切要求对垃圾进行妥善处置。 北京丁业大学：i = 学硕二l 二学位论文 目前垃圾的处理方式主要有填埋、堆肥、焚烧等。从理论上讲，垃圾堆肥是 一种非常好的垃圾资源化方式 4 1 。可同时实现垃圾的减量化和无害化。但是，垃 圾堆肥生产以及推广应用中存在许多具体问题，如二次污染的控制、生产规模、 成本、价格、化学肥料地竞争、市场开发等。焚烧技术在发达国家已经比较成熟， 与堆肥和填埋相比，实现垃圾的减量化、资源化、无害化效果比较好，即焚烧后 的垃圾残渣量最少，焚烧生产的热量可发电，焚烧厂的占地面积也比较小。但焚 烧法的缺点是投资大，技术含量高，设备复杂。另外焚烧法最引人关注的就是其 烟气中产生的二嗯英。二嗯英的生态危害早已随多氮联苯灾难闻名于世，在发达 国家已经到了谈二嗯英色变的程度了。因此，采用焚烧法处理垃圾时，必须特别 注意烟气的处理问题。因此，采用焚烧法处理垃圾时，必须特别注意烟气的处理 问题。填埋是一切固体废物的最终处理方法，目前普遍采用的卫生填埋法通过采 用防渗、覆土、渗滤液、填埋气导排等措施，减少了简单填埋带来的各种安全、 卫生和环境污染程度。焚烧、填埋、堆肥等各种垃圾处理方法各有其优点和缺点， 但无论采用什么样的方法，填埋是最终归宿。焚烧和堆肥的残渣都需要填埋进行 最终处置，任何一个国家和城市都不能没有填埋场。 1 2 1 生物反应器填埋场和渗滤液的处理 垃圾卫生填埋场作为目前处理垃圾的主要方式，但是其在填埋阶段和填埋场 封场后管理期间生产的渗滤液是一个难题。卫生填埋仍然是生活垃圾最常用的处 理方法，而填埋过程产生的渗滤液和气体是周围环境的潜在污染源，对环境的影 响将持续数十年。由此人们开始强调垃圾填埋场作为生物反应器来运行以加快垃 圾的降解和稳定化 5 - 1 3 】许多研究和实验表明，渗滤液很难处理且其处理费用很 高，另外由于填埋场设计、施工和运行期间的失误使得渗滤液控制系统发生故障， 最终对填埋场周围的地表水和地下水造成污染。生物反应器填埋场通过强化微生 物过程加速垃圾中可降解有机组分的转化和稳定化，有效增加填埋场容量和气体 产率，对渗滤液进行原位处理，加速垃圾的处置，减少填埋费用 1 4 , 1 5 】。 垃圾渗滤液是一种水质水量变化大、成分复杂的高浓度有机废水，纵观国内 外垃圾渗滤液处理的现状，处理垃圾渗滤液既有与常规废水处理的共性，也有其 显著的特殊性。目前渗滤液的处理方案有场内和场外之分：( 1 ) 直接排入或经 必要的初级处理后汇入城市污水处理厂进行合并处理，但渗滤液量不宜超过城市 污水处理量的5 ：( 2 ) 在垃圾处理场建设污水处理站进行独立处理。由于垃圾 处理场往往远离城市污水处理厂或市政管道，渗滤液的输送将造成较大的经济负 担，另外，渗滤液特有的水质及其变化特点，易对城市污水处理厂造成冲击负荷， 甚至破坏城市污水处理厂的正常运行。因而，采用在垃圾填埋场单独处理方案较 为适宜也较为常见。 2 第1 章绪论 ! i , j _ m 鼍曼舅皇曼曼皇皇曼篡笪曼皇皇曼曼皇曼鼍曼曼鼍皇皇曼皇曼鼍皇曼皇曼皇曼鼍曼鼍曼曼皇曼皇曼曼曼! 曼量曼寰鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼 1 2 2 回灌型填埋场 渗滤液回灌，就是用适当的方法将在填埋场底部收集到的渗滤液从其覆盖层 表面或覆盖层下部重新灌入填埋场。