CN106947785A - 使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，将生活垃圾进行了综合分选，充分利用了生物反应器填埋单元的有效容积，节省了成本；通过铺设缓冲覆盖材料、热交换管道系统及渗滤液回灌系统对填埋区内垃圾消化反应的pH、温度、含水率进行调控，强化微生物的生长代谢能力，加速垃圾降解，缩短了垃圾稳定周期；采用IC反应器对初始渗滤液二次发酵并进行沼气回收。利用发酵后的渗滤液回灌，不会增加填埋区处理负荷，改善了高负荷厌氧系统运行过程中易过度酸化等问题；同时遵循了有机质厌氧消化客观规律，有效促进了有机生活垃圾的降解稳定，大大提升了填埋单元产甲烷速率及产气量，提升了生物反应器填埋单元资源化水平。

Description

使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法
技术领域
本发明属于固体废物处理、处置的环保技术领域，特别涉及通过强化微生物厌氧发酵过程，提升生活垃圾填埋处置效率及甲烷产率的系统，具体是一种使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法。
背景技术
城市生活垃圾(Municipal solid waste，简称MSW)是在人们在城市日常生活中及为城市生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，是城市环境的主要污染物之一。其主要成分包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃片、砖瓦渣土、粪便、废家具及庭院废物等。21世纪的中国城镇化进程加快，大量人口涌入城市，使得城市生活垃圾产量呈现逐年增长趋势，垃圾处理能力缺口日益增大。同时，城市生活垃圾的构成和特征也发生了很大变化，表现为有机物增加，可燃物增多，垃圾中可生物降解有机质成分在过去的20多年里增加了15％左右，可利用价值增大。
目前，国内外普遍采用的生活垃圾处理方式是填埋法、堆肥法和焚烧法，围绕以上三种基本处理方式还衍生出生活垃圾厌氧发酵制气、生活垃圾裂解技术等。按生活垃圾清运量统计分析，我国填埋、堆肥和焚烧处理的比例分别占61.4％、2.3％(其中包括综合处理厂数据)和21.0％，其余15.3％为堆放和简易填埋处理。
二十世纪后期欧美等国家开始了生物反应器填埋场的研究。生物反应器填埋场是通过有目的的控制手段强化微生物过程从而加速垃圾中易降解和中等易降解有机组分转化和稳定的一种垃圾卫生填埋场运行方式。这些控制手段包括液体(水、渗滤液)注入、备选覆盖层设计、营养添加、pH调节、温度调节、供氧和微生物接种等。生物反应器填埋场根据运行方式可分为厌氧型、好氧型、兼性(准好氧)型和复合型等四种。好氧生物反应器填埋场在回灌渗滤液的同时鼓入空气，使填埋场内部保持有氧反应的状态，大大加快了填埋场的稳定化过程，但其能耗和成本很高，也没有对垃圾中有机组分的生物质能进行利用，应用和研究得相对较少。目前广泛采用的是厌氧生物反应器填埋场。厌氧生物反应器填埋场稳定化是一个复杂而漫长的物理化学和生物化学过程，垃圾的厌氧微生物降解作用占主导。
