基于生物反应器的城市生活垃圾快速降解与渗滤液原位脱氮特性研究

发布时间：2020-09-04 20:29

　　随着我国国民经济的发展和城市人口的增加,城市生活垃圾产生量日益增长。卫生填埋作为我国城市生活垃圾的主要处理手段将长期存在。然而,填埋垃圾稳定化缓慢以及渗滤液和填埋气体引起的环境污染已经引起社会的普遍关注。论文以城市生活垃圾生物降解和渗滤液原位脱氮为研究对象,通过实验室与填埋现场模拟试验,研究了厌氧水饱和与渗滤液回灌条件下的垃圾降解过程、分类收集对垃圾填埋初期降解特性的影响、垃圾填埋层的生物脱氮特性,推断填埋体机械压实、填埋气体累积是渗滤液回灌操作导致填埋垃圾生物降解过程受阻的主要原因,提出了城市生活垃圾厌氧水饱和快速降解新技术,探明了厌氧条件下垃圾填埋层的反硝化能力及其垂直性差异。研究结果对生物反应器垃圾填埋技术以及原位脱氮技术的发展与应用具有指导作用。具体研究结果如下: (1)利用模拟生物反应器,重点研究了城市生活垃圾在厌氧水饱和条件下(反应器A)与渗滤液回灌条件下(反应器B)的降解特征。结果显示,经过420d的降解,反应器A中的渗滤液CODcr浓度和pH值分别为1000mg·L~(-1)和7.0,反应器B则为18000mg·L~(-1)和低于6.5;反应器A填埋气体和甲烷的累积产生量分别为2800L和1330L,反应器B仅为1470L和600L。这些结果表明,厌氧水饱和条件与渗滤液回灌条件相比,具有促进城市生活垃圾生物降解的作用。渗滤液回灌引起垃圾层快速沉降与压实,使得填埋气体难以扩散而累积,累积的气体降低了生物细胞与液相的接触面积,即传质受阻,不利于有机物的生物降解。此外,温度变化对填埋气体的产生过程具有显著性影响。基于以上研究结果,最后提出一种城市生活垃圾快速降解处理系统。 (2)将生活垃圾分类收集、资源回收与填埋处置相结合,借助自行设计和建设的两座库容为150m~3的垃圾填埋单元,分析了垃圾分类收集对填埋库容节省量和填埋初期降解特征的影响。结果显示,城市生活垃圾经过分类收集,可直接为后续填埋处置节省库容量约0.573m~3t~(-1)。在18项渗滤液指标中,次生垃圾填埋单元有8项(包括Cu~(2+)、Pb~(2+)、色度、TP、SS、Cd~(2+)、Zn~(2+)和Cl~-)高于原始垃圾填埋单元的1.5倍,有5项(包括NH_4~+、TN、Mn、BOD_5和CODcr)略高,有3项(包括pH、TCr和EC)基本相等,仅Fe和DO低于原始垃圾填埋单元。另外,在整个试验过程中,次生垃圾填埋单元的甲烷浓度明显高于原始垃圾填埋单元。因此,垃圾分类收集不仅可以节省后续填埋库容量,而且可以加速有机物的生物降解,加快填埋体产甲烷进程。 (3)借助两套处于不同稳定化程度的厌氧型模拟垃圾反应器,考察了不同通风条件与接种活性污泥对渗滤液氨氮脱除作用的影响。结果显示,在间歇式通风条件下,反应器中的有机物与氨氮均得到一定程度的去除。当氨氮初始浓度为500-1200mgL~(-1)时,去除率为38%～90%,加长持续通风时间可提高氨氮去除率。然而,硝态氮浓度(＜6.0mgL~(-1))并未随着氨氮浓度的降低而明显升高,而气相冷凝液中却检测到大量的氨氮;接种活性污泥对氨氮的脱除效果影响不大。其主要原因可能是由于反应器中存在高浓度游离氨,它抑制硝化作用,但却强化氨吹脱作用。因此推测,吹脱作用是垃圾层氨氮脱除的主要途径。 (4)利用实验室规模垃圾填埋厌氧系统,考察了回灌液中硝酸盐和有机质负荷对稳定产甲烷阶段垃圾反硝化特性的影响。实验结果显示,首次投加硝酸盐后,系统可在48h内启动反硝化作用。垃圾层硝酸盐还原速率随着硝酸盐负荷的提高而逐渐增大,当回灌液初始NO_3~--N浓度提高到850mg·L~(-1),NO_3~--N去除速率可达到35mg·L~(-1)·h~(-1)。垃圾层硝酸盐还原速率存在明显的垂直差异,上层垃圾的硝酸盐还原速率明显高于下层垃圾的硝酸盐还原速率。在硝酸盐负荷提升过程中,出现有亚硝酸盐暂时累积现象,但亚硝酸盐最大累积效率呈现下降趋势。有机质作为反硝化过程的电子供体,对垃圾层反硝化性能具有重要影响,垃圾层内源有机物可在一定范围内补偿外源有机物的不足。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：X703
【部分图文】：

