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矿化垃圾生物反应床堵塞问题探讨 * 孙晓杰 1 王思明 1 赵孝芹 1 王嘉捷 1 赵由才 2 1． 桂林理工大学环境科学与工程学院 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004; 2． 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092 摘要 针对矿化垃圾生物反应床处理渗滤液的堵塞问题， 研究并探讨了堵塞原因和堵塞治理、 预防措施。结果表明 渗 滤液中有机悬浮物在矿化垃圾表层的截留与吸附是造成矿化垃圾反应床堵塞的主要原因之一。在该文试验条件下， 二级串联工艺中， 第一级反应床的表层总有机碳含量随时间的延长而增加， 总有机碳从最初的 9. 4 提高到发生堵塞 时的 10. 7 ; 而中部垃圾的总有机碳含量则维持在 9. 4 ～ 9. 5 。第二级反应床表层和中部垃圾的总有机碳分别维 持在 9. 2 ～ 9. 5 和 9. 0 ～ 9. 4 ， 未发生明显变化。通过矿化垃圾累计降解污染物的量， 提出了矿化垃圾极限负 荷和临界负荷的概念。 关键词 矿化垃圾;渗滤液;堵塞 DISCUSSION ON THE BLOCKAGE WHEN TREATING LEACHATE BY THE AGED- REFUSE- BASED BIOREACTOR Sun Xiaojie1Wang Siming1Zhao Xiaoqin1Wang Jiajie1Zhao Youcai 2 1． Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，College of Environmental Science and Technology，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;2． The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China AbstractThe blockage mechanism when treating leachate by the aged-refuse-based reactor was studied based on the relationship between the total organic carbon TOCin the aged refuse and time． It was considered that the blockage of the aged-refuse-based bioreactor may be contributed to the adsorption and interception of the organic suspended substances in the leachate． In two stage aged-refuse-based reactor，the TOC of surface layer in the first stage reactor increased from 9. 4 to 10. 7 with time，and the TOC of middle part maintained between 9. 4 and 9. 5 ． The TOC of surface layer and middle part in the second stage reactor was in the range of 9. 2 ～ 9. 5 和 9. 0 ～ 9. 4 ，respectively． Based on the total amount of degraded pollutant by aged refuse，it was determined that limit load and critical load could be used as the uation inds to prevent the blockage of the aged refuse bioreactor． Keywordsaged refuse;leachate;blockage *国 家 自 然 科 学 基 金40872151 ;广 西 自 然 科 学 基 金 2010GXNSFA013015 ;广西环境污染控制理论与技术重点实验室研 究基金 桂科能 0901Z001 。 