由于有机垃圾在厌氧填埋过程中会产生大量的填埋气，填埋气中含有40％-60％的甲烷，是一种重要的能源资源，而倍受关注。国内外学者对垃圾填埋场沼气的产生与性质进行过大量的研究，通过建模及数据分析得出，垃圾填埋气具有较高的能源利用潜能，据USEPA2015年数据显示，垃圾填埋沼气的低位热值在3MJ/m3-23MJ/m3。发展填埋场能源利用将垃圾填埋气通过内燃发电机、发电机组、微型燃气轮机、燃料电池和其他电力生产设施转化为电能，不仅可以对填埋气进行回收利用抵消部分燃煤电厂的能源消耗，显著减少温室气体及其它有毒有害气体的排放，而且能为垃圾填埋场附近的住宅区提供可再生能源，实现能源与环保双赢。填埋场建立、配备气体回收装置，对填埋气加以控制和利用，已成为城市垃圾处理的技术组成部分和发展趋势。我国在“十二五”能源发展规划中明确提出要大力发展城市垃圾沼气等非常规天然气，这极大促进城市垃圾沼气的开发利用。但传统垃圾填埋场存在垃圾降解缓慢，稳定周期长，产气效率低，不易回收利用沼气等问题，因此，遵循有机质厌氧消化客观规律，有针对性的改进填埋方式及技术，强化填埋场内微生物的代谢能力，促进有机生活垃圾降解稳定，提升填埋单元产甲烷速率及产气量的技术研究十分必要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种改进填埋方式，可强化填埋场内微生物的代谢能力，促进有机生活垃圾降解稳定，提升填埋单元产甲烷速率及产气量，便于能源回收利用的有机生活垃圾快速稳定及甲烷产率的填埋处置方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，包括以下步骤：
A.分选破碎：通过生活垃圾综合分选单元将生活垃圾进行分选，剔除不可生化降解的物质，并利用切割破碎设备将分选所得的有机垃圾进行破碎；
B.制备缓冲覆盖材料：以建筑弃土或矿山剥离土为基料，按预设比例掺入生石灰和木屑，并混合均匀作为缓冲覆盖材料；
C.分层填埋：设定生物反应器填埋单元，将步骤A破碎后的有机垃圾填入生物反应器填埋单元中，并进行推铺、压实，达到预设的高度后及时采用步骤B所制备的缓冲覆盖材料进行覆盖，实现所述有机垃圾与所述缓冲覆盖材料交替分层填埋；
D.回灌处理：在所述生物反应器填埋单元中设置渗滤液回灌系统，所述渗滤液回灌系统包括渗滤液调蓄池和渗滤液发酵池，所述生物反应器填埋单元产生的渗滤液经渗滤液收集管收集至所述渗滤液调蓄池中，并在所述渗滤液调蓄池内添加石灰来调节渗滤液pH，随后将其导入渗滤液发酵池进行二次发酵，二次发酵后的一部分渗滤液经管道回灌至所述生物反应器填埋单元调节系统含水率，另一部分渗滤液及剩余污泥进一步处理利用；
E.沼气收集与发电：在所述生物反应器填埋单元中设置沼气收集管道及导气井，导气井间隔15m-20m；填埋区产生的沼气经导气井收集进入沼气燃烧发电室；所述沼气发电系统利用所述填埋区及渗滤液发酵池产生的沼气进行燃烧发电；
F.热交换：在所述生物反应器填埋单元中分层铺设热交换管道，该热交换管道连接沼气发电室，所述沼气发电系统燃烧锅炉发电后的余热通过热交换管道对所述生物反应器填埋单元内有机垃圾进行加热，以辅助厌氧发酵过程。
进一步地，步骤A中，剔除生活垃圾中不可生化降解的物质包括玻璃、砖瓦陶瓷物和金属物；所述的切割破碎设备将分选所得的有机垃圾破碎至粒度大小为10cm-15cm。
进一步地，步骤B中按照混合物质量比5％-10％掺入生石灰，按照混合物质量比4％-6％掺入木屑。
进一步地，步骤C中，所述有机垃圾一次推铺厚度为3m-4m,经推铺、压实后填埋区内垃圾压实密度为800kg/m3-1000kg/m3；随后采用所述缓冲覆盖材料对垃圾进行覆盖，覆盖层厚度为10cm-20cm，交替填埋。
进一步地，在所述生物反应器填埋单元的最底层设置有防渗层，在所述生物反应器填埋单元的最顶层设置有终场覆盖层。
进一步地，步骤D中，所述渗滤液调蓄池内添加石灰来调节渗滤液pH，使其pH维持在6.5-7.5范围内，并形成絮状污泥；发酵后渗滤液回灌不会增加填埋区处理负荷；其余渗滤液送入污水处理单元处理后排放；渗滤液发酵池采用IC反应器，其产生的剩余污泥经脱水后，用作接种物和有机生活垃圾混合进行填埋。
