专利名称：生活垃圾厌氧—好氧反应器循环操作填埋方法
技术领域：
本发明属于城市生活垃圾资源化与处理技术，具体涉及一种生活垃圾厌氧-好氧反应器循环操作填埋方法。
背景技术：
卫生填埋法是国内外最常用的生活垃圾处理处置方法。我国2005年卫生填埋处置量占生活垃圾无害化处理量的90％以上。但我国城市生活垃圾卫生填埋场尚存在诸多问题，技术方面的不足主要是沼气产量少、垃圾渗滤液难处理、稳定期长等。
生物反应器填埋场是卫生填埋技术的新发展，通过有目的的控制生物降解过程来加速垃圾中易降解物的转化和稳定。这些控制手段包括液体添加、pH调节、营养添加及平衡、温度调节、备选覆盖层设计等。与传统卫生填埋场相比，生物反应器填埋技术具有加快垃圾生物降解速度、提高气体产量和产率、加速填埋场稳定化、增加填埋场有效容积、降低填埋场处理和运行成本等优势。生物反应器型填埋技术有如下几种类型(1)厌氧渗滤液回灌型填埋技术。该技术的研究起始于20世纪70年代，20世纪90年代国内外学者对该技术的应用又进行了更为深入的研究。研究表明与传统无控制的卫生填埋方法相比，厌氧回灌型生物反应器填埋具有较好的动力学特性，包括可获得较高的填埋气产量和甲烷含量，消纳能力和使用寿命增加，对高浓度渗滤液COD(化学需氧量)有很好的降解效果等。
(2)好氧及准好氧卫生填埋技术。准好氧型填埋是在传统厌氧卫生填埋的基础上，不需鼓风设备，只需增大排气、排水管径，扩大排水和导气空间，使排气管与渗滤液收集管路相通，排气、进气形成循环，从而扩大填埋层的好氧区域。好氧型填埋是采用强制通风方式，扩大填埋层的好氧区域，卫生条件好，垃圾腐熟快，在干旱地区使用，可省去渗滤液处理系统。准好氧及好氧填埋场渗滤液有机物浓度低于传统厌氧卫生填埋场，垃圾腐熟速度快，可加速填埋场的稳定。但由于其工艺要求较复杂，费用较高，故在我国尚未大量推广使用。
(3)厌氧-准好氧或厌氧-好氧联合运行型填埋技术。Pohland等人提出了通过填埋单元底层强制通风的方法将其分成缺氧带、厌氧带和好氧带运行的新思路，实验研究结果表明渗滤液氨氮去除率为95％，同时渗滤液中的硫化物也得到有效去除。李启彬等人提出了厌氧-准好氧联合运行的生物反应器模式。但他们进行的厌氧-准好氧联合运行研究重点仍集中在垃圾渗滤液问题上，没有全局考虑联合运行模式下的填埋产气、垃圾稳定及填埋场地循环利用等问题，也没有深入研究厌氧-好氧转换工艺参数，与本发明内容有本质的不同。
发明内容
本发明的目的在于提供生活垃圾厌氧-好氧反应器循环操作填埋方法，该方法基于填埋场地循环操作，旨在显著改善渗滤液水质、提高产气速率和产气量、降低垃圾处理成本、开发利用生物质能资源。
为实现上述目的，本发明的生活垃圾厌氧-好氧反应器循环操作填埋方法，包括以下步骤(1)生活垃圾厌氧反应器填埋，产生的渗滤液回灌至填埋层顶部布水装置；(2)厌氧填埋达到下述技术指标后停止回灌，所述指标为①回灌渗滤液的化学需氧量浓度的降解率低于2％/周；②渗滤液的生化需氧量与化学需氧量的比值低于0.1；③CH4产量增长幅度持续低于1％/周；④垃圾体积沉降比为30％以上；(3)强制通风使填埋垃圾处于好氧环境，或自然通风使填埋垃圾处于准好氧环境，去除垃圾层的高水分和恶臭气体；当采取强制通风方式时，通风尾气导入渗滤液中，吹脱其中的氨氮；(4)好氧填埋达到下述技术指标后停止通风，所述技术指标为①垃圾产生的恶臭浓度＜20，氨气浓度＜1.5mg/m3；②垃圾的水分含量低于35％；③垃圾浸出液pH值为8.0～8.5，垃圾浸出液生化需氧量为100～200mg/L，化学需氧量为600～800mg/L，NH3-N为30～40mg/L。
