生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)初探
為了解決傳統(tǒng)填埋場(chǎng)滲濾液處理難且費(fèi)用高、降解過程緩慢、穩(wěn)定化時(shí)間長(zhǎng)、降解不完全、產(chǎn)氣率低、封場(chǎng)后維護(hù)監(jiān)管期長(zhǎng)等問題，推動(dòng)填埋技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì) 70年代美國(guó)率先開展了滲濾液回灌技術(shù)的研究工作，發(fā)現(xiàn)將滲濾液循環(huán)回灌到填埋場(chǎng)一段時(shí)間后，其污染物濃度與不經(jīng)過循環(huán)處理的滲濾液濃度相比大大降低，從而提出了生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的概念。此后，英國(guó)、加拿大、澳大利亞、德國(guó)、丹麥、意大利、瑞典和日本等相繼開始了生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)（Bioreactor landfilll）的研究。
1、生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)概述
生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)是傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋場(chǎng)技術(shù)的最新發(fā)展。它除了具有一般衛(wèi)生填埋場(chǎng)的垃圾貯留功能外，還通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)和合適的控制，增加了滲濾液的循環(huán)、垃圾水分的控制等措施，強(qiáng)化微生物代謝過程從而加速垃圾中易降解有機(jī)組分的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)了填埋場(chǎng)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(chǎng)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。
目前國(guó)內(nèi)已有部分科研工作者開展了生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的研究工作，主要側(cè)重于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的理論探討和室內(nèi)研究方面，如李金秀分析了常規(guī)衛(wèi)生填埋場(chǎng) (CL)的缺點(diǎn)，對(duì)“生物反應(yīng)器型”垃圾填埋場(chǎng)(BL)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述，并以美國(guó)加州一“生物反應(yīng)器型”垃圾填埋技術(shù)研究項(xiàng)目為例，對(duì)該技術(shù)的生物降解特性進(jìn)行了介紹；于曉華等根據(jù)我國(guó)城市垃圾有機(jī)物含量高的特點(diǎn)，提出了將準(zhǔn)好氧填埋技術(shù)與生物反應(yīng)器填埋技術(shù)特點(diǎn)相結(jié)合的垃圾滲濾液場(chǎng)內(nèi)循環(huán)處理的設(shè)計(jì)思路；李啟斌等通過實(shí)驗(yàn)探討了生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)穩(wěn)定技術(shù)；其它一些研究者就生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣狀態(tài)、滲濾液控制技術(shù)等也通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探討。然而，迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)研究尚未見報(bào)道。我們擬就生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)做初步探討。
2、生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)依據(jù)
我國(guó)目前對(duì)生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的研究工作尚處于起步階段，對(duì)于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)還沒有相應(yīng)的規(guī)范。因此，在設(shè)計(jì)中主要參考建設(shè)部頒發(fā)的CJJ17-2004生活垃圾填埋技術(shù)規(guī)范，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際條件并借鑒國(guó)外相關(guān)成熟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容
主要涉及生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的防滲系統(tǒng)、滲濾液收集與導(dǎo)排系統(tǒng)、封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)、滲濾液回灌系統(tǒng)和填埋氣體回收利用等主體工程的設(shè)計(jì)內(nèi)容。
2.2.1生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)中，要求填埋場(chǎng)必須進(jìn)行防滲處理，以防止?jié)B濾液對(duì)地下水和地表水的污染，同時(shí)阻止地下水進(jìn)入填埋區(qū)。同樣生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)是必須的，但對(duì)其結(jié)構(gòu)形式有不同看法：一種觀點(diǎn)認(rèn)為，由于生物反應(yīng)器加速了填埋場(chǎng)的降解速度，使填埋物料在填埋后幾年內(nèi)即完成了降解，達(dá)到生物穩(wěn)定化，而這幾年正是防滲系統(tǒng)效率最高的時(shí)候，因而認(rèn)為生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可較傳統(tǒng)衛(wèi)生填理場(chǎng)適當(dāng)簡(jiǎn)化，只要能滿足填埋場(chǎng)服務(wù)年限內(nèi)的需求即可；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)因?yàn)橐惺鼙葌鹘y(tǒng)填埋場(chǎng)更大的水頭壓力，防滲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)填埋場(chǎng)的要求更嚴(yán)格，以防止?jié)B濾液穿透防滲系統(tǒng)，造成對(duì)地下水的污染。結(jié)合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)時(shí)，如天然粘土能滿足防滲要求，可直接采用粘土防滲；在粘土不能滿足防滲結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)其膜的使用壽命要求上可適當(dāng)放寬，膜厚度大于1.0mm即可，防滲結(jié)構(gòu)形式見圖1，該結(jié)構(gòu)形式考慮了地下水埋深較淺時(shí)的情況，如地下水最小埋深大于2m時(shí)，則可不考慮地下水導(dǎo)流層，以減少填埋場(chǎng)建設(shè)投資。
