生物反应器填埋场的设计初探
为了解决传统填埋场渗滤液处理难且费用高、降解过程缓慢、稳定化时间长、降解不完全、产气率低、封场后维护监管期长等问题，推动填埋技术的发展，20世纪 70年代美国率先开展了渗滤液回灌技术的研究工作，发现将渗滤液循环回灌到填埋场一段时间后，其污染物浓度与不经过循环处理的渗滤液浓度相比大大降低，从而提出了生物反应器填埋场的概念。此后，英国、加拿大、澳大利亚、德国、丹麦、意大利、瑞典和日本等相继开始了生物反应器填埋场（Bioreactor landfilll）的研究。
1、生物反应器填埋场概述
生物反应器填埋场是传统的卫生填埋场技术的最新发展。它除了具有一般卫生填埋场的垃圾贮留功能外，还通过独特的设计和合适的控制，增加了渗滤液的循环、垃圾水分的控制等措施，强化微生物代谢过程从而加速垃圾中易降解有机组分的转化和稳定。实现了填埋场从传统的以贮留垃圾为主向多功能方向发展，即一个垃圾填埋场应同时具有贮留垃圾、隔断污染。生物降解和资源恢复等多个功能。
目前国内已有部分科研工作者开展了生物反应器填埋场的研究工作，主要侧重于生物反应器填埋场的理论探讨和室内研究方面，如李金秀分析了常规卫生填埋场 (CL)的缺点，对“生物反应器型”垃圾填埋场(BL)的结构特点进行了简要的描述，并以美国加州一“生物反应器型”垃圾填埋技术研究项目为例，对该技术的生物降解特性进行了介绍；于晓华等根据我国城市垃圾有机物含量高的特点，提出了将准好氧填埋技术与生物反应器填埋技术特点相结合的垃圾渗滤液场内循环处理的设计思路；李启斌等通过实验探讨了生物反应器填埋场稳定技术；其它一些研究者就生物反应器填埋场的产气状态、渗滤液控制技术等也通过实验进行了探讨。然而，迄今为止，国内对于生物反应器填埋场设计研究尚未见报道。我们拟就生物反应器填埋场的设计做初步探讨。
2、生物反应器填埋场设计
2.1设计依据
我国目前对生物反应器填埋场的研究工作尚处于起步阶段，对于生物反应器填埋场的设计还没有相应的规范。因此，在设计中主要参考建设部颁发的CJJ17-2004生活垃圾填埋技术规范，同时结合国内的实际条件并借鉴国外相关成熟技术标准。
2.2设计内容
主要涉及生物反应器填埋场的防渗系统、渗滤液收集与导排系统、封场覆盖系统、渗滤液回灌系统和填埋气体回收利用等主体工程的设计内容。
2.2.1生物反应器填埋场防渗系统设计
在传统卫生填埋场设计中，要求填埋场必须进行防渗处理，以防止渗滤液对地下水和地表水的污染，同时阻止地下水进入填埋区。同样生物反应器填埋场的防渗系统设计是必须的，但对其结构形式有不同看法：一种观点认为，由于生物反应器加速了填埋场的降解速度，使填埋物料在填埋后几年内即完成了降解，达到生物稳定化，而这几年正是防渗系统效率最高的时候，因而认为生物反应器填埋场防渗系统的结构可较传统卫生填理场适当简化，只要能满足填埋场服务年限内的需求即可；另一种观点认为生物反应器填埋场因为要承受比传统填埋场更大的水头压力，防渗系统的结构比传统填埋场的要求更严格，以防止渗滤液穿透防渗系统，造成对地下水的污染。结合我国的经济发展水平，设计生物反应器填埋场时，如天然粘土能满足防渗要求，可直接采用粘土防渗；在粘土不能满足防渗结构的情况下，对其膜的使用寿命要求上可适当放宽，膜厚度大于1.0mm即可，防渗结构形式见图1，该结构形式考虑了地下水埋深较浅时的情况，如地下水最小埋深大于2m时，则可不考虑地下水导流层，以减少填埋场建设投资。
 图1 防渗结构形式 |
采用这种结构形式既可保证生物反应器填埋场不会对地下水造成污染，同时与传统填埋场相比，还能降低投资。