上述步骤(1)中采用顶部喷洒式或井注式回灌方式，当采用顶部喷洒回灌渗滤液时，控制回灌流速为440L/h·t的流速回灌15～20min，控制回灌量为110～140L/t。步骤(3)中，当填埋高度≤2m时，选用风机进行强制通风，其通风量可选择6～8×10-3m3/min，额定压强为2kg(f)·cm-2，每日通风时间≥10h。
本发明突破了传统的垃圾填埋的“选址建场-垃圾填埋-渗滤液处理-填埋气防控-填埋场封场-重新选址建场”的线性、不可控、不可循环、非生态的系统模式，是一种以填埋场地循环利用为根本目的的生物反应器填埋技术，既可提高垃圾及填埋气资源化利用水平，也可以大幅降低渗滤液处理难度。我国大多数城市面临垃圾填埋场选址困难，运行成本高等问题。采用本发明，一方面可以从根本上解决垃圾填埋场耗费土地资源的问题，另一方面也可以扭转填埋垃圾、填埋气防控负效益为正效益，大大节省渗滤液处理成本，全面降低填埋运行成本。所述的填埋方法还可以运用于现有填埋单元的改建。
图1为本发明生活垃圾厌氧-好氧反应器循环操作填埋方法的流程图；图2为实例1的作业示意图；图3为实例2的作业示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明方法作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明方法包括以下步骤(1)生活垃圾厌氧反应器填埋，产生的渗滤液回灌至填埋层顶部布水装置，该过程通过回灌调节垃圾层的水分至60～75％。通过该过程削减渗滤液污染物浓度85％～95％，并回收相当于理论产气量40～60％的填埋气体。该过程回收的填埋气体另行资源化利用。
所述厌氧填埋过程的回灌方式可采用顶部喷洒式或井注式，当采用顶部喷洒回灌渗滤液时，控制回灌流速为440L/h·t的流速回灌15～20min，控制回灌量为110～140L/t。
对于一般生活垃圾(挥发性有机物比例(干重)＜40％)产生的渗滤液，一般通过回灌pH即可逐步向中性方向变化，不需进行外加石灰石调节；若pH不向中性方向变化或变化速度太慢，则需外加石灰石调节回灌渗滤液的pH值。
当填埋垃圾为一般生活垃圾，采用上述回灌量、回灌频率进行回灌，且回灌过程中未进行pH值调节，渗滤液回灌110～120天后，垃圾渗滤液中的主要有机污染物的浓度COD、BOD5降解率均达到出水峰值的90％以上，渗滤液pH值达到7.0～8.0；同时回收厌氧填埋过程中产生的填埋气。填埋气回收率大于理论产气率的50％，其中的甲烷比例可达到50％以上。
(2)厌氧填埋达到下述技术指标后停止回灌，所述指标为①回灌渗滤液的有机污染物浓度(以COD表征)的降解率低于2％/周；②渗滤液可生物降解性指标(BOD5/COD，即生化需氧量/化学需氧量)低于0.1，渗滤液中的有机污染物不适宜继续通过回灌降解；③垃圾产气速度滞缓，即CH4产量增长幅度持续低于1％/周；④垃圾体积沉降比为30％以上。
(3)步骤(2)结束后，强制通风使填埋垃圾处于好氧环境，或自然通风使填埋垃圾处于准好氧环境，去除垃圾层的高水分和恶臭气体。当采取强制通风方式时，通风尾气导入渗滤液中，吹脱其中的氨氮。
所述的强制通风好氧填埋方式根据填埋深度所需的风压可选择鼓风机或空气压缩机。所述的自然通风准好氧填埋方式，可通过导气管与渗滤液收集管相通、渗滤液排放管高于调节池液面、扩大排水和导气空间等方式进行。
