CN1715860A - 多层取样型生活垃圾生态填埋反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多层取样型生活垃圾生态填埋反应器。它具有不锈钢支架I，在不锈钢支架I上设有反应器、微电脑时间控制器、曝气泵、玻璃转子流量计、精密蠕动泵、不锈钢支架II，在不锈钢支架II上设有气体排出液收集瓶、气体收集瓶，在不锈钢支架I下设有渗滤液调节水箱、溢流渗滤液收集箱、模拟雨水箱，微电脑时间控制器依次连接有曝气泵、玻璃转子流量计、渗滤液调节水箱、精密蠕动泵、反应器，渗滤液调节水箱分别与反应器、溢流渗滤液收集箱、模拟雨水箱相接，反应器依次连接有气体采样瓶、气体收集瓶、气体排出液收集瓶、控制阀门。本发明可实现渗滤液和垃圾的分层采样以及气体瞬时样品采集，简化气体收集操作、提高体积测量精度。

Description

多层取样型生活垃圾生态填埋反应器

技术领域

本发明涉及一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器。

背景技术

随着工业的发展和城市化进程的推进，城市人口不断增多，城市垃圾也随之增加。目前，我国城市生活垃圾人均年产生量高达440千克，而且垃圾总量以每年8％～10％的速度增长，由于城市垃圾产生恶臭、孽生蚊蝇、传染疾病，严重影响城市环境卫生质量和威胁人民群众身体健康，因此垃圾问题已成为当今世界最严重的城市公害之一，及时清理和处理处置日益增长的城市垃圾是建设优美、整洁、文明的现代化城市不可缺少的一部分。据近年统计，我国664个城市建有各类垃圾处理场740座，年处理垃圾7835万吨，垃圾处理率已由80年代初的2％提高到58.2％。在传统的城市垃圾处理方式中，堆肥法因缺乏有效的垃圾源头分类收集而受到一定限制；焚烧技术受到垃圾组分和经济条件的制约，在我国城市垃圾处理中应用较少；相比之下，填埋法因操作简单、运行费用低而被国内外广泛采用，我国几乎90％以上的城市垃圾采用填埋法处理。“十五”计划提出，改善城市环境质量，强化城市垃圾污染的综合治理，垃圾无害化处理率要达到65％。在这一目标实现过程中以及现阶段相当长时间内，填埋法将仍然是城市垃圾处理处置的主要方式。

垃圾填埋不仅侵占大量土地，而且对生态环境造成许多负面影响。目前我国城市垃圾累积堆存量已多达70多亿吨，土地侵占面积约6万公顷，堆放场周围大气、土壤和水体环境污染严重。随着人民群众环境意识的提高，填埋场选址问题日益严峻，选址过程中人力物力消耗巨大。由垃圾填埋产生的渗滤液是一种成分复杂、变化范围大、有毒有害的高浓度难降解有机废水，其COD浓度为1000～100000mg/L，BOD₅浓度为200～40000mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为100～5000mg/L，色度一般要大于800倍；已有93种有机污染物被检出，主要有烃类及其衍生物、酸酯类、醇酚类、醛酮类和酰胺类等，其中许多污染物是我国环境优先控制污染物。因此，垃圾渗滤液处理不当，将会引起地面水、地下水及土壤的严重污染。例如，澳门与珠海市交界处的茂盛围因垃圾渗滤液污染，造成当地河流鱼虾绝迹、农田失收；瑞典人Noaksson认为垃圾渗滤液干扰了Molnbyggen湖中鱼类的繁殖。

填埋垃圾的矿化是一个漫长而复杂的物理、化学、生物过程，要经历若干阶段，其中微生物对有机质的降解起着主要作用。以渗滤液回灌为特征的生物反应器垃圾填埋技术，为填埋堆体提供必要的水分，显著加速堆体有机质的生物降解作用，提高渗滤液水质，减少渗滤液产生量，促进产气与堆体沉降，将堆体稳定化需要的时间从几十年缩短至二到三年，因而倍受人们关注。然而，只是简单的渗滤液回灌并不能满足生物反应器的工作需要，过度回灌会发生堆体局部积水、水分过饱和、以及“酸积累”现象，高浓度渗滤液会对敏感的甲烷菌产生毒性作用，而甲烷菌通过参与有机物终端降解对垃圾厌氧处理起着关键性作用；随着填埋年限的增加，有机氮不断向无机氮转化，而厌氧环境不利于NH⁴⁺-N进一步氧化，使得渗滤液氨氮浓度越来越高，从而对生化系统形成一定的抑制作用。Delia Teresa Sponza等人通过模拟实验研究了渗滤液回灌量对垃圾堆体稳定化速率的影响，结果表明每天回灌9升(反应器体积的13％)渗滤液加速了垃圾堆体的稳定化，而回灌2l升(反应器体积的30％)渗滤液导致甲烷产量减少；Irem