进一步地，通过设置在线监测系统进行实时在线监测，该在线监测系统包括温度探头、pH探头和水分探头，监测系统用于监测有机垃圾填埋区内垃圾体温度、pH和水分状况；控制室对监测数据进行分析，及时调整填埋区供热系统的运行以及渗滤液的回灌量。
进一步地，所述生物反应器填埋单元为厌氧型。
本发明的有益效果：
本发明的一种使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，相比于传统生活垃圾填埋场具有以下优点：
1、对生活垃圾进行综合分选，不可生物降解的垃圾采用一般填埋法，可生物降解的有机垃圾进入生物反应器填埋单元处置，利于生活垃圾中有机组分快速降解稳定，提升沼气产量，同时能充分利用生物反应器填埋单元的有效容积，节省成本。
2、通过铺设中间缓冲覆盖层、热交换管道系统及渗滤液回灌系统对填埋区内垃圾消化反应的pH、温度、含水率进行调控，提供微生物生长代谢适宜的环境，加速垃圾降解稳定周期；能一定程度缓解因垃圾降解酸化过程与产甲烷过程不匹配而产生“酸积累”现象，促进两个阶段稳定过渡，增强了系统产甲烷能力。
3、对渗滤液进行二次发酵，降低了渗滤液的污染负荷，同时回收沼气，提升了系统的资源化水平。回灌发酵后渗滤液，避免因负荷过高抑制填埋区甲烷化代谢，导致填埋区内垃圾降解效率恶化。
4、利用沼气发电余热对填埋单元垃圾进行温度调节，提高的能源利用率，同时有助于在寒冷的季节缓解温度对填埋系统稳定的影响。
附图说明
图1为本发明使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法的工艺流程示意图。
图2为本发明使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法的系统组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1、2对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，本方法处置过程包括生活垃圾综合分选单元、有机垃圾机械破碎设备、生物反应器填埋单元、渗滤液回灌系统、热交换系统、沼气收集发电系统和在线监测系统；生物反应器填埋单元为厌氧型，在线监测系统包括温度探头、pH探头和水分探头，上述各功用探头的监测数据都通过数字传感器与中央控制室电连接，以实时监测生物反应器填埋单元填埋区内环境的变化，实现集成控制；所述生活垃圾的填埋处置方法包括以下工艺步骤：
A.分选破碎：通过生活垃圾综合分选单元将生活垃圾进行分选，剔除不可生化降解的物质，并利用机械切割破碎设备将分选所得的有机垃圾进行破碎，为保证垃圾的生化降解效率，有机垃圾破碎至粒度大小为10cm-15cm，可优选为10cm；不可生化降解物质包括生活垃圾中玻璃、金属、砖瓦陶瓷等，剔除的上述剩余不可生化降解物质进入一般填埋区填埋处置，从而充分利用了生物反应器填埋单元的有效容积，节省成本。
B.制备缓冲覆盖材料：以建筑弃土、矿山剥离土等为基料，按预设比例掺入生石灰和木屑，掺入生石灰占混合物料比优选为5％-10％，所述木屑占混合物料比优选为4％-6％；可利用混凝土搅拌机将上述物料混合均匀，即得所述缓冲覆盖材料。
