（环境工程专业论文）矿化垃圾筛分与垃圾渗滤液腐殖质性质表征研究.pdf

摘要 摘要 矿化垃圾的开采和资源化利用不仅可以缓解我国垃圾填埋用地的紧张形 势，而且能够回收其中的可利用资源。本文利用滚筒筛作为矿化垃圾筛分的主 要分选机械，研究了滚筒筛筛分矿化垃圾细料的最佳运行参数，并将细料作为 矿化垃圾生物反应床的填料处理垃圾填埋产生的渗滤液，同时对渗滤液中腐殖 质在矿化垃圾反应床工艺中的性质变化进行了表征，探讨了渗滤液中腐殖质与 重金属作用规律及其对环境产生的影响。主要的研究成果如下： ( 1 ) 针对上海市老港垃圾填埋场填埋龄为1 0 年的矿化垃圾，选择了滚筒筛 作为分选手段，并对其运行工况进行了研究。结果表明，开采出来的垃圾中可 利用的细料占3 9 ，可回收物质占2 2 ，具有较高的回收利用价值。同时确定 了实验用滚筒筛筛分矿化垃圾的孔径为4 0m l n ，在v 。“为滚筒实测转速， v l 。为滚筒极限转速) 为0 5 l 0 6 0 、角度为4 5 0 6 5 0 时滚筒筛处于最佳运行条 件。在老港矿化垃圾开采工程的现场实践中，采用滚筒筛在v ，、，。为o 7 3 的情 况下取得了9 0 的筛分效率。 ( 2 ) 通过对老港填埋场新鲜渗滤液中的腐殖质分析表明，腐殖质对渗滤液 c o d 以及t o c 的贡献分别达到了3 0 2 和4 1 1 。渗滤液在经过矿化垃圾反应 床处理后，其中的腐殖质组分得到了不同程度的去除，h a 和f a 分别减少了 6 2 3 和3 5 7 。研究表明渗滤液中的腐殖质均含有羟基、羧基等特征官能团； 进出水渗滤液中的腐殖质特征官能团未发现有明显区别，但h a 的大分子物质成 分明显减少。另外出水中h a 和f a 的c 含量、c h 和c o 增高，说明出水中剩 余腐殖质的腐殖化程度较高。 ( 3 ) 垃圾和渗滤液中汞含量都相对较高，对环境存在一定威胁。渗滤液中其 它重金属的含量较低，但重金属的总量相对较高，且会进一步从垃圾中溶出， 易对环境产生复合污染。矿化垃圾反应床进出水的腐殖质( 包括h a 和f a ) 对 重金属的络合能力差别较大，出水的腐殖质的金属络合能力( c u 、h g ) 强于进 水的腐殖质以及天然水体中的腐殖质。在重金属污染方面，渗滤液存在一定的 环境威胁。 关键词：矿化垃圾生物反应床；渗滤液；腐殖质；重金属 a b s 打a c t a b s t r a c t a sa g c dr e f u s ei sc o n s i d e r e dt ob ear e u s a b l er e s o u r c e ，t h ee x c a v a t i o no fa g e d r e f u s ec a l ln o to n l ya l l e v i a t et h ep r e s s u r eo fi n c r e a s i n g l yl i m i t e dl a n d f i l ls i t e ，b u ta l s o r e c y c l et h em a t e r i a l si ni t i nt h i sw o r k ，t h ea g e dr e f u s ew a su s e da st h es u b s t r a t et o m a k ea na g e d - r e f u s e - b a s e db i o r e a e t o r ( a r b ) t ot r e a tr e f u s el e a c h a t e m e a n w h i l e t h e h u m i es u b s t a n c e si nl e a c h a t ew e r ec h a r a c t e r i z e d ，e s p e c i a l l yo nt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nh u m i cs u b s t a n c e sa n dh e a v ym e t a l si nl e a c h a t e ，a i m i n gt oi m p r o v et h e l e a c h a t et r e a t m e n tb ya r ba n dt h ea s s e s s m e n to fl e a c h a t e se n v i r o n m e n t a li m p a c ta s w e l l 1 1 l em a i nf i n d i n g sw e r el i s t e db e l o w ( 1 ) t h e1 1 i g hp r o p o r t i o no fr e e y e l a b l ea n dr e u s a b l em a t e r i a l si na g c dr e f u s e m a k e si taf a v o r a b l ew a s t ef o rw