an等人的相关研究表明，“2升/次、4次/周”渗滤液回灌方式是加速垃圾稳定化的最佳回灌策略。因此，渗滤液回灌应该在受控条件下进行，尤其是垃圾填埋初期更应如此。毫无疑问，垃圾渗滤液回灌填埋堆体有着非常广阔的应用前景，然而有关渗滤液回灌的参数设计与操作指导方面的文献资料却比较少，其中至少有部分原因是由于人们对于渗滤液回灌对垃圾堆体内微生物种群结构及生物活性的影响缺乏足够的了解。

垃圾渗滤液回灌填埋堆体研究引起了环境技术领域诸多学者的关注。绝大部分研究工作是在实验室条件下，通过自制的模拟实验系统，研究不同渗滤液回罐方式对垃圾堆体稳定化进程、渗滤液水质、填埋气体等所产生的影响，以确定渗滤液回灌最佳工艺参数。

综观国内外文献资料，模拟系统的主要部件由三部分组成：反应器、渗滤液收集系统、气体收集系统。1)反应器是垃圾生物降解的场所，也是整套模拟实验系统的主体，一般由耐腐蚀的材料制作而成。反应器形状大多呈圆柱形，直径约25～80cm、高度约50～120cm；反应器底部有一个出水管，用于收集垃圾渗滤液；项部有两个管，一个是渗滤液回灌进水口，位于反应器内部与其相连的是十字形布水支管，另一个是填埋气体导出口，位于反应器内部与其相连的是气体收集管；有的设计者为研究堆体通入空气对垃圾生物降解效果的影响，便在反应器底部加一个空气导入管，直接与空气泵相连接。2)渗滤液回灌系统由调节水箱(通过导管直接与反应器相连，可在此调节回灌水量及水质，但有的设计者省略该部件)、蠕动泵及若干导水软管组成，使整个模拟实验系统形成回路，以实现渗滤液回灌填埋堆体。3)气体收集系统由集水槽、倒置的带刻度容器及若干软管组成；应用气体排水法原理，即同体积气体置换同体积水，可以根据容器内水面下降量直接推算出填埋气体的产生量，再取样分析气体成分；也有学者直接采用气体流量计测定气体产量。

以上模拟系统的设计有待进一步改进。1)反应器的设计无法实现分层采集样品，因此难以考察反应器体系中各项指标参数的垂直差异；只考虑了对渗滤液及气体的采样与分析，没有考虑到对垃圾本身的采样与分析。由于渗滤液特征并不能完全体现垃圾的特征，所以对于垃圾本身的分析也是有必要的。2)渗滤液回灌前的水质调节、回灌量调节，以及渗滤液先曝气再回灌等操作因素均会对堆体稳定化及微生物结构动态与生物活性产生影响。因此在系统设计时要充分考虑。3)采用容器倒置排水法收集气体，操作上不方便；而依靠容器刻度测量气体体积，精度不够高；采用气体流量计测定气体时可能对流量计仪器产生腐蚀；对于填埋气体，每当收集容器被气体充满时方可进行样品采集与成分分析，因此得到的数据是一段时间内的平均值，无法考察瞬时气体成分。

发明内容

本发明的目的是提供一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器。

一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器具有不锈钢支架I，在不锈钢支架I上设有反应器、微电脑时间控制器、曝气泵、玻璃转子流量计、精密蠕动泵、不锈钢支架II，在不锈钢支架II上设有气体排出液收集瓶、气体收集瓶，在不锈钢支架I下设有渗滤液调节水箱、溢流渗滤液收集箱、模拟雨水箱，微电脑时间控制器依次连接有曝气泵、玻璃转子流量计、渗滤液调节水箱、精密蠕动泵、反应器，渗滤液调节水箱分别与反应器、溢流渗滤液收集箱、模拟雨水箱相接，反应器依次连接有气体采样瓶、气体收集瓶、气体排出液收集瓶、控制阀门。

另一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器具有不锈钢支架I，在不锈钢支架I上设有反应器、精密蠕动泵、气体收集瓶、气体排出液收集瓶，在不锈钢支架I下设有渗滤液调节水箱、溢流渗滤液收集箱、模拟雨水箱，反应器分别与渗滤液调节水箱、气体采样瓶、精密蠕动泵相接，渗滤液调节水箱分别与精密蠕动泵、溢流渗滤液收集箱、模拟雨水箱相接，气体采样瓶依次连接有气体收集瓶、气体排出液收集瓶、控制阀门。

