（市政工程专业论文）生物反应器填埋场渗滤液控制技术研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文 第1 页 摘要 本文在模拟实验的基础上进行了生物反应器填埋场渗滤液控制技术的 相关研究工作，首先通过模拟生物反应器填埋场实验研究了滤液回灌、回灌 时调节渗滤液的p h 值、回灌前对渗滤液进行加热、垃圾填埋时通过污泥添 加进行微生物接种等不同操作运行条件对生物反应器填埋场稳定的影响，并 在此基础上首次建立了生物反应器填埋场有机物降解动力学模型；此外还通 过模拟实验确定了防渗层设计的必要参数，并对生物反应器填埋场防渗层进 行了安全设计。 f 通过生物反应器填埋场模拟实验研究，验证了生物反应器填埋场加速填 埋场渗滤液中有机污染物浓度、n 0 3 浓度、s 0 4 。浓度、重金属离子浓度的 衰减，加快填埋垃圾的稳定，增大产甲烷量，减少渗滤液场外排放量和处理 量的种种优势；根据生物反应器填埋场特点提出了在实施渗滤液回灌的生物 反应器填埋场中不能采用粘土作中间覆盖层，而应选用砂土等渗透性适中的 材料作中间覆盖层的观点；首次在遵循生物反应器填埋场渗滤液中有机物物 料衡算的基础上，通过对固相有机垃圾的水解反应以及水解酸化产物甲烷化 反应的系统分析，建立了能反映温度变化和p h 变化影响的生物反应器填埋 场有机物降解动力学模型；在对生物反应器填埋场有机物降解动力学模型进 行系统分析的基础上，提出了加速生物反应器填埋场稳定的操作策略，即要 求提高生物反应器填埋场温度、调节合适的填埋场p h 值，在渗滤液回灌前 对其进行加热，通过污泥添加进行微生物接种，在填埋场运行前期适当降低 渗滤液回灌操作的频率，产甲烷稳定后再提高渗滤液回灌频率。 通过防渗层模拟土柱实验研究，分析了渗滤液污染物在不同土柱中的运 移变化趋势，并首次在综合考虑填埋场场址区地下水体环境容量、粘土防渗 层对有机和无机污染物c o d 和c l - 的截污性 物反应器填埋场的粘土防渗层进行了安全设计 能力的基础上，对生 关键词。生物反应器填埋场；城市垃圾；渗滤液控制；防渗层l 动力学模型 a b s tr a c t b a s e do ns i m u l a t i v ee x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e rc o n s i d e r st h eo p e r a t i o no f b i o r e a c t o rl a n d f i l la n dt h et r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fl e a c h a t e t h r o u g ht h e s e e x p e r i m e n t s ，t h o s eo p e r a t i o nm o d e s a sl e a c h a t e r e c i r c u l a t i o n ，p ha d j u s t i n g w h i l er e c i r c u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ee n h a n c i n gb e f o r er e c i r c u l a t i o n ，i n o c u l a t i n g m i c r o o r g a n i s mb ym i x i n gs l u d g ew i t hw a s t eb e f o r el a n d f i l l w e r ei n v e s t i g a t e d a n dt h e i ri n f l u e n c e so nb i o r e a c t o rl a n d f i l lh a sb e e ns t u d i e d ，f u r t h e r m o r ea d y n a m i c m o d e lo f o r g a n i c m a t t e r d e g r a d a t i o n i nb i o r e a c t o rl a n d f i l lw a s d e v e l o p e d t h el i n e ro fb i o r e a c t o rl a n d f i l l w a st h u s d e s i g n e d a f t e rr e l a t e d p a r a m e t e r sw e r e f i x e db ys i m u l a t i v es o i lc o l u m n e x p e r i m e n t s a c c o r d i n g t ot h es t u d yo fs i m u l a t i v eb i o r e a c t o rl a n d f i l le x p e r i m e n t s ，t h e s e a d v a n t a g e ss u c ha sa c c e l e r a t i n gt h ed e s c e n d i n gp a c eo fo r g a n i cp o l l u t a n t s - - n 0 3 , s 0 4 。