矿化垃圾生物反应床处理渗滤液技术.pdf

固 废 处 理 矿化垃圾生物反应床处理渗滤液技术 ＊ 边炳鑫 1,2,3 赵由才 2 周 正 1 李 帅 1 1.苏州科技学院环境科学与工程系, 江苏 215011;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; 3.湖北省废物地质处置与环境保护重点实验室, 武汉 430074 摘要 针对矿化垃圾筛分后15 mm组分性质进行研究, 并以该组分为填料设计制造矿化垃圾生物反应床处理渗滤 液, 研究表明, 矿化垃圾具有较大的吸附比表面积 , 较强的离子交换容量, 较高的有机质含量, 含有种类和数量可观的 微生物种群可供生物降解作用, 是很好的污水处理生物介质。 工程应用表明 渗滤液经过三级矿化垃圾生物反应床串 联处理后, CODCr和 NH 4-N 的总去除率达到 90和 95以上, 可稳定达到国家二、三级渗滤液排放标准。 关键词 矿化垃圾 生物反应床 渗滤液 ＊国家高技术研究发展计划 “863”计划 课题 2002AA649070 ; 江苏 省科技发展计划 社会发展 项目 BS2004017 ; 江苏高校省级重点实 验室开放研究课题 KJS03074 ; 湖北省废物地质处置与环境保护重 点实验室开放研究基金课题 HBWDEP-2003 -08 0 引言 填埋或堆放的垃圾经过若干年降解后,基本上达 到稳定化状态, 即所说的矿化垃圾 。矿化垃圾在形成 过程中经历了好氧 、 兼氧和厌氧的变化过程 ,其各种 物质间不断发生着各种生物化学等相互作用 ,其中尤 以多阶段降解性生物反应过程为主 ,同时 ,经过渗滤 液的长期产生和洗沥 ,使得它逐渐成为一个微生物数 量种类繁多 尤以多阶段降解性微生物为主 、 水力渗 透性能优良、 多相多孔的生物活体 [ 1,2] 。 利用矿化垃圾生物反应床处理生活垃圾填埋场 中的渗滤液是渗滤液处理技术领域的一种全新探索, 矿化垃圾生物反应以矿化垃圾为生物填料 。在保持 土地处理系统固有优势的基础上, 通过所用材料和工 艺形式的改进, 工艺参数的优化和对处理系统进行特 殊设计 ,努力克服渗滤液回灌技术水力负荷低 、 去除 效率不高的弱点 ,使之成为一项能够独立解决渗滤液 处理问题 ,或只须增加简单的后处理就可以达标排放 的渗滤液处理新技术 。 1 矿化垃圾的组成及性质 本次研究选取的是上海老港垃圾填埋场 1994 年 填埋的垃圾 填埋 6 a ,经过筛分后, 矿化垃圾粒径 15～ 40 mm 特性 无异味, 以细小塑料碎玻璃、碎石头 和无机颗料为主 , 有较多细小竹木片 。矿化垃圾粒 径 15 mm 特性无异味 ,颗粒不均匀无细小塑料碎玻 璃、 碎石头 。 其中15 mm 的组合含有大量的类腐殖质,是矿 化垃圾处理渗滤液的主体部分 ,腐殖质具有疏松的海 绵状结构, 使其产生巨大的比表面积 330～ 340 m 2 g 和表面能, 构成了物理吸附的应用基础。根据研究结 果证明 [ 3,4] , 腐殖质是由微小的球状微粒构成, 各微粒 间以链状形式连续 ,形成与葡萄串类似的团聚体, 在 酸性基质中各微粒间的团聚作用是通过氢键进行的。 腐殖质微粒直径在 8～ 10 nm 之间。腐殖质分子结构 中所含的活性基团能与污染物质特别是金属离子进 行离子交换 、 络合或螯合反应是腐殖质类物质能去除 污染物质的理论基础 。 15 mm矿化垃圾细料性质 见表 1。 表 1 上海老港填埋场 1994 年矿化垃圾 15 mm 的组成及性质 含水率 电导率 scm- 1 有机质 质量分数 p H 值 总氮 干计, N 总磷 干计, P2O5 总钾 干计, K2O 每100g 干垃 圾阳离子交 换量 meq 27 . 51 810 . 010. 477. 420 . 761 . 180 . 6271 . 4 从表 1可以看出 15 mm的矿化垃圾细料 ,其有 机质、总氮 、 总磷量 、 阳离子交换量均大大超过砂土, 其中有机质质量分数高达 10左右 , 与肥沃的壤土 相类似 ; 总氮、总磷量也高于常规壤土的量; 每 100 g 干垃圾阳离子交换量更是高达71. 4 meq以上 , 比普通 的砂土高出数十倍, 比肥沃的壤土也高出 2 ～ 3 倍。 由于细小颗粒量高 ,矿化垃圾具有较高的比表面积。 这些特性均表明矿化垃圾细料具有优良的理化性质, 当其用做污染物处理基质时, 能提供极好的吸附交换 条件和优良的微生物生命活动环境 。 