另一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器具有不锈钢支架I，在不锈钢支架I上设有反应器、精密蠕动泵、气体收集瓶、气体排出液收集瓶，在不锈钢支架I下设有渗滤液调节水箱、溢流渗滤液收集箱、模拟雨水箱，反应器与渗滤液调节水箱、气体采样瓶、精密蠕动泵相接，渗滤液调节水箱与溢流渗滤液收集箱相接，气体采样瓶依次连接有气体收集瓶、气体排出液收集瓶、控制阀门相接，精密蠕动泵与模拟雨水箱相接。

反应器分多层采样品，每层设3个取样口，且呈平面120°夹角，每个取样口设有渗滤液采样口、垃圾采样口法兰，反应器内的上部设有十字布水支管。

本发明实现对反应器中渗滤液和填埋垃圾的分层采样；使对垃圾本身的分析成为可能；采用了渗滤液预曝气与水质调节后再回灌堆体的设计理念；达到渗滤液先调节(水量调节、pH调节、曝气程度调节)再回灌至反应器，从而形成填埋堆体微生态环境的垂直差异；实现气体收集系统操作的简易化与气体体积测量的精确化；达到对填埋气体的瞬时样品采集与成分分析，实现对气体瞬时成分的考察。

附图说明

图1是多层取样型生活垃圾生态填埋反应器I型结构示意图；

图2是多层取样型生活垃圾生态填埋反应器II型结构示意图；

图3是多层取样型生活垃圾生态填埋反应器III型结构示意图；

图中：反应器顶盖法兰1、十字布水支管2、渗滤液采样口3、垃圾采样口法兰4、反应器5、反应器底盖法兰6、不锈钢支架I7、渗滤液调节水箱8、砂心头9、气体采样瓶10、控制阀门11、气体排出液收集瓶12、精密称量秤13、衬垫木块14、气体收集瓶15、精密蠕动泵16、溢流渗滤液收集箱17、模拟雨水箱18、不锈钢支架II19、微电脑时间控制器20、曝气泵21、玻璃转子流量计22。

具体实施方式

本发明的设计思想以微生物生态理论为指导，从渗滤液回灌技术实际应用的可操作性与运行费用角度考虑，以加速垃圾堆体的稳定化进程、实现渗滤液氨氮的原位消减、促进甲烷气体的产生等为目标，以现代分子生物学技术为手段，通过实验室条件下模拟垃圾渗滤液回灌填埋堆体，分析研究渗滤液回灌量、曝气程度、酸度调节情况等渗滤液回灌方式对填埋堆体中微生物种群结构动态及生物活性的影响，揭示堆体有机质生物降解的内在机制，阐明堆体稳定化进程中各个阶段的主要微生物多样性和氮素形态转化各环节的功能微生物多样性及其生物活性最佳发挥所需要的外界环境条件，积累实验数据与设计参数，最终建立“回灌方式—功能微生物—堆体稳定性”三位一体关系，为生物反应器垃圾填埋场渗滤液回灌方式的合理选择提供理论依据。

模拟实验系统是进行科学实验的载体，体现科学研究的总体思路，也是科研的重要组成部分。笔者拟研究不同垃圾渗滤液回灌方式对填埋堆体稳定化进程、渗滤液水质、产气情况，以及堆体微生物种群结构动态的垂直变化所产生的影响，揭示堆体有机物生物降解的进程和内在机制，建立“回灌方式—功能微生物—堆体稳定性”三位一体关系，为生物反应器垃圾填埋场渗滤液回灌方式的合理选择提供理论依据。

整套模拟实验系统由多层取样型生活垃圾生态填埋反应器I、多层取样型生活垃圾生态填埋反应器II、多层取样型生活垃圾生态填埋反应器III3个小套组成，各小套独立运行、互不干扰。各小套模拟实验系统在结构上均由3部分构成，即反应器、渗滤液收集(或回灌)和模拟降雨系统、气体收集系统；对于反应器、模拟降雨系统和气体收集系统，各小套的设计完全相同，所不同的仅在于渗滤液收集(或回灌)系统。