0引言 同济大学赵由才课题组提出了“矿化垃圾” 的概 念 ［1］并利用矿化垃圾作为生物填料开创性地构建了 各种“矿化垃圾生物反应床” ， 在城市生活污水、 禽畜 废水、 焦化废水、 含酚废水、 印染废水、 离子交换树脂 再生废水等多种废水， 尤其在渗滤液处理方面取得了 重要进展 ［2］。随后， 许多研究人员开展了自然通风 或准好氧矿化垃圾生物反应床的研究， 取得了良好效 果 ［3- 4］。 矿化垃圾生物反应床处理渗滤液的专项技术已 获得发明专利 ［5］， 其成果在我国上海老港、 山东即墨 和广西贵港等地得到了推广应用。已有的研究表明， 与常规渗滤液处理方法相比， 矿化垃圾生物反应床具 有工艺流程和设备维修简单， 无需设置污泥回收和处 理设施， 基建投资低， 运行管理方便， 处理成本低 仅 为常规处理方法的 10 ～ 30 等优点 ［6］。矿化垃 圾生物反应床处理渗滤液具有许多优点， 但仍存在一 38 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 些问题， 例如运行过程中会出现堵塞现象， 导致处理 效果变差。研究人员发现， 矿化垃圾反应床处理高浓 度渗滤液 COD 为30 000 ～ 40 000 mg/L ， 水力负荷 为 33 ～ 58mL/ kgd 的条件下， 大约 30 d 即可能发 生堵塞现象 ［7］。随着 COD 和水力负荷的降低， 堵塞 时间可延至 300 d 以上 ［8］。因此找到堵塞原因， 及时 预防和解决堵塞问题， 是保证矿化垃圾反应床长期稳 定运行的关键问题之一。 1试验部分 1. 1试验设计 一般而言， 造成矿化垃圾反应床堵塞的原因主要 有 悬浮有机物的表层截留与吸附; 反应床内部微生 物细胞增殖。为了考察矿化垃圾反应床的堵塞原因， 设计如下试验， 试验中对矿化垃圾反应床表层和中部 矿化垃圾的总有机碳分别进行测定。如果反应床表 层矿化垃圾和中部矿化垃圾的总有机碳均随着试验 的进行而增加， 则说明矿化垃圾反应床的堵塞是由以 上两个原因共同造成的; 如果反应床表层矿化垃圾总 有机碳增加， 而中部矿化垃圾的总有机碳没有增加， 则说明矿化垃圾反应床的堵塞主要是由悬浮有机物 的表层截留与吸附造成的。 1. 2试验材料和方法 1. 2. 1矿化垃圾 试验所用 10 年填埋龄矿化垃圾， 取自老港废弃 物处置场， 经 8 mm 手动筛筛分， 筛下物理化性状如 表 1 所示。 表 1矿化垃圾主要指标 含水率 /总有机碳含量 / 总氮 干计 /pH 总磷 干计， 以 P2O5计 / 100 g 干垃圾阳离子 交换容量 以 N 计 /mg 21. 0 ～ 34. 09. 69 ～ 10. 20. 41 ～ 0. 467. 65 ～ 7. 850. 72 ～ 1. 0265. 4 ～ 68. 7 1. 2. 2渗滤液水质 试验所用渗滤液来自老港废弃物处置场， 进水水 质见表 2。 表 2工艺进水水质 ρ COD / mg L － 1 ρ 氨氮 / mg L － 1 pH 36 000 ～ 40 0001 700 ～ 2 0007. 88 ～ 8. 54 1. 2. 3试验装置 矿化垃圾反应床模拟装置， 采用 PVC 柱子 300 mm 1. 3 m ， 反应床内部设置管壁打孔的中央通风 管 30 mm ， 上部处于敞开状态， 下部出水阀门常 开。反应床下部设出水口， 中间设两个固体取样口。 反应床自下而上分别装填 高度为 10 cm、 粒径为 3 ～ 5 cm 的砾石， 高度为 5 cm 粒径为 1 cm 的小砾石， 作 为承托层与集水层; 高度 1. 1 m 的矿化垃圾层; 5 cm 作为安全高度， 防止进水流出。反应床的矿化垃圾装 填量为 60 kg。装置如图 1 所示。 1. 3试验方法 1. 3. 