生物反应器填埋场的发展及应用研究.pdf

生物反应器填埋场的发展及应用研究 张超平冯勇罗鹏 深圳下坪固体废弃物填埋场，广东 深圳 518019 摘要 缩短垃圾稳定化时间， 并有效地收集和处理渗滤液及填埋气体， 是促使传统卫生填埋法向生物反应器填埋场发 展的主要因素。生物反应器填埋场通过回灌渗滤液等控制手段， 改善填埋场内部微生化环境， 加速填埋场稳定化进 程。生物反应器填埋场的关键在于渗滤液收集系统、 防渗系统、 气体收集系统和渗滤液回灌系统。一些在运行的全规 模生物反应器填埋场证明了这种操作方式能加快垃圾降解和填埋气体的产生， 减少渗滤液处理量。然而还有一些经 济和技术上的不确定性， 包括持久有效性、 压实度和氧化 － 还原环境等因素都需要进一步研究。 关键词 生物反应器填埋场;稳定化;应用 RESEARCH ON DEVELOPMENT AND APPLICATION OF BIOREACTOR LANDFILL TECHNOLOGY Zhang ChaopingFeng YongLuo Peng Shenzhen Xiaping Sanitary Landfill，Shenzhen 518019，China AbstractReducing the duration of garbage stabilization，and collecting leachate and landfill gas effectively is the main factor in turning al sanitary landfill into bioreactor landfill technology．The bioreactor landfill can improve the biochemical environment in landfills and accelerate stabilization process，primarily through the addition of leachate． The key elements of a bioreactor landfill include leachate collecting system，liner system，landfill gas collecting system and leachate introduction system． Some running full-scale bioreactor landfills have proved that leachate recirculation can accelerate waste degradation and landfill gas generation，which can reduce quantity of leachate to be treated． However，technical and cost incertitudes， including sustainability，compaction and redox environment need further research． Keywordsbioreactor landfill;stabilization;application 0引言 目前世界上大多数卫生填埋场都严格控制水分 进入填埋场垃圾层， 以减少渗滤液的产生量， 即所谓 “干穴式” 填埋场运行方式。在这种“干穴式” 填埋场 中， 游离水含量较少， 且分布不均， 一般不能满足厌氧 微生物的代谢需要。垃圾降解速度慢， 需要经过多年 才能转化成稳定的形态。这就使垃圾产酸及产甲烷 过程变得难以预测， 其产气时间可能延长至 20 年以 上， 渗滤液及填埋气体对环境的威胁大大增加， 填埋 场封场后需要长期的监测管理工作， 土地也难以很快 恢复回用。 1生物反应器填埋场技术概述 1. 1生物反应器填埋场结构形式 生物反应器填埋场通过控制填埋场内部湿度和 营养状况， 提高场内微生物活性， 从而控制垃圾稳定 化进程。北美固体废弃物组织对生物反应器填埋场 定义如下 “生物反应器填埋场是有目的地控制强化 填埋场中的微生物反应， 使垃圾中能降解的有机组分 在封场后 510 年内完成稳定化过程的卫生填埋场。 比之别的填埋方式， 生物反应器填埋能大大地加快垃 圾降解和转化的速度和效率” ［1］。 