回灌作为垃圾渗滤液土地处理的一种方法， 主要是利用垃圾填埋层这个“生物滤床”净化渗滤液，r o b i n s o 和m a r i s 等人的研 究表明：渗滤液回灌可以提高垃圾层的含水率( 由2 0 2 5 提高到6 0 - 7 0 ) ， 增加垃圾的湿度，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，缩短填埋场垃圾的稳定化进程( 使原需1 5 2 0 年稳定垃 圾缩短至2 3 年) ，与生物及物化法相比渗滤液回灌具有以下特点： ( 1 ) 提高垃圾填埋层含水率，增强微生物酶活性和降解污染物的能力； ( 2 ) 能较好的适应渗滤液水质水量的变化，耐水力冲击负荷强； ( 3 ) u - - i - 使渗滤液水量通过蒸发、蒸腾作用减量，降低渗滤液处理费用； ( 4 ) 可接种大量微生物，加速垃圾的降解速率，缩短垃圾稳定化进程； ( 5 ) 投资省，维护费用低。 由于传统卫生填埋场存在着许多不足之处，二十世纪七八十年代欧美开始研 究新型填埋方式，称之为生物反应器型填埋场。与传统填埋场的构造相比，他增 加了渗滤液回灌系统，改造了渗滤液收集和填埋气体收集系统。生物反应器型填 埋场以垃圾被生物分解机理和过程为基础，利用填埋场是一个天然的厌氧生物滤 池，通过渗滤液回灌为主要的手段使得填埋场成为受控的生物反应器型填埋场。 根据二十多年的研究，总结出回灌的主要作用是：为微生物活动提供足够的 水分在研究不同含水率条件下的产甲烷速率，认为含水率过低不利于产甲烷；通 过水分的流动实现微生物、代谢底物和营养物质的交换；稀释部分区域的微生物 抑制剂。 以下从渗滤液不同回灌方式角度来阐述渗滤液回灌对填埋层的影响。 ( 1 ) 清水回灌。w o e l d e r 等加清水回灌，回灌量相当与填埋层自然渗透的量， 由于没有缓冲能力和甲烷菌接种，持续较长时间也没有产生甲烷。 ( 2 ) 原液回灌。p o h l a n d 9 】在试验研究中表明原液回灌可以促进模拟填埋场厌 氧生物的活性，这可以从有机物降解的速率提高得到证明。l e c k i e 等使填埋层间 的含水率达到田间含水率( f i e l dc a p a c i t y ) ，可以加速垃圾的稳定化，这反映在产 甲烷阶段提前到来。w a l s h 和k i n m a n 认为渗滤液回灌促进了初始阶段产酸过程。 l e u s c h n e r 认为由于回灌增加了垃圾含水率和水分流动，所以促进垃圾水解酸化， 但不能促进产甲烷，因为填埋场中的缓冲能力不足以维持p h 值的上升，降解8 0 可降解物质需要1 0 2 年。通过对垃圾层中碳水化合物、蛋白质和酯类降解过程 的研究，认为蛋白质和酯类的降解过程决定了垃圾层稳定化所需的时间。l a y 等 u 6 】将渗滤液回灌和不回灌对填埋层的影响进行对比，得出含水率为7 5 是加速 垃圾稳定化的初始条件；渗滤液回灌能提高甲烷化速率，而不是酸化速率；渗滤 3 北京工业大学- t 学硕十学位论文 1 1 ； 一 i 曼曼曼曼皇曼曼曼! ! ! 曼! ! 曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼量曼! 曼曼! 曼蔓曼曼皇皇曼皇皇蔓曼曼舅鼍曼皇皇鼍鼍皇鼍 液回灌能提高乙酸转化为甲烷的速率，对丙酸和丁酸无太大影响；渗滤液回灌能 缩短进入甲烷阶段的时间。 ( 3 ) 渗滤液经生物处理后回灌。一般的生物处理方法有厌氧处理和好氧处理。 