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粉煤灰、 炉渣提高生物反应器垃圾处理性能研究 * 刘文海李秀金 北京化工大学， 北京 100029 摘要 通过粉煤灰、 炉渣和生活垃圾共置处理， 研究粉煤灰、 炉渣提高生物反应器垃圾处理性能的机理和效果。结果表 明 粉煤灰、 炉渣可以有效去除重金属离子， 调节反应器内 pH， 使渗滤液停留时间延长 4 倍 ～ 5 倍， 产气量提高 5. 9 倍 ～ 7. 8 倍， 甲烷含量可提高 2 倍以上， 共置处理效果显著好于生活垃圾单一处理。 关键词 生物反应器; 生活垃圾; 粉煤灰; 炉渣; 甲烷 STUDY ON ENHANCING TREATING PERANCE OF A BIOREACTOR BY ADDING FLY ASH AND CINDER Liu WenhaiLi Xiujin Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China AbstractThis paper researched the mechanism and the effect of the bioreactor for treating refuses by adding fly ash and cinder． The results showed that the fly ash and cinder could obviously decrease the heavy metal concentration，adjust the pH， entend the penetration time of leachate by 4 ～ 5 times，increase the gas production by 5. 9 to 7. 8 times，and also raise the content of methane by over 2 times． The efficiency of the co-disposal is much higher than the single treatment of domestic refuses． Keywordsbioreactor;domestic refuses;fly ash;cinder;methane * 教育 部 科 学 技 术 重 点 项 目 03028 ; 北 京 市 自 然 科 学 基 金 项 目 0862063 。 0引言 随着中国经济的快速增长，2009 年底全国 655 个城市生活垃圾清运量达 1. 52 亿 t［1］， 粉煤灰排放量 达到 1. 6 亿 t， 历年库存约 11 亿 t 粉煤灰， 占地达到 33 330万 m2 50 万亩 ［2］。如此大量的生活垃圾、 粉 煤灰和炉渣是我国目前面临的严重环境问题。同时 我国常规化石能源日益紧张， 国家正积极提倡发展生 物质能源， 发展“生物反应器” 垃圾填埋技术， 既可解 决大量生活垃圾的出路问题、 减少其对环境的不利影 响， 又可开辟新的生物质能来源， 是缓解我国常规能 源紧张状况的新途径。 本文提出利用生物反应器对生活垃圾、 粉煤灰和 炉渣进行共置处理， 着重探讨了添加粉煤灰、 炉渣后 对提高厌氧生物反应器处理效果的机理， 从而达到以 废治废目的， 为今后实际工程应用的推广， 提供一定 的理论依据。 1试验部分 1. 1试验材料 试验所用生活垃圾， 根据统计的北京市生活垃圾 成分比例 ［3］ 餐厨垃圾 60 ， 废旧纸张 20 ， 橡胶塑 料 15 ， 其余成分 5 渣土、 纤维等 ， 经严格配比 后粉碎成2 cm大小备用， 垃圾平均含水率为 46. 2 。 试验所用粉煤灰、 炉渣均取自燃煤锅炉房， 细粉煤 灰为 60 目， 粒径为 0. 1 ～0. 3 mm; 粗粉煤灰为 35 目， 粒 径为 0. 3 ～0. 5 mm; 炉渣为 18 目， 粒径为 0. 75 ～1. 0 mm。 1. 2试验装置与方法 1. 2. 1粉煤灰、 炉渣渗透性能试验 采用定水头渗透仪测试粉煤灰渗透系数， 试验装 置见图 1。 