生物反应器填埋场对垃圾的稳定化作用及技术优势
摘要：针对传统垃圾卫生填埋场存在的问题，介绍了三种类型的生物反应器填埋场及其对垃圾的稳定化作用和机理，通过比较分析了生物反应器填埋场的技术优势，介绍了该技术的最新发展，对我国垃圾填埋场的设计和优化当前填埋场运行方式具有指导作用。
目前，卫生填埋因具有技术可靠、工艺简单、投资省、使用范围广等优点而成为应用最广泛城市生活垃圾的处理方法。但卫生填埋技术仅把填埋场作为一个被动接受垃圾的系统，在填埋场设计上采用防渗系统即防止渗滤液泄漏污染地下水，也防止雨水、地表径流的进入使得渗滤液量增加。在填埋场的运行过程中，随着渗滤液的产生和流出，垃圾自身携带的水分逐渐减少，场内湿度降低，无法为微生物的生长提供一个适宜的条件，填埋垃圾的生物降解受到了限制，封场后很长一段时间（数十年）内垃圾保持不变或变化很小，呈现出一种惰性状态[1]。同时很难确保在封场后几十年甚至上百年内防渗衬层的稳定性和完整性，因此存在很大的环境风险。在填埋场运行及封场后存在渗滤液水量、水质波动大，污染物浓度高，处理困难，费用高，填埋场维护监管时间长的缺点。
针对上述问题，20世纪70年代美国开展了渗滤液回灌技术的研究，发现渗滤液回灌到填埋场一段时间后，其污染物浓度与不经过循环处理的渗滤液浓度相比大大降低。此后，英国、加拿大、澳大利亚、德国和日本等也相继开展了生物反应器填埋场的研究。美国Pohland[2]对在厌氧填埋场开展的渗滤液回流研究进行了总结，提出了生物反应器填埋技术的概念。与传统的卫生填埋场相比，生物反应器填埋场增加了渗滤液回灌系统，改造了渗滤液收集系统、填埋气收集系统，它除了具有一般卫生填埋场的垃圾贮留功能外，还通过有目的控制手段，为微生物提供了较好的生长环境，使整个填埋场变成了一个“反应堆”[3]，从而加速了填埋垃圾的降解，加快了填埋垃圾的稳定化过程，使垃圾的稳定化过程从20－30年缩短至3－5年[4]，从而避免了封场后的长期监管和维护，使填埋场同时具有贮留垃圾、隔断污染、生物降解和资源恢复等多个功能。
1 生物反应器填埋场的结构类型
根据填埋场内部通风供氧条件的不同，分为厌氧式填埋、好氧式填埋和准好氧式填埋[5]。
1.1厌氧式填埋
厌氧式填埋是目前世界上应用最普遍的填埋方式，垃圾填埋场产生的渗滤液通过收集系统和输送系统汇集到调蓄水池，然后通过水泵布水系统回灌到填埋场。常用的布水方式有表面灌溉、竖式井、水平井、喷灌和针注等五种。在厌氧式生物反应器填埋场中，由于渗滤液提高了垃圾层的含水率（由20％－25％提高到60％－70％），增加了垃圾的湿度，增强了垃圾中微生物活性，加速了垃圾产甲烷的速度以及垃圾中污染物溶出和有机物的分解。渗滤液回灌到填埋场，不仅可利用填埋场的生物反应器效应降低渗滤液的污染物浓度，而且还可以因喷洒过程中挥发作用而减少渗滤液的产生量，对渗滤液水量和水质起稳定化作用，有利于渗滤液处理系统的运行，节省费用。
