生活垃圾生物反應器填埋技術

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簡介： 通過對城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理方式過程中存在的種種不足和所面臨的困境做了詳細的敘述，同時介紹了生活垃圾生物反應器填埋技術的種種優(yōu)勢和不同類型的生物反應器填埋技術的特點，結合我國垃圾處理處置現狀，得出生物反應器填埋技術是走出我國垃圾填埋處理困境的有效方式。
關鍵字：衛(wèi)生填埋困境 生物反應器 填埋技術 好氧生物 厭氧生物 反應器

1  城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理現狀及困境

　　    城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處置方式由于具有技術可靠，工藝簡單，管理方便；投資相對較省，運行費用低；適用范圍廣，對生活垃圾成分無嚴格要求，能完全消納進場垃圾等一系列優(yōu)點，在許多地區(qū)和國家都得到了廣泛的運用。如1993年美國填埋處理量占垃圾總處理量的69.24％^[1]，英國1999年垃圾填埋處理占垃圾總處理量的67％，1991在德國年垃圾填埋處理量占垃圾總處理量的60％，在西班牙占75％，而我國在2001年統計結果顯示垃圾填埋處理量占垃圾總處理量的80％。盡管垃圾衛(wèi)生填埋處理技術擁有以上一系列的優(yōu)點和得到了廣泛的運用，然而現行傳統的“干穴式”（Dry Tomb）衛(wèi)生填埋技術要求填埋過程中實行單元填埋、每日覆土、中場覆土，封場時再用自然土和粘土甚至土工膜組成最終覆蓋層，嚴格按照上述要求施工的填埋場封場后就成了一個垃圾的“干墓穴”，由于濕度減少，微生物的活性減弱甚至停止，場內垃圾的生物降解是一個無任何控制的自然降解過程，封場后很長一段時間（數十年）內垃圾保持不變或者變化很小。此時的垃圾填埋場是一個潛在的污染源，一旦填埋場的覆蓋層和防滲層部分功能失效，其污染特性必將暴露無疑。這種垃圾填埋形式實際上人為制造了一個定時炸彈，其實質只是將當代人產生的垃圾這一污染源轉移給了下一代或后幾代，這不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求?，F行的垃圾衛(wèi)生填埋技術存在占地面積大的缺點之外，還存在如下幾個無法避免的缺陷，由此嚴重的制約了垃圾衛(wèi)生填埋技術的進一步推廣和運用。

　　1.1  傳統填埋場滲濾液水質、水量波動較大，處理難度大

　　現行垃圾填埋場滲濾液產量直接受進入場內的大氣降水量的影響，一般填埋場運營期間滲濾液產量大，封場后滲濾液量相應減少；雨季滲濾液產量大，旱季滲濾液量則較少。受垃圾組分，大氣降雨量的影響，填埋場滲濾液水質水量季節(jié)性波動顯著；受填埋垃圾分解階段的影響，填埋初期滲濾液有機污染物濃度特別高，垃圾填埋后期污染物濃度則逐漸降低。由于一般填埋場據城市污水處理廠距離較遠，即使較近大量高污染物特征的滲濾液也會對城市污水處理系統的正常運行帶來沖擊，故一般填埋場都建設有獨立滲濾液處理系統。但包括物理、化學、生物處理法等工藝在內的滲濾液處理系統都無法適應不斷變化的滲濾液水質和水量的要求，經常要求隨季節(jié)以及填埋階段的不同改建滲濾液處理系統或對系統的有關運行參數進行調整。

　　1.2  傳統填埋場滲濾液污染強度高，二次污染嚴重

　　傳統填埋場滲濾液不僅污染種類繁多，成分復雜，同時污染物濃度極高。部分填埋場滲濾液COD可能高達近十萬mg/L，氨氮濃度也可能高達近萬mg/L，要使組分復雜，污染物濃度高的滲濾液排放前達到有關排放標準的要求，必須對其進行深度處理。深度處理費用之高，令很多填埋場的運行管理者望而止步。2001年7月國家環(huán)保總局下發(fā)了《關于開展生活垃圾處理設施環(huán)境影響調查和監(jiān)測的通知》（環(huán)辦[2001]72號），對全國垃圾處理設施的污染排放情況及其對周圍環(huán)境的影響展開調查，調查結果顯示，我國垃圾衛(wèi)生填埋場滲濾液排放、地下水水質及無組織排放等無一家達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB 16887－1997）之規(guī)定，且二次污染程度較高^[2]。