a t e rt r e a t m e n ta n dr e s o u l c er e b s e t h er e s u l t so f s c r e e n i n gt e s t ss h o w e dt h a t t h eo p t i m u mo p e r a t i o np a r a m e t e r s f o rt h et r a m m e l 1 e e r l e rw i t l lap o r es i z eo f4 0l n i nc o u l db eo b t a i n e dw h e nav ，v m “( w h e r ev r e v o l u t i o ns p e e da n d jm a x i m u mr e v o l u t i o ns p e e d ) a n dar o l l e ra n g l er a n g e df r o m 0 5 1t o0 6 0 ，4 5 。t o6 5 。，r e s p e c t i v e l y i nt h el a r g e s c a i ep r a c t i c ea ts h a n g h a i l a o g a n gr e f u s el a n d f i l l ，t h et r o m m e ls c r e e a l e rw i t hav ，v m xo fo 7 3w a sa p p l i e d ， a c h i e v i n gas e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo f o v e r9 0 ( 2 ) t h eh u m i cs u b s t a n c e se x t r a c t e df r o ml e a c h a t ea ts h a n g h a il a o g a n gr e f u s e l a n d f i l la c c o u n t e df o r3 0 2 o ft h el e a c h a t e sc o da n d4 1 1 o ft o c a f t e r t r e a t m e n tu s i n ga r b 6 2 3 a n d3 5 7 o ft h eh u m i ca c i d sa n df u l v i ea c i d si n l e a c h a t ec a l lb er e d u c e dr e s p e c t i v e l y i nt e r m so ff n r ，an e g l i g i b l ed i f f e r e n c e b e 咐嘲t h eh u m i cs u b s t a n c e se x t r a c t e df r o ma r b si n f l u e n ta n de f f l u e n tw a s o b s e r v e d 啪1 i l et h eh u m i ca c i d sw i t hl a r g em o l e c u l a rs i z ei nc a nb er e d u c e dg r e a t l y u s i n ga r b i na d d i t i o n , cc o n t e n t , c ha n dc oo fh a a n df ai nt h ee f f l u e n t sw e r e h i g h e rt h a nt h o s ei nt h ei n f t u e n t s ( 3 ) t h o u g ht h ec o n c e n t r a t i o n so fi n d i v i d u a lh e a v ym e t a l si nl e a c h a t em a yb e r e l a t i v e l yl o w , h o w e v e r , t h et o t a la m o u n to f h e a v y m e t a l sm a yb eq u i t eh i g ha n de x e r t c o m b i n e dp o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t , e s p e c i a l l yw h e nr e l e a s e df r o mr e f u s e a b s t m c = t s u b j e c t e dt ot h ee n v i r o n m e n tc h a n g e s i tw a sf o u n dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so f r i gb o m i nl e a c h a t