 圖1 防滲結(jié)構(gòu)形式 |
采用這種結(jié)構(gòu)形式既可保證生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)不會(huì)對(duì)地下水造成污染，同時(shí)與傳統(tǒng)填埋場(chǎng)相比，還能降低投資。
2.2.2生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)滲濾液收集與導(dǎo)排系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)中，規(guī)范要求填埋庫區(qū)防滲系統(tǒng)應(yīng)鋪設(shè)滲濾液收集設(shè)施。滲濾液收集盲溝宜采用礫石、卵石、碴石、HDPE管等材料鋪設(shè)，結(jié)構(gòu)應(yīng)為石料盲溝、石料與HDPE管盲溝、石籠盲溝等。用于滲濾液導(dǎo)排盲溝的HDPE管要求干管直徑不小于250mm，支管不應(yīng)小于200mm。對(duì)于滲濾液收集管之間的距離，規(guī)范里沒有強(qiáng)制性規(guī)定，趙由才提出支管的間距一般設(shè)置為20m，若用于焚燒殘?jiān)奶盥駡?chǎng)，間距還應(yīng)適當(dāng)縮小。
由于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的滲濾液收集導(dǎo)排系統(tǒng)承受的水力負(fù)荷要比傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)大，因此，在生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)滲濾液收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要增大滲濾液導(dǎo)排管管徑和減小管間距。筆者認(rèn)為用于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)滲濾液導(dǎo)排盲溝的HDPE管要求干管直徑不應(yīng)小于400mm，支管不應(yīng)小于250mm，管間距不得大于20m。
2.2.3生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)的封場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求應(yīng)考慮地表水徑流、排水防滲、填埋氣體的收集、植被類型、填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性及土地利用等因素。其中排水防滲是封場(chǎng)設(shè)計(jì)中必須考慮的，目的是阻止降水進(jìn)入填埋場(chǎng)，減少滲濾液產(chǎn)生量，降低滲濾液處理難度。
對(duì)于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)，同樣需要考慮地表水徑流、填埋氣體的收集、植被類型、填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性及土地利用等因素。但對(duì)于封場(chǎng)系統(tǒng)的防滲功能則可不作嚴(yán)格防滲考慮，因?yàn)樯锓磻?yīng)器填埋場(chǎng)與傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)的一個(gè)重要區(qū)別在于：生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)需要外加水源以保持填埋場(chǎng)內(nèi)部的濕度，維持場(chǎng)內(nèi)微生物活性，以加速垃圾的降解和填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化進(jìn)程。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。
 圖2 生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)覆蓋結(jié)構(gòu)示意圖 |
與傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)相比，沒有采用HDPE土工膜或防滲粘土做覆蓋材料，選用一般的粘土做阻氣層，主要目的是既要讓適量的水能通過覆蓋層進(jìn)入填埋場(chǎng)內(nèi)部，又不使填埋氣大量逸出，防止氣體污染和氣體流失。
對(duì)于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的日覆蓋材料，也不能選用防滲性能強(qiáng)的粘土。如采用防滲性能強(qiáng)的粘土，將導(dǎo)致滲濾液回灌不能均勻進(jìn)入填埋物料，不能起到回灌的作用。在操作中可采用普通編織彩條防雨塑料布做覆蓋材料，塑料布兩端用竹竿固定，在每日填埋作業(yè)完成后，由人工將塑料布鋪蓋在垃圾體表面，在第二天填埋作業(yè)前收起。該方法既可減少中間覆土的用量，增大填埋場(chǎng)的庫容，又能滿足生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)的要求。
2.2.4生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)滲濾液回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)
滲濾液回灌是一種用于管理垃圾填埋場(chǎng)滲濾液的有效方法，同時(shí)也是生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的重要工藝手段。在滲濾液回灌時(shí)，滲濾液重新回到分層的填埋場(chǎng)再次滲入城市生活垃圾中。這種方法被作為是一種滲濾液處理方法，是因?yàn)楫?dāng)滲濾液繼續(xù)從填埋場(chǎng)滲出時(shí)已經(jīng)經(jīng)過了生物處理、沉淀和吸附的處理過程。這種方法同樣對(duì)填埋場(chǎng)有益，它增加了垃圾的含水量，進(jìn)而加快了填埋垃圾的生物降解速率，加速填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化過程，提高了填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣率。
滲濾液的回灌方式可采用如下幾種手段：①直接將滲濾液回灌到處置過程中的垃圾上；②表面噴灌；③表層回灌；④深層回灌。
各種不同回灌方式的利弊見表1。
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滲濾液回灌系統(tǒng)是生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)不可或缺的系統(tǒng)之一，由上面的論述和表1可以看出，不同的回灌方式各有其利弊，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，宜針對(duì)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，在填埋過程中宜采用表層回灌的方式，在封場(chǎng)后，宜采用深層回灌的方式。在設(shè)計(jì)中采用平面管網(wǎng)，鋪設(shè)于覆蓋土層下，平面管網(wǎng)應(yīng)盡量布置均勻且與氣體收集豎井錯(cuò)開，防止回灌滲濾液在填埋場(chǎng)垂直段形成溝流。