多层取样型生活垃圾生态填埋反应器I是作为对照系统而设计的，它没有渗滤液回灌系统，只是对渗滤液进行简单的收集贮存；多层取样型生活垃圾生态填埋反应器II是在多层取样型生活垃圾生态填埋反应器I基础上，对渗滤液进行堆体回灌，且在回灌之前对水质水量加以调节；而多层取样型生活垃圾生态填埋反应器III又是在多层取样型生活垃圾生态填埋反应器II基础上的进一步提升，在渗滤液回灌堆体之前先对渗滤液进行预曝气和水质水量调节，从而使堆体内形成氧化还原电位的垂直变化，为不同种类微生物提供不同的生活环境，形成有机物生物降解的不同生化反应机制，促进氨氮向亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的转化，进而在反应器底部完成厌氧反硝化，最终达到氨氮的原位去除。

多层取样型生活垃圾生态填埋反应器II和多层取样型生活垃圾生态填埋反应器III的渗滤液回灌系统均包括圆柱形调节水箱、精密蠕动泵、溢流渗滤液收集箱、以及位于反应器内部与进水管相连的十字形布水支管；蠕动泵可以精确控制渗滤液回灌堆体的进水量与进水频率，布水支管上开有若干小孔使布水均匀；多层取样型生活垃圾生态填埋反应器III还包括曝气泵、气体流量计、微电脑时控开关等部件，可以控制曝气量与曝气频率。

雨水是垃圾渗滤液的重要来源之一，因此模拟降雨系统为专为模拟降雨而设计，它由集水箱和蠕动泵组成，直接与反应器顶部的进水管相连，蠕动泵可以控制进水量与进水频率；对于多层取样型生活垃圾生态填埋反应器II和生物反应器垃圾填埋模拟实验系统III而言，模拟降雨系统与渗滤液回灌系统容为一体，主要为节省工程造价，并且达到模拟实验系统设计紧凑的目的。

反应器设计充分考虑了分层采集渗滤液和垃圾样品的可操作性，其高度为1.5m，直径为0.35m，由加厚有机玻璃管加工制作而成；分四层采集样品，层与层之间的高度为0.27m，每层设3个取样口，且呈平面120°夹角，这样既达到反应器内水相下渗时平面均匀分布，避免了短路的发生，又使得所采集的样品具有代表性；每一取样口均由一个粗管和一个细管用法兰连接而成，粗管与反应器直接相连，其管径为5cm，长度为4cm，可作为反应器内的垃圾采样口，细管用于采集渗滤液。

对于气体收集系统，根据其各部件与反应器连接的先后顺序，依次为样品采集瓶、气体收集瓶、排出液收集瓶、精密称量秤。样品采集瓶形状如梭，有3个开口，两头各一个开口，便于串联在气路当中；中间鼓肚处有一个小口，用高弹性橡胶塞封住，便于扎针取样；样品采集瓶的容积比与其相连的同长度导管的容积仅略微大些，以保证贮存气体的新鲜度较高。气体收集瓶与排出液收集瓶的形状均为圆柱体、二者大小尺寸完全相同；为防止填埋气体的溶解，采用特定的溶液——2％(v/v)H₂SO₄和10％(w/v)NaCl的混合液作为体积置换液；考虑到产气速率在垃圾降解不同阶段的变化幅度较大，特设计了容积不同的两套气体收集瓶与排出液收集瓶。精密称量秤可称量排出液重量增量，其最大量程为30kg，最小分度为0.5mg，表明所测量到的气体体积误差小于0.5mL。

具体说明如下：

1)垃圾装填：根据城市生活垃圾的典型组分配比，人工配制混合垃圾；打开反应器顶盖法兰①，为防止垃圾中固体微颗粒堵塞反应器底部的出水管，应先将一定厚度的小石子装到反应器底部，然后按预先计算好的垃圾装填量将混合垃圾装入反应器⑤；为尽可能使水平方向装填均匀，每填入一定高度(比如10~15cm)需将顶层垃圾弄平整些，然后继续装入；为尽可能使垂直方向装填均匀，勿边装边压，而应等装填量达到预设装填量后一次性压实(除非还没等装填够，而反应器已被装满)；装好压完时，垃圾在反应器内高度约为1.35m，然后打开反应器底部阀门，使装填过程中挤出液自然流出，并用渗滤液调节水箱⑧收集。

2)模拟降雨：自来水替代雨水装入模拟雨水箱(18)，根据当地年降雨量确定适当的进水量和进水频率，通过精密蠕动泵(16)定期将一定量的自来水泵入反应器⑤。

3)渗滤液回灌：仅针对多层取样型生活垃圾生态填埋反应器II和多层取样型生活垃圾生态填埋反应器III而言。根据相关研究文献资料确定起始渗滤液回灌量和回灌频率，通过精密蠕动泵(16)定期将一定量的渗滤液泵入反应器⑤，并注意与模拟降雨过程相协调；不定时测定渗滤液pH值，并用石灰水进行适当调节，该操作在渗滤液调节水箱⑧中完成；当渗滤液调节水箱⑧中的水位达到溢流管高度时，可以通过溢流收集在溢流渗滤液收集箱(17)内。

