生活垃圾生物反應(yīng)器填埋技術(shù)

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簡介： 通過對(duì)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(xì)的敘述，同時(shí)介紹了生活垃圾生物反應(yīng)器填埋技術(shù)的種種優(yōu)勢和不同類型的生物反應(yīng)器填埋技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合我國垃圾處理處置現(xiàn)狀，得出生物反應(yīng)器填埋技術(shù)是走出我國垃圾填埋處理困境的有效方式。
關(guān)鍵字：衛(wèi)生填埋困境 生物反應(yīng)器 填埋技術(shù) 好氧生物 厭氧生物 反應(yīng)器

1  城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理現(xiàn)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(shù)可靠，工藝簡單，管理方便；投資相對(duì)較省，運(yùn)行費(fèi)用低；適用范圍廣，對(duì)生活垃圾成分無嚴(yán)格要求，能完全消納進(jìn)場垃圾等一系列優(yōu)點(diǎn)，在許多地區(qū)和國家都得到了廣泛的運(yùn)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(tǒng)計(jì)結(jié)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(shù)擁有以上一系列的優(yōu)點(diǎn)和得到了廣泛的運(yùn)用，然而現(xiàn)行傳統(tǒng)的“干穴式”（Dry Tomb）衛(wèi)生填埋技術(shù)要求填埋過程中實(shí)行單元填埋、每日覆土、中場覆土，封場時(shí)再用自然土和粘土甚至土工膜組成最終覆蓋層，嚴(yán)格按照上述要求施工的填埋場封場后就成了一個(gè)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(nèi)垃圾的生物降解是一個(gè)無任何控制的自然降解過程，封場后很長一段時(shí)間（數(shù)十年）內(nèi)垃圾保持不變或者變化很小。此時(shí)的垃圾填埋場是一個(gè)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(shí)際上人為制造了一個(gè)定時(shí)炸彈，其實(shí)質(zhì)只是將當(dāng)代人產(chǎn)生的垃圾這一污染源轉(zhuǎn)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(xiàn)行的垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)存在占地面積大的缺點(diǎn)之外，還存在如下幾個(gè)無法避免的缺陷，由此嚴(yán)重的制約了垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)的進(jìn)一步推廣和運(yùn)用。

　　1.1  傳統(tǒng)填埋場滲濾液水質(zhì)、水量波動(dòng)較大，處理難度大

　　現(xiàn)行垃圾填埋場滲濾液產(chǎn)量直接受進(jìn)入場內(nèi)的大氣降水量的影響，一般填埋場運(yùn)營期間滲濾液產(chǎn)量大，封場后滲濾液量相應(yīng)減少；雨季滲濾液產(chǎn)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(zhì)水量季節(jié)性波動(dòng)顯著；受填埋垃圾分解階段的影響，填埋初期滲濾液有機(jī)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(jù)城市污水處理廠距離較遠(yuǎn)，即使較近大量高污染物特征的滲濾液也會(huì)對(duì)城市污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來沖擊，故一般填埋場都建設(shè)有獨(dú)立滲濾液處理系統(tǒng)。但包括物理、化學(xué)、生物處理法等工藝在內(nèi)的滲濾液處理系統(tǒng)都無法適應(yīng)不斷變化的滲濾液水質(zhì)和水量的要求，經(jīng)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(tǒng)或?qū)ο到y(tǒng)的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

　　1.2  傳統(tǒng)填埋場滲濾液污染強(qiáng)度高，二次污染嚴(yán)重

　　傳統(tǒng)填埋場滲濾液不僅污染種類繁多，成分復(fù)雜，同時(shí)污染物濃度極高。部分填埋場滲濾液COD可能高達(dá)近十萬mg/L，氨氮濃度也可能高達(dá)近萬mg/L，要使組分復(fù)雜，污染物濃度高的滲濾液排放前達(dá)到有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須對(duì)其進(jìn)行深度處理。深度處理費(fèi)用之高，令很多填埋場的運(yùn)行管理者望而止步。2001年7月國家環(huán)?？偩窒掳l(fā)了《關(guān)于開展生活垃圾處理設(shè)施環(huán)境影響調(diào)查和監(jiān)測的通知》（環(huán)辦[2001]72號(hào)），對(duì)全國垃圾處理設(shè)施的污染排放情況及其對(duì)周圍環(huán)境的影響展開調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，我國垃圾衛(wèi)生填埋場滲濾液排放、地下水水質(zhì)及無組織排放等無一家達(dá)到《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16887－1997）之規(guī)定，且二次污染程度較高^[2]。

　　1.3  傳統(tǒng)填埋場封場后維護(hù)監(jiān)管期長、風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高、不利于場地及時(shí)復(fù)用