将渗滤液曝气并加入营养物质( p 0 4 3 ) 后回灌，没有对覆盖层上的草产生负面 影响，这主要是由于曝气降低了渗滤液的污染强度。实验证明，回灌从甲烷填埋 层排出的渗滤液，从渗滤液水质和产气过程反映出渗滤液回灌使填埋层很快就进 入了丌始产甲烷阶段，另外渗滤液的p h 值在整个实验的过程中都很高，且回灌 量大很有利于垃圾降解。在c h y o w e t h 等研究基础上c h u g h 1 7 】在试验中将陈垃圾 和新鲜垃圾渗滤液交叉回灌。首先将陈垃圾渗滤液回灌入新鲜垃圾填埋单元，起 接种作用，并冲洗出抑制物( 主要是有机物) 。新鲜垃圾渗滤液回灌入陈垃圾填 埋单元，利用其中的甲烷菌种将回灌液中的有机酸转化为甲烷，然后再生的渗滤 液再回灌到新鲜垃圾层中，这样交替回灌直到新鲜垃圾达到稳定。 ( 4 ) 渗滤液经物化处理后回灌。一般的物化处理方法是调节渗滤液的p h 值。 p o h l a n d 6 和b a r l a z 等得出渗滤液调节p h 值回灌可以加快进入甲烷化过程。 t i t t l e a u m 研究表明，调节p h 回灌有利于建立厌氧降解环境一 a 浓度上升到最 大值，然后由于产甲烷过程的建立而迅速下降。w a l s h 等和k i n m a n 等在渗滤液 中加入缓冲剂后回灌，认为可以使填埋场中p h 保持近中性，这有利于产甲烷， 还可以使渗滤液的污染强度迅速下降。 ( 5 ) 填埋层生物接种。可以采用在填埋层内掺入污泥，如污水厂脱水污泥和 消化污泥等，或掺入陈垃圾。p o h l a n d 得出加污泥后回灌可能促进v f a 的生产， 但对甲烷菌的生长是不利的。l e c k i e 等用消化污泥来接种，发现加快产酸速率， 但产生的有机物超出了填埋场的缓冲能力，结果抑制了后续的产甲烷化过程。 b a r l a z 等得出新鲜垃圾于陈垃圾混合有利于垃圾稳定化，原因可能是因为陈垃圾 起到了厌氧细菌接种的作用。s a n d e e pp a r e e k 1 8 1 等在垃圾中掺入了污泥，根据实 验建立了模拟产甲烷的数学模型，认为水解速率和垃圾层含水率是控制填埋场产 甲烷的两个最重要的参数。 h a l v a d a k i s 等( 19 8 8 ) 1 9 】在美国加州m o u n t a i nv i e w 填埋场6 个填埋试验单 元进行了渗滤液回灌、水份添加、碳酸钙预加和污泥接种等操作的对照研究，由 于气体收集系统出现了故障，结果不甚理想，但仍看出含水率是控制生物反应器 填埋场产气的最关键要素。c a m p b e l l 和m e i j e r 分别总结了英国和瑞典开展的包 括6 个和1 2 个填埋单元的生物反应器填埋技术研究成果。 1 9 9 1 年同济大学李建国等开始渗滤液回灌研究，认为进行渗滤液回灌的填埋 场相当于一个生物滤池【2 0 1 。李建国【2 1 】等对模拟垃圾柱及土一垃圾柱对渗滤液的 净化能力进行了研究。卢成洪在实验室内研究了温度、加水和回灌对垃圾自身产 水量和水质的影响，得出回灌能加快垃圾稳定化【捌【2 3 】。刘疆鹰等在上海老港填 4 第1 章绪论 埋场进行了中试研究，采用在老填埋场的垃圾上进行渗滤液回灌，得出回灌方式、 水力负荷、进水浓度和回灌频率是影响渗滤液中有机物处理效率和水分蒸发减量 效率的主要技术参数，其中水力负荷是关键。