2.2.2生物反应器填埋场渗滤液收集与导排系统设计
在传统卫生填埋场的设计中，规范要求填埋库区防渗系统应铺设渗滤液收集设施。渗滤液收集盲沟宜采用砾石、卵石、碴石、HDPE管等材料铺设，结构应为石料盲沟、石料与HDPE管盲沟、石笼盲沟等。用于渗滤液导排盲沟的HDPE管要求干管直径不小于250mm，支管不应小于200mm。对于渗滤液收集管之间的距离，规范里没有强制性规定，赵由才提出支管的间距一般设置为20m，若用于焚烧残渣的填埋场，间距还应适当缩小。
由于生物反应器填埋场的渗滤液收集导排系统承受的水力负荷要比传统卫生填埋场大，因此，在生物反应器填埋场渗滤液收集系统的设计中，需要增大渗滤液导排管管径和减小管间距。笔者认为用于生物反应器填埋场渗滤液导排盲沟的HDPE管要求干管直径不应小于400mm，支管不应小于250mm，管间距不得大于20m。
2.2.3生物反应器填埋场封场覆盖系统设计
传统卫生填埋场的封场设计规范要求应考虑地表水径流、排水防渗、填埋气体的收集、植被类型、填埋场的稳定性及土地利用等因素。其中排水防渗是封场设计中必须考虑的，目的是阻止降水进入填埋场，减少渗滤液产生量，降低渗滤液处理难度。
对于生物反应器填埋场的设计，同样需要考虑地表水径流、填埋气体的收集、植被类型、填埋场的稳定性及土地利用等因素。但对于封场系统的防渗功能则可不作严格防渗考虑，因为生物反应器填埋场与传统卫生填埋场的一个重要区别在于：生物反应器填埋场需要外加水源以保持填埋场内部的湿度，维持场内微生物活性，以加速垃圾的降解和填埋场的稳定化进程。其结构形式如图2所示。
 图2 生物反应器填埋场覆盖结构示意图 |
与传统卫生填埋场相比，没有采用HDPE土工膜或防渗粘土做覆盖材料，选用一般的粘土做阻气层，主要目的是既要让适量的水能通过覆盖层进入填埋场内部，又不使填埋气大量逸出，防止气体污染和气体流失。
对于生物反应器填埋场的日覆盖材料，也不能选用防渗性能强的粘土。如采用防渗性能强的粘土，将导致渗滤液回灌不能均匀进入填埋物料，不能起到回灌的作用。在操作中可采用普通编织彩条防雨塑料布做覆盖材料，塑料布两端用竹竿固定，在每日填埋作业完成后，由人工将塑料布铺盖在垃圾体表面，在第二天填埋作业前收起。该方法既可减少中间覆土的用量，增大填埋场的库容，又能满足生物反应器填埋场设计的要求。
2.2.4生物反应器填埋场渗滤液回灌系统设计
渗滤液回灌是一种用于管理垃圾填埋场渗滤液的有效方法，同时也是生物反应器填埋场的重要工艺手段。在渗滤液回灌时，渗滤液重新回到分层的填埋场再次渗入城市生活垃圾中。这种方法被作为是一种渗滤液处理方法，是因为当渗滤液继续从填埋场渗出时已经经过了生物处理、沉淀和吸附的处理过程。这种方法同样对填埋场有益，它增加了垃圾的含水量，进而加快了填埋垃圾的生物降解速率，加速填埋场的稳定化过程，提高了填埋场的产气率。
渗滤液的回灌方式可采用如下几种手段：①直接将渗滤液回灌到处置过程中的垃圾上；②表面喷灌；③表层回灌；④深层回灌。
各种不同回灌方式的利弊见表1。
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渗滤液回灌系统是生物反应器填埋场不可或缺的系统之一，由上面的论述和表1可以看出，不同的回灌方式各有其利弊，我们在设计时，宜针对当地的实际情况进行相应的设计，在填埋过程中宜采用表层回灌的方式，在封场后，宜采用深层回灌的方式。在设计中采用平面管网，铺设于覆盖土层下，平面管网应尽量布置均匀且与气体收集竖井错开，防止回灌渗滤液在填埋场垂直段形成沟流。