C.分层填埋：将上述破碎后的有机垃圾装填入生物反应器填埋单元，进行推铺和压实，有机垃圾装填压实密度优选为800kg/m3-1000kg/m3；填埋时，垃圾厚度每3m-4m进行覆盖。缓冲覆盖层厚度为10cm-20cm，使有机垃圾与缓冲覆盖材料交替分层填埋；在生物反应器填埋单元顶部，终场覆盖前铺设布水管道，用于渗滤液回灌；有机垃圾与中间缓冲覆盖材料交替分层填埋方式有利于在垃圾水解酸化过程中能及时中和多余的有机酸，有效改善高负荷运行厌氧消化过程中产酸与产甲烷阶段不匹配出现“酸积累”抑制垃圾稳定的情况，木屑可增强缓冲覆盖层的除臭性能和改善系统的保水性能；通过实验结果得出，采用分层填埋的垃圾发酵体系在4个月后出现稳定产气，沼气中CH4浓度达到60％-70％，而传统装填垃圾的发酵系统产甲烷过程缓慢，沼气中甲烷浓度仅为20％-30％，从而大大增强了产甲烷能力。
D.回灌处理：在生物反应器填埋单元中设置渗滤液回灌系统，渗滤液回灌系统包括渗滤液调蓄池和渗滤液发酵池，生物反应器填埋单元底部填入厚50cm,直径<5cm的建筑陶粒作为渗滤液收集之用，产生的渗滤液通过其底部的渗滤液收集管收集至所述渗滤液调蓄池中，并在所述渗滤液调蓄池内添加石灰来调节渗滤液pH，搅拌调节渗滤液pH维持在6.5-7.5，同时还可起到一定的混凝作用，随后将其导入所述渗滤液发酵池进行二次发酵；渗滤液发酵池优选采用IC(internal circulation)反应器，该反应器产生的生物气纯度较高，CH4为70％-80％，CO2为20％-30％。可通过控制渗滤液流量及水力停留时间，使得IC反应器出水渗滤液pH为7左右，COD为1000mg/L-3000mg/L，适宜用于填埋场回灌；二次发酵产生的一部分渗滤液经管道回灌入生物反应器填埋单元，通过水分探头监测填埋场内水分情况控制室分析以确定合适的回灌水量。另一部分渗滤液进入污水处理单元处理后排放，剩余污泥作进一步固液分离处理，脱水后的污泥作为接种物与有机生活垃圾混合进行填埋；IC反应器产生的沼气通过导气管进入到沼气发电系统，通过上述二次发酵，降低了渗滤液的污染负荷，避免二次污染，同时回收沼气，提升了系统的资源化水平。
E.沼气收集与发电：在所述生物反应器填埋单元中设置沼气收集管道及导气井，导气井间隔15m-20m；填埋区产生的沼气经导气井收集进入沼气燃烧发电室；所述沼气发电系统利用所述填埋区及渗滤液发酵池产生的沼气进行燃烧发电；
F.热交换：在所述生物反应器填埋单元中分层铺设热交换管道，该热交换管道连接沼气发电室，所述沼气发电系统燃烧锅炉发电后的余热通过热交换管道对所述生物反应器填埋单元内有机垃圾进行加热，控制填埋区垃圾体温度为30℃±5℃，以辅助厌氧发酵过程。
本实施例的一种使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，将生活垃圾进行了综合分选，不可生物降解的垃圾采用一般填埋法，可生物降解的有机垃圾进入生物反应器填埋单元处置，充分利用生物反应器填埋单元的有效容积，节省了成本；采用二次发酵后的渗滤液回灌，不会增加填埋区处理负荷，改善了高负荷厌氧系统运行过程的过度酸化的问题；同时遵循了有机质厌氧消化客观规律，通过沼气发电余热提升有机垃圾填埋区温度和渗滤液回灌调节控制填埋区内垃圾消化最佳温度及含水率；并优选利用IC反应器对渗滤液进行二次发酵，可降低渗滤液污染负荷，同时进一步回收渗滤液中的生物能，有效促进了有机生活垃圾的降解稳定，大大提升了生物反应器填埋单元产甲烷速率及产气量，进而提升了资源化水平，另外也便于能源回收利用。
以上的说明和实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于包括以下步骤：
A.分选破碎：通过生活垃圾综合分选单元将生活垃圾进行分选，剔除不可生化降解的物质，并利用切割破碎设备将分选所得的有机垃圾进行破碎；
B.制备缓冲覆盖材料：以建筑弃土或矿山剥离土为基料，按预设比例掺入生石灰和木屑，并混合均匀作为缓冲覆盖材料；