a n dh e a v ym e t a li nl e a c h a t e ，q u i c k e n i n gt h es t a b i l i z a t i o np r o c e s so f f i l l e dw a s t e s ，e n h a n c i n gt h ep r o d u c t i o no fm e t h a n e ，r e d u c i n gt h eq u a n t i t yo f d i s c h a r g e d a n d d i s p o s e d l e a c h a t eh a v eb e e n v e r i f i e d a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fb i o r e a c t o rl a n d f i l l t h o s em a t e r i a l sw i t ham o d e r a t e p e r m e a b i l i t ys u c ha ss a n d ys o i l ，r a t h e rt h a nc l a y , c a nb eu s e da sp r o p e rd a i l y c o v e ri nb i o r e a c t o rl a n d f i l l b a s e do nt h eb a l a n c ep r i n c i p l eo f o r g a n i cm a t t e ri n b i o r e a c t o rl a n d f i l ll e a c h a t e ，ad y n a m i cm o d e lo f o r g a n i cm a t t e rd e g r a d a t i o ni n b i o r e a c t o rl a n d f i l lw i t ht h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r ea n dp h w a s d e v e l o p e d b y m e a n so ft h ed y n a m i cm o d e l ，t h ep o l i c yt oa c c e l e r a t et h es t a b i l i z a t i o np r o c e s so f b i o r e a c t o rl a n d f i l lw a sp u tf o r w a r d ，i tr e q u i r e st oe n h a n c et h et e m p e r a t u r et o l a n d f i l l ，t oa d j u s tt h el a n d f i l l t oam o d e r a t ep h ，t oh e a tt h el e a c h a t eb e f o r e r e c i r c u l a t i o n ，t oi n o c u l a t em i c r o o r g a n i s mb ym i x i n gs l u d g ew i t hw a s t eb e f o r e l a n d f i l l ，t ol o w e rt h el e a c h a t er e c i r c u l a t i o nr a t ea tt h es t a r t - u po fb i o r e a c t o r l a n d f i l l ，a n dt oi n c r e a s et h er a t ew h i l et h el a n d f i l lb e g i nt op r o d u c em e t h a n e s t e a d y a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i v es o l lc o l u m ne x p e r i m e n t ，ab i o r e a e t o ri a n d f i l l l i n e rh a sb e e nd e s i g n e dw i t hc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r a t i o no ft h ec a p a c i t yo f l a n d f i l ls u r r o u n d i n g st oa s s i m i l a t ep o l l u t a n t sa n dt h ec a p a c i t yo fc l a yl i n e rt o a t t e n u a t eo r g a n i c p o l l u t a n tc o d a n di n o r g a n i cp o l l u t a n tc i k e yw o r d s ：b i o r e a c t o rl a n d f i l l ；m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ；l e a c h a t ec o n t r o l l i n g ； l i n e r ；d y n a m i c sm o d e l 、 ， 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 填埋场的发展及现状 垃圾是人们在生产生活过程中产生的废弃物，垃圾的处理处置发展历程 完全贯穿于现代人类文明的发展史中。