52 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 对1994年填埋垃圾细料饱和水力渗透系数 Ks 进行了测试,测试结果见表 2。 表 2 矿化垃圾细料及不同质地土壤的 饱和水力渗透系数 Ks 值cm min 介质种类 15 mm 的矿化 垃圾细料 壤土中砂土粗砂土 砂、砾 混合物 饱和水力渗透 系数 Ks 0. 986 0 . 007～ 0 . 069 0. 347～ 1. 389 1. 389～ 6. 389 0 . 347～ 6 . 944 由表 2 可以看出 ,1994 年填埋垃圾细料 Ks 值在 数量级上接近中砂土 、 粗砂土和砂 、 砾混合物 ,显示出 陈垃圾细料具有极强的传输水能力 ,当其用作污水处 理基质时 ,可允许很高的水力负荷 [ 5,6] 。 此外,对上海老港垃圾场 1994 年填埋的垃圾经 筛分后 , 15 mm矿化垃圾细料中的乳鼠接种 、反向 间接血凝试验检测 O 型口蹄疫病毒 、致病性大肠杆 菌、 沙门氏菌、 链球菌、金黄色葡萄球菌进行检验, 检 验结果证明矿化垃圾细料中无 O 型口蹄疫病毒、致 病性大肠杆菌、沙门氏菌 、 链球菌和金黄色葡萄球菌 等致病性病毒, 属于安全的生物填料 [ 7] 。 2 矿化垃圾生物反应床的结构 利用矿化垃圾构建反应床处理填埋场渗滤液属 天然基质自净化体系 ,此类反应床在结构上主要包括 集水层 、 承托层和布水、排水系统 , 在形状上 ,则要求 宜尽量减少死角和造成流体短路, 并力求使床体形状 有利于污染物去除降解过程的进行。反应床设计为 长32 m、宽32 m、高2 m的方形结构 , 中间用碎石将床 体分成上下部分并分别填充矿化垃圾细料; 床体上下 设置布水系统和集水层、排水系统。其结构如图 1 示意 。 图 1 矿化垃圾生物反应床结构示意图 2. 1 垃圾层厚度 矿化垃圾生物反应床的设计主体是床体垃圾层 厚度的确定 ,它与反应床处理效果、水力负荷及投资 成本均直接相关 ,厚度越小,水力负荷越高,投资成本 越低 ,但出水水质下降。 为了节省占地 、 减少投资, 设计选择上下双层结 构。中间采用一定厚的碎石进行分隔。 2. 2 集水层 集水层主要作用有两方面 ,一是在反应床底部起 承托垃圾层的作用 ,使垃圾层架空, 便于滤出水顺畅 排出, 利于渗滤过程的持续进行; 二是通过滤液的排 出和排水口空气的进入, 促进垃圾介质层内的气体 交换 。 集水层的物料采用一定粒径的破碎石块 ,铺设时 较大石块放置在底层 ,上层以小石块为主 。 集水层为滤出水的顺利排出,维持较高的渗滤速 率和垃圾介质层内气体的交换起到了良好的作用。 实践表明集水层对反应床底部垃圾层具有充氧作用。 2. 3 排水系统 床体的排水可采用底部一定坡度排水,采用一定 管径穿孔集水管进行集中排水 。 2. 4 布水系统 设计采用管式大阻力配水系统进行布水。其设 计数据见表 3。 表 3 管式大阻力配水系统设计参数 干管管径 mm 支管管径 mm 支管间距 mm 开孔比 配水孔径 mm 配水孔间 距 mm 100205000. 251075 3 净化原理和工艺流程 生活垃圾在填埋场长期填埋过程中 ,不断发生各 种生物化学反应 ,尤以生物反应过程为主 ,这使其逐 渐成为一个微生物数量种类繁多、 多相多孔的生物活 体。微生物和环境因素及其之间的相互作用形成填 埋垃圾具有特殊新陈代谢性能的无机 、 有机 、 生物复 合体生态系统。矿化垃圾特殊的微生物学性质是其 得以成功地用作污水处理基质的重要物质基础 [ 7,8] 。 表4 是 1994年填埋垃圾细料细菌总数的测试结 果,并同时给出几种不同类型壤土的细菌总数值。 表 4 矿化垃圾细料及部分壤土的细菌总数值 项目 15 mm的矿化 垃圾细料 红壤 杭州 砖红壤 徐闻 水稻土 江苏 暗粟钙土 满州里 每 g干垃圾细菌总数 106个 9. 0211 . 035 . 0732. 309 . 05 表 4 结果显示出 矿化垃圾的细菌总数极为相 近; 与常规土壤相比 , 其细菌总数在数量级上与较肥 沃壤土相接近, 是普通砂土所无法比拟的 。 矿化垃圾生物反应床对渗滤液的处理,是利用矿 化垃圾自身所具有的自净功能完成的 。它通过物理 过滤、 化学沉淀、交换吸附, 以及生物化学分解、氧化 53 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 等过程而实现, 尤其是后者起着极为重要的作用。