王琪【2 4 1 、董路 2 5 1 、周北海通过对 四个模拟柱进行加水、改善渗滤液回灌方式、垃圾是否与空气接触等对比研究， 得出渗滤液回灌能加速垃圾稳定，改善渗滤液水质。欧阳峰【2 6 】在实验中进行不同 回灌频率、垃圾添加污泥对渗滤液水质的影响，每个根据试验结果建立了生物反 应器型填埋场有机物降解动力学模型。罗春永等【2 7 】在三种回灌水质( 清水、只含 污染物的水和含污染物和微生物的渗滤液的水) 的条件下，对渗滤液和垃圾中有 机物的影响进行研究，得出回灌能促进渗滤液中c o d 浓度的降低并加快垃圾中 有机物的降解：提高垃圾溶解速度，有利于减少垃圾中有机物的含量，同时不影 响c o d 浓度稳定等结论。沈东升在对照柱，调节含水率至7 5 、调节含水率至 7 5 并有渗滤液循环、调节含水率至7 5 并渗滤液循环和生物接种、调节含水 率至7 5 并渗滤液循环和双倍生物接种共五种工况下研究了各类厌氧消化微生 物的消化变化规律与填埋工艺及运行操作条件之间的关系。研究表明：在填埋初 期，水解发酵菌多于产氢产乙酸菌和甲烷菌，且三者主要来自于新鲜垃圾自身携 带的；在调整阶段后期，填埋场中的水解发酵菌、产氢产乙酸菌和甲烷菌都迅速 增长，并且三大菌群在数量上保持一定的比例，完成甲烷发酵作用；在最后的填 埋场稳定化阶段，水解发酵菌、产氢产甲烷菌和产甲烷开始减少，而产甲烷菌是 优势菌，占主导地位。 综上所述可得，渗滤液回灌能增加垃圾层中的含水率，改善微生物代谢条件， 从而加速垃圾和渗滤液中有机物的降解和建立产甲烷环境。研究结果表明渗滤液 回灌技术能加速垃圾稳定化，降低渗滤液污染强度，产甲烷期集中，增强对垃圾 层有毒有害物质的滞留和代谢。从而证明了渗滤液回灌技术可应用于城市垃圾卫 生填埋场的可能性，为将来更大规模的研究提供有力的参考。 1 2 3 准好氧型填埋场 1 9 6 7 年，福冈大学的m a s a t a k ai a n a s h i m a 教授发现如果对垃圾场的固体废物 供气充分，废物分解的速度就会加快，从而得出了好氧菌在固体废物的降解中起 了重要作用的结论。好氧型生物反应器填埋场对垃圾的降解速度明显快于厌氧填 埋场，目前在国外有许多中试和生产规模的试验相继开展1 2 s - 3 2 。1 9 7 2 年的福冈 大学和福冈市政府合作进行了为期3 年的好氧填埋场现场试验，研究表明：在有 氧的条件下，由于微生物活动的增强，垃圾的降解及稳定化进程得到极大的提高： 渗滤液水质也以极快的速率得到改善。但是好氧填埋技术需要消耗大量的能源用 于输送空气因而很不经济。基于这点，m a s a t a k ah a n a s h i n 教授又经过多次的研究， 提出了“准好氧填埋”的概念，并在福冈大学的实验室中建立了第一个准好氧卫生 填埋场。1 9 7 5 年，在福冈政府的支持下，第一个准好氧填埋场一妣k a m a t a 填 5 北京工业大学工学硕j j 学位论文 ln i 一一 i i 皇曼鼍曼皇曼鼍 埋场建成。从实践验证了准好氧填埋对环境的积极作用。1 9 7 9 年，准好氧填埋 技术被日本健康福利省( 部) 颁布的垃圾最终处置方法指导方针推荐为本国 垃圾最终处置方法 19 8 0 年，花鸟正孝教授在“准好氧填埋”的基础上又提出了“循环式准好氧填 埋”概念，现己用于实践 3 3 】当前，日本己经熟练地掌握了准好氧填埋技术，他们 不仅对准好氧填埋技术的构造、功能、降解机理、垃圾稳定化机理及特征，乃至 渗滤液收集管中的空气流动率对渗滤液水质的影响、场中重金属的溶解等等都有 深入的研究。 