城市生活垃圾,综合管理,发展过程,源头分类收集

的下降;此外，城市生活垃圾源头分类收集等措施，使得资源回收利用率不断提高，如2001年德国的回收率达到48%，美国则达到30%。城市生活垃圾综合管理内涵的发展过程如图1一1所示。

硫元素,好氧,生物化学循环

含氮有机化合物。刀万3(ammonia)。刀口2一(nl’trl’te)*刃q一 (nitrate)..……(1一2)基于这一系列生物转化过程，氮素被用于指示水体污染。在好氧条件下，碳、氮以及硫元素的生物化学循环过程如图1一2所示。在厌氧条件下，有机化合物的生物降解由厌氧微生物完成，氧气则会对其产生不利影响。有机化合物厌氧生物降解方程式如下:q凡从”cq+c从+N万3+非稳定性产物....................................……(1一3)从方程式(1一3)可以看出，厌氧生化反应的许多末端产物并未达到生物稳定化，可进一步被微生物转化。在厌氧条件下，碳、氮以及硫元素的生物化学循环过程如图1一3所示。nitrogel幻us氮化物‘时比几创义幻璐碳化物sulfurous硫化物/尸一—一今~、~一~一一一一一一一声一一一一一一~、w侧蛇eS废弃物 deador，功i。动位物残体decomPosition分解厂_‘龟，了尹\l产赞一，，，”lProtCins蛋白质几招脂肪 livinganimals动物活体 initialPr冈嘴ts初始产物一引广‘一CoZ}q’’ animallife动物体}Prot‘nS蛋白质、fa

硫元素,厌氧

主导地位)的复杂而又漫长的过程，一般要持续几十年甚至上百年。根据垃圾的分解过程，大体上可将填埋场稳定化过程分为五个阶段133一】。在每一个阶段，渗滤液和填埋气体产生速率和特性都存在明显的差异，如图1一所示。nitrogenous氮化物c公加naceou‘碳化物sulforous硫化物产尸一一一~一~~一一一-一一-一~、was姗废弃物 deadorganics动植物残体decompesidon分解r_‘椒产了/\I岁梦》一，，，’备pro征此蛋白质伪匕脂肪 livinganun目s动物活体‘n’“篇霎罗}岁‘竺\HZS一有机艘一{厂’一C伪}r’’an诵目life动物体}簇薰翼)黔二。:!{i‘一i“黔(:孩气目一一.门卜sul6des硫化物Plantl诉植物体C02methane甲烷细fides硫化物图1一氮、碳以及硫元素的厌氧循环132!Fig.1· 3AnaembieNitrogen， CarbonandSulfurCyeles2.2.1好氧降解阶段城市生活垃圾进入填埋场以后，易降解有机物首先利用填埋垃圾带入的氧气进行好氧生物降解，生成COZ、玩O以及小分子有机物，同时释放大量的热量，引起垃圾层温度的升高;填埋气体中CO:浓度也在逐渐升高。在传统填埋方式下，好氧降解阶段通常可以持续几个小时到l周时间。2.2.2过渡阶段或水解阶段随着氧气的消耗填埋层逐渐进入厌氧状态，垃圾降解也由好氧过程过渡到厌氧过程

【引证文献】