生物反應器填埋場對垃圾的穩定化作用及技術優勢
摘要：針對傳統垃圾衛生填埋場存在的問題，介紹了三種類型的生物反應器填埋場及其對垃圾的穩定化作用和機理，通過比較分析了生物反應器填埋場的技術優勢，介紹了該技術的最新發展，對我國垃圾填埋場的設計和優化當前填埋場運行方式具有指導作用。
目前，衛生填埋因具有技術可靠、工藝簡單、投資省、使用范圍廣等優點而成為應用最廣泛城市生活垃圾的處理方法。但衛生填埋技術僅把填埋場作為一個被動接受垃圾的系統，在填埋場設計上采用防滲系統即防止滲濾液泄漏污染地下水，也防止雨水、地表徑流的進入使得滲濾液量增加。在填埋場的運行過程中，隨著滲濾液的產生和流出，垃圾自身攜帶的水分逐漸減少，場內濕度降低，無法為微生物的生長提供一個適宜的條件，填埋垃圾的生物降解受到了限制，封場后很長一段時間（數十年）內垃圾保持不變或變化很小，呈現出一種惰性狀態[1]。同時很難確保在封場后幾十年甚至上百年內防滲襯層的穩定性和完整性，因此存在很大的環境風險。在填埋場運行及封場后存在滲濾液水量、水質波動大，污染物濃度高，處理困難，費用高，填埋場維護監管時間長的缺點。
針對上述問題，20世紀70年代美國開展了滲濾液回灌技術的研究，發現滲濾液回灌到填埋場一段時間后，其污染物濃度與不經過循環處理的滲濾液濃度相比大大降低。此后，英國、加拿大、澳大利亞、德國和日本等也相繼開展了生物反應器填埋場的研究。美國Pohland[2]對在厭氧填埋場開展的滲濾液回流研究進行了總結，提出了生物反應器填埋技術的概念。與傳統的衛生填埋場相比，生物反應器填埋場增加了滲濾液回灌系統，改造了滲濾液收集系統、填埋氣收集系統，它除了具有一般衛生填埋場的垃圾貯留功能外，還通過有目的控制手段，為微生物提供了較好的生長環境，使整個填埋場變成了一個“反應堆”[3]，從而加速了填埋垃圾的降解，加快了填埋垃圾的穩定化過程，使垃圾的穩定化過程從20－30年縮短至3－5年[4]，從而避免了封場后的長期監管和維護，使填埋場同時具有貯留垃圾、隔斷污染、生物降解和資源恢復等多個功能。
1 生物反應器填埋場的結構類型
根據填埋場內部通風供氧條件的不同，分為厭氧式填埋、好氧式填埋和準好氧式填埋[5]。
1.1厭氧式填埋
厭氧式填埋是目前世界上應用最普遍的填埋方式，垃圾填埋場產生的滲濾液通過收集系統和輸送系統匯集到調蓄水池，然后通過水泵布水系統回灌到填埋場。常用的布水方式有表面灌溉、豎式井、水平井、噴灌和針注等五種。在厭氧式生物反應器填埋場中，由于滲濾液提高了垃圾層的含水率（由20％－25％提高到60％－70％），增加了垃圾的濕度，增強了垃圾中微生物活性，加速了垃圾產甲烷的速度以及垃圾中污染物溶出和有機物的分解。滲濾液回灌到填埋場，不僅可利用填埋場的生物反應器效應降低滲濾液的污染物濃度，而且還可以因噴灑過程中揮發作用而減少滲濾液的產生量，對滲濾液水量和水質起穩定化作用，有利于滲濾液處理系統的運行，節省費用。