当前，准好氧填埋技术己经成为固体垃圾管理的标准形式在日本得到广泛使 用，己建成的多个准好氧垃圾填埋场均运行良好。此外，马来西亚、印度尼西亚、 非律宾、巴西、韩国的多个城市通过与日本进行技术合作也采用了此填埋技术来 处理城市生活垃圾，运行状态良好。 近年来，我国一些研究者开始研究准好氧填埋技术 3 4 - 3 7 1 ，准好氧填埋无需动 力供氧，空气自然通入，使得填埋场内部存在好氧区域，有利于硝化反应和反硝 化反应同时进行，使得渗滤液得到处理，同时加快垃圾的稳定化。 准好氧填埋相对于厌氧填埋有以下优点： ( 1 ) 准好氧填埋场中，渗滤液问题得以缓解。在日本实地监测中，回灌型准 好氧填埋场中的渗滤液b o d 5 浓度在1 0 0 天内由初始的1 2 0 0 m g l 降低到 2 0 0 m g t , ，1 7 5 天内降到5 0m g l ，两年内降到3 0 一4 0m g l ，有效地避免了由于 渗滤液中氨氮浓度高引起的处理难度大，费用高的问题； ( 2 ) 准好氧填埋场好氧区域的存在，抑制了沼气和硫化氢等气体的产生，降 低其产量，减少了对周围环境的污染； ( 3 ) 准好氧填埋场稳定化时间短； ( 4 ) 准好氧填埋场中渗滤液收集系统的出水口高于渗滤液收集池的水面，可 使产生的渗滤液迅速流出，更利于渗滤液的收集，降低了污染地下水的可能性； ( 5 ) 管理、维护费用较低； 因此加强对准好氧填埋场的研究对促进垃圾渗滤液降解及加速填埋场的稳定 化有积极作用。 1 2 4 填埋场污染物降解模型研究 为了给填埋场的设计提供帮助，在过去的2 5 年里已经有许多研究者应用模型 来模拟填埋场稳定化和渗滤液水质的结果。填埋场的设计不断发展并且以减少对 环境的污染为最终目的。虽然填埋场的设计从一开始的无控制的堆放发展到了高 技术含量的处理场，但是填埋气体和渗滤液的残留仍是一个不可避免的问题。为 了控制填埋过程和使其对环境影响最小化，急需一种针对填埋场的工具来对填埋 场的设计提供帮助。模拟填埋废物活动的数学模型为估计填埋场的环境影响预测 6 第1 章绪论 渗滤液水质和填埋气体提供了工具。 许多填埋模型只侧重于一方面内容，或是液态或是气态或固态。e l f a d e l 等 【3 8 , 3 9 , 9 7 - 9 9 】回顾了以前许多年的模型工作和成果提出以前的大多数模型都是围绕 着液相和气相进行。e l f a d e l 和g h o u i y 3 9 】提出的向固相方面的转移，是模型一 大进步。过去的模型模式化与强调对填埋环境是否成功模拟。有两方面的弊端是 显而易见的。其一，缺乏多方面的手段，其二，在相反的两个方法极度简化和极 度复杂的两种模拟手段中徘徊。现阶段数学模拟大部分侧重于对渗滤液的模拟， 目的是预测渗滤液的水质和水量。对气体和废物处理方面的内容已经在数学模型 中分离了出去。从反应设计为起点，填埋是一个复杂的系统，这个系统包括气液 固三相。很显然，这就需要一个很复杂的模拟方式来描述气液固三相之间的反应 过程。w i 曲和b r u n n e r 通过一个实验模拟的填埋场中用一个半经验的方程来描 述渗滤液中各种污染物的浓度变化过程。这个方程基于两个一级连续反应并且将 污染物的浓度描述成一个渗滤液累积量的函数，一个浓度最大值和两个反应率常 数。