这 种方法不同于通常的渗滤液生物处理, 通常的渗滤液 生物处理是利用微生物能够分解、氧化有机物的功 能,人为地创造有利于微生物生长 、 繁殖的环境,使微 生物大量增殖, 以提高分解 、 氧化有机物效率的一种 渗滤液处理方法 。因此, 在通常的渗滤液生物处理方 法中常常需要曝气和回流 ,以保证大量微生物生长繁 殖所需的氧气和处理过程必需的污泥浓度 。这使得 处理系统在大量微生物生长繁殖、渗滤液得以处理的 同时, 也产生出大量过剩污泥, 进而需设置污泥回收 和处理设施。在一些特定的渗滤液生物处理方法中, 有时还需人为地控制严格的环境条件以满足特定微 生物的生长需要 ,这些均增加了方法的处理成本和处 理工艺的复杂性 。 利用矿化垃圾构建反应床处理渗滤液的技术 ,由 于其对污染物的去除作用源自其自身优越的自净能 力,当渗滤液从一定厚度的垃圾层中穿过时 ,其所含 的各种污染物即可得到有效去除。在此过程中,由微 生物生长繁殖所产生的污泥也绝大多数被截留在反 应床体内而被反应床自身所消化。因此 ,在适当的负 荷下, 其出水可不进行污泥分离和再处理而直接排 放。同时, 在适宜的运行方式和运行参数下 ,矿化垃 圾生物反应床可形成自身良好的固 、 液 、 气环境,不需 要其它人工改善手段 。由此, 利用矿化垃圾构建反应 床处理填埋场渗滤液的工艺流程将非常简单 ,它只需 要前处理和反应床两部分即可。前处理的主要目的 是降低进水中的悬浮物含量, 以防过量的悬浮物使反 应床遭到堵塞。渗滤液前处理已有多种成熟工艺 ,可 根据具体条件选用适用的工艺方法 。 如图 2所示, 进水先进入调节池进行调节, 然后 进入厌氧池,经提升到第一级矿化垃圾生物反应床, 出水进入集水池 ,再由泵提升进入二级反应床 ,出水 进入集水池, 再由泵提升到三级反应床, 最后达标 排放 。 图 2 矿化垃圾生物反应床处理填埋场 渗滤液基本工艺流程 4 矿化垃圾生物反应床处理渗滤液工艺效果 采用图1 所示的矿化垃圾生物反应床 , 采用4 h 淹水和20 h 落干 湿干比为 1∶ 5 ,从 2003-07 开始运 行,进水量由10 t d逐步增加并稳定在30 t d。一级生 物反应床对 CODCr和 NH4- N 的去除效果分别见图 3 和图 4。二级生物反应床对 CODCr和 NH 4- N 的去除 效果分别见图 5 和图 6。三级生物反应床 CODCr和 NH 4- N 的去除效果分别见图 7 和图 8。 注 图中数 据为每月次检测的平均值 。 图 3 一级生物反应床对 CODCr的去除效果 图 4 一级生物反应床对 NH 4-N 的去除效果 图 5 二级生物反应床对 CODCr的去除效果 图6 二级生物反应床对NH4-N 的去除效果 图 7 三级生物反应床对 CODCr的去除效果 从图 3～ 图 8 可知 ,渗滤液 CODCr、 NH 4- N 去除效 果显著,矿化垃圾生物反应床运行稳定。运行结果表 明,矿化垃圾生物反应床应用于渗滤液的处理时, 能 54 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 图 8 三级生物反应床对 NH 4-N 的去除效果 够适应CODCr浓度和NH 4-N 浓度大幅度的波动, 且对 处理系统没有严重的影响 。运行期间 CODCr浓度最 高超过了10 000 mg L, 一般在5 000 ～ 8 000 mg L之 间; NH 4- N 浓度最高超过了1 500 mg L, 大多时均低 于1 200 mg L 。工程应用表明 渗滤液经过三级矿化 垃圾生物反应床串联处理后,CODCr和 NH 4- N 的总去 除率达到 90 和 95以上, 可稳定达到国家二、三级 渗滤液排放标准 。该工艺运行费约 4 元 t ,且投资费 用较小,是目前适合国情的一种渗滤液处理新技术 。 5 结论 1 矿化垃圾具有较大的吸附比表面积 ,较强的 离子交换容量, 有机质含量较高, 含有种类和数量可 观的微生物种群可供生物降解作用 ,具有极强的传输 水的能力 ,是很好的污水处理生物介质 。 2 研究结果表明 , 矿化垃圾生物反应床应用于 渗滤液的处理时,能够适应CODCr浓度和NH 4-N 浓度 大幅度的波动, 且对处理系统没有严重的影响 。矿化 垃圾生物反应床水力负荷高、去除效率高 、 抗冲击性 能强 。 3 矿化垃圾生物反应床工艺以其投资省 ,运行 管理简单方便, 处理效能高, 处理成本低、吸附效果 好、 净化出水水质稳定等优点 。 参考文献 [ 1] 赵由才, 边炳鑫, 王罗春等. 中等规模模拟填埋场垃极降解规律 的研究. 