ea n dr e f u s es e e m e dt ob eh i g h , a n dt h em e t a l ( o la n dh g ) b o u n dw i t ht h e h u m i cs u b s t a n c ei nt h ee f f l u e n t ss h o u l db es t r o n g e rt h a nt h o s ef t o mt h ei n f l u e n t k e yw o r d s ：a g e d - r e f u s e - b a s e db i o r e a c t o r , l e a c h a t e , h u m i cs u b s t a n c e , h e a v ym e t a l 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：劢扩啕 瞵；月侈日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 生活垃圾处理方式包括填埋、焚烧、堆肥，填埋工艺由于投资和运行费用 低，目前在世界上许多国家得到了广泛应用，成为发展中国家生活垃圾的主流 处置方式；在国土面积较大的发达国家中，许多国家也采用卫生填埋方法【1 捌。 根据我国经济发展现状与趋势，以及我国垃圾的高含水率、低发热量特性，在 今后相当长的时间里，卫生填埋仍然是我国处理生活垃圾最重要的方法之一【3 5 】。 随着城市化的发展，垃圾产生量不断攀升，目前我国城市垃圾的产生量已突破 1 5 亿t ，填埋用地日益紧张，而延长填埋场的使用寿命是解决这一问题的最佳 途径【6 j 。通过矿化垃圾的开采和利用不仅可以实现填埋场地的再生利用，而且可 以进一步实现垃圾的资源化利用 7 1 。生活垃圾填埋场的开采与利用已成为欧盟 ( 如荷兰嗍) 和日本等国家的重点研究与实践领域。目前我国的垃圾堆场和垃圾 填埋场存在着大量的矿化垃圾，而对矿化垃圾的开采与利用尚未大规模的进行 工程实践，针对矿化垃圾的资源化研究及应用还较少，尤其是矿化垃圾开采后 的预处理如筛分等，国内缺乏相关的研究和实践经验。 垃圾填埋场产生的渗滤液之处理一直是世界上公认的难题。目前，我国有 生活垃圾填埋场7 0 0 多座，日产渗滤液4 - 8 万吨，其中经过处理而达到国家二级 排放标准( c o d 3 0 0m g l ) 的渗滤液比例不高于1 0 。主要原因是渗滤液处理 所采用的是生活污水的处理工艺，而渗滤液的性质又与生活污水存在着很大的 差别，因此这些渗滤液处理工艺的处理效果差，运行困难，处理成本偏高，填 埋场难于接受。如果按照c o d 计算，这些渗滤液相当于8 0 一1 6 0 万吨生活污水。 目前渗滤液处理难的问题已经严重制约我国生活垃圾处理技术的发展，严重影 响填埋场的正常运行。渗滤液常规处理方法有生物处理法、物理化学法、土地 处理法和合并处理法。但是，这些常规方法都存在着种种问题，如运行管理困 难、成本较高、出水水质不达标等。 针对渗滤液难处理的现状，我国研究学者因地制宜，创新性的采用矿化垃 圾来处理渗滤液，矿化垃圾生物反应床处理渗滤液的工艺具有投资少、运行费 第1 章引言 用低的优点，但也同时存在着处理负荷较低、处理后出水难以达标等不足，深 入研究渗滤液的有机物组成和性质在该工艺中的变化，成为如何提高矿化垃圾 反应床处理效果的关键问题。 生活垃圾填埋场中存在着大量的重金属，而渗滤液中的重金属总量也处于 较高的水平，而且重金属还可能因为环境条件的变化从垃圾中释放出来，因此 渗滤液中的重金属污染问题不容忽视。 1 2 课题来源 本课题为上海市科学技术委员会重大专项( n o 0 5 d z l 2 0 0 3 ) “老港填埋场生 态修复与土地资源循环利用技术与示范”的子课题之一。 1 3 研究目的与意义 近年来，随着生活垃圾量的日益增多，填埋场用地越来越紧张，如何解决 新增垃圾的出路问题引起了国内广大城市的关注。而开挖填埋场矿化垃圾，是 增加现有填埋场库容，延长填埋场的实用寿命，解决上述问题的最佳途径。分 选是城市生活垃圾后续处理处置及综合利用的重要前处理步骤，而通过对垃圾 填埋场开采出来的矿化垃圾进行分选，可获取大量可回收利用的资源【7 ，1 9 l 。从矿 化垃圾中分选出的细料则是构筑用于处理渗滤液的矿化垃圾生物反应床的关键 填料。国内绝大部分的矿化垃圾开采现场均未进行机械分选的预处理工作，对 于矿化垃圾分选的实验研究也鲜见报道。在筛分的机械中，滚筒筛具有筛分效 率高、消耗功率少、结构简单、管理方便等优点【捌。考虑到老港垃圾填埋场开 挖矿化垃圾工程的后续用途( 用于构筑矿化垃圾生物反应床) ，滚筒筛的特性也 符合工程技术的要求。若能首先从实验室规模研究矿化垃圾开采后的分选工艺， 对于矿化垃圾大规模的开采与分选，将具有工程上的指导意义。 国内在利用矿化垃圾的细料处理废水尤其是垃圾渗滤液的研究方面已经展 开了相关工作。