C.分层填埋：设定生物反应器填埋单元，将步骤A破碎后的有机垃圾填入生物反应器填埋单元中，并进行推铺、压实，达到预设的高度后及时采用步骤B所制备的缓冲覆盖材料进行覆盖，实现所述有机垃圾与所述缓冲覆盖材料交替分层填埋；
D.回灌处理：在所述生物反应器填埋单元中设置渗滤液回灌系统，所述渗滤液回灌系统包括渗滤液调蓄池和渗滤液发酵池，所述生物反应器填埋单元产生的渗滤液经渗滤液收集管收集至所述渗滤液调蓄池中，并在所述渗滤液调蓄池内添加石灰来调节渗滤液pH，随后将其导入渗滤液发酵池进行二次发酵，二次发酵后的一部分渗滤液经管道回灌至所述生物反应器填埋单元调节系统含水率，另一部分渗滤液及剩余污泥进一步处理利用；
E.沼气收集与发电：在所述生物反应器填埋单元中设置沼气收集管道及导气井，导气井间隔15m-20m；填埋区产生的沼气经导气井收集进入沼气燃烧发电室；所述沼气发电系统利用所述填埋区及渗滤液发酵池产生的沼气进行燃烧发电；
F.热交换：在所述生物反应器填埋单元中分层铺设热交换管道，该热交换管道连接沼气发电室，所述沼气发电系统燃烧锅炉发电后的余热通过热交换管道对所述生物反应器填埋单元内有机垃圾进行加热，控制填埋区垃圾体温度为30℃±5℃，以辅助厌氧发酵过程。
2.根据权利要求1所述的使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于：步骤A中，剔除生活垃圾中不可生化降解的物质包括玻璃、砖瓦陶瓷物和金属物；所述的切割破碎设备将分选所得的有机垃圾破碎至粒度大小为10cm-15cm。
3.根据权利要求1所述的使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于：步骤B中按照混合物质量比5％-10％掺入生石灰，按照混合物质量比4％-6％掺入木屑。
4.根据权利要求1所述的使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于：步骤C中，所述有机垃圾一次推铺厚度为3m-4m,经推铺、压实后填埋区内垃圾压实密度为800kg/m3-1000kg/m3；随后采用所述缓冲覆盖材料对垃圾进行覆盖，覆盖层厚度为10cm-20cm，交替填埋。
5.根据权利要求1所述的使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于：在所述生物反应器填埋单元的最底层设置有防渗层，在所述生物反应器填埋单元的最顶层设置有终场覆盖层。
6.根据权利要求1所述的使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于：步骤D中，所述渗滤液调蓄池内添加石灰来调节渗滤液pH，使其pH维持在6.5-7.5范围内，并形成絮状污泥；发酵后渗滤液回灌不会增加填埋区处理负荷；其余渗滤液送入污水处理单元处理后排放；渗滤液发酵池采用IC反应器，其产生的剩余污泥经脱水后，用作接种物和有机生活垃圾混合进行填埋。
7.根据权利要求1-6任一所述的使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于：通过设置在线监测系统进行实时在线监测，该在线监测系统包括温度探头、pH探头和水分探头，监测系统用于监测有机垃圾填埋区内垃圾体温度、pH和水分状况；控制室对监测数据进行分析，及时调整填埋区供热系统的运行以及渗滤液的回灌量。
8.根据权利要求1所述的使有机生活垃圾快速稳定并提升甲烷产率的填埋处置方法，其特征在于：所述生物反应器填埋单元为厌氧型。
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