生活垃圾生物反应器填埋技术
摘要：通过对城市生活垃圾卫生填埋处理方式过程中存在的种种不足和所面临的困境做了详细的叙述，同时介绍了生活垃圾生物反应器填埋技术的种种优势和不同类型的生物反应器填埋技术的特点，结合我国垃圾处理处置现状，得出生物反应器填埋技术是走出我国垃圾填埋处理困境的有效方式。
关键词：卫生填埋困境 生物反应器 填埋技术 好氧生物 厌氧生物 反应器
1 城市生活垃圾卫生填埋处理现状及困境
城市生活垃圾卫生填埋处置方式由于具有技术可靠，工艺简单，管理方便；投资相对较省，运行费用低；适用范围广，对生活垃圾成分无严格要求，能完全消纳进场垃圾等一系列优点，在许多地区和国家都得到了广泛的运用。如1993年美国填埋处理量占垃圾总处理量的69.24％[1]，英国1999年垃圾填埋处理占垃圾总处理量的67％，1991在德国年垃圾填埋处理量占垃圾总处理量的60％，在西班牙占75％，而我国在2001年统计结果显示垃圾填埋处理量占垃圾总处理量的80％。尽管垃圾卫生填埋处理技术拥有以上一系列的优点和得到了广泛的运用，然而现行传统的“干穴式”（Dry Tomb）卫生填埋技术要求填埋过程中实行单元填埋、每日覆土、中场覆土，封场时再用自然土和粘土甚至土工膜组成最终覆盖层，严格按照上述要求施工的填埋场封场后就成了一个垃圾的“干墓穴”，由于湿度减少，微生物的活性减弱甚至停止，场内垃圾的生物降解是一个无任何控制的自然降解过程，封场后很长一段时间（数十年）内垃圾保持不变或者变化很小。此时的垃圾填埋场是一个潜在的污染源，一旦填埋场的覆盖层和防渗层部分功能失效，其污染特性必将暴露无疑。这种垃圾填埋形式实际上人为制造了一个定时炸弹，其实质只是将当代人产生的垃圾这一污染源转移给了下一代或后几代，这不符合可持续发展战略要求。现行的垃圾卫生填埋技术存在占地面积大的缺点之外，还存在如下几个无法避免的缺陷，由此严重的制约了垃圾卫生填埋技术的进一步推广和运用。
1.1 传统填埋场渗滤液水质、水量波动较大，处理难度大
现行垃圾填埋场渗滤液产量直接受进入场内的大气降水量的影响，一般填埋场运营期间渗滤液产量大，封场后渗滤液量相应减少；雨季渗滤液产量大，旱季渗滤液量则较少。受垃圾组分，大气降雨量的影响，填埋场渗滤液水质水量季节性波动显著；受填埋垃圾分解阶段的影响，填埋初期渗滤液有机污染物浓度特别高，垃圾填埋后期污染物浓度则逐渐降低。由于一般填埋场据城市污水处理厂距离较远，即使较近大量高污染物特征的渗滤液也会对城市污水处理系统的正常运行带来冲击，故一般填埋场都建设有独立渗滤液处理系统。但包括物理、化学、生物处理法等工艺在内的渗滤液处理系统都无法适应不断变化的渗滤液水质和水量的要求，经常要求随季节以及填埋阶段的不同改建渗滤液处理系统或对系统的有关运行参数进行调整。
1.2 传统填埋场渗滤液污染强度高，二次污染严重
传统填埋场渗滤液不仅污染种类繁多，成分复杂，同时污染物浓度极高。部分填埋场渗滤液COD可能高达近十万mg/L，氨氮浓度也可能高达近万mg/L，要使组分复杂，污染物浓度高的渗滤液排放前达到有关排放标准的要求，必须对其进行深度处理。深度处理费用之高，令很多填埋场的运行管理者望而止步。2001年7月国家环保总局下发了《关于开展生活垃圾处理设施环境影响调查和监测的通知》（环办[2001]72号），对全国垃圾处理设施的污染排放情况及其对周围环境的影响展开调查，调查结果显示，我国垃圾卫生填埋场渗滤液排放、地下水水质及无组织排放等无一家达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16887－1997）之规定，且二次污染程度较高[2]。
1.3 传统填埋场封场后维护监管期长、风险大、费用高、不利于场地及时复用
尽管传统填埋场不时有雨水进入，但受季节影响进入水量分布不均、受填埋场所布设的覆盖层影响使进入场内水分分布地点不均，因而填埋垃圾得不到均匀的、快速的降解，垃圾体的污染特征长期存在。美国EPA要求填埋场封场后监管30年，但有专家认为现行部分垃圾填埋场封场100年后还有大量垃圾未得到有效降解，仍对周围环境构成潜在威胁。长时间填埋场监管期不仅增加渗滤液处理、监测以及其他系统的维护费用，还增大了渗滤液收集系统、防渗层等系统失效的可能，从而增加了潜在的二次污染风险。
