生物反应器填埋技术及其应用

摘要：本文分析了城市生活垃圾的厌氧、好氧及准好氧填埋方式的特点，介绍了当前国内外垃圾渗滤水场内循环处理的两种趋势:(1)以欧美国家为主的生物反应器填埋技术；  (2)以日本为主的循环式准好氧填埋技术。根据我国城市垃圾有机物含量高的特点，提出了将准好氧填埋技术与生物反应器填埋技术特点相结合的垃圾渗滤液场内循环处理的设计思路。

1  引言

随着人们对于填埋场所带来的各种环境影响认识的深入，填埋技术不断得到发展，由最初的无控堆填，逐步发展到具有防渗系统、集排水系统、导气系统和覆盖系统的卫生填埋。目前发达国家中应用最广泛的垃圾处理处置方式还是卫生填埋［1］（表1）。

2  生活垃圾的填埋方式

卫生填埋按垃圾层中氧气的存在状况可分为厌氧、好氧和准好氧三种填埋方式

2.1  厌氧填埋

厌氧填埋是目前世界范围内应用最为广泛的填埋方式，厌氧填埋的指导思想是将垃圾填埋体独立于周围的环境，属于封闭容器式填埋，垃圾填埋体必须经过漫长的厌氧发酵(一般填埋场设计年限为30年)，才能实现最终稳定化、无害化的目的。厌氧填埋场的优点是结构简单，建设成本低，同时还可将填埋过程中产生的沼气作为能源加以利用，其缺点是垃圾中有机物降解缓慢，达到垃圾稳定化的时间较长，占地较大，二次污染问题严重。

2.2  好氧填埋

好氧填埋是利用鼓风机直接向填埋垃圾体中鼓风，对填埋初期垃圾中有机物的迅速降解有很好的效果，可以使垃圾达到稳定化的时间大大缩短，同时降低渗滤液的污染强度，因此越来越受到各国的重视，尤其是近年来，许多大中城市的填埋用地越来越紧张，厌氧填埋带

来的二次污染问题日益突出，使越来越多的国家转而开始研究好氧填埋的方式，但是好氧填埋由于要向宽厚的垃圾填埋体中强制通风，所以工艺设备复杂，动力消耗大，运行管理费用高，而且鼓风同样也会带来空气污染的问题，目前还没有实际运行的工程实例。

2.3 准好氧填埋

准好氧填埋设计的思想是不用动力供氧，而是利用渗滤液收集管道的不满流设计，使空气自然通入，在垃圾堆体发酵产生温差的推动下，使填埋层处于需氧状态，可以保证在填埋场内部存在一定的好氧区域，特别是在渗滤液集排水管和排气管周围存在好氧区域，抑制

了沼气和硫化氢等气体的产生，垃圾也能尽早达到稳定化，同时也降低了渗滤液的污染强度，但是容易出现集水管道结垢而堵塞，达不到自然通风效果的问题。王琪、范洁等报道了渗滤液水质与填埋结构的关系［2］［3］(表2)。

3  生活垃圾填埋处理技术的发展毡势

3.1  生物反应器填埋技术

生物反应器填埋是在传统的卫生填埋技术的基础上发展起来的，其核心是通过有目的的渗滤液回灌控制系统，强化填埋垃圾中微生物的生物过程，从而加速垃圾中可降解有机组分的转化和稳定。自20世纪70年代起，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生物反应器填埋场的研究。Robinson等人的研究表明，通过渗滤液回灌可以缩短填埋垃圾的稳定化进程(使原需15-20年的稳定过程缩短至2～3年)。Pohland等人把垃圾填埋场看作生物反应器，提出喷洒的渗滤液量应根据垃圾的稳定化进程而逐步提高，一般在填埋场处于产酸阶段早期时，回喷的渗滤液量宜少，在产气阶段则可以逐渐增加；另外由于填埋场内垃圾处于不同的稳定化阶段，可以将产甲烷区垃圾层排出的渗滤液回灌至新填入的产酸区垃圾层，而将新垃圾层所产生的渗滤液回灌至老龄填埋区，这样有利于加速污染物的溶出和有机污染物的分解，同时加速垃圾层的稳定化进程。Mosher等人的研究表明，渗滤液回灌增加了填埋场的有效库容量，促进了垃圾中有机化合物的降解，缩短了产沼时间[6]。Carson报道了目前在美国生物反应器填埋场的技术体系已初具规模，已有200多座垃圾填埋场采用了此技术。该方法除具有加速垃圾的稳定化、减少渗滤液的场外处理量、回灌后的渗滤液水量水质得到均衡、降低渗滤液污染物强度等优点外，还有比其他处理方案更为节省的经济效益。但是受厌氧填埋场特性的限制，回灌并不能完全消除渗滤液。且回灌后的渗滤液氨氮含量高，仍需要进一步处理后才能排放。