　　1.3  傳統填埋場封場后維護監(jiān)管期長、風險大、費用高、不利于場地及時復用

　　盡管傳統填埋場不時有雨水進入，但受季節(jié)影響進入水量分布不均、受填埋場所布設的覆蓋層影響使進入場內水分分布地點不均，因而填埋垃圾得不到均勻的、快速的降解，垃圾體的污染特征長期存在。美國EPA要求填埋場封場后監(jiān)管30年，但有專家認為現行部分垃圾填埋場封場100年后還有大量垃圾未得到有效降解，仍對周圍環(huán)境構成潛在威脅。長時間填埋場監(jiān)管期不僅增加滲濾液處理、監(jiān)測以及其他系統的維護費用，還增大了滲濾液收集系統、防滲層等系統失效的可能，從而增加了潛在的二次污染風險。

　　1.4  傳統填埋場產氣期滯后且歷時較長，產氣量小，資源化率低

　　傳統填埋場進入甲烷化階段所需時間長，還因滲濾液連續(xù)排放而損失大量可轉化為甲烷氣體的有機物，從而降低填埋場甲烷氣體總產量；由于產氣期較長而降低了產甲烷速率，使填埋場在甲烷總量減少的同時還延長了回收甲烷氣體所需時間，因而降低了回收甲烷氣體作為能源的經濟效益。目前，除杭州、廣州和深圳已在利用填埋場氣體發(fā)電外，其余100多個填埋場都將填埋氣體在燃燒后排放或直接排放，造成資源的嚴重浪費和對環(huán)境的負面影響。

　　1.5  傳統填埋場垃圾處理費用高

　　       由于傳統填埋場的以上不足之處，自然就直接導致較高的單位垃圾填埋處理處置費用，不利于這一垃圾處置方式在更大范圍的推廣和運用。

　　2  生活垃圾生物反應器填埋技術

　　2.1  技術優(yōu)勢^[3~6]

　　鑒于傳統垃圾填埋技術以上一系列不足之處和生物技術在環(huán)境保護中的廣泛運用，二十世紀后期歐美及日本等國家開始另一種改進的填埋場方式即生物反應器填埋技術的研究。生物反應器填埋技術根據填埋垃圾被微生物降解的機理和過程，利用填埋場這一天然的微生物活動場所，通過一系列手段優(yōu)化填埋場內部環(huán)境使其成為一個可控生物反應器，為微生物大量繁殖提供一個最優(yōu)的生存空間。生物反應器填埋技術不僅對填埋場產生的滲濾液能實現很大程度的場內就地凈化，還為填埋場的提前穩(wěn)定創(chuàng)造了良好條件，同時還增加了填埋氣體回收利用的經濟效益，明顯提高垃圾的生物降解速度和效率，從而提高垃圾的資源化、無害化水平。生活垃圾生物反應器填埋技術較現行垃圾衛(wèi)生填埋技術的主要優(yōu)勢：（1）通過滲濾液回灌，讓滲濾液進一步參與生物反應，降低其污染物濃度，從而降低滲濾液的處理難度和處理費用；（2）加速生活垃圾的微生物降解過程，從而增加填埋場的有效容積；（3）通過控制填埋場內部的溫度和濕度等條件，提高填埋氣體的產氣率和產氣量，從而提高生活垃圾的資源化率；（4）加速填埋垃圾的穩(wěn)定過程，從而降低填埋場的運行維護費用，并進一步降低對周圍環(huán)境的二次污染風險等。由此可見生物反應器填埋技術具有傳統衛(wèi)生填埋技術不可比擬的優(yōu)點?，F如今生物反應器填埋技術在世界各國得到了廣泛的運用，如美國EPA已著手修改現有的垃圾管理法規(guī)以推廣這一新型的垃圾填埋技術。同樣在1979年，生活垃圾半好氧生物反應器填埋技術被由日本健康福利部頒布的廢物最終處置導則采用，該工藝還在馬來西亞、印尼、菲律賓及巴西等國被廣泛運用，同時該技術的培訓課程也在亞太地區(qū)逐步開展。