史前时期人类将生活垃圾就地堆放可 以说就是垃圾土地处理的雏形，而随着垃圾产量的增多和垃圾组成的复杂 化，垃圾简易堆放所带来的卫生、安全和社会伦理问题日渐突出，迫切要求 对垃圾进行无害化处理处置1 1j 。随着二十世纪3 0 年代后期垃圾填埋场的问 世，大量的城市垃圾才有了较先进和科学的处鼍手段。到6 0 年代许多欧美 国家制定了有关垃圾卫生填埋场的设计、施工、运行、管理和维护等标准和 规范后，现代的城市垃圾卫生填埋场才得以成型f 2 】。 由于在垃圾的卫生填埋过程中，要对填埋单元进行防渗处理、疏导沼气、 用无毒无害的覆盖材料覆盖垃圾表面，并对收集到的渗滤液和沼气进行处 理，因而现代的城市垃圾卫生填埋场是一种城市垃圾的“无害化”处置方式。 尽管人们处理垃圾的手段随着社会的发展和科技的进步而越来越丰富， 但由于城市垃圾卫生填埋具有其它处理方式所无法比拟的经济和技术优势， 在过去数十年中甚至现在，许多发达国家仍将垃圾卫生填埋作为其处理处置 垃圾的首要方式【3 j 。1 9 9 7 年全美国有垃圾卫生填埋场3 0 9 1 个，除少数几州 外，其它州都以卫生填埋作为其处理处置垃圾的主要方式1 4 1 。 我国从二十世纪8 0 年代开始采用垃圾卫生填埋技术，至今全国已有十多 个城市建有严格的垃圾卫生填埋场【5 l ，尚有大量城市正在建设和准备建设垃 圾卫生填埋场。我国建设部、国家环保总局、科技部联合制定的城市生活 垃圾处理及污染防治技术政策明确指出，垃圾卫生填埋是我国现阶段城市 垃圾的主要处理手段1 6 1 。因此完全可以预计城市垃圾卫生填埋场将在我国得 到越来越广泛的应用。 1 1 2 传统填埋场及潜在不足 尽管城市垃圾卫生填埋场具有众多优势，但其在填埋阶段以及填埋场封 场后监管期间产生的渗滤液却是一个比较棘手的问题。填埋场产生的渗滤液 亘室窑鎏盔兰堂主堑塞生兰丝迨塞 兰：要 不仅数量大，污染强度和污染特征还随填埋时间而不断发生变化。众多研究 和实践表明，填埋场渗滤液不仅难处理，并且处理费用很高。同时由于填埋 场设计、施工和运行监管的缺陷易使填埋场渗滤液控制系统发生故障，最终 对填埋场地下水体造成污染。1 9 7 7 年，美国1 8 5 0 0 个填埋场中几乎有一半 对周围水体造成了污染【7 】，1 9 9 7 年英国4 0 0 0 个填埋场中对水体环境造成污 染的比例也达到3 3 t 8 1 。我国现己建成的卫生填埋场中同样有渗滤液污染 周围环境的现象。因此为使城市垃圾卫生填埋场真正成为“无害化”的城市 垃圾处置方式，正确控制填埋场产生的渗滤液是重中之重。 根据渗滤液产生的机理，控制填埋场渗滤液的手段之一是减少甚至避免 场外水分进入填埋场内。目前国外填埋场所广泛采用的复合膜最终覆盖层可 以实现这一目标，但此时填埋场不仅建设成本高，同时填埋垃圾长期得不到 有效的降解，整个填埋场相当于一个填埋垃圾的死墓穴。此时填埋场也是一 个潜在的污染源，一旦该填埋场覆盖层和防渗层部分功能失效，其污染特性 必将暴露无疑。这种将填埋垃圾封闭起来的方法实际上是人为制造了一颗定 时炸弹【9 1 ，其实质只是将当代人产生的垃圾这一污染源转移给了下一代或后 几代。 即便传统填埋场未采用完全防水的复合膜作最终覆盖层，它在运营期间 以及封场后都有部分大气降水进入填埋场内，使填埋垃圾发生降解，但这类 按传统填埋场方式运行的卫生填埋场仍然存在众多不足之处。主要表现为： 传统填埋场渗滤液水质、水量波动大。 传统填埋场渗滤液产量直接受进入场内的大气降水量的影响，一般填埋 场运营期间渗滤液产量大，封场后渗滤液量相应减少：雨季渗滤液产量大， 旱季渗滤液量则较少。受填埋垃圾组成、渗入的大气降雨量的影响，填埋场 渗滤液水质季节性波动显著；受填埋垃圾分解阶段的影响，填埋初期渗滤液 污染物( 特别是有机污染物和重金属) 浓度高，垃圾填埋后期污染物浓度则 逐渐降低。由于一般城市垃圾卫生填埋场距城市污水处理厂较远，即使距离 较近时大量的高污染特征的渗滤液也会对城市污水处理系统的正常运行造 成冲击【l ，故一般填埋场都建单独的渗滤液处理系统来处理渗滤液。但一 般的包括物理、化学和生物处理法等工艺在内的渗滤液处理系统无法适应不 断变化的渗滤液水质和水量要求，经常要求随季节以及填埋阶段的不同改建 渗滤液处理系统或对处理系统的有关运行参数进行调藏 亘童銮曼盔堂竖主塑塞竺堂焦迨塞 蔓：夏 传统填埋场渗溶液污染强度高，处理费用居高不下。 填埋场渗滤液不仅污染物种类繁多，成分复杂，同时污染物浓度极高。 部分填埋场渗滤液c o d 浓度可能高达近十万m g l ，氨氮浓度也可能高达近 万m g l ( l 。