1运行方式 试验中二级矿化垃圾反应床顶部与空气连通， 反 应床出水阀门常开， 内部设置中央通风管， 改善复氧 状况， 工艺流程见图 2。 1. 3. 2回灌负荷与回灌频率 试验共运行 45 d。第 1 ～ 11 天， 水力负荷为 58 mL/ kg d ， COD 负荷为 2. 1 ～ 2. 3 g/ kgd ， 氨氮 图 1矿化垃圾反应床模拟试验装置示意 图 2矿化垃圾生物反应床工艺流程示意 负荷为 105 ～ 120 mg/ kgd 。为了提高出水水质， 从第 12 天到第 45 天， 水力负荷降为 33 mL/ kgd ， COD 负荷为 1. 2 ～ 1. 3g/ kgd ， 氨氮负荷为 105 ～ 120mg/ kg d 。回灌频率采用 1 次 /d。进水采取一 次加入， 进水前排水。 1. 3. 3分析方法 48 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 试验 中 固 相 TOC 采 用 岛 津 TOC/TN 测 定 仪; COD 采用重铬酸钾法 ［9］。 2试验结果与讨论 2. 1第一级反应床表层和中部样品 TOC 在矿化垃圾反应床处理高浓度渗滤液的过程中， 第一级反应床在第 31 天发生了堵塞现象。为了探讨 堵塞原因， 分别测试了反应床中表层和中部矿化垃圾 的总有机碳 图 3 。从图 3 可以看出 第一级反应床 表层矿化垃圾的 TOC 含量随着试验的进行是不断增 加的， 从开始的 9. 4 上升到发生堵塞时的 10. 7 ; 而中部垃圾的 TOC 则维持在 9. 4 ～ 9. 5 。 图 3第一级反应床表层和中部样品 TOC 2. 2第二级反应床表层和中部样品 TOC 在矿化垃圾反应床处理高浓度渗滤液的过程中， 第二级反应床未发生堵塞现象。从图 4 可以看出 第 二级反应床表层垃圾的总有机碳含量随着试验的进 行变化不大， 在 9. 2 ～ 9. 5 波动; 中部垃圾的总有 机碳含量变化也不大， 维持在 9. 0 ～ 9. 4 。 从两个反应床矿化垃圾的总有机碳含量来看， 矿 化垃圾反应床堵塞的主要原因是渗滤液中有机悬浮 物在矿化垃圾表层的截留与吸附。 图 4第二级反应床表层和中部样品总有碳含量 2. 3矿化垃圾反应床堵塞的治理措施探讨 针对矿化垃圾反应床堵塞的原因， 对于已经形成 的堵塞现象， 可以根据实际情况采用相应的治理措 施， 如翻动表层矿化垃圾， 更换堵塞层等。此外可以 采用改善工艺的方法， 如采用交替式回灌工艺也可解 决矿化垃圾反应床堵塞问题 ［7］。本试验中第一级矿 化垃圾反应床在第 31 天发生堵塞后， 采取了翻动表 层矿化垃圾和停止运行两天的措施， 接下来的试验运 行正常， 第 45 天的试验测试结果 图 5 显示， 系统对 渗滤液的处理效果没有变差。这也说明反应床是表 层矿化垃圾发生堵塞， 反应床内部未被破坏。 图 5各级反应床进出水 COD 浓度的变化 2. 4矿化垃圾反应床堵塞的预防探讨 对于矿化垃圾反应床的堵塞问题应该以预防为 主， 治理为辅的方针， 即在矿化垃圾反应床堵塞前采 取一定的措施， 防止堵塞发生。因此， 对矿化垃圾反 应床堵塞的预测就显得尤为重要。为此， 本文通过矿 化垃圾累计降解污染物的量， 提出了矿化垃圾极限负 荷和临界负荷的概念。极限负荷是指矿化垃圾反应 床处理渗滤液的过程中发生堵塞时， 单位质量矿化垃 圾累计降解污染物 如 COD、 氨氮等 的量。临界负 荷是指矿化垃圾反应床处理渗滤液的过程中水质变 差时， 单位质量矿化垃圾累计降解污染物 如 COD、 氨氮等 的量。本文中污染物的累计降解量通过下 式计算 污染物累计降解量 Σ 污染物每日降解量 Σ［ 进水污染物浓度 体积 － 出水污染物浓度 体 积 /矿化垃圾的质量］/天数 如果已知极限负荷或临界负荷， 进出水渗滤液浓 度与体积， 则可以计算出达到极限负荷或临界负荷的 时间， 在实践中就可以在堵塞发生前采取措施， 防止 堵塞的发生。 本试验中， 第一级矿化垃圾反应床每日和累计降 解 COD 量如图 6 所示。单位质量垃圾每日 COD 降 解量大于 1. 0g/ kgd ， 到反应床发生堵塞时， COD 极限负荷约为 40g/kg。