在渗滤液回灌中，如果在干旱地区，由于雨水较少，渗滤液的产生量较小，通过回灌基本上都能满足渗滤液在填埋场内部完全消化，只需修建一集液调节池即可，不需要渗滤液处理系统；如果在湿润地区，由于降雨量较大，在填埋场不能满足渗滤液回灌的要求时，需要对多余的渗滤液进行处理达标后排放或进入城市污水管网，在设计中需考虑一个能满足贮存要求的集液调节池。
2.2.5生物反应器填埋场气体收集系统设计
在传统卫生填埋场设计中，规范要求填埋场必须设置有效的填埋气体导排设施，填埋气体严禁自然聚集、迁移等，防止引起火灾和爆炸。其导排设施宜采用竖井（管），也可采用横管（沟）或横竖相连的导排设施。在规范中对气体的回收利用则没有作任何规定和要求。
建立生物反应器填埋场的一个重要目的是回收填埋气，所以，在生物反应器填埋场的设讨中，需要对传统填埋场的气体收集系统进行优化。对气体收集系统最大的改进是安装气体回收系统，以满足气体回收的需要。
在传统卫生填埋场中，气体回收系统通常是在一个填埋单元完成几年后才进行安装。而对于生物反应器填埋场来说，气体收集井需要在填埋单元完成后马上进行安装，甚至在某些特殊情况下，气体收集井需要在填埋过程中就安装。同时，气体收集井建立必须考虑填埋场发展的后续要求，以满足在后来的改进中容纳更多的垃圾。
对于生物反应器填埋场的气体收集井来说，与传统填埋场相比较，已有多种可供选择的构造形式。当填埋场填埋高度增加时，修建水平气体收集井是必需的。
生物反应器填埋场的回收气体质量较好，其气体中的甲烷含量可接近理论上的最高值，约达到55%。这种填埋气很容易通过气体涡轮机或内燃发电机转化为电能；也可用于燃气锅炉燃料或作为汽车燃料。关于填埋气作为燃料的研究工作已有实验证明是可行的。
生物反应器填埋场的气体收集井结构形式可采用与传统卫生填埋场的气体收集井相同的结构形式，只是因封场系统的不同，使气体收集井的结构形式上也有所不同。同时由于生物反应器填埋场的产气阶段集中，产气率比传统卫生填埋场大，为了使气体导排通畅，在设计时，气体收集井导排管管径应比传统卫生填埋场要大。生物反应器填埋场的气体收集井结构形式见图3。
 图3 生物反应器填埋场的气体收集井结构形式 |
3、生物反应器填埋场设计存在的问题
到目前为止，我国在传统卫生填埋场的设计方面已经建立起一个相对完整的由标准、规范、指南组成的技术体系，并且不乏成功设计、兴建和运行管理的工程实例，如深圳下坪、广州大丰、北京北神树等填埋场，使传统卫生填埋场的建设能做到有的放矢。但国内对于生物反应器填埋场的建设还没有相应的规范标准和工程实例，使我国的生物反应器填埋场设计还无据可依，且无经验可循。同时我国城市垃圾成分与发达国家相比存在很大差异，发达国家城市垃圾的特点是食品垃圾和灰渣所占比例低，而纸类、玻璃、塑料等较高，同时垃圾含水率一般为20%～30%，与土壤持水能力相当，而我国垃圾含水率一般在40%～50%，夏季更高；垃圾成分的不同导致了所产生的渗滤液的差异也很大。因此，这种短期内不能改变的状况决定了我国垃圾生物反应器填埋技术研究及工程设计既要借鉴国外经验，更要考虑自身特点。
4、结束语
由于我国生物反应器填埋场的研究工作尚处于起步阶段，进入真正的实施还有较长一段时间，希望所有从事填埋场设计、建设和研究的有关人员能从不同的角度并结合实际工程的需要，对生物反应器填埋场的设计工作提出自己的观点和看法，以尽快建立一个完善的技术体系。推动生物反应器填埋场建设工作的深入开展。
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