要使组成复杂、浓度很高的渗滤液排放前达到有关排放标准的 要求，必须对其进行深度的处理。目前的渗滤液处理系统多由物理化学处理 法和生物处理法联合组成，处理单位体积渗滤液不仅费用很高( 国内部分填 埋场每吨渗滤液的处理费用高达十元以上，国外最高者甚至接近8 0 美元每 吨f 1 2 1 ) ，有时还难以达到排放标准的要求，严重污染填埋场周围环境。 传统填埋场封场后维护监管期长、风险大、费用高、不利于场地及时复用 尽管传统填埋场不时有降水进入，但受气候影响进入水量分布季节不均、 受填埋场所布设的覆盖层影响使进入场内水分分布地点不均，因而填埋垃圾 得不到均匀的、快速的降解，垃圾体的污染特征长时间存在。美国e p a 要 求填埋场封场后监管3 0 年【l3 1 ，但有人认为部分填埋场封场1 0 0 年后还有大 量垃圾未得到有效的降解，仍对周围环境形成潜在的威胁。长时间的填埋场 监管期不仅增加渗滤液处理、监测以及其它系统的维护费用，还增大了渗滤 液收集系统、防渗层等系统失效的可能，从而增加了潜在的污染可能。此外 传统填埋场还不利于填埋场地的尽快复用。 传统填埋场产气期滞后且历时较长，产气量小。不利于回收利用。 传统填埋场进入甲烷化阶段所需时间较长，还因渗滤液连续排放而损失 大量的可转化为甲烷气体的有机物，从而降低填埋场甲烷气体总产量；由于 产气期较长而降低了产甲烷速率，使填埋场在甲烷总量减少的同时还延长了 回收甲烷气体所需的时间，因而降低了回收甲烷气体作能源的经济效益。 传统填埋场垃圾处理费用高。 由于传统填埋场的以上不足之处，自然就直接导致较高的单位垃圾填埋 处置费用，不利于这一垃圾处置方式在更大范围的推广和应用。 1 1 3 生物反应器填埋场研究问题的提出 鉴于传统填埋场的系列不足之处，二十世纪后期欧美等国家开始了另一 西南交通大学博士研究生学位论文 一 照4 更 种改进的填埋场方式即生物反应器填埋场的研究。生物反应器填埋场根据填 埋垃圾被微生物分解的机理和过程，利用填埋场这一天然的厌氧生物活动场 所，通过一系列手段优化填埋场环境使其成为一个有控的生物反应器。该反 应器不仅对填埋场产生的渗滤液能实现很大程度的场内就地净化，还为填埋 场的提前稳定创造良好的条件，同时能增加甲烷气体回收利用的经济效益。 由于我国在很长一段时间内都会将卫生填埋作为城市生活垃圾的主要处 理处置手段，加强垃圾卫生填埋场的相关研究势在必行。同时由于我国经济 实力的限制，广泛建设用复合士工膜作最终覆盖层的填埋场不仅会对环境造 成长期潜在威胁，同时经济上也难以承受。而生物反应器填埋场能在较短的 时间内消解填埋垃圾的危害和污染特征，对生物反应器填埋场进行系统的研 究以优化其操作和运行更应成为当前环境工作者重视的问题。 尽管生物反应器填埋场能使填埋垃圾在较短的时间内实现稳定，使其对 周围环境的危害程度降低在填埋场环境容量之内，但在填埋场运营期间和达 到稳定前的监管期间，它产生的渗滤液仍将对填埋场周围水环境造成威胁。 为消除这种威胁，要求生物反应器填埋场与传统填埋场一样，必须建设安全 的防渗层，减小甚至消除进入填埋场内的渗滤液量和污染物量。 目前广泛应用的填埋场防渗层有两大类，一是土工膜复合防渗层，一是 粘士防渗层。前者防渗性能良好，完全能达到减小渗滤液渗入填埋场地下水 体的目的，但建设成本高，因而欧美等发达国家填埋场多采用此类防渗层 ”3 “】；后者充分利用自然资源，建设费用较低，通过合理的设计和施工应该 也可以满足相关要求。我国作为发展中国家，目前经济实力还不雄厚，要在 全国范围内大量采用价格昂贵的土工膜复合防渗层还有一定的困难，同时我 国粘土资源比较丰富，因此因地制宜地采用压实粘土作填埋场防渗层应有很 大的发展和应用空间。如何使粘土防渗层达到经济、安全、防渗和防止污染 的目的，如何在设计和施工时综合考虑士料组成、含水量、厚度等因素，这 一系列问题完全值得环保工作者关注。 1 2 生物反应器填埋场渗滤液控制技术研究现状 1 2 1 生物反应器填埋场操作运行方式研究动态 ( 1 ) 模拟实验及现场应用动态 自现代的垃圾卫生填埋场投入使用以来。尽管避免了象美国“洛夫运河” 要查奎鋈盔兰苎主耍塞生兰垡途塞 蔓i 要 事件这样的固体废物污染事件发生，但仍带来了填埋垃圾长期对周围环境形 成威胁、渗滤液难处理和处理费用高、填埋场监管时间长等问题。为此，从 二十世纪7 0 年代开始，美国、英国、加拿大、澳大利亚、德国、丹麦、意 大利、瑞典和日本等国相继开始了新一代城市垃圾卫生填埋场一一生物反应 器填埋场的研究1 1 5 】。三十年来，有关生物反应器填埋场的研究可分为以下 部分： 实验室小规模研究 自二十世纪7 0 年代开始，p o h l a n d ( 1 9 7 5 ) d 6 t i t t l e b a u m ( 1 9 8 2 ) i j “、 d o e d e n s 和c o r d 1 a n d w e h r ( 1 9 8 9 ) 、o t i e n o ( 1 9 8 9 ) 【”、b a r l a z 等( 1 9 8 9 ) 1 1 8 】、 p o h l a n d 等( 2 0 0 0 ) 1 9 1 、o n a y 和p o h l a n d ( 1 9 9 8 ) 2 0 1 、b a e 等( 1 9 9 8 ) 1 2 1 】、 w a r i t h 等( 2 0 0 0 ) 【2 2 】、g h o s h l 2 3 等通过一系列模拟生物反应器填埋场实验研 究表明，生物反应器填埋场技术能加速填埋垃圾的稳定、加快渗滤液污染强 度的下降、增大甲烷产量、增强填埋场对垃圾中有毒有害物质的滞留和降解。 