与渗滤液浓度变化过程相一致的方程系数是通过经验估计得到的。f u l l e r 等 应用一个现存的分析方法来描述实验室模拟中由于纵向离散作用而影响的c d 、 n i 和z n 的转化过程，这个与填埋场不同的是化学和物理系数是可以控制的。 r a v e h 应用一个经验函数来描述实验室填埋模拟柱中不同污染物浓度的转化过 程。污染物浓度的降解经验系数是通过一系列的试验估算出来的。k o r f i a t i s 等用 在有空隙介质中不饱和水流理论分析实验室模拟柱中渗滤液的水流情况。他们得 出在含水量低于场地容纳的能力时离散作用占主要地位。渗滤液的水质和溶解物 的转化没有进行模拟。d e m e t r a c o p o u l o s 应用k o r f i a t i s 的成果进一步研究了用数 字技术来模拟渗滤液的变化和在固废填埋内部的转化。w i l l i a m s 、b a t t a g l i a 和 v i n c e n t 用一个包括流体动力学模块的生物动力学模型来描述填埋场中的水流， 最终的模型( g t l e a c h i ) 合理的预测了易挥发酸和产气阶段的过程。 p i t t l e a c h 一2 是以上模型功能的延伸，它是以水文学、水力学、物理、化学和 微生物过程之间的基本关系为基础的。现在对模型的研究正处在一个发展的阶 段，有待于我们更深一步的研究，对填埋过程进行整体的模拟，从而更清晰更直 观方便的了解填埋过程污染物的降解过程，通过敏感性分析找出对污染物降解的 主要影响因素，这就可以为填埋场的设计提供帮助了。此外通过模拟填埋场污染 物的状态可以预测填埋场的稳定化年限。 1 3 本课题主要研究内容和预期目标 1 3 1 研究内容 通过实验室模拟实验，分析城市固体废物填埋过程中固相、液相氮的动态变 化和微生物特性，分析不同运行方式下产生渗滤液中污染物质的迁移转化，优化 7 北京t 业大学工学硕十学位论文 m l 曼! 曼皇曼曼蔓曼鲁皇! 曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼鼍皇曼! 皇曼曼曼鼍曼! 鼍兰曼曼曼舅皇曼曼曼寰皇曼皇曼曼舅! 曼曼曼曼曼曼皇曼鼍 运行方式，解决厌氧和准好氧填埋过程中氨氮的积累问题，通过监测垃圾渗滤液 里面污染物的浓度变化情况，研究典型城市固体废物填埋过程的代谢机理及典型 污染物氨氮的迁移转化途径。对渗滤液经序批式微生物反应器处理后回灌和渗滤 液准好氧回灌处理进行深入的研究。通过对污染物迁移转化规律的研究构建污染 物降解数学模型，并通过监测数据对模型进行验证以及参数的率定。将实验与模 型相结合分析各污染物在回灌处理过程中降解及转化趋势，调整模型参数使其能 模拟在不同运行方式下渗滤液中污染物的变化趋势，同时建立了填埋场中气体迁 移转化模型，模拟出填埋场中不同位置产气情况及其随时间、填埋深度的变化情 况，从而为预测垃圾填埋场稳定化年限、使用年限和填埋气收集提供参考，为填 埋场的设计和运行提供设计依据。 第1 章绪论 1 4 技术路线和研究方法 实验室模拟序批式回灌、准好氧回灌、 原液回灌三种不渗滤液回灌方式。 上上 对温度、碱度、p h 缓冲、含水率、营养 物等渗滤液降解过程影响因素进行研究 儿 研究渗滤液特性的变化 测量渗滤液p h 、o r p 、n h 4 - n 、t n 、c o d 、t o c 、k n 、 荧光、腐殖酸、富里酸、亲水性酸等指标。 