　　2.2  生活垃圾生物反應器填埋技術的不同形式及其特點

　　生活垃圾生物反應器填埋技術根據填埋工藝不同可分為好氧、厭氧、好氧－厭氧及半好氧四種生物反應器填埋技術。與傳統的衛(wèi)生填埋技術相比較，四種生物反應器填埋技術都有各自的特點。

　　2.2.1  好氧生物反應器填埋技術

　　好氧生物反應器填埋技術是將滲濾液、其他液體及空氣等根據場內垃圾生物降解需要，通過一種可控的方式加入至填埋場，概念圖見圖1。這樣不僅大大地加快填埋垃圾生物降解和穩(wěn)定速率，減少危害最大的溫室氣體——甲烷的排放，同時降低滲濾液污染強度和處理費用。國外研究表明，好氧生物反應器填埋場的生活垃圾達到穩(wěn)定的時間在2～4年左右，溫室氣體減少50%～90%。由于需要強制通風供氧、滲濾液回灌及其他控制形式，故單位時間內運行費用很高。由于運行維護時間大大縮短，故總的運行維護費用同傳統的衛(wèi)生填埋技術相比，相差不大。

　　圖1  好氧生物反應器填埋場概念圖

　　2.2.2  厭氧生物反應器填埋技術

　　厭氧生物反應器填埋技術是通過向填埋垃圾體回灌滲濾液和注入其他的液體以保持填埋場內最佳的濕度條件，可生物降解垃圾在缺氧的條件下進行厭氧降解，同時快速產生富含CH₄的填埋氣體，概念圖見圖2。它具有加速填埋垃圾降解和穩(wěn)定，減輕滲濾液有機污染強度，增大甲烷氣體產量、產生速率，進而提高甲烷氣體回收利用效益等優(yōu)勢，資源化率高，垃圾達到穩(wěn)定化時間在4～10年左右，CH₄氣體產量增加約200％～250％，運行維護費用較低。缺點是滲濾液氨氮濃度長期偏高，不利于滲濾液的生物處理。

　　圖2  厭氧生物反應器填埋場概念圖

　　2.2.3  好氧－厭氧生物反應器填埋技術

　　好氧—厭氧生物反應器填埋技術是對上層新填埋垃圾進行強制通風供氧，下層垃圾仍按厭氧方式運行，概念圖見圖3。主要目的在于降低新填埋垃圾中易降解物酸化后對厭氧垃圾層的危害，同時向場內的濕度和其他環(huán)境條件進行控制，以實現填埋垃圾的無害化和資源化。垃圾達到穩(wěn)定化時間和運行維護費用間于好氧和厭氧生物反應器填埋技術之間。

　　圖3  好氧－厭氧生物反應器填埋場概念圖

　　2.2.4  半好氧生物反應器填埋技術^[7]

　　半好氧型生物反應器填埋場利用填埋場內外氣體壓力差，通過自然進風方式維持滲濾液收集管、排氣管及中間覆土周圍一定區(qū)域垃圾層的好氧狀態(tài)，使部分垃圾實現好氧降解，同時向場內回灌滲濾液和其他液體，概念圖見圖4。其兼具好氧生物反應器填埋場的部分優(yōu)點，同時建設成本和運行費用同傳統的衛(wèi)生填埋技術相比差別不大，二次污染程度低。