生物反应器填埋场按操作方式不同分为厌氧生 物反应器填埋场和好氧 兼氧 生物反应器填埋场。 好氧生物反应器填埋场在回灌渗滤液的同时鼓入空 气， 使填埋场内部保持有氧反应的状态， 大大加快了 填埋场的稳定化过程， 但其能耗和成本很高， 也没有 对垃圾中有机组分的生物质能进行利用， 应用和研究 得相对较少。目前广泛采用的是厌氧生物反应器填 59 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 埋场， 其主要组成和运行方式见图 1。 图 1厌氧生物反应器填埋场示意 1. 2生物反应器填埋场技术应用的经验和优势 在 20 世纪 70 年代 Pohland 提出了利用渗滤液回 灌控制填埋场稳定化进程的方法［2- 3］， 并通过小试验 证了回灌的效果。从 20 世纪 80 年代开始， 这种方法 得到了广泛重视， 由实验室规模试验走向中试规模试 验和全规模试验， 并开始得到实际应用。截至 1993 年， 在美国、 德国、 英国和瑞典， 已经有接近 20 个生物 反应器填埋场［4］。北美固体废弃物组织 1997 年的调 查得出， 在美国境内已经有超过 130 个填埋场实行了 渗滤液回灌［5］， 积累了相当丰富的运行管理经验 系统堵塞将导致最终覆盖防渗膜膨胀破裂; 快速 的沉降将造成填埋场表层积水; 渗滤液回灌的短流现 象将导致大部分垃圾无法达到田间持水率; 为了防止 防渗层上渗滤液水头过高， 需要采用平常 2 倍 ～ 3 倍 的排水速度连续排水; 采用高渗透系数的日覆盖层能 更有效地使垃圾达到田间持水率; 低渗透系数的日覆 盖层和垃圾的各向异性的特点将导致回灌渗滤液侧 向渗出; 如果采用主动方式收集填埋气体， 渗滤液回 灌导致的产气加速将带来臭气问题; 渗滤液回灌管道 和收集管道容易产生不均匀沉降和堵塞; 垃圾的透水 性比预期的低; 填埋气体收集管路中的冷凝液容易使 管道堵塞; 雨季应该有足够的渗滤液存储设施; 相反 的， 渗滤液也可能不能满足所有垃圾的含水率， 尤其 是好氧生物反应器填埋场; 回灌导致的内部压力的增 加会减小边坡稳定性的安全系数; 短流现象的存在将 很快产生渗滤液， 然而长期的回灌能使湿度分布更均 匀并减少渗滤液产生［6］。 生物反应器填埋场的运行将有利于垃圾的降解 和填埋场的稳定， 具体表现为［7］ 1 加速有机物降解 加速沉降， 使沉降大都发生 在运行阶段; 增大填埋气体单位产出率和总量， 加快 产出速度; 减少填埋场土地再利用等待时间。 2 方便填埋气体利用 短时间内高产气量提高 了气体利用的经济效益; 减少了温室气体化石燃料燃 烧污染物排放。 3 渗滤液处理和处置 降低渗滤液中有机污染 物浓度; 能固定一定量重金属和无机盐［8］; 减少了需 处理渗滤液的总量。 4 减少封场后的长期监测和维护 快速稳定化 减少了污染物和沉降的长期风险; 减少了监测和维护 费用。 目前， 从现有的生物反应器填埋场的运行情况来 看， 由试验结果所预期的各种优势都基本上得到了体 现。美国加利福尼亚的 Yolo 县填埋场通过 4 年的回 灌试验证明 渗滤液回灌能有效加快垃圾降解和增加 填埋场中的湿度， 并在垃圾体中形成合适的酸碱环 境［9］。美国德拉瓦州的南部固体废物处理中心在 14 年的渗滤液回灌后得出 回灌能降低渗滤液处理费 用， 加快填埋气体的产生和降低长期的污染风险。其 他填埋场的运行结果也都得出类似结论［10］。 过去绝大多数的生物反应器填埋场的研究主要 集中在美国和欧洲， 现在其他地区的很多国家也开始 关注这一技术， 澳大利亚、 加拿大、 南美、 南非， 日本和 新西兰都有关于生物反应器填埋场的研究报道。我 国在这方面的系统研究还很少， 清华大学已与深圳下 坪垃圾填埋场共同完成生物反应器填埋场的中试研 究， 该中试由 4 座42 m3的填埋柱构成， 以研究不同条 件对生物反应器填埋场的影响。不难看出， 通过改善 填埋场的设计和提高运行管理水平， 采用生物反应器 方式来运行填埋场已经是全球发展的趋势之一。 2生物反应器填埋场的设计 生物反应器填埋场设计与运行的关键在于几个 重要的系统 渗滤液收集系统、 防渗系统、 气体收集系 统和渗滤液回灌系统。一般说来， 由于垃圾体结构的 不确定性和各向异性， 渗滤液回灌系统是目前生物反 应器填埋场设计和运行的难点。 2. 