1.4 传统填埋场产气期滞后且历时较长，产气量小，资源化率低
传统填埋场进入甲烷化阶段所需时间长，还因渗滤液连续排放而损失大量可转化为甲烷气体的有机物，从而降低填埋场甲烷气体总产量；由于产气期较长而降低了产甲烷速率，使填埋场在甲烷总量减少的同时还延长了回收甲烷气体所需时间，因而降低了回收甲烷气体作为能源的经济效益。目前，除杭州、广州和深圳已在利用填埋场气体发电外，其余100多个填埋场都将填埋气体在燃烧后排放或直接排放，造成资源的严重浪费和对环境的负面影响。
1.5 传统填埋场垃圾处理费用高
由于传统填埋场的以上不足之处，自然就直接导致较高的单位垃圾填埋处理处置费用，不利于这一垃圾处置方式在更大范围的推广和运用。
2 生活垃圾生物反应器填埋技术
2.1 技术优势[3~6]
鉴于传统垃圾填埋技术以上一系列不足之处和生物技术在环境保护中的广泛运用，二十世纪后期欧美及日本等国家开始另一种改进的填埋场方式即生物反应器填埋技术的研究。生物反应器填埋技术根据填埋垃圾被微生物降解的机理和过程，利用填埋场这一天然的微生物活动场所，通过一系列手段优化填埋场内部环境使其成为一个可控生物反应器，为微生物大量繁殖提供一个最优的生存空间。生物反应器填埋技术不仅对填埋场产生的渗滤液能实现很大程度的场内就地净化，还为填埋场的提前稳定创造了良好条件，同时还增加了填埋气体回收利用的经济效益，明显提高垃圾的生物降解速度和效率，从而提高垃圾的资源化、无害化水平。生活垃圾生物反应器填埋技术较现行垃圾卫生填埋技术的主要优势：（1）通过渗滤液回灌，让渗滤液进一步参与生物反应，降低其污染物浓度，从而降低渗滤液的处理难度和处理费用；（2）加速生活垃圾的微生物降解过程，从而增加填埋场的有效容积；（3）通过控制填埋场内部的温度和湿度等条件，提高填埋气体的产气率和产气量，从而提高生活垃圾的资源化率；（4）加速填埋垃圾的稳定过程，从而降低填埋场的运行维护费用，并进一步降低对周围环境的二次污染风险等。由此可见生物反应器填埋技术具有传统卫生填埋技术不可比拟的优点。现如今生物反应器填埋技术在世界各国得到了广泛的运用，如美国EPA已着手修改现有的垃圾管理法规以推广这一新型的垃圾填埋技术。同样在1979年，生活垃圾半好氧生物反应器填埋技术被由日本健康福利部颁布的废物最终处置导则采用，该工艺还在马来西亚、印尼、菲律宾及巴西等国被广泛运用，同时该技术的培训课程也在亚太地区逐步开展。
2.2 生活垃圾生物反应器填埋技术的不同形式及其特点
生活垃圾生物反应器填埋技术根据填埋工艺不同可分为好氧、厌氧、好氧－厌氧及半好氧四种生物反应器填埋技术。与传统的卫生填埋技术相比较，四种生物反应器填埋技术都有各自的特点。
2.2.1 好氧生物反应器填埋技术
好氧生物反应器填埋技术是将渗滤液、其他液体及空气等根据场内垃圾生物降解需要，通过一种可控的方式加入至填埋场，概念图见图1。这样不仅大大地加快填埋垃圾生物降解和稳定速率，减少危害最大的温室气体——甲烷的排放，同时降低渗滤液污染强度和处理费用。国外研究表明，好氧生物反应器填埋场的生活垃圾达到稳定的时间在2～4年左右，温室气体减少50%～90%。由于需要强制通风供氧、渗滤液回灌及其他控制形式，故单位时间内运行费用很高。由于运行维护时间大大缩短，故总的运行维护费用同传统的卫生填埋技术相比，相差不大。
 图1 好氧生物反应器填埋场概念图 |
2.2.2 厌氧生物反应器填埋技术
厌氧生物反应器填埋技术是通过向填埋垃圾体回灌渗滤液和注入其他的液体以保持填埋场内最佳的湿度条件，可生物降解垃圾在缺氧的条件下进行厌氧降解，同时快速产生富含CH4的填埋气体，概念图见图2。它具有加速填埋垃圾降解和稳定，减轻渗滤液有机污染强度，增大甲烷气体产量、产生速率，进而提高甲烷气体回收利用效益等优势，资源化率高，垃圾达到稳定化时间在4～10年左右，CH4气体产量增加约200％～250％，运行维护费用较低。缺点是渗滤液氨氮浓度长期偏高，不利于渗滤液的生物处理。
 图2 厌氧生物反应器填埋场概念图 |
2.2.3 好氧－厌氧生物反应器填埋技术
