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厌氧—准好氧联合型生物反应器填埋场稳定化规律及运行策略研究

韩智勇  
【摘要】:传统卫生填埋在当前乃至今后相当长一段时间内,都将是我国垃圾处理处置的主要方式。为了克服其渗滤液污染强度高,垃圾稳定速率慢,产气期滞后且历时较长等不足,生物反应器填埋场迅速成为当前国内外的研究热点。由于联合型生物反应器填埋场能充分结合不同类型(厌氧、好氧、准好氧)生物反应器填埋场的优势,因此受到越来越多学者的关注。但是随着研究的深入,填埋场稳定化速度和投资运行费用的矛盾却日益凸显。为此,本文通过结合厌氧生物反应器填埋场(Anaerobic Bioreactor Landfill,ANBL)和准好氧矿化垃圾生物反应床(Semi-aerobic Aged Refuse Biofilter,SAARB),采用室内模拟实验的方式,提出并探讨了厌氧-准好氧联合型生物反应器填埋场(Anaerobic-semiaerobic Bioreactor Landfill,AN-SABL)的污染物去除机理,稳定化进程中渗滤液、填埋气体和固相垃圾的变化规律,以及运行策略,研究表明: 由于AN-SABL内部不但存在新鲜垃圾和矿化垃圾两种性质截然不同的垃圾类型,而且在空间结构和矿化垃圾颗粒形态上均形成了好氧-兼氧-厌氧交替出现的复杂分区,这为不同的微生物提供了多样化的生长环境,极大地丰富并提高了AN-SABL内部的微生物类群和数量,既能使有机物通过好氧和厌氧降解得以快速去除,又能有效地促进各种氮素的相互转化,具有很好的脱氮效果。其中硝化-反硝化和厌氧氨氧化作用是主要的脱氮途径,此外异化性硝酸盐还原作用、氨氧化作用、氨挥发作用、吸附作用、部分化学作用在不同阶段也有不同的脱氮效果。 经过440d的运行,ANBL的COD、TC、TOC去除率分别只有23.85%、14.04%和14.29%,而AN-SABL的COD、TC、TOC去除率分别介于55.43%-57.84%、37.38%-37.73%、40.19%-49.57%之间;同时ANBL的TN、NH3-N去除率分别只有16.65%、13.12%,而AN-SABL的氮素去除率约为其2-3倍。生活垃圾的固相指标由于采样不均,波动较大,但不同模拟柱之间的差别并不明显;矿化垃圾中有机物含量总体稳定,但全氮含量出现一定的积累现象。AN-SABL中ANBL单元的产气受到了一定的抑制,累积产气量由大到小依次为ANBL1#(5633L,52L/kg)、ANBL3#单元(5196L,49L/kg)和ANBL2#单元(4237L,39L/kg),甲烷含量峰值分别达到了62.60%、62.67%和57.62%。实验表明,与ANBL相比,AN-SABL能够更快地促进垃圾的稳定化。 实验期间,生活垃圾体沉降明显,其中ANBL3#单元沉降最大,高达25.35%,但SAARB单元中矿化垃圾稳定,沉降很小。除此之外,渗滤液回灌能提高垃圾含水率,AN-SABL具有很强的渗滤液减量化效果,填埋初期低回灌频率(3d/次)有利于有机物的降解,但是后期增大回灌频率(1d/次),可促进ANBL单元的产气,并能提高甲烷含量,有效缓解SAARB单元对ANBL单元产气的抑制作用。 ANBL(单元)的累积产气量在初始调整阶段呈对数增长,过渡酸化阶段呈线性增长,酸化产甲烷阶段呈指数增长。建立的碳素和氮素转化模型均能较好地模拟二者在实验期间的变化规律。其中有机碳降解受到温度的影响明显,无论是KsL还是KLGmax,均表现为AN-SABL3#AN-SABL2#ANBL1#。此外AN-SABL的氮素降解呈指数下降规律。与ANBL相比,AN-SABL能更好地促进碳素和氮素的降解,从而加速填埋场的稳定化进程。 在AN-SABL(?)勺设计过程中,平面布置可采用ANBL单元和SAARB单元混合布置、分开布置、分开-混合布置等三种方式;同时需加强防渗系统的防渗性能,增大渗滤液和填埋气导排系统的导排能力。运行过程中,在温度为30℃,回灌频率为3d/次,水力负荷为8L/(m3·d),COD浓度为40000 mg/L(COD负荷320g/(m3·d)),矿化垃圾有效高度为900mm的条件下,SAARB单元能取得最佳的运行效果,COD、TN、NH3-N去除率分别能达到99.40%、94.05%、99.52%。在冬季需采取适当的保温措施;回灌频率在填埋初期以3d/次为宜,后期可适当提高回灌频率;渗滤液深度处理建议采用活性碳吸附。 由以上研究结果表明,厌氧-准好氧联合型生物反应器填埋场不但比ANBL更快地促进垃圾降解,而且充分利用了SAARB高效的脱氮能力及低廉的建设和运行费用等优势,从而为解决生物反应器填埋场稳定化速度和投资运行费用的矛盾提供了一条新思路,并有利于填埋场稳定后的开发和可持续循环利用。


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