　　圖4  半好氧生物反應器填埋場概念圖

　　3  我國城市生活垃圾處理現狀分析

　　2000年統計結果顯示我國垃圾產量已經達到了1.4億t，然而能達到真正意義上的、符合環(huán)境衛(wèi)生要求處理的垃圾只有3%左右^[8]，大部分垃圾仍是通過簡單的“堆填”來消納。垃圾的“堆填”實際上是垃圾在某處的“存放”，它通常既不設防襯層，也無滲濾液收集處理和填埋氣利用設施，因而，并沒有改變垃圾對環(huán)境的污染狀況。由于我國環(huán)保資金投入和垃圾焚燒技術等方面的限制，尤其在我國中西部地區(qū)，垃圾低位熱值低，含水率高等特點，要大力推廣垃圾焚燒處理還有很長一條路要走。同時我國未實現垃圾分類收集、運輸和處理，垃圾堆肥處理中仍有許多問題還未解決，導致堆肥產品肥效低，產品中含有大量的玻璃粹渣，農民用戶對此反應強烈，市場前景黯淡。有關媒體對四川省第一批利用國債建設的近十個垃圾綜合處理廠（堆肥＋焚燒或者堆肥＋填埋）進行了調查，結果顯示僅有個別垃圾處理廠能正常運行，究其原因之一是堆肥產品質量達不到預期的效果，市場受挫，垃圾廠變成了堆放垃圾的垃圾場，造成財力、物力和人力資源的巨大浪費。而我國地幅遼遠，自然條件千變萬化，有許多地方具備了建設填埋場的天然地理條件。2000年建設部、國家環(huán)?？偩帧⒖萍疾柯摵现贫恕冻鞘猩罾幚砑拔廴痉乐渭夹g政策》，其總則指出填埋處理是垃圾處理必不可少地最終處置手段，也是現階段乃至今后相當長一段時間內的一種主要垃圾處理處置模式。

　　4  結束語

　　隨著生物技術的不斷進步和完善以及人們能源與環(huán)境意識的加強，世界垃圾填埋技術已從傳統的以貯留垃圾為主向多功能方向發(fā)展，即一個垃圾填埋場應同時具有貯留垃圾、隔斷污染、生物降解和資源恢復等多個功能。我國也應緊跟世界垃圾填埋技術的發(fā)展新趨勢，大力研發(fā)生活垃圾生物反應器填埋技術。鑒于我國現有生活垃圾處理處置技術現有水平和基本國情，考慮到經濟性和可操作性，我國當前應在回灌型生物反應器填埋技術方面加大研發(fā)和運用力度。筆者認為當前研究的重點應放在：（1）日覆蓋層和中間覆蓋層材料的選擇，確保適當的透氣性和水利滲透系數；（2）不同回灌形式（表面噴灑、水平管/溝回灌、豎井回灌以及混合回灌等）各自的適用條件和每種回灌形式的定量計算；（3）滲濾液回灌量、時間、頻率的確定；（4）由于滲濾液回灌可能導致場內產酸細菌的大量繁殖，產生大量的有機酸，造成環(huán)境酸的大量積累，從而抑止產甲烷細菌的生長繁殖，因此還需解決如何有效調節(jié)場內pH值的問題；（5）由于垃圾填埋技術涉及到水力學、微生物學、環(huán)境工程學等多個學科，研發(fā)過程中應運用系統工程學的原理和方法，確定最佳計方案和運行方式，使生物反應器填埋技術在滿足環(huán)境保護的前提下，實現單位垃圾建設成本和運行成本最低。

　　參考文獻

　　1  建設部標準定額研究所編.城市生活垃圾處理工程項目建設標準與技術規(guī)范宣貫教材.北京：中國計劃出版社，2002.7

　　2  李國剛.我國城市生活垃圾處理處置的現狀和問題.環(huán)境保護，2002，(4)：26～28

　　3  Mostafa W.Bioreactor landfills：experimental and field results.Waste Management，2002，22：7～17

　　4  Debra R.Reinhart，PhD，PE The bioreactor landfill：its status and future.Waste manage Res.，2002，20：172～186

　　5  EPA530-F-97-001.Landfill Reclamation，1997

　　6  Hudgins M，Happer S.Operatinal Characteristics of Two Aerobic Landfill Systems The Seventh International Waste Management and Landfill Symposium in Sardinia.Italy，1999

　　7  通口壯太郎.廢棄物最終處置場的計劃和建設.李國建，吳星五譯.上海：同濟大學出版社，2000.5

　　8  李秀金.生物反應器型填埋技術的特點和運用前景.農業(yè)工程學報，2002，（1）：111～114

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　　[1]第一作者：孫  冬，男，1975年生，碩士研究生，助理工程師，主要從事固體廢物處理技術研究及工程設計。

　　* 中國工程物理研究院科學技術基金（20050545）。