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生活垃圾填埋技术沿革


技术背景概述:

随着生活水平的不断提高,城镇化的高速推进,我国生活垃圾产生量逐年增加,生活垃圾的无害化处理率也在逐年提高。截至2014年,全国生活垃圾清运量约为1.7亿万吨,其中生活垃圾无害化处理量约为1.3亿万吨,无害化处理率达80%。

现阶段生活垃圾处理处置的工艺主要可分为填埋法和焚烧法两大类。在我国现有的经济发展水平下,填埋方式以其相对低廉的建设和运营成本,在目前以及相当长的时间内依旧是我国生活垃圾处理的主要方式。资料显示,城市卫生填埋处理能力从2001年的19万吨/日提升到2014年的33万吨/日,增长了近76%。卫生填埋处理设施数量占无害化设施数量比例一直维持在70%~80%。另外,填埋作为生活垃圾的最终处置方式,也是每座城市必需的,具有重要保障意义。但填埋方式同时具有浪费大量土地资源、垃圾资源回收利用率低、停止使用后需要大量的后续渗滤液处理费用等不足。

近几年我国各地生活垃圾卫生填埋场陆续达到服役期限,由于土地资源十分紧张,开辟新的填埋场选址困难,因而经济较发达的东部沿海城市选择大力发展焚烧法。焚烧法的优势在于减量化效果明显,垃圾燃烧所释放的热值能够用于发电,但焚烧所产生的飞灰属于危险废弃物,只能填埋处置,且焚烧过程能源利用率低下,会释放大量的二氧化碳,加剧温室效应。此外,垃圾焚烧厂的建设跟周边居民的生活息息相关,需要征得民众的理解和同意。



典型技术介绍:


简易堆场

我国生活垃圾无害化处理建设从20世纪80年代起步,开始阶段因为缺乏技术和资金,所有填埋场都是非卫生填埋的简易堆场,且主要集中于一些大中城市,县级城市相对较少。简易堆场是我国传统沿用的填埋方式,其特征是:仅有部分工程措施,不能满足环保标准或技术规范,主要问题集中在场底防渗、渗滤液处理、日常覆盖等不达标。不少中西部城市利用自然沟壑或自然塌陷区来处理城市生活垃圾,此类简易堆场无防渗层,亦无渗滤液收集、导排系统而任其外排,严重污染了周围环境。

 

 卫生填埋

20世纪90年代,国家逐步建立了垃圾卫生填埋的规范和标准,全国各大中型城市的卫生填埋场数量迅速增加,几乎都是日处理能力在千吨以上、总填埋库容为数千万立方米的大型垃圾填埋场。在现代卫生填埋场设计中,最关键部位包括衬垫系统、渗滤液收集系统、填埋气导排系统和最终封场系统,实现污染物与外界环境的隔断。

在实际情况中,早期卫生填埋场存在下列问题:渗滤液处理设施和环保措施不到位,处理效果不达标;防渗膜破损引起渗滤液泄漏进入地下水、附近水体和土壤中,给周边环境造成危害。同时,普遍缺乏沼气的收集处理设施,导致沼气直接外排,这不仅对填埋场本身的安全运行构成威胁,也对所处功能区的大气质量产生不良影响。填埋场的开放作业过程中,垃圾中大量蛋白质、脂类和糖类等化合物在降解过程中会产生NH3、H2S、VOC等恶臭气体,是目前填埋场成为周边居民投诉的主要诱因。尽管近年来卫生填埋场建设和运行费用投入增大,大量新建或改建的填埋场配备了渗滤液处理设施以及填埋气体利用或处理装置,其运行监管仍待加强,卫生填埋场的二次污染问题不容忽视。

 

 生物反应器填埋

传统卫生填埋场严格控制水分进入垃圾层,以减少渗滤液的产生量,即所谓“干穴式”填埋场运行方式。在这种“干穴式”填埋场中,随着渗滤液的排出且没有水分补充,垃圾层内部长期处于低湿度状态,厌氧微生物的代谢受到抑制,有机垃圾降解缓慢、稳定化时间长,产气周期长且产气率低。这对填埋场的衬层系统和后期维护提出了相当高的要求,给填埋气的收集和利用也带来困难,相应的环境风险将持续数十年。

20世纪70年代,美国乔治亚理工学院首先开展了“生物反应器填埋”(Bioreactor Landfill)技术的实验室研究以后,英国、加拿大、澳大利亚、德国、意大利、瑞典和日本等国也相继开始了该方面的研究。在这些研究中,不仅包含了大量的实验室模拟研究,还有很多的填埋小单元甚至大规模的现场研究,研究对照参数包括渗滤液回灌、渗滤液pH值的调节、注水、污泥接种、垃圾密度、供氧、升温、垃圾破碎、日覆盖与最终覆盖、不同性质垃圾混合、营养的添加、填埋时间等。