这些研究证实了生物反应器填埋场技术应用于城市垃圾卫生填埋场的可能 性，并为后续更大规模的研究在方式、方法上提供了有益的借鉴。 生物反应器填埋单元研究 l e c k i e 等 2 4 1 、p o h l a n d t l 6 1 、美国加州m o u n t a i nv i e w 填埋场【1 1 、美国纽 约州能源研究和开发局【l 】、奥地利b r e i t e n a u 填埋场、英国b r o g b o r o u g h 填埋场2 5 1 、m e j i e r 等2 6 i 、美国特拉华州固体废物局【1 5 】等通过填埋垃圾从数 百吨到数万吨、填埋面积从3 平方米到l 英亩的不同填埋单元上进行了生物 反应器填埋场不同操作运行方式的影响研究，验证了模拟实验的研究结果并 起到了衔接实验室模拟研究和大型填埋场研究的作用，通过填埋单元的操作 运行实践对保证大型生物反应器填埋场的安全、高效和经济运行起到了重要 作用。 大型生物反应器填埋场研究 1 9 8 6 年全美国就有2 0 0 多座垃圾填埋场在实施渗滤液回灌，并且还有同 样多的填埋场准备采用这项填埋场管理技术【2 7 】。美国宾夕法尼亚州 l y c o m i n g 填埋场”1 、英国北约克郡s e a m e rc a r r 填埋场【2 8 】、美国特拉华州固 体废物局的三个填埋场c 1 1 、前联邦德国的l3 个2 1 2 公顷的填埋场、美国 佛罗里达州s o u t h w e s t 填埋场【2 9 ，3 0 ， 1 、美国马里兰州c e n t r a lf a c i l i t y 填埋场、 佛罗里达州w j n f l e 】d 填埋场、乔治亚州p e c a nr o w 填埋场、北卡罗莱纳州海 岸地区固体废物管理局填埋场、新罕布什尔州l o w e rm o u n tw a s h i n g t o n 西南交通大学博士研究生学位论文 一 篁! 亟 v a l l e y 安全填埋场、密苏里州l e m o n s 填埋场、纽约州m i l ls c a t 填埋场、加 里佛利亚州y o l o 县填埋场、佛罗里达州a l a c b u a 填埋场1 1 5 都采用了以渗滤 液回灌操作为主的生物反应器填埋场运行方式【，3 引。而瑞典、丹麦、意大利、 加拿大、新西兰等国也有填埋场按生物反应器填埋场方式运行。 上述填埋场采用的渗滤液回灌方式包括渗滤液喷洒、渗滤渠、渗滤井、 表面塘、水平管网回灌等多种方式，并已取得了加速填埋场稳定、降低渗滤 液污染浓度、减少填埋垃圾处理费用等良好的效果。 由于生物反应器填埋场带来的种种好处，美国e p a 已准备着手对传统填 埋场的相关设计、施工和运行管理规范进行修改以适应这种新的填埋场操作 方式和运行手段【3 3 】。同时，生物反应器填埋场也正在吸引越来越多的填埋 场资方的关注和兴趣l l “。 ( 2 ) 生物反应器填埋场动力学研究进展 鉴于人们对生物反应器填埋场的研究仅有三十来年的相对短暂的时间， 且多数研究都局限在对有关实验结果的定性对比上，因而有关生物反应器填 埋场动力学的研究进行得不多，仅有部分文献对传统填埋场垃圾降解动力学 进行过相关研究。 由于填埋场渗滤液的组成复杂性，目前尚不可能对其具体组分的降解动 力学进行研究，因而有关填埋场动力学的分析大多集中在填埋场产生的渗滤 液的c o d 浓度变化上。此前多数研究都认为填埋场渗滤液有机污染物浓度 变化遵循一级反应动力学方程c = c 。e 4 【3 4 3 5 1 3 6 l ，但此式与一般填埋场渗滤 液有机污染物浓度先升后降的变化趋势不相吻合，更不符合生物反应器填埋 场特殊运行方式所导致的渗滤液污染物浓度变化特征。k o u z e l i k a t s i r i 等 ( 1 9 9 9 ) 【3 7 j 将填埋场假设为一完全混合反应器，并将垃圾中固体有机物溶 解反应和可溶有机物溶解反应都看作是一级反应，同时还在忽略渗滤液中不 可降解有机物的基础上建立了用于预测渗滤液有机污染物浓度动态变化的 联合模型： j c 。，= 女 f n c 乏南，c e h ，一e x 一卜c 罟+ t ：弘， = 南告t k e - k i ，+ e - k 2 t ， 其中：( 1 ) 代表无渗滤液回灌时的浓度变化模型 ( 2 ) 代表渗滤液回灌时的浓度变化模型 ( 1 ) ( 2 ) 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 式中：c m t 时刻渗滤液中的c o d 浓度，腹。一呈固相的可淋滤的c o d 初 值，k ，一固相有机物衰减常数，k 2 一生物降解有机物的速率常数，v 一填 埋场体积，q 一渗滤液流量，刑一t 时刻渗滤液产量，r 一填埋时间。 该模型尽管比单一的一级动力学模型更加适用，同时考虑了渗滤液回灌 操作的影响，却没有考虑生物反应器填埋场其它得象温度、p h 调控等操作 因素的影响，同时填埋场产甲烷反应按级动力学进行考虑也有所牵强。 ( 3 ) 我国有关生物反应器填埋场操作运行方式的研究现状 相比之下，我国有关生物反应器填埋场的研究还处于起步阶段，研究重 点也主要集中在渗滤液回灌这一单纯的操作方式上，对生物反应器填埋场的 系统研究还非常缺乏。1 9 9 5 年同济大学徐迪民等在同济大学学报发表垃 圾填埋场渗滤液回灌技术的研究一文，才标志着我国开始从渗滤液回灌这 一角度涉足生物反应器填埋场这一研究领域。至今全国公开发表的有关文章 仅1 0 多篇。除部分渗滤液回灌综述文章外 3 8 , 3 9 】，孙碉等( 1 9 9 9 a ，1 9 9 9 b ) 分别对填埋场表面回灌时土壤蒸发和水量平衡进行了研究【4 0 , 4 1 1 ，认为这种回 灌方式可因土壤蒸发而大量削减回灌渗滤液水量；前面提及的徐迪民等在文 中不仅对土壤净化渗滤液进行了研究还对垃圾模拟柱( 煤渣，菜皮混合) 回 灌前后进行了微生物镜检，认为进行渗滤液回灌的填埋场相当于一个生物滤 池”2 j ；李国建等( 1 9 9 7 ) 又在该文基础上对垃圾模拟柱以及士一垃圾混合 柱对渗滤液的净化能力进行了研究【43 j ；卢成洪等( 1 9 9 9 ) 则对置于恒温箱 内的垃圾进行了渗滤液回灌与等量注水对照实验研究1 4 4 】，上述研究都是同 济大学环境工程学院完成的，表明他们在渗滤液回灌研究方面已作了大量的 工作。此外，张瑞明等( 1 9 9 8 ) 在开挖的直径4 0 米，深2 米的垃圾填埋单 元进行了渗滤液表面喷灌研究，通过一年的实验研究表明渗滤液减量近 1 0 0 ，c o d 由1 0 4 0 0m t g l 降到1 4 2m g l ，减少了9 8 ，b o d 5 由8 1 7 0m g l 降到4 2 9m g l ，减少了9 9 5 ，其它监测指标如总氮、总磷、c u 、p b 、c d 、 z n 、a s 等都有了大幅度的降低【4 ”。浙江农业大学王风平( 1 9 9 7 ) 在硕士论 文垃圾填埋处理生物强化技术初步研究、清华大学崔鹏伟( 1 9 9 7 ) 在硕 士论文城市垃圾填埋场水平衡及渗沥液回灌系统的研究也分别从不同的 角度对渗滤液回灌进行了研究，清华大学研究生曹丽云9 9 年6 月在毕业论 文城市垃圾填埋场渗滤液回灌研究中分别对产酸阶段和产甲烷阶段的试 验柱进行了回灌对照实验研究，结果表明同产酸阶段相比，产甲烷阶段进行 西南交通大学博士研究生学位论文第墨页 回灌最能有效削减渗滤液c o d 。王琪等( 2 0 0 0 ) 1 4 6 1 、董路等( 2 0 0 0 ) h 通 过四个模拟垃圾柱对试验柱内垃圾分别进行了注水、渗滤液回灌以及垃圾柱 是否与空气接触等对比研究，研究认为渗滤液回灌能加速填埋场的稳定、改 善渗滤液的水质、回灌过程中垃圾与空气接触能提高渗滤液中氨氮去除效 果。李启彬等( 2 0 0 0 ) 【4 8 l 较详细地介绍了生物反应器填埋场对污染物的去 除及阻滞机理、总结了生物反应器填埋场的系列优势、概括了生物反应器填 埋场的设计和操作运行要素。 1 2 2 生物反应器填埋场防渗层研究动态 由于防渗层担负着填埋场渗滤液与地下水之间的屏障作用，其性能好坏 将直接关系到填埋场地下水体能否免受污染，故各国在制定有关防渗层严格 的技术标准的同时也进行了大量的研究工作。由于本论文不涉及土工复合膜 防渗层，故在此仅对有关粘土防渗层的研究进行概括。 在有关粘土防渗层的研究中，最深入最完善的应是有关土工参数对防渗 层防渗性能的影响的研究。m i t c h e l l 等( 1 9 6 5 ) 【4 ，o a r c i a b e n g o c h e a 等 ( 1 9 7 9 ) 1 5 0 1 ，e l s b u r y 等( 1 9 8 9 ) f 5 ，d a n i e l 和b e n s o nf 1 9 9 0 ) 1 5 2 1 ，m u r r a y 和r i x 等( 1 9 9 2 ) 1 5 3 i ，s h e l l e y 和d a n i e l ( 1 9 9 3 ) 5 4 1 ，b e n s o n 和d a n i e l ( 1 9 9 4 ) 1 5 5 1 ， c l a r k 和d a v i e s ( 1 9 9 7 ) 1 5 酊，l a n g d o n 等( 1 9 9 7 ) 1 5 7 1 和b e n s o n 等( 1 9 9 9 ) f 5 8 j 通过大量研究工作取得了土料组成特征( 粘粒含量、塑性指数、砾石含量) 、 压实含水量、压实于密度、饱和度、防渗层最小厚度、单层厚度、土块大小、 层间接合、碾压方式与碾压次数等土工参数对防渗层渗透性的影响程度以及 有关设计、施工要领。这些研究表明，大量的粘士均能满足压实后渗透系数 s 1 0 。e m s 的要求，但最重要的是必须首先确保在比最优含水量更湿的基础 上压实防渗层，其次才是压实比和土料有关指数( 液限、塑性指数) ，另外 防渗层越厚也有利于降低其渗透性。 