赵由才等 9 , 1 7 , 3 4 利用塔式的矿化垃圾生物反应床处理垃圾渗滤液， 最终主要污染物( 如c o d 、氨氮等) 的去除率达到9 0 9 9 以上，并且此工艺 具有基建和运行费用低、操作维护方便、耐负荷冲击、使用寿命长等的优点。 但同时，该工艺在处理垃圾渗滤液方面也存在着一些问题，比如反应床的工艺 2 第1 章引言 出水中因含有胡敏酸、富里酸类有机物以及有机卤代物等难于生化降解的有机 物，c o d 指标始终无法达到1 0 0m g l 的国家一级排放标准要求，这在一定程度 上是由于渗滤液中存在腐殖质。因此，深入研究渗滤液中腐殖质的含量并考察 渗滤液在生物反应床前后的组成与性质变化，有助于进一步了解渗滤液在经过 生化处理后不能达标的原因，而且对该工艺处理垃圾渗滤液的发展具有理论及 实际意义。 对于渗滤液的性质国内外学者均进行了不同程度的研究，但是对于渗滤液 中腐殖质的性质及其对环境的影响( 如与重金属的相互作用) 研究尚处于发展 阶段。填埋场中存在着大量的重金属，其中大部分均固定在填埋垃圾中，但其 潜在的环境影响仍然应该引起重视。渗滤液出水中含有大量的可溶性腐殖质， 腐殖质与重金属的相对作用对重金属的形态、生态毒性以及迁移转化规律有着 重要的影响。研究渗滤液中腐殖质与填埋场重金属的相互作用，即从微观角度 研究渗滤液中腐殖质对重金属迁移变化的影响，将能更好地评估渗滤液中的重 金属污染问题。 第1 章引言 1 4 主要技术路线 4 第2 章文献综述 第2 章矿化垃圾的开采利用及渗滤液腐殖质研究进展 2 1 生活垃圾填埋场矿化垃圾的开采与综合利用 2 1 1 我国生活垃圾填埋概况 国内外对于城市生活垃圾的处理处置方式，主要有填埋、堆肥和焚烧三种 【2 1 2 2 1 。不同处置方式的选择受到国情、垃圾成分、经济技术水平等因素的限制。 有资料报道 2 3 刀】，在三种处置方式中，填埋技术因其操作工艺简便、投资和运行 费用相对较少、运行管理方便等技术经济优势成为世界上土地资源较丰富的发 达国家及多数的发展中国家主要垃圾处置方式。 发展历史在百年以上的国家，早期对城市生活垃圾处置方式基本都采用填 埋法，我国早在唐代就对都城人们日常生活的废弃物采用土地掩埋法处置【2 5 1 。 发达国家如德国、英国、美国等对城市生活垃圾也采用填埋处置【冽。 根据我国建设部综合财务司以及国家统计局的统计资料( 见表2 1 ) ，近年 来我国城市垃圾清运量以年均大于8 的速度递增。截至2 0 0 5 年底，全国6 6 8 个建制市共有各类生活垃圾处理厂( 场) 4 7 1 座，处理量为8 0 5 1 万吨年。其中城 市生活垃圾填埋场3 5 6 座，处理量6 8 8 9 万吨。 表2 11 9 8 0 - 2 0 0 5 年间我国生活垃圾处理处置情况 5 第2 章文献综述 从表2 1 中可看出：虽然随着我国经济建设的发展，很多地方都建设了不同 类型的填埋场，城市生活垃圾的处理走向了一个规范化的道路。根据国家统计 局的资料，2 0 0 5 年卫生填埋的处理量为6 8 5 7 万吨，占总处理量的8 5 2 ，这说 明卫生填埋仍将作为我国城市生活垃圾的主要处理处置手段，这意味着不管是 现在还是将来，我国都还需要大量的土地资源来处置生活垃圾。 生活垃圾填埋场存在的另外一个问题是造成资源的浪费。对于我国以及多 数发展中国家来说，由于对城市生活垃圾没有采用分类收集，而是混合收集后 直接填埋，这极大地造成了资源的浪费。因为城市生活垃圾具有鲜明的时间和 空间特征。从时间方面看，它仅仅是在目前的科学技术和经济条件下无法加以 利用，但随着时间的推移，科学技术的发展，以及人们要求的变化，今天的垃 圾可能成为明天的资源；从空间角度讲，垃圾仅仅相对于某一过程或某一方面 没有使用价值，而并非在一切过程或一切方面都没有使用价值，一种过程的废 物，往往可以成为另一种过程的原料，从这里可以看出，垃圾其实也是一种资 源【”】，更何况生活垃圾经过初步的分选就能分离出大量的可回收物质。 2 1 2 填埋场的开发利用和矿化垃圾的开采利用实践 早期封场的垃圾填埋场不同国家不同地域其利用方式不同，英国、美国等 发达国家对早期封场的城市生活垃圾填埋场作为开敞式的户外娱乐场所，如高 尔夫球场、田径场、足球场掣2 8 川。特别在英国【2 9 1 ，这种方式的利用率已达封 场垃圾填埋场的4 0 5 0 ，美国还在填埋场上修建影剧院【3 l 】，影剧院中的桌、 椅、凳子等用品均用垃圾废弃物制作，放映的影片就是利用垃圾废料制作有用 品的全过程，同时还为少年儿童提供制作场所，培养他们的环保意识，作为环保 教育基地。对于新近封场的垃圾填埋场，基本用作各种自然生态基地、公园、 植物园、苗圃、农场等1 3 2 】。我国上海市菜区域中心，2 0 年前位于郊外的生活 垃圾填埋场，现在已变成区域中心的绿地公副2 7 1 。这种利用方式不仅产生了良 好的经济效益，而且产生了很好的环境效益，增加了城市郊外的绿地面积，净 化了空气，改善了环境，社会反响也很好，但仍然没有解决填埋场用地紧张的 问题。 针对填埋场的终场利用，垃圾填埋龄在8 1 0 年以上( 北方地区1 0 1 5 年 以上) ，表面沉降量小于1 0m m a 、垃圾中有机质含量小于1 0 ，易降解物质完 6 第2 章文献综述 全或接近完全降解，垃圾自身几乎不再产生渗滤液、填埋气和异味，此时的垃圾 称为矿化垃圾【6 3 4 , 3 5 1 。 