高厨余生活垃圾好氧降解稳定化规律研究

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我国生活垃圾填埋存量超80亿吨,占用土地超10万公顷。众多建于20世纪90年代的卫生填埋场容量接近饱和,正面临对已填埋垃圾进行开挖以延长其使用年限或封场后对场地进行再利用的需求。简易堆场因缺乏完善的地下防渗和顶部覆盖系统,产生的渗滤液和填埋气容易造成地下水、土壤和大气污染,亟需进行治理并实现土地复用。利用好氧降解技术加速生活垃圾稳定化进程,是实现填埋场开挖增容、污染治理和土地复用的重要途径。目前,由于对我国高厨余生活垃圾好氧降解稳定化规律的认识不够深入,导致填埋场好氧降解技术实施效果不显著。因此,深入研究高厨余生活垃圾好氧降解稳定化规律及理论模型,对于保障填埋场加速稳定化工程的科学合理设计和安全高效运营具有重要意义。针对上述问题,本文通过自主研制的生活垃圾好氧降解试验装置,开展了不同通风速率和含水量条件下的高厨余生活垃圾好氧降解试验,分析了通风速率和含水量对高厨余生活垃圾好氧降解稳定化规律的影响,在此基础上建立了适用于高、低厨余生活垃圾的好氧降解一阶动力学模型,并利用建立的模型对比了高、低厨余生活垃圾好氧降解稳定化规律,分析了不同调控方式下高厨余生活垃圾好氧降解稳定化效果,为我国生活垃圾填埋场好氧降解加速稳定化调控奠定了理论基础。获得的主要结论如下:(1)确定了以渗滤液COD和NH3-N作为评价指标的生活垃圾稳定化评价方法,通过计算各因子评价指数将垃圾稳定化程度划分为基本稳定(0<E<57)、中度稳定(58<E<115)、稳定(116<E<230)和十分稳定(231<E<345)四级。单元体试验结果表明,当体积含水量从35%增大至45%和55%时,垃圾达到“基本稳定”的时间将延后0%和18.2%,达到“中度稳定”的时间将延后8.6%和34.5%,达到“稳定”的时间将延后14.3%和36.4%。当通风速率从0.05 L/min/kg干垃圾增大至0.1 L/min/kg干垃圾和1 L/min/kg干垃圾时,垃圾达到“基本稳定”的时间将提前31.3%和31.3%,达到“中度稳定”的时间将提前19.4%和31.9%,达到“稳定”的时间将提前24.8%和40.6%。(2)建立了生活垃圾好氧降解一阶动力学模型,模型全面考虑了综纤维素、非纤维素糖、蛋白质、脂类和木质素等直接反应底物的好氧降解过程以及生成物NH3·H2O的后续反应;同时,对温度、含水量、氧浓度和空隙率等关键内部环境因素对好氧降解反应的影响做出了全面考虑;此外,在建立的模型中考虑了各反应底物和能量之间的转化关系以及垃圾沉降以消除其对空隙率计算所造成的影响。利用本文试验(高厨余垃圾)和文献试验(低厨余垃圾)中好氧降解过程内部环境变量(包括温度、含水量和氧浓度)、液相指标(包括渗滤液p H、渗滤液COD和渗滤液氨氮)和固相指标(包括垃圾沉降、纤维素/木质素和降解率)等测试数据对上述模型进行了验证,结果表明该模型能较全面、准确地模拟高、低厨余生活垃圾的好氧降解行为。(3)基于建立的理论模型,对高、低厨余生活垃圾好氧降解稳定化过程进行了参数敏感性分析,结果表明:(1)在相同通风速率、体积含水量和温度下,高厨余垃圾的好氧降解速率均高于低厨余垃圾;(2)增大通风速率能够提高生活垃圾的好氧降解速率,但存在一个临界值(高厨余垃圾为0.01 L/min/kg干垃圾,低厨余垃圾为0.001 L/min/kg干垃圾);(3)生活垃圾好氧降解存在一个适宜的体积含水量(高厨余垃圾为30%~50%,低厨余垃圾为40%左右);(4)在20℃~60℃温度范围内,随着温度的增大,生活垃圾的降解速率随之增大,但低厨余垃圾对温度更敏感。
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