对于在缺少粘土的地区建填埋场，b r a d e f i c k 和d a n i e lf 19 9 0 ) t 5 9 1 ，c h a p u i s 等( 1 9 9 2 ) t 6 们，张波等0 9 9 7 ) 【6 ”，a l s t o n 等( 1 9 9 7 ) t 6 2 1 ，t s a i 和v e s i l i n d ( 1 9 9 8 ) t 6 3 l ，d e n n i s 和t u r n e r ( 1 9 9 8 ) t 6 4 1 ，刘长礼等( 2 0 0 0 ) 6 s l 己作了大量有 意义的研究工作，即通过对当地土壤进行改良以降低防渗层的渗透性，一般 实验研究用改良剂包括石灰、普通水泥、膨润土( b e n t o n i t e ) 和粉煤灰等。 据c h a p u i s 等( 1 9 9 2 ) ，a l t o n 等( 1 9 9 7 ) 报道，膨润土改良的防渗层已用在实际 工程中并取得了良好的效果 西南交通大学博士研究生学位论文第9 夏 此外，b o w d e r s 和d a n i e l ( 1 9 8 7 ) 【6 6 】，h e t t i a r a t c h i 等( 1 9 8 8 ) 睛”，a c a r 和h a i d e r ( 1 9 9 0 ) 1 6 8 1 ，g i e s e 等( 1 9 9 1 ) 1 6 9 1 ，f e r n a n d e z 和q u i g l e ( 】9 9 1 ) t 7 0 1 ，l o 等( 1 9 9 7 ) 【7 1 1 就渗滤液中的化学物质对防渗层的渗透性影响进行了实验研究，结果表明在 一般城市垃圾卫生填埋场渗滤液中，化学物质浓度较低而对粘土防渗层防渗 稳定性没有实质性影响。 在有关防渗层对污染物的净化性能研究中，e v a n s ( 1 9 8 9 ) “，刘和平等 f 1 9 9 7 ) i t m ，m o h a m e d 和y o n g ( 1 9 9 7 ) f 7 ”，l i 和w u ( 1 9 9 9 ) 1 7 5 】等着重对微量重 金属元素在粘土防渗层中的阻滞机理及影响因素进行了研究，而有关渗滤液 中有机物( t o c ，b o d ，c o d ) 在防渗层中的阻滞、转化及运移研究相对较少， 且各研究者得出的结论也不相同。在城市卫生填埋场渗滤液 7 6 l 一书中， 作者介绍了几个不同研究者得出的相互矛盾的研究结论。陈岳【7 7 】和张澄博1 3 4 】 也分别进行了渗滤液在模拟土柱中的运移实验。刘长礼等( 2 0 0 0 ) 【7 副则在 忽略粘土中微生物的生物净化作用基础上就单位重量粘土的截污容量随密 度变化的关系进行了系统实验研究，得出了实验粘土的截污能力与密度无关 的结论。从上述研究成果可以看出，有关防渗层对渗滤液中污染物特别是有 机污染物的净化性能目前还无法统一，为填埋场防渗层的设计带来了一定的 困难。 李启彬( 2 0 0 1 ) 【79 】在研究传统填埋场粘土防渗层设计时将防渗层防渗性 能、净化性能以及填埋场场址区水文地质特征、地下水环境容量有机结合进 行了综合考虑，但在考虑粘土防渗层的截污能力时只考虑了渗滤液中的无机 物c 1 而对填埋场渗滤液最重要的污染特征一一有机污染物并未加以考虑， 应该说是一个不小的遗憾。 1 2 3 生物反应器填埋场研究之不足 尽管欧美等发达国家已经对生物反应器填埋场进行了三十多年的研究 和实践，并且已取得了很多成果，但不论在理论上还是实验环节都存在许多 需要强化的地方。主要体现为： ( 1 ) 有关生物反应器填埋场不同填埋方式、不同运行方式的系统实验研 究进行得还不多，且部分研究所取得的结论还相互矛盾，不利于生物反应器 填埋场的推广和应用。 ( 2 ) 有关填埋场有机物降解动力学方面的系统研究进行得很少，而对生 物反应器填埋场动力学的研究更几乎是一片空白，大部分实验研究结果根本 亘童窑鎏盔兰竖主塑塞尘堂丝丝塞 蔓! q 要 未上升到理论高度进行系统分析，完全不足以指导生物反应器填埋场操作运 行的实践工作。 ( 3 ) 有关生物反应器填埋场操作运行方式的优化策略研究还未见开展， 因此如何合理启动、运行一个生物反应器填埋场还缺乏相关的理论指导和技 术支持。 ( 4 ) 在有关填埋场粘土防渗层的研究中，对防渗性能的研究相对更深入， 众多研究者都着眼于设法使防渗层渗透系数不大于1 0 c m s ，但关于防渗层 净化能力和截污能力的研究进行得较少。这些研究或者未考虑防渗层渗透系 数符合要求的填埋场也会造成填埋场地下水体污染的现实情况，没有将填埋 场防渗层的防渗性能和净化性能有机结合起来，没有将防渗层的设计工作与 填埋场场址区具体的地质和水文地质特征造就的地下水环境容量结合起来， 或者对防渗层对主要污染物的净化能力考虑不足。 ( 5 ) 由于生物反应器填埋场的独特性( 防渗层上渗滤液水头可能会有所 增大，防渗层的寿命要求可能会有所降低) ，其防渗层设计也应与传统填埋 场有所区别，而目前还无人对生物反应器填埋场粘土防渗层的安全设计进行 专门的研究。 1 3 论文选题、主要研究内容和研究成果 尽管国内外有关生物反应器填埋场的研究已进行得比较深入，但有关生 物反应器填埋场渗滤液水质变化趋势的理论研究以及有关渗滤液回灌、回灌 时调节渗滤液p h 值、回灌时调节渗滤液温度、不同的中间覆盖层、不同的 回灌频率、污泥接种等操作方式对生物反应器填埋场渗滤液水质变化趋势的 影响程度的定量描述还无人进行系统的研究，也无针对生物反应器填埋场有 机物降解动力学的模型研究问世。