1渗滤液收集系统和防渗系统 渗滤液回灌加大了填埋场渗滤液的产生量和产 生速度， 如果收集系统排水能力不足， 将会导致防渗 层上水位上升， 增加了渗滤液发生泄漏的可能性。美 国和欧盟规定在填埋场防渗层上的水头应保持在 300 mm以下［11］， 这给渗滤液收集系统提出了更高的 要求。在渗滤液收集系统设计时， 需要运用 HELP Hydrologic uation of Landfill Perance 模型或 其他水文模型进行分析， 以验证设计的渗滤液回灌速 69 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 度 包括降雨 不会造成防渗层上渗滤液的水头超过 标准值。建议排水层采用具有较高渗透系数的系统 美国 EPA 推 荐 k ＞ 1 cm/s ， 加 大 渗 滤 液 导 出 的 能力。 生物反应器填埋场的防渗设计推荐采用双层防 渗， 其防渗安全性能较好， 能减少监测的工作量。美 国的一些州正在考虑把双层防渗层上水头标准提高 到500 mm， 以充分利用双层防渗的性能， 增加渗滤液 回灌的操作范围。 2. 2气体收集系统 在生物反应器填埋场中， 适宜的垃圾体含水率给 产甲烷菌提供了更好的生存环境， 加快了填埋气体的 产生速度， 增大了总产气量， 为了减小火灾隐患， 充分 利用垃圾的生物质能， 有必要采用主动的气体收集系 统。设计时可以将填埋气体收集管路和渗滤液回灌 管路分开铺设， 也可以直接采用渗滤液回灌管道收集 填埋气体。将填埋气体收集管路和渗滤液回灌管路 分开铺设能在任何时候都回收气体， 操作灵活， 堵塞 的可能性小， 但需要单独施工， 造价相对较高。利用 回灌管道收集气体， 设施简单， 但在渗滤液回灌时无 法收集， 会导致臭味的扩散， 收集效果不如单独的收 集管路， 且气体收集系统设计时要充分考虑渗滤液回 灌所带来的液体滞留高度， 以避免管道堵塞。 2. 3渗滤液回灌系统 渗滤液回灌系统设计的目标是让回灌的渗滤液 能均匀分布到垃圾体中， 使垃圾体达到合适的含水 率。渗滤液回灌的方式主要有下渗塘、 表面喷灌、 垂 直渗井和水平渗沟等。表面喷灌布水最均匀， 但由于 高浓度渗滤液的喷洒会带来严重的恶臭， 所以应谨慎 考虑。下渗塘回灌方式较为简单， 但回灌效果不好， 同样存在着臭味问题， 而且由于渗滤液暴露在大气环 境中， 容易在覆盖层中发生一系列的硝化和反硝化反 应， 产生 N2O 等温室气体［12］， 所以一般只是作为其他 回灌方法的辅助手段。垂直渗井回灌的一个显著优 势是其可以在垃圾填埋完成以后再施工， 对于在设计 最初没有考虑渗滤液回灌的填埋场， 这是一种很好的 补救措施， 但由于渗滤液在垃圾体中竖向运移的速度 远大于水平方向的迁移速度， 竖井的回灌影响范围有 限， 因此在较大区域内需要很多井来回灌， 布水效果 相对较差。水平渗沟虽然工程量较大， 但可以边填埋 边施工， 在最终封场之前就可以开始回灌， 回灌时间 长， 回灌能力大， 布水效果较好， 是目前应用较多的回 灌方式。 除了选择合理的布水方式外， 还必须考虑渗滤液 回灌的速度。如果没有足够的回灌能力， 渗滤液的回 灌量就会比垃圾能够吸收的量少得多， 生物反应器的 功效得不到充分利用。相反， 如果渗滤液的回灌量远 高于垃圾的吸收能力， 渗滤液回灌系统的建设和运行 成本将会提高， 同时， 垃圾长期处于饱和状态也会带 来一系列的问题。 3生物反应器填埋场的研究内容 大量的试验和现场数据证明生物反应器填埋场 具有很多明显的优势， 但是， 因为发展时间较短， 实际 应用工程相对不多， 数据积累不够。一些与设计和运 行密切相关的因素， 如持久有效性、 压实度、 氧化 － 还 原环境等对生物反应器填埋场的影响等都需进一步 的研究。 3. 1持久有效性 从生物反应器填埋场中取得的垃圾样品分析结 果可以看出 渗滤液回灌能大大加快垃圾降解速率， 回灌区域垃圾所残留的生物产甲烷潜能值明显低于 不回灌区域垃圾的值［13］。但由于缺乏长时间的监测 数据， 在长期的化学、 生物反应作用下垃圾降解的最 终结果还是完全未知的。例如， 在厌氧环境下， 硫化 物和腐殖质能够固定金属离子， 但在填埋场停止运行 以后， 氧气和降雨可能进入到填埋场内部破坏厌氧条 件， 使得重金属离子和其他无机污染物被冲刷出来， 造成地下水污染。特别是在设计防渗和覆盖系统时， 对这方面的了解是十分必要的。 3. 