根据对上海市老港生活垃圾填埋场的研究，具有8 1 0 年填埋龄的矿化垃 圾挖出经晾干后，散发出新翻泥土的清新气息，无其它异昧，而取自开挖单元 的渗滤液水质也达到了三级排放标准，其中有机物主要为难降解的腐殖质。垃 圾在外观组成上，除大块的塑料、碎玻璃、石子、动物骨头以外，其细粒部分 状似土壤，黑色、分散、质粒较均匀，在外观性状上已完全不具有原始生活垃 圾的特型3 6 1 。 国内外研究人员对需要开采的垃圾填埋场从经济方面进行了分析 3 8 - 4 1 】，论 证开采的价值。其中主要包括土地收益、回收资源收益，扣除前期研究费用， 开采费用，采用垃圾填埋场开采费用一效率分析数学模型，筛选出最有开采价 值的垃圾填埋场。早在二十世纪五十年代，以色列特拉维夫( t e la v i v ) 市就有了 开采矿化垃圾的历史【3 ”，该市填埋场有一系列的输送机和滚筒筛。滚筒筛长约 5 3m ，直径1 8m ，筛孔为2 5r a l n ，有间歇式轮叶，滚筒筛的转速为1 3r m i n 。 筛分细料主要用于土壤改良，腾出来的空间再填埋新的垃圾，使填埋场重复使 用。菲律宾大马尼拉b a l u t 垃圾处理场、德国的布尔库堡夫处置场等地都较早地 进行了稳定化垃圾的开采与利用【3 9 】。美国佛罗里达n a p l e s 填埋场开采回收了可 燃性废物，挖掘出来的细料作为填埋场覆土加以利用。纽约e d i n b u r g 填埋场的 开采在减少封场维护和监管费用、污染治理费用和另外开发填埋场的成本方面， 取得了明显的经济效益1 3 6 1 。美国1 9 9 0 年 4 0 , 4 ”，对l a n c a s t e r 县f r e yf a r m 垃圾填 埋场进行开采，所开采的矿化垃圾5 6 转化成了燃料，4 1 用于回收泥土和含 铁金属，剩下难以利用的3 用于回填，在扩大填埋库容的同时，实现了陈垃圾 的有效利用。阿拉伯国家的滨海地带【4 1 】，以色列、荷兰等国裂8 , 4 3 。4 5 1 ，开采垃圾 填埋场的主要目的是为了获得土地资源；一些发展中的国家【3 5 , 4 6 - 4 9 ，已经填埋的 生活垃圾基本上是采用混合收集的方式，而未进行分类收集，通过开采还可回 收大量可利用资源。 以色列、美国在垃圾填埋场的开采方面，已积累了一定的经验，美国国家 环境保护局已专门发行垃圾填埋场开采的技术性文件 5 0 , 5 1 1 。我国目前大中城市填 埋场占地和库容较大，使用年限均较长，按照分区填埋、分区封顶的方案设计， 填埋场不同区域的稳定化进程将逐步实现，这就为矿化垃圾的形成、开采利用 和动态填埋提供了良好平台。由于我国垃圾进行填埋处理的历史不长，填埋场 7 第2 章文献综述 的开采尚未普遍地列入工程计划。目前，仅上海老港、黎明和三林塘等填埋场 作过一些积极尝试。赵由才课题组对上海老港填埋场4 0 号填埋单元的1 0 0 0 0t 矿化垃圾( 填埋龄为l o 年) 进行了开采，经过1 5d 的晾晒、筛分后，得到6 0 0 0 t 有机细料( d 曼4 0r a m ) ，1 2 0 0 1 5 0 0t 塑料、玻璃、金属等可回收物品，剩下的 2 8 0 0 2 5 0 0 t 粗料回填到填埋单元中，由此腾出的7 0 0 0 m 3 库容得以填埋新鲜垃 圾【蚓。 2 1 3 矿化垃圾的利用途径 我国研究学者在对上海老港填埋场稳定化进程的十余年研究中，为矿化垃圾 的综合利用开辟了崭新的途型1 0 1 4 1 ，并获得了多项国家发明专利 1 5 - 1 8 】。李雄等用 对分选后的矿化垃圾产品的资源化利用途径进行了分析：( 1 ) 金属、玻璃回收后 出售；( 2 ) 废塑料、橡胶的用途有：作燃料，与矿化垃圾中可燃烧的成分如木块、 竹块等均可以送往垃圾焚烧场作为燃料，或制成固形燃料( r ef u s ed e l i v e df u e l ， r d f ) 出售；热解制油；造粒；再生成各种塑料、橡胶器具；( 3 ) 大块无 机物材料如砖头、石头类经破碎后可用作各种建筑材料；( 4 ) 筛分下的细料由其 不同的填埋龄决定其用途：填埋龄在5 年内的适合用于城市园林绿化肥料；填 埋龄在6 9 年的适合用作垃圾填埋场封场后的表层营养土；老港填埋场已有应 用示范工程，在填埋龄1 0 年以上的试验单元上用矿化垃圾细料作营养土培植苗 圃；填埋龄在1 0 1 5 年的适合于作污、废水的处理介质；填埋龄大于1 5 年的 适合于作填埋场的日覆盖材料和终场覆盖材料，其中的煤炭灰分含量较高，密 实性能较好。其具体应用情况见图2 1 。 第2 章文献综述 尾水捧放经深度处理后达标排放 图2 1 矿化垃圾的综合利用框图 ( 1 ) 用作填埋场覆盖材料 现在通常卫生填埋场采用土壤作为覆盖物，但如果就地取土困难，且土源较 远而导致土价较高的话，寻找合适的替代覆盖材料则显得尤其重要。