　　盡管傳統(tǒng)填埋場不時(shí)有雨水進(jìn)入，但受季節(jié)影響進(jìn)入水量分布不均、受填埋場所布設(shè)的覆蓋層影響使進(jìn)入場內(nèi)水分分布地點(diǎn)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(rèn)為現(xiàn)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(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。長時(shí)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(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，還增大了滲濾液收集系統(tǒng)、防滲層等系統(tǒng)失效的可能，從而增加了潛在的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

　　1.4  傳統(tǒng)填埋場產(chǎn)氣期滯后且歷時(shí)較長，產(chǎn)氣量小，資源化率低

　　傳統(tǒng)填埋場進(jìn)入甲烷化階段所需時(shí)間長，還因滲濾液連續(xù)排放而損失大量可轉(zhuǎn)化為甲烷氣體的有機(jī)物，從而降低填埋場甲烷氣體總產(chǎn)量；由于產(chǎn)氣期較長而降低了產(chǎn)甲烷速率，使填埋場在甲烷總量減少的同時(shí)還延長了回收甲烷氣體所需時(shí)間，因而降低了回收甲烷氣體作為能源的經(jīng)濟(jì)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(gè)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(yán)重浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

　　1.5  傳統(tǒng)填埋場垃圾處理費(fèi)用高

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

　　2  生活垃圾生物反應(yīng)器填埋技術(shù)

　　2.1  技術(shù)優(yōu)勢^[3~6]

　　鑒于傳統(tǒng)垃圾填埋技術(shù)以上一系列不足之處和生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的廣泛運(yùn)用，二十世紀(jì)后期歐美及日本等國家開始另一種改進(jìn)的填埋場方式即生物反應(yīng)器填埋技術(shù)的研究。生物反應(yīng)器填埋技術(shù)根據(jù)填埋垃圾被微生物降解的機(jī)理和過程，利用填埋場這一天然的微生物活動(dòng)場所，通過一系列手段優(yōu)化填埋場內(nèi)部環(huán)境使其成為一個(gè)可控生物反應(yīng)器，為微生物大量繁殖提供一個(gè)最優(yōu)的生存空間。生物反應(yīng)器填埋技術(shù)不僅對(duì)填埋場產(chǎn)生的滲濾液能實(shí)現(xiàn)很大程度的場內(nèi)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(shí)還增加了填埋氣體回收利用的經(jīng)濟(jì)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(yīng)器填埋技術(shù)較現(xiàn)行垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)的主要優(yōu)勢：（1）通過滲濾液回灌，讓滲濾液進(jìn)一步參與生物反應(yīng)，降低其污染物濃度，從而降低滲濾液的處理難度和處理費(fèi)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(nèi)部的溫度和濕度等條件，提高填埋氣體的產(chǎn)氣率和產(chǎn)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，并進(jìn)一步降低對(duì)周圍環(huán)境的二次污染風(fēng)險(xiǎn)等。由此可見生物反應(yīng)器填埋技術(shù)具有傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)如今生物反應(yīng)器填埋技術(shù)在世界各國得到了廣泛的運(yùn)用，如美國EPA已著手修改現(xiàn)有的垃圾管理法規(guī)以推廣這一新型的垃圾填埋技術(shù)。同樣在1979年，生活垃圾半好氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)被由日本健康福利部頒布的廢物最終處置導(dǎo)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(yùn)用，同時(shí)該技術(shù)的培訓(xùn)課程也在亞太地區(qū)逐步開展。

　　2.2  生活垃圾生物反應(yīng)器填埋技術(shù)的不同形式及其特點(diǎn)

　　生活垃圾生物反應(yīng)器填埋技術(shù)根據(jù)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(yīng)器填埋技術(shù)。與傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋技術(shù)相比較，四種生物反應(yīng)器填埋技術(shù)都有各自的特點(diǎn)。

　　2.2.1  好氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)

　　好氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)是將滲濾液、其他液體及空氣等根據(jù)場內(nèi)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(shí)降低滲濾液污染強(qiáng)度和處理費(fèi)用。國外研究表明，好氧生物反應(yīng)器填埋場的生活垃圾達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間在2～4年左右，溫室氣體減少50%～90%。由于需要強(qiáng)制通風(fēng)供氧、滲濾液回灌及其他控制形式，故單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用很高。由于運(yùn)行維護(hù)時(shí)間大大縮短，故總的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用同傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋技術(shù)相比，相差不大。

　　圖1  好氧生物反應(yīng)器填埋場概念圖

　　2.2.2  厭氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)

　　厭氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)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(nèi)最佳的濕度條件，可生物降解垃圾在缺氧的條件下進(jìn)行厭氧降解，同時(shí)快速產(chǎn)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(jī)污染強(qiáng)度，增大甲烷氣體產(chǎn)量、產(chǎn)生速率，進(jìn)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(dá)到穩(wěn)定化時(shí)間在4～10年左右，CH₄氣體產(chǎn)量增加約200％～250％，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低。缺點(diǎn)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(yīng)器填埋場概念圖

　　2.2.3  好氧－厭氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)