2压实度 传统填埋场运行一般都倾向于使用大型机械对 垃圾进行压实， 提高垃圾的密度以获得更多的有效空 间。垃圾的透水性能是与其密度直接相关的， 高密度 必然带来较低的透水率， 不利于渗滤液的回灌。理论 上， 渗滤液回灌能加快垃圾体的沉降， 这能够弥补垃 圾压实度降低所占据的额外空间。但从目前实际运 行结果来看， 回灌对沉降的影响程度还存在一定的争 议， 在不同的填埋场， 回灌带来的沉降增量差别很大。 据文献报道［14- 15］， 美国 Yolo 县填埋场渗滤液回灌区 域的沉降速度要比不回灌区域快 3 倍以上， 但在乔治 亚州的 Columbia 县填埋场， 回灌的沉降增量只有 5 左右。通过研究寻找一个合适的压实度， 达到既不浪 费有效空间， 又能保证回灌的顺利进行， 是生物反应 器填埋场成功运行的重要条件之一。 79 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 3. 3氧化 － 还原环境 现在应用的生物反应器填埋场基本上都是厌氧 型的填埋场。在厌氧条件下的渗滤液回灌对渗滤液 中氨氮的去除效果有限， 而氨氮去除在后续的渗滤液 处理中是一个普遍的难题。最近， 改变生物反应器填 埋场内部的氧化 － 还原环境， 从而提高氮的去除效率 的试验正在开展。研究结果表明［16］， 好氧、 兼氧、 厌氧 循环型的生物反应器填埋场比之单纯的厌氧条件， 能 大大提高氮的去除效果。如果能把这些研究成果推广 利用， 势必有利于提高生物反应器填埋场的功效。 4我国生物反应器填埋场研究工作 填埋法在我国城市生活垃圾的处理处置中占有 很大的比重。2001 年国家环保总局进行的一项调查 表明［17］ 329 个主要城市中， 卫生填埋和简易填埋的 处理规模分别占垃圾处理总量的 52. 8 和 40. 5 。 作为卫生填埋法的改进方法， 生物反应器填埋场的应 用前景十分广阔。因此， 国内许多研究机构先后进行 生物反应器填埋场的试验， 以期扩大生物反应器填埋 场在我国应用范围， 主要有清华大学、 同济大学、 浙江 大学、 中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研 究所等。 于晓华等［18- 19］对 4 个体积250 L的模拟柱研究得 出 渗滤液的回灌可以加速填埋场的稳定化， 降低渗 滤液的有机物浓度。但填埋初期进行渗滤液的直接 回灌， 会导致垃圾层内有机酸的积累， 阻碍甲烷化过 程的建立。向填埋层供给少量空气， 就可以解决填埋 初期渗滤液直接回灌产生的有机酸积累问题， 使渗滤 液中的有机物迅速降解。 郭辉东等［20］用体积为250 L的反应柱模拟回灌 过程， 发现渗滤液原液回灌会严重抑制垃圾中含氮物 质的水解过程， 而渗滤液经好氧处理后回灌则可显著 加速垃圾中含氮物质的水解。 何厚波等［21］通过 3 个100 ～ 500 L不同容积的反 应柱进行回灌试验， 研究结果表明 回灌处理法对有 机物有较好的处理效果， 回灌渗滤液中有机物的去除 效果随垃圾堆体高度的增加而增加; 单位矿化垃圾可 承受的有机污染负荷有一个限值， 当在一定时间内因 回灌而进入垃圾堆体中的有机污染负荷超过这一限 值时， 渗滤液回灌处理系统将遭到破坏且不易恢复。 迄今为止， 我国已报道的试验仅限于实验室的模 拟柱试验， 中模拟柱最大容积仅为0. 5 m3; 试验垃圾 大多采用配比垃圾模拟， 并破碎到较小的粒径; 试验 周期多为一年以内; 基本都只是初期的研究结果， 还 处于定性摸索阶段。相对地， 国外对生物反应器填埋 场的研究过程经历了实验室研究 － 中试试验 － 现场 试验 － 实际应用的过程， 到现在已经累积了 30 年的 经验， 后 20 年研究主要集中于现场中试和全规模填 埋单元的试验研究。因此， 无论是从国外经验还是实 际发展需要看来， 为了给生物反应器填埋场的实际应 用提供必要的参考， 较大规模试验是必要的。 5结论 生物反应器填埋场是对传统填埋场的革命性更 替， 通过控制填埋场内部湿度和营养状况， 提高了场 内微生物活性， 缩短了填埋场稳定化时间， 减少了需 要处理的渗滤液量， 改善了垃圾有机组分的生物质能 利用条件。近年来， 在美国、 欧洲、 澳大利亚、 加拿大、 南美、 南非， 日本和新西兰等国家和地区， 生物反应器 填埋场已经有很多成功设计和运行的实例， 成为了卫 生填埋的发展趋势。