选用风机进行强制通风，当填埋高度≤3m时，其通风量可选择6～8×10-3m3/min，额定压强为2kg(f)·cm-2，每日通风时间≥10h。可选择渗滤液收集管道或导气管道进行强制通风。基于强制通风的好氧反应器填埋时间为20～30d。
所述通风量、额定压强及通风时间(10h/d)的强制通风好氧填埋方式可遏制臭气的产生、减少臭味并去除垃圾中的水分。
即通风14d(140h)和19d(190h)，垃圾产生的氨气的浓度可分别降至5mg/m3和1.5mg/m3以下，分别达到恶臭污染物厂界的排放三级和二级标准(GB14554-93)；通风21d(210h)和23d(230h)，垃圾产生的臭气浓度可分别降至70和20以下，分别达到恶臭污染物厂界的排放三级和二级标准(GB14554-93)。
通风9d(90h)后含水率低于35％，达到好氧堆肥的产品含水率要求。14d(140h)后含水率进一步降低到26％，除水率高达63％。
将强制通风的尾气回至渗滤液调节池中，形成简易氨氮吹脱池，20h后氨氮浓度可降低到32mg/L，吹脱率可达80％。渗滤液经厌氧回灌原位处理-好氧氨氮吹脱两阶段反应后，COD、BOD、NH3-N浓度均大幅削减，pH值中性偏碱(表1)。
表1 渗滤液水质变化
*pH为酸性最大时的值步骤(1)～(3)过程中微生物相的变化特征为厌氧填埋开始时，微生物的种类相对较少；随着厌氧发酵的进行，微生物的种类增多；到产甲烷最多时，微生物的种类最多。由厌氧转变为好氧之后，厌氧环境遭到破坏，严格厌氧菌逐步失去活性。分子生物学研究表明，兼性菌类群在环境氧含量强烈改变的时候在填埋体中起着重要的承前启后的作用。
(4)好氧填埋达到下述技术指标后停止通风，所述技术指标为①垃圾产生的恶臭浓度＜20(无量纲)，氨气浓度＜1.5mg/m3，达到恶臭污染物排放二级标准；②垃圾的水分含量低于35％；③垃圾浸出液pH值为8.0～8.5，垃圾浸出液BOD5为100～200mg/L，COD为600～800mg/L，NH3-N为30～40mg/L。
通风后矿化垃圾明显呈黑褐色，无恶臭气味。垃圾浸出液水质(表2)表明垃圾中含有一定比例的水溶性有机质和氮元素，且pH值中性偏碱，符合植物生长条件。
表2 垃圾浸出液水质
上述步骤(1)(3)产生渗滤液另行后续处理或排入设置城市生活污水处理厂的城市管网或专管排入城市生活污水处理厂。
垃圾达到稳定化水平并具备资源化利用价值，腐熟垃圾开采，经过分选后可用作观赏植物培育土、填埋覆土、矿坑填料、土壤改良剂等。垃圾经分选后资源化利用，填埋场地循环使用。
实例1工艺条件(1)填埋单元的日处理需求为100t；(2)填埋垃圾的水分为50～60％，挥发性有机固体含量为35～45％(干重)，压实密度为1t/m3(根据某市垃圾成分调查)；(3)平均月降水量为150mm，最大月降水量为234mm(根据某市多年气象资料)；(4)填埋单元(生物反应器)高度为3m。
建立2个单元库容为100m×50m×3m(15000m3)的填埋单元以满足厌氧-好氧循环填埋操作。厌氧填埋阶段采用渗滤液回灌，各填埋单元每日回灌1次，每次2000m3；好氧填埋阶段每日强制通风8h。
每单元填满时间为150d；厌氧阶段完成时间为110d；好氧阶段完成时间为30d；垃圾挖掘时间10d；单元工艺周期为300d。实例1的作业示意图如图2所示。
实例2工艺条件与实例1相同。