3.2   循环式准好氧填埋技术

循环式准好氧填埋最早是由日本提出的，其核心是使垃圾层中进入空气，由此加速填埋垃圾中有机物的好氧分解。在回灌的条件下，保证了填埋层中有充足的水分，既减少了渗滤液的排放量，又降低了渗滤液的污染强度。日本福冈大学的花岛正孝教授，在“准好氧填埋”理论的基础上进行了“循环式准好氧填埋”的实验，并且已经用于实践中[5]，花岛教授通过实验得到的结论是：3年间垃圾中的有机污染物约90％转入气相，成为CO2、N2等气体；而厌氧填埋，有机污染物约90％转入渗滤液中[6]。目前日本一般废弃物的最终处置场普遍采用了准好氧填埋的结构，日本的工程实践证明了准好氧填埋的方式比较适合填埋垃圾的无机物含量较高，规模属于中、小型的垃圾填埋场。Onay和Pohland等学者在解决卫生填埋晚期渗滤液氮含量高的问题时，构思了将填埋场分为缺氧带、厌氧带、好氧带运行的新思路，将脱氮过程所需要的碳源和硝态氮从填埋场底部的好氧区送至顶部的缺氧区，而厌氧区中残留的C和N则相应地送至好氧区，从而实现硝化和反硝化，他们实验室的研究结果为氨氮去处率95％，同时渗滤液中硫化物也可得到有效的去除[7]，这种设计思路有待于在现场试验中进一步研究。我国王琪等人的实验室研究也初步表明：在半好氧状态下NH3-N浓度可以降到10mg／L以下；沼气产生速率大大高于未回流的填埋层；同时填埋层渗滤液中有机物浓度大大降低(CODCr去除率最高可以达到95％以上)。

4  适合我国城市垃圾特点的填埋技术的设想

我国城市垃圾成分与发达国家相比存在很大差异，发达国家城市垃圾的特点是食品垃圾和灰渣所占比例低，而纸类、玻璃、塑料等较高，同时垃圾含水率一般为20％-30％，与土壤持水能力相当，而我国垃圾含水率一般在40％-50％，夏季更高；垃圾成分的不同导致了所产生的渗滤液的差异也很大。这种短期内不能改变的状况决定了我国垃圾填埋技术研究既要借鉴国外经验，更要考虑自身特点。

我国的垃圾组分中有机物的含量是发达国家的2—4倍，渗滤液属于高浓度有机废水，而我国的垃圾分类收集工作刚刚起步，要获得一定的效果还需要相当长的时间，因此在渗滤液处理问题上不能完全采纳国外的一些处理技术。在垃圾填埋层中有空气的情况下，封场后2年BOD5即可由运行期间的40000—50000mg／L下降到<300mg／L。针对我国国情及垃圾渗滤液的水质特点，笔者认为我国的垃圾渗滤液回灌处理适合采用组合的工艺技术，即在填埋初期(1—3年)或在填埋层不太厚的情况下，采用好氧或准好氧的填埋工艺，尽快使填埋场底层的垃圾稳定化，然后调整为生物反应器型填埋工艺，充分发挥稳定化的垃圾层所具有的天然厌氧生物滤床作用，最大限度地降低排放渗滤液的污染强度，以减轻后续渗滤液处理的负担。

5  结  语

到目前为止，我国还没有建立起一个完整的由标准、规范、指南组成的技术体系。我国目前填埋场设计往往采用国外的技术参数，而这有时又难以适应我国经济发展现状和垃圾特性，尤其是渗滤液的处理，我国尚处于研究探索阶段，由于缺乏必要的基础研究和技术开发，加之渗滤液水质水量的复杂多变性，垃圾填埋场渗滤液的处理设计大多照搬一般污水处理的技术，由于没有充分考虑垃圾填埋和渗滤液的特点，传统的生物处理法和物化方法，不是难以达标就是运行费用高，因此，有针对性地进行符合我国国情的经济而切实可行的填埋工艺及渗滤液处理研究，是我们今后研究的重点课题。

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