然而持久有效性、 压实度和氧化 － 还原环境等不确定因素， 需要进一步研究。随着经 济的发展， 我国城市垃圾的产生量不断增加， 填埋法 应用广泛， 这种新型的填埋场在我国将会有广阔的发 展前景。 参考文献 ［1］Pacey J P，Ramin Yazdani，Reinhart D，et al．The bioreactor landfillan innovation in solid waste management ［M］． Swana， MarylandSilver Springs， 1999． ［2］Pohland E G． Sanitary landfill stabilization with leachate recycle and residual treatment［M］． CincinnatiUS EPA， EPA- 600 /2- 75- 043，1975． ［3］Pohland E G． Leachate recycle as landfill management option［J］． Journal of Environmental Engineering，1980， 10 6 1057- 1069． ［4］Reinhart D R， Townsend T G．Landfill bioreactor design ＆ operation［M］． Boca Raton，FLLewis Publishers，1998． ［5］Gou B，Guzzone B．State survey on leachate recirculation and landfill bioreactors［M］． Swana，MarylandSilver Springs，1997． ［6］Debra R，Reinhart Philip T，McCreanor T T．The bioreactor landfillits status and future［J］． Waste Management ＆ Research， 2002， 20172- 186． ［7］Mostafa Warith． Bioreactor landfillsexperimental and field results ［J］． Waste Management，2002， 22 7- 17． ［8］Michael Binder，Torleif Bramryd． Environmental impacts of landfill bioreactor cells in comparison to er landfill techniques［J］． Water，Air and Soil Pullution，2001， 129289- 303． ［9］Rinav C Mehta． Refuse decomposition in the presence and absence ofleachaterecirculation ［ J ］．JournalofEnvironmental engineering，2002， 128 3 228- 236． 89 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 ［ 10］Thomas B，Maier．Expected benefits of a full-scale bioreactor landfill，leachate recirculation ＆ landfill bioreactors［M］． Swana， Maryland Silver Springs，1997． ［ 11］Thomas BMaier．Analysis procedures for designof leachate recirculation systems［J］． Water Quality International，1998 11 / 12 37- 47． ［ 12］Chun Man Lee，Xue Rui Lin，Chong Yu Lan，et al． uation of leachate recirculation on nitrous oxide production in the likang landfill，China［J］．