c l a i r e t 5 2 1 发 现将陈垃圾用作日覆盖材料可防治恶臭；吴军【5 3 】等认为将填埋龄超过l o 年的矿 化垃圾经过二次发酵大概一个月后，即可用作日覆盖材料，除具有就地取材、 价格低廉的优势外，还有生物吸附和脱臭的功能。李启彬【5 4 l 等在挑选生物反应 器填埋场临时覆盖材料时，认为稳定垃圾分选的细粒物在渗透能力上完全满足 要求。徐勤【l3 】等在经过对国内外终场覆盖情况与标准的比较后，提出在终场覆 盖系统中，可将矿化垃圾作为其中的营养层。 ( 2 ) 土地及园林利用 矿化垃圾经过了多年的填埋，其中大部分的有机物都得到了充分降解，经一 定的筛分后可得到含有丰富有机质和多种植物营养元素的腐殖土。这样的矿化 垃圾可广泛地应用于农田、林地施用、园林绿化以及受损土壤的改良和修复等。 城镇垃圾农用控制标准规定城镇垃圾农用的粒径应小于1 2m m ，我国的研究 工作者大多以1 5m n l 作为筛分的孔径。徐勤【5 5 l 等对老港的陈垃圾进行了筛分实 验，结果显示填埋年限为6 年、8 年、1 0 年的陈垃圾小于1 5m m 的细料分别占 9 第2 章文献综述 3 2 7 2 、3 7 6 5 和4 1 3 1 。赵树割5 6 】等所作研究表明深圳盐田垃圾场矿化垃圾 1 5m i l l 以下的细料平均占4 0 8 ，且大部分为营养渣土。而在对矿化垃圾的有机 质和营养物质含量的研究方面，郭亚丽【5 。7 】等对上海老港填埋1 0 年和6 年粒径小 于1 5m i l l 的矿化垃圾基本特性进行了相关研究。其中6 年矿化垃圾的有机质和 营养物质满足国家的相关要求。这说明矿化垃圾的土地和园林利用是有很大潜 力的。 赵由才等【3 6 】在0 2 7h n l 2 的稳定化填埋单元中，利用矿化垃圾细料进行种植研 究，这不仅显著改善了封场单元的生态环境，而且取得了一定的经济效益。王 立【5 8 j 在封场单元覆盖系统中添加矿化垃圾，结果表明，这可以有效地改善植被 层土壤的营养状况。 ( 3 ) 加工成建筑材料 张华【6 2 】等认为稳定后的矿化垃圾可用作一般性的建筑材料。而用矿化垃圾中 的煤渣和碎石粉碎后与4 2 5 号水泥、黄沙掺合后可制作大型砖块。上海老港填 埋场建立的垃圾制砖生产线，用矿化垃圾中的煤灰、地灰、砖头、瓦石等经粉 碎后与辅料混合，压制成路面砖，其性能质量达到j c 4 4 6 9 1 标准一等品要求， 而造价仅是水泥路面砖的7 0 闭。 ( 4 ) 处理生活污水、蓄禽废水、工业废水和废气等 由于特殊的形成条件，矿化垃圾具备良好稳定的多孔结构，具有较大的吸附 比表面积，有机质含量高，阳离子交换容量大，并且其中含有丰富的微生物。 因此，矿化垃圾是一种性能优越的生物介质，可用作生物反应床的填料以处理 废水【5 9 , 6 0 。 全学军嘟】使用一种抗负荷冲击、水质变化和有毒污染物能力较强的操作稳定 的多层式矿化垃圾生物反应床，它具有能耗低、操作费用小、设备结构简单等 特点，废水适应面广，可以利用矿化垃圾等特点。y o u c a iz h a o 6 i 】等构造了一个 装填了矿化垃圾的圆柱形生物反应器，用来处理生活污水。研究表明，这是一 种经济有效的方法，尤其适用于小规模的污水处理。 y o u c a iz h a o 1 1 , 1 8 等使用填埋龄为l o 年，粒度小于1 5i n l n 的矿化垃圾装填进 圆柱形反应器中处理禽畜废水。处理出水结果均达到畜禽养殖业污染物排放 标准。也利用矿化垃圾构建的反应床进行了奶牛废水的中试处理研究，效果良 好。边炳鑫【6 3 1 ，柴晓利【1 3 】、王敏【6 0 】和周剥1 4 1 、金龙【6 5 增分别进行了矿化垃圾反 应床处理奶牛废水、含酚废水、焦化废水和印染废水的研究，效果良好。 l o 第2 章文献综述 张华【“1 通过实验室研究表明，矿化垃圾生物反应床在厌氧条件下可有效地处 理n o 废气。胡国新6 9 1 等将矿化垃圾活化后发现其可用来脱除燃煤烟气中的s o x 和n o x 等有害气体。 2 2 矿化垃圾生物反应床处理垃圾渗滤液的研究 2 2 1 垃圾渗滤液研究现状 当渗滤液问题成为制约填埋场安全、卫生管理的重要因素之后，渗滤液研究 就逐渐成为固体废弃物研究的热点，目前为止主要开展了各种生物处理工艺、 防渗材料、脱氮工艺、渗滤液泄漏后污染物的迁移转化、渗滤液回灌的加速填 埋场稳定化过程、垃圾高效降解菌的提取与降解过程、填埋场渗滤液中的污染 生态效应和微生物组成等方面的研究。但是渗滤液性质的多变性给渗滤液的有 效处理带来了极大的困难。到目前为止，尚未发展出完善的适合垃圾渗滤液处 理的工艺。一般情况下只是根据填埋场的具体情况及所在地的经济技术要求， 并参照各种市政污水或工业废水的处理方法，提出处理方案和工艺，但这些工 艺的出水基本都未达到渗滤液排放要求。这样一来，渗滤液处理过程中尝试过 的工艺基本囊括了其它废水处理工艺中出现过的所有工艺，包括生物法、物化 法、土地法等，其中生物处理是渗滤液处理中的一种主导工艺，对新鲜渗滤液 较为有效，在实际处理中通常将其与其它处理工艺如物化法进行组合以达到最 后出水达标的目的。 渗滤液作为一种高浓度、多组分、易变化的污水，仅凭经验模仿一般污水的 处理技术，对一些处理单元进行强化或改良，效果并不理想。