在填埋场防渗层研究中，大多割裂其防渗 性能和净化性能的关系，更没有对生物反应器填埋场防渗层的特殊性进行针 对性设计。 为此，结合四川i 省科委研究项目城市固体废物处置场污染控制研究 的相关工作，本论文选定了“生物反应器填埋场渗滤液控制技术研究”这一 研究课题，对城市垃圾卫生填埋场渗滤液控制技术中有关生物反应器填埋场 优化运行操作条件以及生物反应器填埋场防渗层的安全设计进行了研究。 本文的主要研究内容包括：( 1 ) 填埋场及渗滤液控制分析。包括对城市 垃圾特征、城市垃圾主要处置方式、现代城市垃圾卫生填埋场、填埋场渗滤 亘查窑鎏杰堂堡主塑塞竺兰焦迨塞 蔓! ! 要 液及其控制技术、生物反应器填埋场特征等方面的内容进行了研究分析，为 生物反应器填埋场渗滤液水质变化趋势及影响因素的研究和防渗层的研究 奠定了基础。( 2 ) 生物反应器填埋场运行操作方式优化研究。通过模拟生物 反应器填埋场运行的垃圾柱产生的渗滤液水质动态变化规律的分析，确定是 否进行渗滤液回灌、回灌时是否调节渗滤液p h 值、回灌时是否调节渗滤液 的温度、回灌填埋场中间覆盖层是否使用粘土、回灌填埋场垃圾是否通过污 泥添加进行微生物接种、不同的回灌频率等不同的生物反应器填埋场运行方 式对填埋场产生的渗滤液水质的稳定、气体产生速率的增加以及填埋垃圾稳 定的强化效果，定性地确定生物反应器填埋场的优化运行和操作方式，并为 生物反应器填埋场动力学研究提供必要的实验数据。( 3 ) 生物反应器填埋场 动力学研究。通过对生物反应器填埋场填埋垃圾中有机污染物的水解、甲烷 化进程以及其它如温度、p h 值等对上述过程的影响进行分析，在物料衡算 的基础上建立有关生物反应器填埋场有机物降解的动力学模型。并将模拟实 验结果带入模型以计算不同操作和填埋条件下的生物反应器填埋场有机物 降解的相关参数，从而为生物反应器填埋场的优化设计和运行提供基础。( 4 ) 生物反应器填埋场防渗层的优化设计研究。在对粘土防渗层有关影响因素系 统分析的基础上通过不同土质、不同压实密度、不同含水量、不同厚度以及 不同作用水头的组合对比试验。分别确定减小防渗层渗透性和提高防渗层净 化能力的影响要素，最后提出对防渗层渗透性和净化能力综合考虑的粘土防 渗层的优化设计方案，以期探索出一条适合我国国情的经济、可靠的生物反 应器填埋场防渗层设计之路。 本论文的研究过程遵循收集资料一现场调查分析一实验模拟分析的思 路，具体技术路线见图1 1 。 论文取得的主要研究成果可概括如下： ( 1 ) 首次在遵循生物反应器填埋场渗滤液中有机物物料衡算的基础上， 通过对固相有机垃圾的水解反应以及水解酸化产物甲烷化反应的分析，建立 了能反映温度变化和p h 变化影响的生物反应器填埋场有机物降解动力学模 型。在对该动力学模型以及模拟实验结果进行系统分析的基础上，提出了生 物反应器填埋场加速稳定的操作策略，即要求生物反应器填埋场加强温度、 p h 的调控，在渗滤液回灌前对其进行加热，通过污泥添加进行生物反应器 填埋场微生物接种，在填埋场运行前期适当降低渗滤液回灌操作的频率，产 甲烷稳定后再提高渗滤液回灌频率，对今后生物反应器填埋场的实际运行具 查壶銮堕盔堂堡主塑塞生兰笙迨塞 蔓! ：要 有指导意义。 ( 2 ) 在综合考虑填埋场地下水体环境容量、粘土防渗层对有机和无机污 染物截污性能和净化能力的基础上，对生物反应器填埋场的防渗层进行了设 计。设计结果表明，当研究的生物反应器填埋场粘土防渗层压实密度为1 6 0 g c m 3 且防渗层上渗滤液水头按1 o m 考虑时，该生物反应器填埋场粘土防 渗层厚度为1 2 0 m 即可。 ( 3 ) 根据模拟实验结果提出在实施渗滤液回灌的生物反应器填埋场中不 能采用粘土作中间覆盖层，而应选用砂土等渗透性适中的材料作中间覆盖 层，以避免影响生物反应器填埋场的稳定化进程。 一 亘壹窑适杰兰璺主堡塞生堂焦迨塞 兰! i 要 图l 1论文实施的研究路线 西南交通大学博士研究生学位论文舅1 4 页 第2 章城市垃圾填埋场及其渗滤液控制 2 1 城市垃圾及处理、处置方式 2 1 1 城市生活垃圾基本特征 城市生活垃圾是人们在日常生活中产生的综合废弃物。目前我国城市生 活垃圾主要来源于居民生活垃圾、街道保洁垃圾和集团垃圾三类 g o 】，主要 具有以下特点： ( 1 ) 城市垃圾产量增长迅速 随着社会经济的高速发展、城市人口的快速增加和人民生活水平的极大 提高，城市生活垃圾的产量越来越大。1 9 8 6 1 9 9 5 年间，我国城市人均垃圾 产量平均增幅为3 9 7 。自1 9 7 9 年来，我国城市垃圾总量每年更以8 9 8 的速度增加，少数城市增幅甚至高达1 5 2 0 8 。 ( 2 ) 城市垃圾组成变化显著 在我国城市垃圾总量增加的同时，垃圾构成也发生了很大变化，主要表 现为有机物增加，可燃物增加，可利用价值增大。影响这些变化的因素包括： 随社会发展进程的变化。随着社会经济的发展以及居民生活水平、 消费结构和能源结构的改善，城市垃圾的组成也逐年发生较大的变化。城市 生活垃圾总体上呈现为灰渣等无机物含量逐年减少而纸张、塑料和厨余废物 在内的有机物含量则逐年增加的趋势【8 2 】。 随经济发展水平的变化。凡是经济发达、生活水平高的城市、同一 城市高收入阶层住宅区，垃圾