Journal of Environment Quality，2002， 31 1502- 1508． ［ 13］Blakey N C，Bradshaw K，P Reynolds，et al． Bioreactor landfill-a field trial of accelerated waste stabilization［C］． Proceedings from Sardinia 97，Sixth International Landfill Symposium，S． Margherita di Pula，Italy，1997375- 386． ［ 14］Yolo County Division of Integrated Waste Management． Trash to cash-controlled landfill bioreactor project［M］． New YorkPublic Technology Inc． ，1998． ［ 15］Hudgins M，March J．In-situ municipal solid waste composting using an aerobic landfill system［M］． Aiken，SCAmerican Technologies Inc． ，1998． ［ 16］Turgut T Onay，Frederick G．In situ nitrogen management in controlled bioreactor landfills［J］． Water Research，1998， 32 5 1383- 1392． ［ 17］李国刚， 曹杰山， 汪志国． 我国城市生活垃圾处理处置的现状与 问题［J］ ，环境保护，2002 4 35- 38． ［ 18］于晓华，何品晶，邵立明，等． 填埋层空气状况对填埋初期渗 滤液水质的影响［J］． 同济大学学报，2004，32 5 640- 643． ［ 19］于晓华，何品晶，邵立明，等． 填埋层空气状况对渗滤液中氮 成分变化的影响［J］． 同济大学学报，2004，32 6 741- 744． ［ 20］郭辉东，何品晶，邵立明，等． 渗滤液回灌的氨氮和凯氏氮变 化规律［J］． 中国给水排水，2004，20 1 18- 21． ［ 21］何厚波，徐迪民． 垃 圾 堆 体 高 度 对 渗 滤 液回 灌处 理的影响 ［J］． 中国给水排水，2003，19 1 9- 12． 作者通信处张超平518000深圳市清水河下坪 下坪固体废物填 埋场 E- mail568622182 qq． com 2011 － 06 － 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 123 页 图 3旋流脱水器外形 来袋式除尘器排出去的灰比较干燥， 未发生过糊袋现 象， 也未发生过螺旋机输灰堵塞， 除尘系统运行良好。 5结语 1 水滴脱水器内气流的运动， 是气流经过特殊 的导流叶片而产生的旋转运动。它使绕轴向旋转的 气流具有朝前一个方向作轴向移动， 并使水滴在离心 力作用下分离， 而最小水滴的分离从理论上是可以计 算的。 2 计算表明旋流水滴脱水器气体流动路线短， 轴向与切向的速度相等， 能耗小; 并且气流旋转区域 与已分离水滴的区域可以相互分离， 互不影响， 避免 了旋风分离器结构上存在的内旋流和混流区卷走水 滴的问题。而且这种脱水器配置灵活方便， 可以直接 安装在水平管路或垂直管路系统中， 不改变管向， 不 用新增动力即可运行。 3 根 据 计 算， 脱 水 器 可 以 分 离 的 最 小 水 滴 为 58. 6 μm， 经工程应用证明这种脱水器捕集水滴颗粒 是可行的， 再加上袋式除尘器选用拒水滤料， 则不会 发生糊滤袋问题。同时它还用作含高浓度粉尘除尘 系统的预除尘器或环境工程中气固分离装置。 参考文献 ［1］张殿印， 王纯． 袋式除尘 技术［M］． 北 京 冶 金 工 业 出 版 社， 2008． ［2］陈鸿飞． 质点群动态分布律及其应用［J］． 环境工程， 1996， 14 5 19- 25． 作者通信处杨建勋110021辽宁沈阳市铁西区兴华南街 48 号都 城大厦 518 室 电话 024 85402815 2011 － 05 － 04 收稿 99 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期