厭氧式填埋結構初期滲濾液回灌造成填埋層內酸的積累，抑制產甲烷階段的進行。可考慮滲濾液回灌前采取加堿中和等處理措施，或將滲濾液回灌至填齡5年以上穩定化的填埋區。另外,由于填埋層始終處于厭氧環境下，滲濾液中氨氮無法被進一步代謝而濃度維持在高水平上，不但影響填埋層內生物代謝，而且若滲濾液外排則對接納水體產生富營養化危害。Onay[7]等人提出了脫氮型生物反應器填埋場，整個填埋場分成三個區域：好氧區、缺氧區和厭氧區。在好氧區，氨在自養消化菌的作用下將其轉化成NO3-；在缺氧區中，由反消化細菌以有機物作為電子供體，使NO3-還原為N而從液相中釋放，實現NH3-N的轉化和去除。而厭氧區用于有機物的降解產甲烷。
1.2好氧式填埋
好氧式填埋結構壁傳統的衛生填埋結構多了強制通分系統和滲濾液回灌系統。空氣經布氣管道均勻的釋放到填埋層中，由于壓力擴散和分子擴散而使得填埋層達到好氧狀態。垃圾在填埋場內進行類似好氧堆肥的過程，填埋層內的有機物在好氧微生物的作用下進行降解，產物為CO2和H2O。好氧式填埋已在歐美發達國家開始應用。
1.3準好氧式填埋
準好氧式填埋結構類似厭氧式填埋結構見圖1，只是滲濾液收集管徑較大，末端與大氣相通。利用填埋層內部由于微生物作用和其他反應而產生的溫度差使得空氣經滲濾液收集管道進入填埋層，在這里滲濾液收集管道兼有通風作用[6]。由于這種通風作用較弱，這種填埋結構中存在好氧環境和厭氧環境，在靠近滲濾液收集管道的區域好氧微生物繁殖生長，加快有機物的分解，并降低滲濾液中污染物濃度，有機物被分解為CO2和H2O，隨著時間的推移好氧區域不斷擴大，但遠離滲濾液收集管道的填埋層仍處于厭氧狀態，部分有機物被厭氧分解生成CH4。
 圖1 準好氧式生物反應器填埋場結構示意圖 |
2 生物反應器填埋場穩定化機理
城市生活垃圾穩定化的實質是其中的有機組分礦化，因此，生物反應器填埋場穩定化過程主要是一個有機組分加速降解的過程，同時重金屬元素也與其他物質結合固定下來，降低其毒性。
2.1對一般有機污染物凈化機理
為了能發揮填埋層中生物降解潛力，必須保證生物能與其中可利用的有機物有充分的接觸機會，而在填埋層中，生物不能直接利用固體有機物，只能利用轉移到滲濾液中的可溶性有機物。滲濾液回灌提高了生物反應器填埋場濕度，提高了微生物的活性，加速了有機物的水解酸化，加速了營養物質的均勻分布及與微生物的接觸。同時，滲濾液回灌，特別是經穩定化垃圾或UASB處理后的滲濾液回灌，使大量適應填埋單元的微生物重新進入填埋單元中，具有生物接種作用，若在配合營養添加和pH調節等操作，就完全可以創在一個適合微生物生長繁殖的環境。此時的填埋場可以看作是一個天然的生物濾池，垃圾中可降解的有機組分以及回灌滲濾液中的有機組分在微生物的作用下迅速發生水解、酸發酵和甲烷發酵等反應，在較短的時間內使有機污染物得到降解，填埋層進入到穩定階段。
2.2對有毒難降解有機物的降解機理
生物反應器填埋場通過滲濾液回灌延長了滲濾液在場內的水力停留時間，加強了微生物與有毒難降解有機物的接觸，強化了專性微生物的同化作用及其對有毒難降解有機物的生物轉化、去除過程。
2.3對重金屬的固定機理
在厭氧式填埋和準好氧式填埋結構中，填埋層快速進入到產甲烷階段，填埋場的氧化還原電位迅速降低，處于還原條件下的低氧化還原電位促使微生物將滲濾液中的SO4還原成硫化氫（H2S），硫化氫與滲濾液中的重金屬粒子形成硫化物沉淀。同時，滲濾液回灌能使滲濾液較快的轉變為中性或弱堿性，從而有利于其中的重金屬離子形成碳酸鹽沉淀和氫氧化物沉淀。此外，垃圾在降解過程中生成的大分子類腐殖質能與重金屬離子形成穩定的螯合物，從而使重金屬離子得到固定。