到目前为止，虽 然已发展了很多渗滤液处理工艺，但真正能够正常稳定运行的工艺还不多。 2 2 2 矿化垃圾反应床处理渗滤液的理论基础 如前所述，矿化垃圾是在长期填埋过程中最后形成的，可将其认为是历经 好氧、兼氧和厌氧等复杂环境而逐渐形成的一种微生物数量庞大、种类繁多， 水力渗透性能优良，多相多孔的自然生物体系。由于渗滤液的长期洗沥、浸泡 和驯化作用，矿化垃圾各组分之间不断发生着各种物理、化学和生物的交替和 协同作用，其中尤以多阶段降解型生物过程为主，这使其形成了具有特殊新陈 第2 章文献综述 代谢性能的无机、有机、生物复合体生态系统。因此，如果把矿化垃圾作为生 物介质填料来考虑，它将具备降解垃圾渗滤液及其所含的高浓度难降解污染物 的能力。 矿化垃圾作为一种特殊的生物介质填料，它具有以下几个优点： ( 1 ) 矿化垃圾是垃圾填埋场中各种生物，特别是微生物的载体。它不仅具有 丰富的生物相，而且对渗滤液中的污染物有与生俱来的亲和性，经驯化启动后， 流经填料层的污染物即被矿化垃圾吸附、截留，并在微生物的作用下，进行生 物降解，从而对有机物的吸附能力得到再生，如此循环往复，即可达到较好的 处理效果。 ( 2 ) 相对于新鲜垃圾而言，矿化垃圾具有多孔松散、比表面积较大、富含腐 殖质等特点。这也是矿化垃圾反应床比渗滤液回灌处理效果好的原因之一。在 废水处理中，腐殖质所具有的物理吸附作用，以及其中活性基团与污染物离子 特别是金属离子进行的离子交换、络合或螯合作用，对渗滤液中的悬浮物质和 金属离子有显著的净化作用。 ( 3 ) 相对于一般土壤，矿化垃圾微生物生物量大、呼吸作用强、微生物熵和 代谢熵高，而且其上附着有大量的活性酶，这些氧化还原酶或水解酶活性高、 适应性强，能迅速酶促降解污染物，加速了各种生化处理过程的顺利进行。 在目前的矿化垃圾生物反应床的自然通风条件下，床体内主要发生厌氧反 应和缺氧反应，微生物种类也以兼性微生物为主。在反应床上下部以好氧反应 为主( 由于与大气接触，利于复氧) ，在反应床中部以厌氧反应为主，在反应过 程中缺少了氧的传质过程，这与生物滤池中发生的反应类型有着本质区别。 渗滤液在流经矿化垃圾生物反应床的过程中，其中的悬浮物、胶体颗粒和 可溶性污染物在物理过滤与吸附、化学分解与沉淀、离子交换与螯合等非生物 作用下，首先被截留在床体浅层( 0 6 0o n ) 的矿化垃圾填料表面，在落干期良 好的好氧条件下，经生物氧化和降解作用，微生物获得活动所需的能量，将渗 滤液中的营养元素吸收转化成新的细胞质和小分子物质，并将c 0 2 、h 2 0 、n i l 3 、 n 0 2 - n 。和无机盐等代谢产物排出系统之外，或淋溶至兼氧区和厌氧区继续降解。 已有的研究结论表明，渗滤液中大部分污染物的去除作用主要发生在好氧区， 兼氧区和厌氧区等因微生物数量少、活性低，其中的生化反应较为平缓。图2 2 为矿化垃圾生物反应床由上而下，整个床体内生物降解( 好氧、兼氧、厌氧) 作用 的示意卧”】。 第2 章文献综述 有机物( c o d ，b o 仇) ：一物理过滤与吸附：o 啦+ h 2 0 ： ：无机物( n h ，_ n 、t 砷：i ：矿化垃圾l ：化学转化与沉积：i ：小分子、离子： 重金属离子，色度：i = = = ：i ：离子交换与鳌合：i ：能量、细胞质： ，寸吣 一 恶臭、病原性微生物：薯：薯! ：生物氧化与降解：k。代谢产物： ：，： ：十： l ： 复杂有机物一简单有机物 舞 ；：；扼：玮拜；站；：! ：； 厌氧发酵一c 地、h 2 、小分子 厌氧反硝化：n 0 3 _ n n 2 0 、n 2 尾水 溶出物 尾水 气体 图2 2 矿化垃圾生物反应床处理渗滤液过程图示 2 2 3 矿化垃圾反应床处理垃圾渗滤液研究 区( 6 0 ) 区( 2 0 e m ) 区 利用矿化垃圾的细料构建矿化垃圾反应床处理垃圾渗滤液的研究国内已经 展开了相关研究。z h a oy o u c a i 【9 】等使用填埋龄为1 0 年的矿化垃圾装填进圆柱形 反应器中，用以处理垃圾渗滤液。进水渗滤液的c o d 、b o d 、n h 3 - n 等各项指 标出水的去除率都达到了9 0 。9 9 。 李华吲用0 1 0 0 0m n l 1 0 0 0m m 的柱形反应床对矿化垃圾处理渗滤液进行 了小试研究，采用间歇进水方式对三种渗滤液进行了处理，由c o d 和n h 3 - n 的 去除效果可以发现渗滤液的可生化性与进水水质显著相关，这说明生物降解在 污染物去除中起着主导作用。 吴军【67 1 在上海市老港填埋场现场用两级串联矿化垃圾生物反应床对渗滤液 进行了中试处理。反应床呈长条堆状，由l o 年填埋龄、未经筛分的矿化垃圾直 接堆砌而成。采用间歇进水方式对不同工况下的渗滤液进行了处理。结果表明， 本工艺适用于进水c o d _ 1 3 0 0 0m g l ，n h 3 - n h a ，从而说明腐殖质分子的本身结 构，如空间位阻、表面的电荷吸附等将影响与金属的络合。 