好氧—厌氧生物反应器填埋技术是对上层新填埋垃圾进行强制通风供氧，下层垃圾仍按厌氧方式运行，概念图见图3。主要目的在于降低新填埋垃圾中易降解物酸化后对厌氧垃圾层的危害，同时向场内的湿度和其他环境条件进行控制，以实现填埋垃圾的无害化和资源化。垃圾达到稳定化时间和运行维护费用间于好氧和厌氧生物反应器填埋技术之间。
 图3 好氧－厌氧生物反应器填埋场概念图 |
2.2.4 半好氧生物反应器填埋技术[7]
半好氧型生物反应器填埋场利用填埋场内外气体压力差，通过自然进风方式维持渗滤液收集管、排气管及中间覆土周围一定区域垃圾层的好氧状态，使部分垃圾实现好氧降解，同时向场内回灌渗滤液和其他液体，概念图见图4。其兼具好氧生物反应器填埋场的部分优点，同时建设成本和运行费用同传统的卫生填埋技术相比差别不大，二次污染程度低。
 图4 半好氧生物反应器填埋场概念图 |
3 我国城市生活垃圾处理现状分析
2000年统计结果显示我国垃圾产量已经达到了1.4亿t，然而能达到真正意义上的、符合环境卫生要求处理的垃圾只有3%左右[8]，大部分垃圾仍是通过简单的“堆填”来消纳。垃圾的“堆填”实际上是垃圾在某处的“存放”，它通常既不设防衬层，也无渗滤液收集处理和填埋气利用设施，因而，并没有改变垃圾对环境的污染状况。由于我国环保资金投入和垃圾焚烧技术等方面的限制，尤其在我国中西部地区，垃圾低位热值低，含水率高等特点，要大力推广垃圾焚烧处理还有很长一条路要走。同时我国未实现垃圾分类收集、运输和处理，垃圾堆肥处理中仍有许多问题还未解决，导致堆肥产品肥效低，产品中含有大量的玻璃粹渣，农民用户对此反应强烈，市场前景黯淡。有关媒体对四川省第一批利用国债建设的近十个垃圾综合处理厂（堆肥＋焚烧或者堆肥＋填埋）进行了调查，结果显示仅有个别垃圾处理厂能正常运行，究其原因之一是堆肥产品质量达不到预期的效果，市场受挫，垃圾厂变成了堆放垃圾的垃圾场，造成财力、物力和人力资源的巨大浪费。而我国地幅辽远，自然条件千变万化，有许多地方具备了建设填埋场的天然地理条件。2000年建设部、国家环保总局、科技部联合制定了《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》，其总则指出填埋处理是垃圾处理必不可少地最终处置手段，也是现阶段乃至今后相当长一段时间内的一种主要垃圾处理处置模式。
4 结束语
随着生物技术的不断进步和完善以及人们能源与环境意识的加强，世界垃圾填埋技术已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。我国也应紧跟世界垃圾填埋技术的发展新趋势，大力研发生活垃圾生物反应器填埋技术。鉴于我国现有生活垃圾处理处置技术现有水平和基本国情，考虑到经济性和可操作性，我国当前应在回灌型生物反应器填埋技术方面加大研发和运用力度。笔者认为当前研究的重点应放在：（1）日覆盖层和中间覆盖层材料的选择，确保适当的透气性和水利渗透系数；（2）不同回灌形式（表面喷洒、水平管/沟回灌、竖井回灌以及混合回灌等）各自的适用条件和每种回灌形式的定量计算；（3）渗滤液回灌量、时间、频率的确定；（4）由于渗滤液回灌可能导致场内产酸细菌的大量繁殖，产生大量的有机酸，造成环境酸的大量积累，从而抑止产甲烷细菌的生长繁殖，因此还需解决如何有效调节场内pH值的问题；（5）由于垃圾填埋技术涉及到水力学、微生物学、环境工程学等多个学科，研发过程中应运用系统工程学的原理和方法，确定最佳计方案和运行方式，使生物反应器填埋技术在满足环境保护的前提下，实现单位垃圾建设成本和运行成本最低。
参考文献
1 建设部标准定额研究所编.城市生活垃圾处理工程项目建设标准与技术规范宣贯教材.北京：中国计划出版社，2002.7
2 李国刚.我国城市生活垃圾处理处置的现状和问题.环境保护，2002，(4)：26～28
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
7 通口壮太郎.废弃物最终处置场的计划和建设.李国建，吴星五译.上海：同济大学出版社，2000.5
8 李秀金.生物反应器型填埋技术的特点和运用前景.农业工程学报，2002，（1）：111～114
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