3 生物反應器填埋場的技術優勢
生物反應器填埋場能凈化滲濾液，大大降低外排滲濾液處理費用。同時，它能加速填埋場內垃圾降解，提高填埋場產甲烷速率和甲烷的產量，加速填埋層沉降增大有效填埋容積，縮短填埋場的維護期，減少填埋場的污染年限等優勢。
3．1改善滲濾液水質
在垃圾填埋層(可能包括覆蓋層)的作用下滲濾液能得到一定程度的凈化，其水質將會發生很大的變化。同時，滲濾液量也不同程度地減少。滲濾液進行回灌，垃圾填埋層基本上相當于生物濾床。在垃圾層的作用下，滲濾液中的VFA(揮發性脂肪酸)、COD、BOD、TOC濃度下降較快。Reinhart[8]在滲濾液回灌生物反應器填埋場研究中，滲濾液中COD封場時35000mg/L，6年后下降到5000 mg/L。 在生物反應器添埋場中滲濾液回灌能使重金屬離子得到固定，通過生物反應器的穩定化作用，滲濾液中Fe、Cd、Zn、Pb等濃度可降至很低的水平[9]。
3．2加速垃圾的降解
對填埋場進行滲濾液回灌，增加了垃圾的濕度，并且揮發性有機酸和重金屬離子濃度下降很快，在填埋場內形成更有利于垃圾降解的環境，因而能加速垃圾的降解速率。同時滲濾液回灌能給填埋場垃圾層帶來大量的微生物，從而增加垃圾中的微生物數量，加速產甲烷的速率、垃圾中污染物的容出及有機物的分解。垃圾填埋一年后，滲濾液回灌與不回灌的填埋場相比，垃圾的產甲烷能力(BMP)下降23.7%[10]。
3．3提高產氣速率和氣體產量
在生物反應器填埋場中優化了微生物的生長環境，一方面回灌的滲濾液使填埋場內濕度增大、氧化還原電位降低、重金屬離子濃度下降，有利于增強產甲烷菌的活性，從而提高填埋場內垃圾的產甲烷速率；另一方面回灌的滲濾液給填埋場內帶來了大量的有機物，這部分有機物的降解也增加了填埋場的甲烷產量。因而，滲濾液回灌能使填埋場的產甲烷速率加快、甲烷的總產量增加。Chugh[11]在研究回灌滲濾液容積對城市生活垃圾降解的影響中發現，產氣速率增加，產氣量高峰值出現提前，回灌容積為填埋垃圾30%時填埋氣產氣速率的峰值出現比2%提前48d。同一填埋場內滲濾液回灌處的垃圾產甲烷速率是不回灌處的垃圾產甲烷速率的兩倍多[10]。由于產氣時間提前，產氣期更集中，單位垃圾產氣量更大，因而更具回收利用價值。
3．4加速填埋層沉降增加填埋場有效容積
利用滲濾液回灌的生物反應器填埋場廢物沉降很容易達到10%－25%的原始高度[12]，美國Sono-maCounty填埋場內，滲濾液回灌處的總沉降幅度可達填埋場深度的20%，而不回灌處的總沉降幅度僅為填埋場高度的8%[13] 。對填埋場進行滲濾液回灌，既能加速填埋場的沉降速率，又能使填埋場總的沉降幅度增大。因此提高了填埋場的有效容積和空間利用率，增大了填埋能力。
3．5縮短維護期降低維護成本
傳統的衛生填埋場封場后，垃圾在漫長的穩定化過程中產生大量的有毒有害的滲濾液，釋放出易燃氣體甲烷，同時場地發生不均勻沉降。因此，封場后需進行長時間的維護(對滲濾液、填埋氣定期監測并處理)，直至其不再對周圍環境帶來污染。其維護期一般在20年以上甚至上百年，而生物反應器填埋場由于垃圾降解穩定速度快，其維護期能大大地縮短，這不僅能節省維護費用，而且還降低了襯層的防滲性能要求。據Pohland等人估計，進行回灌的填埋場其維護費用僅為滲濾液現場處理填埋場的45%[14]。