　　好氧—厭氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)是對(duì)上層新填埋垃圾進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)供氧，下層垃圾仍按厭氧方式運(yùn)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(duì)厭氧垃圾層的危害，同時(shí)向場內(nèi)的濕度和其他環(huán)境條件進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)填埋垃圾的無害化和資源化。垃圾達(dá)到穩(wěn)定化時(shí)間和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用間于好氧和厭氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)之間。

　　圖3  好氧－厭氧生物反應(yīng)器填埋場概念圖

　　2.2.4  半好氧生物反應(yīng)器填埋技術(shù)^[7]

　　半好氧型生物反應(yīng)器填埋場利用填埋場內(nèi)外氣體壓力差，通過自然進(jìn)風(fēng)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(shí)現(xiàn)好氧降解，同時(shí)向場內(nèi)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(yīng)器填埋場的部分優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用同傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋技術(shù)相比差別不大，二次污染程度低。

　　圖4  半好氧生物反應(yīng)器填埋場概念圖

　　3  我國城市生活垃圾處理現(xiàn)狀分析

　　2000年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示我國垃圾產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了1.4億t，然而能達(dá)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(shí)際上是垃圾在某處的“存放”，它通常既不設(shè)防襯層，也無滲濾液收集處理和填埋氣利用設(shè)施，因而，并沒有改變垃圾對(duì)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(shù)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(diǎn)，要大力推廣垃圾焚燒處理還有很長一條路要走。同時(shí)我國未實(shí)現(xiàn)垃圾分類收集、運(yùn)輸和處理，垃圾堆肥處理中仍有許多問題還未解決，導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品肥效低，產(chǎn)品中含有大量的玻璃粹渣，農(nóng)民用戶對(duì)此反應(yīng)強(qiáng)烈，市場前景黯淡。有關(guān)媒體對(duì)四川省第一批利用國債建設(shè)的近十個(gè)垃圾綜合處理廠（堆肥＋焚燒或者堆肥＋填埋）進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示僅有個(gè)別垃圾處理廠能正常運(yùn)行，究其原因之一是堆肥產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到預(yù)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(cái)力、物力和人力資源的巨大浪費(fèi)。而我國地幅遼遠(yuǎn)，自然條件千變?nèi)f化，有許多地方具備了建設(shè)填埋場的天然地理?xiàng)l件。2000年建設(shè)部、國家環(huán)保總局、科技部聯(lián)合制定了《城市生活垃圾處理及污染防治技術(shù)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(xiàn)階段乃至今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)的一種主要垃圾處理處置模式。

　　4  結(jié)束語

　　隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善以及人們能源與環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，世界垃圾填埋技術(shù)已從傳統(tǒng)的以貯留垃圾為主向多功能方向發(fā)展，即一個(gè)垃圾填埋場應(yīng)同時(shí)具有貯留垃圾、隔斷污染、生物降解和資源恢復(fù)等多個(gè)功能。我國也應(yīng)緊跟世界垃圾填埋技術(shù)的發(fā)展新趨勢，大力研發(fā)生活垃圾生物反應(yīng)器填埋技術(shù)。鑒于我國現(xiàn)有生活垃圾處理處置技術(shù)現(xiàn)有水平和基本國情，考慮到經(jīng)濟(jì)性和可操作性，我國當(dāng)前應(yīng)在回灌型生物反應(yīng)器填埋技術(shù)方面加大研發(fā)和運(yùn)用力度。筆者認(rèn)為當(dāng)前研究的重點(diǎn)應(yīng)放在：（1）日覆蓋層和中間覆蓋層材料的選擇，確保適當(dāng)?shù)耐笟庑院退麧B透系數(shù)；（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(jì)算；（3）滲濾液回灌量、時(shí)間、頻率的確定；（4）由于滲濾液回灌可能導(dǎo)致場內(nèi)產(chǎn)酸細(xì)菌的大量繁殖，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，造成環(huán)境酸的大量積累，從而抑止產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生長繁殖，因此還需解決如何有效調(diào)節(jié)場內(nèi)pH值的問題；（5）由于垃圾填埋技術(shù)涉及到水力學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科，研發(fā)過程中應(yīng)運(yùn)用系統(tǒng)工程學(xué)的原理和方法，確定最佳計(jì)方案和運(yùn)行方式，使生物反應(yīng)器填埋技術(shù)在滿足環(huán)境保護(hù)的前提下，實(shí)現(xiàn)單位垃圾建設(shè)成本和運(yùn)行成本最低。

　　參考文獻(xiàn)

　　1  建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所編.城市生活垃圾處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范宣貫教材.北京：中國計(jì)劃出版社，2002.7

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　　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

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　　8  李秀金.生物反應(yīng)器型填埋技術(shù)的特點(diǎn)和運(yùn)用前景.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(shù)研究及工程設(shè)計(jì)。

　　* 中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)基金（20050545）。