i s oc h r i s t i 8 2 】等采用金属滴定实验在p h 为4 、6 、8 的条件下分别对腐殖质 中h a 和f a 与c u 2 + 和p b 2 + 之间的络合作用进行了研究。发现在通常情况下，c u 2 + 和p b 2 + 与腐殖质的络合作用随着p h 和金属浓度的增加而增强。在较低的游离金 属离子浓度下，c u 2 + 与腐殖质的络合作用要强于p b 2 + 。而当游离的金属离子浓度 较高时，则p b 2 + 的络合作用较c u 2 + 要强。从形成的络合物看，c u 2 + 与腐殖质形 成的络合物有单配位体和双配位体结构，而p b 2 + 与腐殖质的络合则主要是单配 位体结构。 2 3 5 键合作用对水环境中重金属环境行为的影响 ( 1 ) 腐殖质与金属的键合作用能对金属离子的溶解度和化学形态产生影响。 在天然水体中，f e 、h g 、c u 、n i 、v 、p b 等金属离子基本上都与有机质尤其 是腐殖质结合【7 5 】。大多数河流中，超过5 0 的溶解态金属离子与有机质结合在 一起。这种h s 金属离子相互作用会影响金属离子在水环境中的迁移，并使金属 离子在条件适宜时发生沉淀。而且，人们还认识到水环境中有机分子对微量金 属离子的键合作用1 8 3 】使许多金属离子在水体中的溶解度远高于预期值。例如天 然水体中大约9 0 的可溶态铁与h s 键合，其溶解度比用溶度积常数计算所得要 大1 0 9 1 0 1 0 数量级。) ( | u 等【科】研究了f ：a 对水体中h g 形态和流动性的影响。结 果表明，【f a 】1m g l 1 时，h g - f a 配位体是主要形态，而且无论在酸碱环境 里，f a 的存在降低了h g 的流动性。 ( 2 ) 腐殖质与金属的键合作用能影响颗粒物金属离子的吸附作用。水体中 的污染金属可以被悬浮颗粒物和沉积物所吸附，也可以与d o m 结合。腐殖质影 响矿物表面吸附重金属的方式有h s 与金属离子竞争吸附到矿物表面，减少金属 离子的吸附点位；或者h s 直接改变矿物表面的吸附特性，增强其对金属离子的 吸附作用【7 9 阁。 ( 3 ) 腐殖质与金属的键合作用影响微生物的吸附作用以及生物可利用性。天 然水体中存在各种微生物，它们对多种物质，包括溶解性有机质、矿物颗粒以 及金属离子均有着很强的亲合力。细菌作为重要的微生物种类，由于其表面存 1 9 第2 章文献综述 在带负电的官能团而呈负电性，并且能够强烈吸附金属离子【8 6 1 。h s 可以通过憎 水性相互作用吸附到细菌表面，与之竞争吸附可利用的金属离子，从而影响金 属离子在水体中的吸附行为、价态和最终归宿。h s 金属离子还能影响重金属的 生物可利用性及其对水生生物的毒性。如h a 可减弱h g 对浮游植物的抑制作用， 对浮游动物也有类似结果。但h a 增加了h g 在鲤鱼和鲫鱼体内的富集，而降低 了h g 在软体动物棱螺体内的富集嗣。 因此，进一步研究垃圾渗滤液中存在的腐殖质与重金属的相互作用，探讨 渗滤液重金属的迁移转化规律，对于垃圾渗滤液今后排放到自然水体中的环境 影响评价有着重要的作用。 第3 章实验材料与分析方法 第3 章实验材料与分析方法 3 1 矿化垃圾筛分实验的设备、材料及方法 3 1 1 滚筒筛的设计 垃圾滚筒筛是城市矿化垃圾预分选和堆肥处理中应用较广泛的一种分选设 备。传统的滚筒筛的筛筒由4 个滚轮支承，工作时，由电机、减速器等带动筒 体一侧的两个主动滚轮旋转，依靠摩擦力作用，主动滚轮带动简体回转，而另 一侧的两个滚筒轮则起从动作用。滚筒筛的倾角会影响垃圾物料在筛筒内的滞 留时间，一般认为滚筒筛筛筒的倾斜角度在2 0 5 0 范围内。被筛物料从简体的 一端( 迸料斗) 进入筒内，由于筒体的回转，物料沿筒内壁滑动，小于简体筛 孔的细物料落到接收槽中，而大于筛孔的粗物料则从筒体的另一端排出。 筛简体的结构形式有：圆形、多边形和复合形。通常采用圆形，因为圆形 的平衡度好、运转平稳、加工简单，而多边形和复合形的平衡度差，运动振动 冲击大。筛简体主要由筛板、框架和导料板组成。筛板是在一定厚度的钢板上 冲压或钻成筛孔而形成，根据所筛物料的特性确定筛板的厚度，筛板需要满足 强度大、磨损较均匀、使用寿命较长的要求。筛面是筛分机的工作部件，需安 装在框架上，用螺栓和压板固定。筛体支承采用了左右对称布置、摩擦传动、 双边驱动，筛简体支承在驱动轮上，由电动机通过减速器带动筛筒体旋转。 滚筒筛的传动形式按筛体驱动方式分为齿轮传动、链传动、皮带传动和摩 擦传动。前三种形式中传动系统与筛体支承相对独立，因此筛体上必须安装齿 轮、链轮或皮带轮作为传动件。后一种传动方式即摩擦传动则利用筛体支承作 为传动部件，将筛体支承和传动系统合二为一，简化了结构，使制造成本明显 下降。但是，摩擦传动与其它传动相比，其功率传递能力较低，通常滚筒筛摩 擦传动的摩擦面压力来自滚筒筛筛体自重及滚筒内的物料重量，阻碍滚筒体的 传动，电机常常无法发挥其全部功率，而且会出现摩擦轮打滑的现象。设计中 采取一些措施可以大大改善滚筒筛摩擦传动的传递性能，减少摩擦轮的打滑现 象。 ( 1 ) 摩擦轮选用高摩擦系数材料制造。通常是在加工好的摩擦轮外