在滲濾液回灌中，如果在干旱地區(qū)，由于雨水較少，滲濾液的產(chǎn)生量較小，通過回灌基本上都能滿足滲濾液在填埋場(chǎng)內(nèi)部完全消化，只需修建一集液調(diào)節(jié)池即可，不需要滲濾液處理系統(tǒng)；如果在濕潤(rùn)地區(qū)，由于降雨量較大，在填埋場(chǎng)不能滿足滲濾液回灌的要求時(shí)，需要對(duì)多余的滲濾液進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后排放或進(jìn)入城市污水管網(wǎng)，在設(shè)計(jì)中需考慮一個(gè)能滿足貯存要求的集液調(diào)節(jié)池。
2.2.5生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)氣體收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)中，規(guī)范要求填埋場(chǎng)必須設(shè)置有效的填埋氣體導(dǎo)排設(shè)施，填埋氣體嚴(yán)禁自然聚集、遷移等，防止引起火災(zāi)和爆炸。其導(dǎo)排設(shè)施宜采用豎井（管），也可采用橫管（溝）或橫豎相連的導(dǎo)排設(shè)施。在規(guī)范中對(duì)氣體的回收利用則沒有作任何規(guī)定和要求。
建立生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的一個(gè)重要目的是回收填埋氣，所以，在生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的設(shè)討中，需要對(duì)傳統(tǒng)填埋場(chǎng)的氣體收集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)氣體收集系統(tǒng)最大的改進(jìn)是安裝氣體回收系統(tǒng)，以滿足氣體回收的需要。
在傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)中，氣體回收系統(tǒng)通常是在一個(gè)填埋單元完成幾年后才進(jìn)行安裝。而對(duì)于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)來說，氣體收集井需要在填埋單元完成后馬上進(jìn)行安裝，甚至在某些特殊情況下，氣體收集井需要在填埋過程中就安裝。同時(shí)，氣體收集井建立必須考慮填埋場(chǎng)發(fā)展的后續(xù)要求，以滿足在后來的改進(jìn)中容納更多的垃圾。
對(duì)于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的氣體收集井來說，與傳統(tǒng)填埋場(chǎng)相比較，已有多種可供選擇的構(gòu)造形式。當(dāng)填埋場(chǎng)填埋高度增加時(shí)，修建水平氣體收集井是必需的。
生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的回收氣體質(zhì)量較好，其氣體中的甲烷含量可接近理論上的最高值，約達(dá)到55%。這種填埋氣很容易通過氣體渦輪機(jī)或內(nèi)燃發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能；也可用于燃?xì)忮仩t燃料或作為汽車燃料。關(guān)于填埋氣作為燃料的研究工作已有實(shí)驗(yàn)證明是可行的。
生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的氣體收集井結(jié)構(gòu)形式可采用與傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)的氣體收集井相同的結(jié)構(gòu)形式，只是因封場(chǎng)系統(tǒng)的不同，使氣體收集井的結(jié)構(gòu)形式上也有所不同。同時(shí)由于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣階段集中，產(chǎn)氣率比傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)大，為了使氣體導(dǎo)排通暢，在設(shè)計(jì)時(shí)，氣體收集井導(dǎo)排管管徑應(yīng)比傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)要大。生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的氣體收集井結(jié)構(gòu)形式見圖3。
 圖3 生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的氣體收集井結(jié)構(gòu)形式 |
3、生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)存在的問題
到目前為止，我國(guó)在傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)方面已經(jīng)建立起一個(gè)相對(duì)完整的由標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、指南組成的技術(shù)體系，并且不乏成功設(shè)計(jì)、興建和運(yùn)行管理的工程實(shí)例，如深圳下坪、廣州大豐、北京北神樹等填埋場(chǎng)，使傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場(chǎng)的建設(shè)能做到有的放矢。但國(guó)內(nèi)對(duì)于生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的建設(shè)還沒有相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)例，使我國(guó)的生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)還無據(jù)可依，且無經(jīng)驗(yàn)可循。同時(shí)我國(guó)城市垃圾成分與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在很大差異，發(fā)達(dá)國(guó)家城市垃圾的特點(diǎn)是食品垃圾和灰渣所占比例低，而紙類、玻璃、塑料等較高，同時(shí)垃圾含水率一般為20%～30%，與土壤持水能力相當(dāng)，而我國(guó)垃圾含水率一般在40%～50%，夏季更高；垃圾成分的不同導(dǎo)致了所產(chǎn)生的滲濾液的差異也很大。因此，這種短期內(nèi)不能改變的狀況決定了我國(guó)垃圾生物反應(yīng)器填埋技術(shù)研究及工程設(shè)計(jì)既要借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，更要考慮自身特點(diǎn)。
4、結(jié)束語
由于我國(guó)生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的研究工作尚處于起步階段，進(jìn)入真正的實(shí)施還有較長(zhǎng)一段時(shí)間，希望所有從事填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和研究的有關(guān)人員能從不同的角度并結(jié)合實(shí)際工程的需要，對(duì)生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)工作提出自己的觀點(diǎn)和看法，以盡快建立一個(gè)完善的技術(shù)體系。推動(dòng)生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)建設(shè)工作的深入開展。
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