厌氧式填埋结构初期渗滤液回灌造成填埋层内酸的积累，抑制产甲烷阶段的进行。可考虑渗滤液回灌前采取加碱中和等处理措施，或将渗滤液回灌至填龄5年以上稳定化的填埋区。另外,由于填埋层始终处于厌氧环境下，渗滤液中氨氮无法被进一步代谢而浓度维持在高水平上，不但影响填埋层内生物代谢，而且若渗滤液外排则对接纳水体产生富营养化危害。Onay[7]等人提出了脱氮型生物反应器填埋场，整个填埋场分成三个区域：好氧区、缺氧区和厌氧区。在好氧区，氨在自养消化菌的作用下将其转化成NO3-；在缺氧区中，由反消化细菌以有机物作为电子供体，使NO3-还原为N而从液相中释放，实现NH3-N的转化和去除。而厌氧区用于有机物的降解产甲烷。
1.2好氧式填埋
好氧式填埋结构壁传统的卫生填埋结构多了强制通分系统和渗滤液回灌系统。空气经布气管道均匀的释放到填埋层中，由于压力扩散和分子扩散而使得填埋层达到好氧状态。垃圾在填埋场内进行类似好氧堆肥的过程，填埋层内的有机物在好氧微生物的作用下进行降解，产物为CO2和H2O。好氧式填埋已在欧美发达国家开始应用。
1.3准好氧式填埋
准好氧式填埋结构类似厌氧式填埋结构见图1，只是渗滤液收集管径较大，末端与大气相通。利用填埋层内部由于微生物作用和其他反应而产生的温度差使得空气经渗滤液收集管道进入填埋层，在这里渗滤液收集管道兼有通风作用[6]。由于这种通风作用较弱，这种填埋结构中存在好氧环境和厌氧环境，在靠近渗滤液收集管道的区域好氧微生物繁殖生长，加快有机物的分解，并降低渗滤液中污染物浓度，有机物被分解为CO2和H2O，随着时间的推移好氧区域不断扩大，但远离渗滤液收集管道的填埋层仍处于厌氧状态，部分有机物被厌氧分解生成CH4。
 图1 准好氧式生物反应器填埋场结构示意图 |
2 生物反应器填埋场稳定化机理
城市生活垃圾稳定化的实质是其中的有机组分矿化，因此，生物反应器填埋场稳定化过程主要是一个有机组分加速降解的过程，同时重金属元素也与其他物质结合固定下来，降低其毒性。
2.1对一般有机污染物净化机理
为了能发挥填埋层中生物降解潜力，必须保证生物能与其中可利用的有机物有充分的接触机会，而在填埋层中，生物不能直接利用固体有机物，只能利用转移到渗滤液中的可溶性有机物。渗滤液回灌提高了生物反应器填埋场湿度，提高了微生物的活性，加速了有机物的水解酸化，加速了营养物质的均匀分布及与微生物的接触。同时，渗滤液回灌，特别是经稳定化垃圾或UASB处理后的渗滤液回灌，使大量适应填埋单元的微生物重新进入填埋单元中，具有生物接种作用，若在配合营养添加和pH调节等操作，就完全可以创在一个适合微生物生长繁殖的环境。此时的填埋场可以看作是一个天然的生物滤池，垃圾中可降解的有机组分以及回灌渗滤液中的有机组分在微生物的作用下迅速发生水解、酸发酵和甲烷发酵等反应，在较短的时间内使有机污染物得到降解，填埋层进入到稳定阶段。
2.2对有毒难降解有机物的降解机理
生物反应器填埋场通过渗滤液回灌延长了渗滤液在场内的水力停留时间，加强了微生物与有毒难降解有机物的接触，强化了专性微生物的同化作用及其对有毒难降解有机物的生物转化、去除过程。
2.3对重金属的固定机理
在厌氧式填埋和准好氧式填埋结构中，填埋层快速进入到产甲烷阶段，填埋场的氧化还原电位迅速降低，处于还原条件下的低氧化还原电位促使微生物将渗滤液中的SO4还原成硫化氢（H2S），硫化氢与渗滤液中的重金属粒子形成硫化物沉淀。同时，渗滤液回灌能使渗滤液较快的转变为中性或弱碱性，从而有利于其中的重金属离子形成碳酸盐沉淀和氢氧化物沉淀。此外，垃圾在降解过程中生成的大分子类腐殖质能与重金属离子形成稳定的螯合物，从而使重金属离子得到固定。