建立3个单元库容为50m×50m×3m(7500m3)的填埋单元以满足厌氧-好氧循环填埋操作。厌氧填埋阶段采用渗滤液回灌，各填埋单元每日回灌1次，每次850m3；好氧填埋阶段每日强制通风12h。
每单元填满时间为75d；厌氧阶段完成时间为120d；好氧阶段完成时间为20d；垃圾挖掘时间10d；单元工艺周期为225d。
实例2的作业图如图3所示填埋单元库容小有利于减少填埋周期，提高填埋场循环速度，同时节省土地资源。如实例2填埋用地面积7500m3，比方案1节省土地资源25％。但是填埋单元若过小一方面用于修筑拦坝、管网的成本过高，另一方面也不方便车辆作业。
实例1及实例2所述的填埋单元可分别在300d及225d后完成垃圾开采。开采垃圾具备资源化利用价值，经过分选后可用作观赏植物培育土、填埋覆土、矿坑填料、土壤改良剂等。垃圾经分选后资源化利用，填埋场地循环使用。
权利要求
1.一种生活垃圾厌氧-好氧反应器循环操作填埋方法，包括以下步骤(1)生活垃圾厌氧反应器填埋，产生的渗滤液回灌至填埋层顶部布水装置；(2)厌氧填埋达到下述技术指标后停止回灌，所述指标为①回灌渗滤液的化学需氧量浓度的降解率低于2％/周；②渗滤液的生化需氧量与化学需氧量的比值低于0.1；③CH4产量增长幅度持续低于1％/周；④垃圾体积沉降比为30％以上；(3)强制通风使填埋垃圾处于好氧环境，或自然通风使填埋垃圾处于准好氧环境，去除垃圾层的高水分和恶臭气体；当采取强制通风方式时，通风尾气导入渗滤液中，吹脱其中的氨氮；(4)好氧填埋达到下述技术指标后停止通风，所述技术指标为①垃圾产生的恶臭浓度＜20，氨气浓度＜1.5mg/m3；②垃圾的水分含量低于35％；③垃圾浸出液pH值为8.0～8.5，垃圾浸出液生化需氧量为100～200mg/L，化学需氧量为600～800mg/L，NH3-N为30～40mg/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中采用顶部喷洒式或井注式回灌方式，当采用顶部喷洒回灌渗滤液时，控制回灌流速为440L/h·t的流速回灌15～20min，控制回灌量为110～140L/t。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤(3)中，选用风机进行强制通风，当填埋高度≤3m时，其通风量可选择6～8×10-3m3/min，额定压强为2kg(f)·cm-2，每日通风时间≥10h。
全文摘要
本发明属于城市生活垃圾资源化与处理技术，公开了一种生活垃圾厌氧—好氧反应器循环操作填埋方法。步骤为①生活垃圾厌氧填埋，产生的渗滤液回灌至填埋层顶部布水；回收产生的填埋气；②通过回灌，厌氧填埋达到一定技术指标，停止渗滤液回灌，对填埋层强制通风或自然通风；③通风使填埋垃圾处于好氧或准好氧环境，去除垃圾层的高水分和恶臭气体，通风尾气导入渗滤液吹脱其中的氨氮；④停止好氧或准好氧阶段。渗滤液另行处理，腐熟垃圾开采，经分选后资源化利用，填埋场地循环使用。本发明基于填埋场地循环操作，旨在显著改善渗滤液水质、提高产气速率和产气量、降低垃圾处理成本、开发利用生物质能资源。
文档编号B09B3/00GK1923382SQ20061001957
公开日2007年3月7日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者陈朱蕾, 周传斌, 江娟, 刘婷, 李希堃, 吕志中, 黎小保, 张文静 申请人:华中科技大学