3．6減少滲濾液處理系統的投資和風險
根據生物反應器填埋場的操作運行特點，垃圾填埋前期產生的高污染濃度的滲濾液可全部回灌填埋場內。在生物反應器填埋場運營一段時間后，對其產生滲濾液的水質和水量都有了比較客觀真實的認識，此時根據需要再進行滲濾液處理系統的針對性設計，可極大減小盲目性，節省工程投資[15]。
4 生物反應器填埋場技術的發展及其指導作用
為充分發揮填埋場的生物反應器作用，加速填埋場內垃圾的生物降解速度，研究人員致力于優化填埋場控制條件、改變填埋場的反應器功能，并開始用生物反應器思想指導和改進填埋場的設計和填埋過程的操作。
浙江大學的王君琴、沈東升[16]用由衛生填埋場和產甲烷反應器組成的新型生物反應器填埋場，填埋場產生的滲濾液經產甲烷反應器處理后再回流回填埋場，對滲濾液處理效能及產能特性進行了研究。結果表明：新型生物反應器填埋場有助于滲濾液中有機物進行分相降解，在滲濾液的凈化和填埋場垃圾的穩定化上優于滲濾液直接循環的填埋場。利用滲濾液的產甲烷處理改變了傳統生活垃圾衛生填埋場的作用，使填埋場由產酸產甲烷相轉變為專相產酸段，而產甲烷菌在專相反應器中生長更為穩定，收集甲烷也更加方便可行，此系統強化了生物反應的人工調控從而達到加速填埋場的穩定化過程的目的。 王君琴等[17]的研究表明，對垃圾進行接種可加快垃圾降解速度，滲濾液經產甲烷反應器處理后再回灌，對加速填埋場的穩定化效果明顯優于滲濾液直接回灌。
為加速填埋場內垃圾降解速度，生物反應器填埋場每日覆蓋不應影響滲濾液從垃圾頂部到底部的連續滲透，同時占據最少的填埋場空間。基于此，以往利用粘土作臨時覆蓋層的做法應摒棄。由于粘土壓實后滲透系數很小，阻礙滲濾液和沼氣的縱向遷移。因此，國內有些填埋場改用土工織物、塑料布或HDPE膜取代傳統的土壤覆蓋，第二天填埋新一層垃圾時揭去，填埋好后再覆蓋上，不占用填埋空間。國外還有采用泡沫塑料、廢棄的舊地毯對垃圾進行日覆蓋，并重復利用。 由于填埋場產生的滲濾液的水質和水量的波動很大，以往滲濾液處理系統的設計往往與實際運行誤差很大。生物反應器填埋場初期滲濾液回灌而不外排，根據前期滲濾液特點針對性地設計滲濾液處理系統，可避免傳統填埋場滲濾液處理系統“事前”盲目設計造成的實用性和處理效率誤差，減小滲濾液處理系統的設計風險。
5 結語
目前我國垃圾的主要處理方式使衛生填埋，但衛生填埋中滲濾液的處理、填埋場的潛在污染越來越受到人們的關注。比較理想的解決方法是利用填埋場自身的生物降解能力來控制或減少滲濾液污染，加速填埋場的穩定化過程。生物反應器型填埋技術的出現將垃圾填埋場從被動的接受系統轉變成一個主動控制系統，它代表了垃圾填埋技術的發展方向[18]。應借鑒國外的技術研究，結合我國垃圾組成特點，對生物反應器型填埋技術作進一步的系統研究，提高其經濟性和可操作性，以指導我國垃圾填埋場的設計和優化當前填埋場運行方式。
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