试验 装 置 直 径为25 cm， 高40 cm， 粉煤灰柱 高 26. 2 cm， 顶部接高位水箱， 底部出水管收集渗出液， 粉煤灰上部放置打孔塑料泡沫防止冲刷粉煤灰表面， 装置下部设多孔滤板以便于液体渗出。渗透系数公 式见式 1 311 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 图 1定水头压差渗透试验装置 K QL A 1 2 Ht 1 式中K 渗透系数， cm /s; Q 5 min 渗流量， mL; L 两测压管起始高度差， cm; A 底面积， cm2; H 实际测压管高度差， cm; t 渗流量对应的时间， s。 1. 2. 2粉煤灰、 炉渣重金属吸附性能试验 进行粉煤灰、 炉渣重金属本底析出浓度、 pH 检 测; 配制含重金属 Cu、 Cr、 Zn、 Pb 溶液 其中 Cu 浓度 32 mg/L， 其余均为50 mg/L 。分别秤取10 g两种粒 径粉煤灰及炉渣， 加入25 mL配制重金属溶液， 30 ℃ 恒温水浴震荡， 每10 min取样， 采用原子吸收分光光 度计法测定上清液重金属含量。 1. 2. 3生物反应器内部渗透性能试验 1 生活垃圾渗透性能试验 采用的模拟反应器 试验 装 置 见 图 2，生 活 垃 圾 装 填 密 度 368 ～ 400 kg/m3， 用配制的 CaCl2示踪剂溶液测试反应器 内上部及底部 4 个水平方向上 2 组共计 8 个样本的 垃圾含水率， 并测量反应器底部 4 个水平方向上渗水 量及示踪剂 Ca2 浓度。 2 添加粉煤灰、 炉渣层后反应器渗透性能试验 采用相同密度装填生活垃圾， 在反应器内垃圾顶部添 加一层粉煤灰后， 用配置的 CaCl2示踪剂溶液检测粉 煤灰层下部及反应器底部 4 个水平方向上 2 组共计 8 个样本的垃圾含水率， 并测量反应器底部 4 个水平 方向的渗水量及示踪剂 Ca2 浓度; 在反应器内垃圾顶 图 2反应器渗透试验装置 部及中部分别添加粉煤灰层， 用配制的 CaCl2示踪剂 溶液检测反应器顶部粉煤灰层的下部、 中间粉煤灰层 的上部、 中间粉煤灰层的下部、 反应器底部 4 个水平方 向上 4 组共计 16 个样本的垃圾含水率， 并检测反应器 底部 4 个水平方向的渗水量及示踪剂 Ca2 浓度。 1. 2. 4生物反应器产甲烷对比试验 采用四 个 试 验 装 置， 分 别 模 拟 常 规 卫 生 填 埋 Sanitary Landfill， SL 和生物反应器填埋 Bioreactor Landfill， BL 处置方式， 进行产甲烷对比试验。 试验装置 SL 只装填生活垃圾， 不进行渗滤液循 环， pH 调节等调控， 用于模拟常规卫生填埋场的自然 降解情况。 试验装置 BL1 中只填埋生活垃圾、 BL2 中添加粉 煤灰和生活垃圾、 BL3 添加炉渣和生活垃圾。BL1、 BL2 和 BL3 均进行渗滤液循环， 对 pH 进行调节， 用 于模拟人工调控的“生物反应器” 填埋的情况， 试验 装置见图 3。 2试验结果及讨论 2. 1粉煤灰、 炉渣渗透试验结果 粉煤灰、 炉渣渗透试验结果见表 1。 由表 1 可得 细粉煤灰、 粗粉煤灰、 炉渣的渗透系 数分别为 0. 001， 0. 007， 0. 014 cm/s， 渗透系数随着粉 煤灰和炉渣粒径的增大而增大， 其渗透速率越小， 对 反应器内渗滤液下渗的阻滞作用也越大， 有利于缓解 渗滤液在垃圾空隙中形成的短流冲刷， 使渗滤液均匀 下渗， 延长停留时间 ［4］， 调节垃圾中水分及营养物质 411 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 1渗滤液收集罐;2湿式气体流量计; 3上层粉煤灰 炉渣 ;4压力传感器;5下层粉 煤灰 炉渣 ;6温度传感器;7数据采集器 图 3生物反应器模拟试验装置 表 1粉煤灰、 炉渣渗透试验结果 样品 试验 次数 时间 / s 水位差 H /cm 水力 坡降 渗透水量 / cm3 渗透系数 kr/ cms － 1 Kr均值 / cms － 1 细粉 煤灰 1 2 300 300 23． 