上上 污染物消减特性分析 u 优化m s w 填埋场运行方式 弋7 根据污染物降解转化机理等动力学原理和多空介质中气体 扩散机理构建填埋场数学预测模型。 ，u 根据试验数据优化模型和参数率定 上上 一体化填埋场内污染物降解随机过程模型 1 5 实验方案 1 、采用4 个试验柱，柱高1 2 m ，内径2 0 0 m m 。1 群柱原液回灌为对比；2 # 柱 装新鲜垃圾，3 # 柱装成熟垃圾，2 # 和3 # 柱通过渗滤液相互回灌构成序批式生 物反应器填埋柱，错柱渗滤液准好氧回灌。 9 北京t 业大学t 学硕士学位论文 2 、所有装填垃圾按相同密度5 5 2 k g m 3 填入，填埋柱有效容积0 0 31 4 m 3 ，每 个装置装填1 7 3 3 k g 垃圾，垃圾装入后上部填入1 0 c m 厚的细砾石，上部加布水 器，加上密封盖，冬天装置外加有保温层。 3 、定期监测渗滤液水质，渗滤液水质主要分析t o c 、v f a 、p h 、n h 4 - n 、 t p 、k n 、o r p 和d o m 。对监测模拟试验结果进行分析，进行对比总结各种污 染物的变化规律。 4 、在渗滤液中添加典型有机污染物，考察其在填埋柱中的降解特性。 5 、结合现场试验数据，在分析国内外模型和分析渗滤液回灌处理中污染物的 迁移转化规律的基础上，建立填埋场污染物降解模型和填埋场产气模型。 6 、通过实验数据对污染物降解模型进行验证优化，确定模型参数，进行不同 处理方式的污染物降解过程预测。 7 、对污染物降解模型进行敏感性分析，确定填埋场污染物降解的主要影响因 素，同时对模型结果进行不确定性分析。 8 、在分析国外填埋气迁移转化三维模型的基础上，构建了填埋气产生和迁移 三维模型。运用有限单元法，模拟填埋场内填埋气不同组分的变化情况，直观的 表现出了填埋气在整个填埋体系中的时空变化规律。 第2 章序批式生物反应器填埋场的脱氮特性 lllii i i ii i ni i 一,i 曼皇! 曼曼鼍曼兽曼曼鼍寰曼曼曼皇曼 第2 章序批式生物反应器填埋场的脱氮特性 近年来，人们越来越来强调垃圾填埋场作为生物反应器来运行以加快垃圾的 降解和稳定化【加1 ，生物反应器填埋场是通过强化微生物过程加速垃圾中可降解有 机组分的转化和稳定化，可有效增加填埋场容量和气体产率，对渗滤液进行原位 处理，加速垃圾的处置，减少填埋费用等【7 】。由于城市生活垃圾中含有大量的蛋 白质，这些蛋白质在降解过程中产生大量的氨氮，氨氮在厌氧条件下是稳定的， 积累在渗滤液中。渗滤液中高氨氮浓度，低碳氮比增加了渗滤液生化处理的难度。 有许多研究关于富含氨氮渗滤液的生物处理技术，处理费用昂贵，系统运行不稳 定。填埋场内部的反硝化效率以及原位脱氮技术在国外均有部分研究【4 1 埘】，但利 用填埋场新老填埋单元的回灌实现脱氮的研究则鲜有报道。 本实验利用腐熟垃圾和新鲜垃圾的填埋柱渗滤液的相互回灌，分析渗滤液的 理化性质、氮各种形态的动态变化，通过运行条件的改变，研究了序批式生物反 应器填埋场脱氮特性及可能发生的与脱氮有关的反应过程。 2 1 实验原理 2 1 1 填埋污染物降解机理 填埋场降解是个非常复杂的过程，在填埋场内发生着一系列复杂的物理、化 学及生物反应，其生物化学原理至今尚未完全阐明。这些反应持续时间很长，一 般要几十年甚至上百年。研究表明，尽管这些反应既复杂又漫长，但是填埋场污 染物降解大致可以分