由于试验时间的限制， 本文 未对矿化垃圾反应床的临界负荷和极限负荷进行系 统研究， 因而并未获得具有普遍意义的极限负荷与临 58 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 界负荷。可以根据矿化垃圾的粒径、 反应床的通风情 况、 渗滤液的水力负荷以及污染物浓度等影响因素进 行系统研究， 得到极限负荷与临界负荷随影响因素的 变化规律， 以指导实践。 图 6第一级反应床累计降解 COD 的量 3结论 二级串联矿化垃圾反应床工艺中， 第一级反应床 的表层总有机碳含量随时间的延长而增加， 在本试验 条件下， 总有机碳从开始的 9. 4 提高到发生堵塞时 的 10. 7 ; 而反应床中部垃圾的总有机碳含量则维 持在 9. 4 ～ 9. 5 。第二级反应床表层和中部垃圾 的总有机碳含量随着试验的进行变化不大， 分别在 9. 2 ～ 9. 5 和 9. 0 ～ 9. 4 波动。因此认为渗滤 液中有机悬浮物在矿化垃圾表层的截留与吸附是造 成矿化垃圾反应床堵塞的主要原因之一。 通过矿化垃圾累计降解污染物的量， 提出了矿化 垃圾极限负荷和临界负荷的概念。在本试验条件下， COD 极限负荷约为 40g/kg。这对于预防矿化垃圾反 应床堵塞具有一定指导意义。 参考文献 ［1］张华， 赵由才． 垃圾填埋场中矿化垃圾的综合利用［J］． 山东建 筑工程学院学报， 2004，19 3 46- 51． ［2］Zhao Youcai，Li Hua，Wu Jun，et al． Treatment of leachate by aged-refuse-basedbiofilter ［ J］．JournalofEnvironmental Engineering，ASCE USA ，2002，128 7 662- 668． ［3］张爱平， 刘丹， 刘咏， 等． 准好氧矿化垃圾床处理渗滤液的试验 研究［J］． 西南交通大学学报． 自然科学版， 2010， 45 1 160- 165． ［4］李贵芝， 刘丹， 李启彬， 等． 准好氧矿化垃圾生物反应床的最佳 工况研究［J］． 环境科学与技术， 2012， 35 3 34- 37． ［5］赵由才， 黄仁华， 周海燕， 等． 一种垃圾填埋场渗滤液的净化处 理方法［P］． CN1351969． 121846． ［6］石磊． 矿化垃圾生物反应床处理填埋场渗滤液的工艺与机理研 究［D］． 上海 同济大学，2005． ［7］孙晓杰． 加速新鲜垃圾稳定化的回灌工艺研究［D］． 上海 同 济大学，2007． ［8］Sun Yingjie，Sun Xiaojie，Zhao Youcai．Comparison of semi- aerobic and anaerobic degradation of refuse with recirculation after leachatetreatmentbyagedrefusebioreactor ［J］．Waste Management，2011， 31 6 1202- 1209． ［9］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］． 4 版． 北京 中国环境科学出版，2002． 作者通信处孙晓杰541004桂林市建干路 12 号 桂林理工大学 环境科学与工程学院 电话 0773 5897016 E- mailmeiliketang 163． com 2012 － 07 － 20 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 82 页 参考文献 ［1］唐伟，何平，张新学． 城市生活垃圾焚烧处理技术的比选应用 ［J］． 能源技术， 2009 8 8- 10． ［2］曾卫东，薛宪民，薛景杰． 炉排炉垃圾焚烧控制特点［J］． 热力 发电， 2004 12 57- 58． 作者通信处邹包产710065西安市科技四路 187 号秦唐 12 栋 1 号楼 E- mail33089154 qq． com 2012 － 05 － 29 收稿 68 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期