生物反应器填埋场主要是通过渗滤液回灌控制填埋场内部湿度和营养状况,强化填埋场内微生物降解过程,从而加速垃圾中易降解有机组分转化和稳定的一种运行方式。北美固体废弃物组织对生物反应器填埋场定义如下:“生物反应器填埋场是有目的地控制强化填埋场中的微生物反应,使垃圾中能降解的有机组分在封场后8~10年内完成稳定化过程的卫生填埋场”。 

生物反应器填埋技术按垃圾层中氧气的存在状态可分为好氧、厌氧和准好氧三种填埋方式。

(1)好氧型

好氧生物反应器填埋场在回灌渗滤液的同时利用鼓风系统直接向填埋垃圾体中鼓入空气,使填埋场内部氧气浓度维持在16%~21%,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。但是由于要向垃圾层中强制通风,所以工艺设备复杂,动力消耗大,运行管理费用高,也没有对垃圾中有机组分的生物质能进行利用,而且鼓风同样也会带来空气污染的问题。武汉市金口垃圾填埋场填埋龄为7年的非稳定区选用好氧修复技术,历经12个月最终所有技术指标均达到了国家标准《生活垃圾填埋场稳定化场地利用技术要求》(GB/T25179-2010)规定的中度利用要求。它的生态修复是目前世界范围内规模最大的原位好氧修复老垃圾填埋场案例。


(2)厌氧型

目前广泛研究的是厌氧生物反应器填埋场。它具有生物降解速度快,稳定化时间短,填埋气产率和产量高,渗滤液处理量和难度降低等特点。研究表明,保持填埋场内部垃圾含水率在55%~70%对厌氧微生物的生长活动是适宜的。


对于渗滤液回灌措施,国内研究者提出不同建议:

1、渗滤液预处理后再进行回灌,如加石灰调节pH值,UASB预处理等;

2、采用垃圾分区填埋,酸化渗滤液回灌到老填埋区(产甲烷区)以及老填埋区渗滤液回灌到新填埋区的交替操作方式;

3、为保证渗滤液的下渗,可考虑改用渗漏性能更好的覆盖材料。


当渗滤液回流到生物反应器填埋场时,由于污水在填埋垃圾堆体间流动,所含的悬浮物将依据孔隙的大小进行筛选分配;同时填埋垃圾颗粒的离子结合力,可使渗滤液成份的一部分被吸附。渗滤液在填埋场中的生物净化类似于“生物平博体育官网”的处理过程。在渗滤液通过垃圾堆体沿孔隙向下渗透的过程中,由于物理、化学和生物的作用使渗滤液中的有机污染物得到去除。重金属在还原条件下可形成难溶的硫化物,弱碱性条件也有利于其形成碳酸盐或氢氧化物沉淀,而且垃圾降解过程中生成的大分子类腐殖质对金属的氢氧化物也能起螯合作用,形成难以流失的沉淀性络合物,使重金属得到固结,极大降低渗滤液中重金属的含量。

生物反应器填埋场设计与运行的关键在于四个重要的系统:渗滤液收集系统、防渗系统、气体收集系统和渗滤液回灌系统。

渗滤液回灌加大了填埋场渗滤液的产生量和产生速度,如果收集系统排水能力不足,将会导致防渗层上水位上升,增加了渗滤液发生泄漏的可能性。美国和欧盟规定在填埋场防渗层上的水头应保持在300 mm以下,这给渗滤液收集系统提出了更高的要求。生物反应器填埋场的防渗设计推荐采用双层防渗,其防渗安全性能较好,能减少监测的工作量。

在生物反应器填埋场中,适宜的垃圾体含水率给产甲烷菌提供了更好的生存环境,加快了填埋气体的产生速度,增大了总产气量,为了减小火灾隐患,充分利用垃圾的生物质能,有必要采用主动的气体收集系统。设计时可以将填埋气体收集管路和渗滤液回灌管路分开铺设,也可以直接采用渗滤液回灌管道收集填埋气体。

渗滤液回灌系统设计的目标是让回灌的渗滤液能均匀分布到垃圾体中,使垃圾体达到合适的含水率。渗滤液回灌的方式主要有下渗塘、表面喷灌、垂直渗井和水平渗沟等。水平渗沟虽然工程量较大,但可以边填埋边施工,在最终封场之前就可以开始回灌,回灌时间长,回灌能力大,布水效果较好,是目前应用较多的回灌方式。


(3)准好氧型

准好氧填埋技术设计的思路是不用动力供氧,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。

生物反应器填埋技术的出现意味着填埋法已从传统的以垃圾贮存为主向多功能方向发展,即填埋场应同时具备垃圾贮存、隔断污染、生物降解和资源恢复等多个功能。它通过独特的设计和合适的调控,把填埋场从贮存场所变成了处理中心,提高垃圾的资源化、无害化水平。生物反应器填埋技术的研究在我国尚处于小试或中试阶段,缺乏现场试验以及大规模的实际应用。这种新型的填埋技术在我国将会有广阔的发展前景。

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