生物反應(yīng)器填埋技術(shù)及其應(yīng)用
摘要：本文分析了城市生活垃圾的厭氧、好氧及準(zhǔn)好氧填埋方式的特點(diǎn)，介紹了當(dāng)前國內(nèi)外垃圾滲濾水場內(nèi)循環(huán)處理的兩種趨勢:(1)以歐美國家為主的生物反應(yīng)器填埋技術(shù)； (2)以日本為主的循環(huán)式準(zhǔn)好氧填埋技術(shù)。根據(jù)我國城市垃圾有機(jī)物含量高的特點(diǎn)，提出了將準(zhǔn)好氧填埋技術(shù)與生物反應(yīng)器填埋技術(shù)特點(diǎn)相結(jié)合的垃圾滲濾液場內(nèi)循環(huán)處理的設(shè)計(jì)思路。
1 引言
隨著人們對于填埋場所帶來的各種環(huán)境影響認(rèn)識的深入，填埋技術(shù)不斷得到發(fā)展，由最初的無控堆填，逐步發(fā)展到具有防滲系統(tǒng)、集排水系統(tǒng)、導(dǎo)氣系統(tǒng)和覆蓋系統(tǒng)的衛(wèi)生填埋。目前發(fā)達(dá)國家中應(yīng)用最廣泛的垃圾處理處置方式還是衛(wèi)生填埋［1］（表1）。
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表1 部分發(fā)達(dá)國家城市垃圾處理概況
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2 生活垃圾的填埋方式
衛(wèi)生填埋按垃圾層中氧氣的存在狀況可分為厭氧、好氧和準(zhǔn)好氧三種填埋方式
2.1 厭氧填埋
厭氧填埋是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的填埋方式，厭氧填埋的指導(dǎo)思想是將垃圾填埋體獨(dú)立于周圍的環(huán)境，屬于封閉容器式填埋，垃圾填埋體必須經(jīng)過漫長的厭氧發(fā)酵(一般填埋場設(shè)計(jì)年限為30年)，才能實(shí)現(xiàn)最終穩(wěn)定化、無害化的目的。厭氧填埋場的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，建設(shè)成本低，同時還可將填埋過程中產(chǎn)生的沼氣作為能源加以利用，其缺點(diǎn)是垃圾中有機(jī)物降解緩慢，達(dá)到垃圾穩(wěn)定化的時間較長，占地較大，二次污染問題嚴(yán)重。
2.2 好氧填埋
好氧填埋是利用鼓風(fēng)機(jī)直接向填埋垃圾體中鼓風(fēng)，對填埋初期垃圾中有機(jī)物的迅速降解有很好的效果，可以使垃圾達(dá)到穩(wěn)定化的時間大大縮短，同時降低滲濾液的污染強(qiáng)度，因此越來越受到各國的重視，尤其是近年來，許多大中城市的填埋用地越來越緊張，厭氧填埋帶
來的二次污染問題日益突出，使越來越多的國家轉(zhuǎn)而開始研究好氧填埋的方式，但是好氧填埋由于要向?qū)捄竦睦盥耋w中強(qiáng)制通風(fēng)，所以工藝設(shè)備復(fù)雜，動力消耗大，運(yùn)行管理費(fèi)用高，而且鼓風(fēng)同樣也會帶來空氣污染的問題，目前還沒有實(shí)際運(yùn)行的工程實(shí)例。
2.3 準(zhǔn)好氧填埋
準(zhǔn)好氧填埋設(shè)計(jì)的思想是不用動力供氧，而是利用滲濾液收集管道的不滿流設(shè)計(jì)，使空氣自然通入，在垃圾堆體發(fā)酵產(chǎn)生溫差的推動下，使填埋層處于需氧狀態(tài)，可以保證在填埋場內(nèi)部存在一定的好氧區(qū)域，特別是在滲濾液集排水管和排氣管周圍存在好氧區(qū)域，抑制
了沼氣和硫化氫等氣體的產(chǎn)生，垃圾也能盡早達(dá)到穩(wěn)定化，同時也降低了滲濾液的污染強(qiáng)度，但是容易出現(xiàn)集水管道結(jié)垢而堵塞，達(dá)不到自然通風(fēng)效果的問題。王琪、范潔等報道了滲濾液水質(zhì)與填埋結(jié)構(gòu)的關(guān)系［2］［3］(表2)。