2 /2 5． 77 /2 0． 58 0． 14 23 3． 3 0． 00127 0． 00073 0． 001 粗粉 煤灰 1 2 300 300 15. 7 /2 2. 7 /2 0. 39 0. 07 87 14 0. 00712 0. 00666 0. 007 炉渣1 2 300 300 18. 2 /2 3. 1 /2 0. 46 0. 08 187 35 0. 0132 0. 0145 0. 014 在反应器内均布分布， 利于微生物的繁殖生长和垃圾 降解作用的提高。 2. 2粉煤灰、 炉渣吸附重金属性能试验结果 1 粉煤灰、 炉渣本底重金属析出及 pH 特性见表 2。 表 2粉煤灰、 炉渣本底重金属析出及 pH μg/mL pH 除外 样品pHCuZnPbCr 细粉煤灰10. 820. 010. 01未检出0. 07 粗粉煤灰9. 31未检出未检出未检出0. 04 炉渣10. 420. 440. 030. 010. 02 由表 2 可知 细粉煤灰、 粗粉煤灰、 炉渣三种材料 的蒸馏水渗出液 pH 值分别为 10. 82、 9. 31、 10. 42， 均 呈现碱性， 对厌氧生物反应器内渗滤液酸碱调节有 利， 利于促进甲烷菌繁殖生长， 益于产甲烷阶段的顺 利开始和提高甲烷产量 ［5］。 细粉煤灰、 粗粉煤灰、 炉渣中 Cu、 Zn、 Pb、 Cr 四种 重金属的本底析出含量比较可看出 粗粉煤灰中重金 属本底含量最低， 仅能检出 Cr 离子， 其余 3 种未能检 出; 炉渣中重金属本底含量相对最高， 4 种重金属均 能检出; 细粉煤灰重金属本底含量在三者里居中。 2 粗细粉煤灰、 炉渣对 4 种重金属吸附测试结果 见图 4图 6。 细粉煤灰、 粗粉煤灰、 炉渣对重金属的吸附效果均 十分显著， 在10 min内重金属浓度均下降到1 mg/L以 下， 30 min内重金属吸附去除率均可达 99 以上， 粗粉 图 4细粉煤灰重金属离子吸附曲线 图 5粗粉煤灰重金属离子吸附曲线 图 6炉渣重金属离子吸附曲线 煤灰对重金属吸附效果相对最佳。添加粉煤灰、 炉渣 可有效吸附反应器内重金属， 减少重金属对厌氧微生 物的毒害作用 ［4］， 有利于厌氧微生物的繁殖生长。 2. 3反应器渗透试验结果 反应器渗透试验结果见表 3。 由表 3 可看出 在不添加粉煤灰条件下， 反应器 内上部四个水平方向上垃圾含水率的标准差 s 为 6. 9， 下渗到底部时垃圾含水率标准差 s 增大为 10. 2; 在添加单层粉煤灰后， 粉煤灰层下部 4 个方向上垃圾 含水率标准差 s 为 3. 9， 相比不添加粉煤灰层时含水 率差异减少， 随着水分在反应器垃圾内继续下渗， 垃圾 含水率水平分布差异又增大为 9. 7， 但在通过添加的第 二层粉煤灰层后， 4 个水平方向上垃圾含水率的标准 差又减小为 2. 7， 继续下渗到反应器底部时， 垃圾含水 率水平分布的标准差增大为 8. 6。同时测得无粉煤灰、 添加单层、 双层粉煤灰后， 反应器底部 4 个方向上渗水 量的标准差依次为 33. 5， 13. 2， 9. 5， 底部 4 个方向渗出 液中示踪剂 Ca2 浓度标准差分别为 26. 0， 13. 4， 10. 1。 说明添加 1 层、 2 层粉煤灰层后， 对渗滤液在反应器内 部水平分布具有显著的均布调节作用。反应器渗流时 间和渗流速度试验结果见表 4。 511 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 表 3反应器水分渗透分布试验 组别点位含水率分布 /s渗水量 / mL min － 1 s 示踪剂浓度分布 ρ Ca2 / mg L －1 s 不加粉煤灰a b 80 75. 3 69. 7 61. 2 86. 4 84. 8 79. 2 67. 5 6. 9 10. 2 126601116333. 522623828625426 单层粉煤灰c d 79. 2 78. 2 81. 6 81. 3 86. 2 60. 6 87. 6 80. 2 3. 9 9. 7 3848694613. 