黑龙江科技学院学报, 2003,13 3 1 -5. 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And then a sound insulation cover was built by optimizing some parameters of the compound sound -absorbing structure. This can provide the reference for faults diagnosis and noise control of the large -scale units. Keywords chiller, vibration-acoustics analysis, noise control and sound-absorption structure THETECHNOLOGYOFLANDFILLLEACHATETREATMENTUSINGAGED -REFUSE BIOREACTORBian Bingxin Zhao Youcai Zhou Zheng et al 52 Abstract This paper isgoing to study the constituentsof aged -refuse less than 15 mm after being sieved and design aged -refuse bioreactors to treat landfill leachate with fillers of those constituents. It is shown that aged -refuse has larger adsorption specific surface area, biggish ion exchange capacity, higher contents of organic matter and considerable microorganism species groups both onvariety and quantity which are usedfor biodegradation. Thus it is a kindof excellent biomedium inwaste water treating. It is indicated in engineering applications that the total removal rate of CODCrand NH 4-N can be seperately high than 90 and 95 and the effluent can come up to the state landfill leachate discharging standard within the second grade or the third grade stably after being treated by three aged -refuse bioreactors in -line. Keywords aged-refuse, bioreactor and leachate STUDY ONAPPLICATION OF GEOCOMPOSITE IN LANDFILL XiaoHenglin Xiao Bin Zhang Suhang 56 Abstract The application of geocomposite drainage layers in landfill is introduced briefly. It was studied the permeability, shear strength, long -term reduction factors and other key inds of the material in deteail. The design was given. At last, the test, construction, and material -selecting were discussed and recommendations were given. Keywords geocomposite, drainage, landfill and shear strength 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007