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表2 垃圾填埋場結(jié)構(gòu)與滲濾液水質(zhì)關(guān)系 單位：g／L
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3 生活垃圾填埋處理技術(shù)的發(fā)展氈勢
3.1 生物反應(yīng)器填埋技術(shù)
生物反應(yīng)器填埋是在傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其核心是通過有目的的滲濾液回灌控制系統(tǒng)，強(qiáng)化填埋垃圾中微生物的生物過程，從而加速垃圾中可降解有機(jī)組分的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定。自20世紀(jì)70年代起，美國、英國、加拿大、澳大利亞、德國、丹麥、意大利、瑞典和日本等國相繼開始了生物反應(yīng)器填埋場的研究。Robinson等人的研究表明，通過滲濾液回灌可以縮短填埋垃圾的穩(wěn)定化進(jìn)程(使原需15-20年的穩(wěn)定過程縮短至2～3年)。Pohland等人把垃圾填埋場看作生物反應(yīng)器，提出噴灑的滲濾液量應(yīng)根據(jù)垃圾的穩(wěn)定化進(jìn)程而逐步提高，一般在填埋場處于產(chǎn)酸階段早期時，回噴的滲濾液量宜少，在產(chǎn)氣階段則可以逐漸增加；另外由于填埋場內(nèi)垃圾處于不同的穩(wěn)定化階段，可以將產(chǎn)甲烷區(qū)垃圾層排出的滲濾液回灌至新填入的產(chǎn)酸區(qū)垃圾層，而將新垃圾層所產(chǎn)生的滲濾液回灌至老齡填埋區(qū)，這樣有利于加速污染物的溶出和有機(jī)污染物的分解，同時加速垃圾層的穩(wěn)定化進(jìn)程。Mosher等人的研究表明，滲濾液回灌增加了填埋場的有效庫容量，促進(jìn)了垃圾中有機(jī)化合物的降解，縮短了產(chǎn)沼時間[6]。Carson報道了目前在美國生物反應(yīng)器填埋場的技術(shù)體系已初具規(guī)模，已有200多座垃圾填埋場采用了此技術(shù)。該方法除具有加速垃圾的穩(wěn)定化、減少滲濾液的場外處理量、回灌后的滲濾液水量水質(zhì)得到均衡、降低滲濾液污染物強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)外，還有比其他處理方案更為節(jié)省的經(jīng)濟(jì)效益。但是受厭氧填埋場特性的限制，回灌并不能完全消除滲濾液。且回灌后的滲濾液氨氮含量高，仍需要進(jìn)一步處理后才能排放。
3.2 循環(huán)式準(zhǔn)好氧填埋技術(shù)
循環(huán)式準(zhǔn)好氧填埋最早是由日本提出的，其核心是使垃圾層中進(jìn)入空氣，由此加速填埋垃圾中有機(jī)物的好氧分解。在回灌的條件下，保證了填埋層中有充足的水分，既減少了滲濾液的排放量，又降低了滲濾液的污染強(qiáng)度。日本福岡大學(xué)的花島正孝教授，在“準(zhǔn)好氧填埋”理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了“循環(huán)式準(zhǔn)好氧填埋”的實(shí)驗(yàn)，并且已經(jīng)用于實(shí)踐中[5]，花島教授通過實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論是：3年間垃圾中的有機(jī)污染物約90％轉(zhuǎn)入氣相，成為CO2、N2等氣體；而厭氧填埋，有機(jī)污染物約90％轉(zhuǎn)入滲濾液中[6]。目前日本一般廢棄物的最終處置場普遍采用了準(zhǔn)好氧填埋的結(jié)構(gòu)，日本的工程實(shí)踐證明了準(zhǔn)好氧填埋的方式比較適合填埋垃圾的無機(jī)物含量較高，規(guī)模屬于中、小型的垃圾填埋場。