288287890487413. 4 双层粉煤灰e f g h 71. 7 83. 2 83. 2 70. 9 80. 6 76. 9 84. 3 83. 5 78 96. 4 85. 9 83 78. 5 74. 9 79. 5 66. 4 3. 8 9. 7 2. 7 8. 6 8202559. 570771270672810. 1 注 a. 反应器上部;b. 反应器底部;c. 粉煤灰下部;d. 反应器内部;e. 上层粉煤灰下部;f. 反应器内;g. 下层粉煤灰下部;h. 反应器底部。 表 4反应器渗流时间与渗流速度 项目渗流时间 /min渗流速度 / cm s － 1 双层煤灰420. 94 单层粉煤灰321. 25 不加粉煤灰85 通过渗滤液下渗到反应器底部时间得出 在不添 加粉煤灰、 添加 1 层粉煤灰和添加 2 层粉煤灰的情况 下， 渗滤液渗透速度分别为 5. 0， 1. 25， 0. 94 cm/s， 添 加粉煤灰层可有效缓冲渗滤液下渗速度， 分别延长渗 滤液在反应器内停留时间 4. 0 倍、 5. 3 倍， 利于营养 物质均布和微生物繁殖生长。 2. 4生物反应器产甲烷对比试验结果 4 个试验装置累计填埋气产量、 甲烷含量统计如 图 7、 图 8 所示。 图 7累积产气量随时间的变化 图 8产气中甲烷含量随时间的变化 图 7、 图 8 显示 添加粉煤灰、 炉渣对提高生物反 应器填埋处理效果作用十分突出， 其处理效果显著好 于模拟常规卫生填埋处理的 BL1， 总产气量提高 5. 9 倍 ～ 7. 8 倍， 甲烷含量可提高 2 倍以上。 3结论 1 细粉煤灰、 粗粉煤灰、 炉渣的蒸馏水渗出液 pH 值均呈现碱性， 有利于生物反应器产甲烷阶段的开始 并提高甲烷产量。 2 粉煤灰、 炉渣对重金属的吸附效果均十分显 著， 在 10 分钟内重金属浓度均下降到1 mg/L以下， 30 min内重金属吸附去除率均可达 99 以上。可有 效减少重金属对微生物的毒害作用， 有利于反应器内 微生物的生长繁殖。 3 通过添加粉煤灰和炉渣， 在生物反应器垂直 方向上可延长渗滤液停留时间 4 倍 ～ 5 倍， 在水平方 向上起到均布调节作用， 减少普通生物反应器内缝隙 短流和冲刷现象， 有效改善水分及营养物质在反应器 内的空间分布。 4 粉煤灰、 炉渣和生活垃圾进行生物反应器共 置处理效果显著好于生活垃圾的单一处理效果， 经试 验对比， 总产气量提高 5. 9 倍 ～ 7. 8 倍， 甲烷含量可 提高 2 倍以上。 参考文献 ［1］Tang X Y，Gao G T，Zhu G R． Comprehensive resource disposal of municipal domestic refuse and countermeasure analysis［J］． China Environmental Protection Industry，2010 7 45- 47. ［2］Liu B，Song M，Tian Y． Present status and prospects of fly ash in comprehensiveutilization．ChineseHi-techEnterprises，2009 10 126- 127. ［3］容波，卫潘明． 北京市生活垃圾成分分析及对应处理方式对 策研究［J］． 环境保护，2004 10 31- 32. ［4］曾正中，马力鹤，南忠仁． 粉煤灰对垃圾填埋场黄土垫层的改 性试验［J］． 环境工程，2009，27 4 105- 109. ［5］王昊， 王洪涛， 赵勇胜， 等． 不同缓冲剂调节 pH 值影响 MSW 反 应器运行的对比［J］． 环境工程，2006，24 6 52- 55. 作者通信处李秀金100029北京市朝阳区樱花园东街 7 号中国 寰球工程公司安全环保中心 电话 010 58676729 E- mailliuwenhai hqcec． com 2011 － 04 － 11 收稿 611 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期