3 生物反应器填埋场的技术优势
生物反应器填埋场能净化渗滤液，大大降低外排渗滤液处理费用。同时，它能加速填埋场内垃圾降解，提高填埋场产甲烷速率和甲烷的产量，加速填埋层沉降增大有效填埋容积，缩短填埋场的维护期，减少填埋场的污染年限等优势。
3．1改善渗滤液水质
在垃圾填埋层(可能包括覆盖层)的作用下渗滤液能得到一定程度的净化，其水质将会发生很大的变化。同时，渗滤液量也不同程度地减少。渗滤液进行回灌，垃圾填埋层基本上相当于生物滤床。在垃圾层的作用下，渗滤液中的VFA(挥发性脂肪酸)、COD、BOD、TOC浓度下降较快。Reinhart[8]在渗滤液回灌生物反应器填埋场研究中，渗滤液中COD封场时35000mg/L，6年后下降到5000 mg/L。 在生物反应器添埋场中渗滤液回灌能使重金属离子得到固定，通过生物反应器的稳定化作用，渗滤液中Fe、Cd、Zn、Pb等浓度可降至很低的水平[9]。
3．2加速垃圾的降解
对填埋场进行渗滤液回灌，增加了垃圾的湿度，并且挥发性有机酸和重金属离子浓度下降很快，在填埋场内形成更有利于垃圾降解的环境，因而能加速垃圾的降解速率。同时渗滤液回灌能给填埋场垃圾层带来大量的微生物，从而增加垃圾中的微生物数量，加速产甲烷的速率、垃圾中污染物的容出及有机物的分解。垃圾填埋一年后，渗滤液回灌与不回灌的填埋场相比，垃圾的产甲烷能力(BMP)下降23.7%[10]。
3．3提高产气速率和气体产量
在生物反应器填埋场中优化了微生物的生长环境，一方面回灌的渗滤液使填埋场内湿度增大、氧化还原电位降低、重金属离子浓度下降，有利于增强产甲烷菌的活性，从而提高填埋场内垃圾的产甲烷速率；另一方面回灌的渗滤液给填埋场内带来了大量的有机物，这部分有机物的降解也增加了填埋场的甲烷产量。因而，渗滤液回灌能使填埋场的产甲烷速率加快、甲烷的总产量增加。Chugh[11]在研究回灌渗滤液容积对城市生活垃圾降解的影响中发现，产气速率增加，产气量高峰值出现提前，回灌容积为填埋垃圾30%时填埋气产气速率的峰值出现比2%提前48d。同一填埋场内渗滤液回灌处的垃圾产甲烷速率是不回灌处的垃圾产甲烷速率的两倍多[10]。由于产气时间提前，产气期更集中，单位垃圾产气量更大，因而更具回收利用价值。
3．4加速填埋层沉降增加填埋场有效容积
利用渗滤液回灌的生物反应器填埋场废物沉降很容易达到10%－25%的原始高度[12]，美国Sono-maCounty填埋场内，渗滤液回灌处的总沉降幅度可达填埋场深度的20%，而不回灌处的总沉降幅度仅为填埋场高度的8%[13] 。对填埋场进行渗滤液回灌，既能加速填埋场的沉降速率，又能使填埋场总的沉降幅度增大。因此提高了填埋场的有效容积和空间利用率，增大了填埋能力。
3．5缩短维护期降低维护成本
传统的卫生填埋场封场后，垃圾在漫长的稳定化过程中产生大量的有毒有害的渗滤液，释放出易燃气体甲烷，同时场地发生不均匀沉降。因此，封场后需进行长时间的维护(对渗滤液、填埋气定期监测并处理)，直至其不再对周围环境带来污染。其维护期一般在20年以上甚至上百年，而生物反应器填埋场由于垃圾降解稳定速度快，其维护期能大大地缩短，这不仅能节省维护费用，而且还降低了衬层的防渗性能要求。据Pohland等人估计，进行回灌的填埋场其维护费用仅为渗滤液现场处理填埋场的45%[14]。