Onay和Pohland等學(xué)者在解決衛(wèi)生填埋晚期滲濾液氮含量高的問題時，構(gòu)思了將填埋場分為缺氧帶、厭氧帶、好氧帶運(yùn)行的新思路，將脫氮過程所需要的碳源和硝態(tài)氮從填埋場底部的好氧區(qū)送至頂部的缺氧區(qū)，而厭氧區(qū)中殘留的C和N則相應(yīng)地送至好氧區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化，他們實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果為氨氮去處率95％，同時滲濾液中硫化物也可得到有效的去除[7]，這種設(shè)計(jì)思路有待于在現(xiàn)場試驗(yàn)中進(jìn)一步研究。我國王琪等人的實(shí)驗(yàn)室研究也初步表明：在半好氧狀態(tài)下NH3-N濃度可以降到10mg／L以下；沼氣產(chǎn)生速率大大高于未回流的填埋層；同時填埋層滲濾液中有機(jī)物濃度大大降低(CODCr去除率最高可以達(dá)到95％以上)。
4 適合我國城市垃圾特點(diǎn)的填埋技術(shù)的設(shè)想
我國城市垃圾成分與發(fā)達(dá)國家相比存在很大差異，發(fā)達(dá)國家城市垃圾的特點(diǎn)是食品垃圾和灰渣所占比例低，而紙類、玻璃、塑料等較高，同時垃圾含水率一般為20％-30％，與土壤持水能力相當(dāng)，而我國垃圾含水率一般在40％-50％，夏季更高；垃圾成分的不同導(dǎo)致了所產(chǎn)生的滲濾液的差異也很大。這種短期內(nèi)不能改變的狀況決定了我國垃圾填埋技術(shù)研究既要借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，更要考慮自身特點(diǎn)。
我國的垃圾組分中有機(jī)物的含量是發(fā)達(dá)國家的2—4倍，滲濾液屬于高濃度有機(jī)廢水，而我國的垃圾分類收集工作剛剛起步，要獲得一定的效果還需要相當(dāng)長的時間，因此在滲濾液處理問題上不能完全采納國外的一些處理技術(shù)。在垃圾填埋層中有空氣的情況下，封場后2年BOD5即可由運(yùn)行期間的40000—50000mg／L下降到<300mg／L。針對我國國情及垃圾滲濾液的水質(zhì)特點(diǎn)，筆者認(rèn)為我國的垃圾滲濾液回灌處理適合采用組合的工藝技術(shù)，即在填埋初期(1—3年)或在填埋層不太厚的情況下，采用好氧或準(zhǔn)好氧的填埋工藝，盡快使填埋場底層的垃圾穩(wěn)定化，然后調(diào)整為生物反應(yīng)器型填埋工藝，充分發(fā)揮穩(wěn)定化的垃圾層所具有的天然厭氧生物濾床作用，最大限度地降低排放滲濾液的污染強(qiáng)度，以減輕后續(xù)滲濾液處理的負(fù)擔(dān)。
5 結(jié) 語
到目前為止，我國還沒有建立起一個完整的由標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、指南組成的技術(shù)體系。我國目前填埋場設(shè)計(jì)往往采用國外的技術(shù)參數(shù)，而這有時又難以適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和垃圾特性，尤其是滲濾液的處理，我國尚處于研究探索階段，由于缺乏必要的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，加之滲濾液水質(zhì)水量的復(fù)雜多變性，垃圾填埋場滲濾液的處理設(shè)計(jì)大多照搬一般污水處理的技術(shù)，由于沒有充分考慮垃圾填埋和滲濾液的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的生物處理法和物化方法，不是難以達(dá)標(biāo)就是運(yùn)行費(fèi)用高，因此，有針對性地進(jìn)行符合我國國情的經(jīng)濟(jì)而切實(shí)可行的填埋工藝及滲濾液處理研究，是我們今后研究的重點(diǎn)課題。
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