3．6减少渗滤液处理系统的投资和风险
根据生物反应器填埋场的操作运行特点，垃圾填埋前期产生的高污染浓度的渗滤液可全部回灌填埋场内。在生物反应器填埋场运营一段时间后，对其产生渗滤液的水质和水量都有了比较客观真实的认识，此时根据需要再进行渗滤液处理系统的针对性设计，可极大减小盲目性，节省工程投资[15]。
4 生物反应器填埋场技术的发展及其指导作用
为充分发挥填埋场的生物反应器作用，加速填埋场内垃圾的生物降解速度，研究人员致力于优化填埋场控制条件、改变填埋场的反应器功能，并开始用生物反应器思想指导和改进填埋场的设计和填埋过程的操作。
浙江大学的王君琴、沈东升[16]用由卫生填埋场和产甲烷反应器组成的新型生物反应器填埋场，填埋场产生的渗滤液经产甲烷反应器处理后再回流回填埋场，对渗滤液处理效能及产能特性进行了研究。结果表明：新型生物反应器填埋场有助于渗滤液中有机物进行分相降解，在渗滤液的净化和填埋场垃圾的稳定化上优于渗滤液直接循环的填埋场。利用渗滤液的产甲烷处理改变了传统生活垃圾卫生填埋场的作用，使填埋场由产酸产甲烷相转变为专相产酸段，而产甲烷菌在专相反应器中生长更为稳定，收集甲烷也更加方便可行，此系统强化了生物反应的人工调控从而达到加速填埋场的稳定化过程的目的。 王君琴等[17]的研究表明，对垃圾进行接种可加快垃圾降解速度，渗滤液经产甲烷反应器处理后再回灌，对加速填埋场的稳定化效果明显优于渗滤液直接回灌。
为加速填埋场内垃圾降解速度，生物反应器填埋场每日覆盖不应影响渗滤液从垃圾顶部到底部的连续渗透，同时占据最少的填埋场空间。基于此，以往利用粘土作临时覆盖层的做法应摒弃。由于粘土压实后渗透系数很小，阻碍渗滤液和沼气的纵向迁移。因此，国内有些填埋场改用土工织物、塑料布或HDPE膜取代传统的土壤覆盖，第二天填埋新一层垃圾时揭去，填埋好后再覆盖上，不占用填埋空间。国外还有采用泡沫塑料、废弃的旧地毯对垃圾进行日覆盖，并重复利用。 由于填埋场产生的渗滤液的水质和水量的波动很大，以往渗滤液处理系统的设计往往与实际运行误差很大。生物反应器填埋场初期渗滤液回灌而不外排，根据前期渗滤液特点针对性地设计渗滤液处理系统，可避免传统填埋场渗滤液处理系统“事前”盲目设计造成的实用性和处理效率误差，减小渗滤液处理系统的设计风险。
5 结语
目前我国垃圾的主要处理方式使卫生填埋，但卫生填埋中渗滤液的处理、填埋场的潜在污染越来越受到人们的关注。比较理想的解决方法是利用填埋场自身的生物降解能力来控制或减少渗滤液污染，加速填埋场的稳定化过程。生物反应器型填埋技术的出现将垃圾填埋场从被动的接受系统转变成一个主动控制系统，它代表了垃圾填埋技术的发展方向[18]。应借鉴国外的技术研究，结合我国垃圾组成特点，对生物反应器型填埋技术作进一步的系统研究，提高其经济性和可操作性，以指导我国垃圾填埋场的设计和优化当前填埋场运行方式。
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