4)渗滤液曝气：仅针对多层取样型生活垃圾生态填埋反应器III而言。根据渗滤液氧化还原电位的变化，确定曝气量和曝气频率；该操作可以通过玻璃转子流量计(22)和微电脑时间控制器(20)来实现。

5)恒温室温度调节：为减小实验系统运行期间的外界温度干扰，尤其是季节变化所带来温差影响，需将整套模拟实验系统放置于恒温室内。但如果人为将温度控制在某一恒定值，必将导致外界温度因素对某些微生物活性的强化或抑制，从而使反应器内在生化反应机制失真。因此，对于外界温度拟采取缓和式的调节，将温度维持在一定范围内(比如冬季在5℃以上，夏季在30℃以下)即可，使模拟调节尽可能趋向真实情况。操作可通过恒温室安装的自动控温系统来实现。

6)渗滤液样品采集：按照预先设定的采样量定期从渗滤液采样口③采集渗滤液，进行水质分析，采样口受阀门控制；为防止采样口被垃圾渗滤液中的悬浮颗粒堵塞，采样管位于反应器内部的一端包有一层纱布，可起到过滤作用。

7)垃圾样品采集：为分析附着在垃圾表面的微生物种群结构，需定期采集反应器内的垃圾样品。一般来讲，垃圾采样时间间隔很长，大约3～4个月采集一次；在预定采样的前1天，停止渗滤液回灌(多层取样型生活垃圾生态填埋反应器I无此项内容)，并开启反应器底部阀门，使反应器内部的水分尽可能的沥出；然后打开垃圾采样口法兰④，进行垃圾采样，并充分混合同一系统同一层3个采样口所采集到的垃圾样品，实施实验分析。该项操作在相关文献资料中至今未见报道。

8)气体样品采集：按设定的采样时间，定期用精密气体取样器(精密注射仪)从气体采样瓶⑩中采集气体，再用气相色谱仪分析各种气体的浓度；或用澳德姆多气体分析仪器在线检测。该项操作可分析瞬时气体浓度，在相关文献资料中至今未见报道。

9)气体体积测定：将防止气体溶解的溶液盛满气体收集瓶(15)，两根插入底部的导管，一根为连接到反应器的导气管，一根为连接到气体排出液收集瓶(12)的导液管(插入较浅)；气体收集瓶(15)依靠液体起到密封作用，排出液收集瓶(12)所连的另一根管(插入较浅)保持与大气相通，但为防止蒸发，可减小开口程度或另作对照；将精密称量秤(13)置于排出液收集瓶(12)下面，可测定由液体排入而引起的重量增量，再根据液体密度换算出体积，最后可利用气体状态方程进行体积校正计算。

Claims (6)

1.一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器，其特征在于，它具有不锈钢支架I(7)，在不锈钢支架I上设有反应器(5)、微电脑时间控制器(20)、曝气泵(21)、玻璃转子流量计(22)、精密蠕动泵(16)、不锈钢支架II(19)，在不锈钢支架II上设有气体排出液收集瓶(12)、气体收集瓶(15)，在不锈钢支架I下设有渗滤液调节水箱(8)、溢流渗滤液收集箱(17)、模拟雨水箱(18)，微电脑时间控制器(20)依次连接有曝气泵(21)、玻璃转子流量计(22)、渗滤液调节水箱(8)、精密蠕动泵(16)、反应器(5)，渗滤液调节水箱(8)分别与反应器(5)、溢流渗滤液收集箱(17)、模拟雨水箱(18)相接，反应器(5)依次连接有气体采样瓶(10)、气体收集瓶(15)、气体排出液收集瓶(12)、控制阀门(11)。

2.根据权利要求1所述的一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器，其特征在于所述的反应器(5)分多层采样品，每层设3个取样口，且呈平面120°夹角，每个取样口设有渗滤液采样口(3)、垃圾采样口法兰(4)，反应器内的上部设有十字布水支管(2)。

3.一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器，其特征在于，它具有不锈钢支架I(7)，在不锈钢支架I上设有反应器(5)、精密蠕动泵(16)、气体收集瓶(15)、气体排出液收集瓶(12)，在不锈钢支架I下设有渗滤液调节水箱(8)、溢流渗滤液收集箱(17)、模拟雨水箱(18)，反应器(5)分别与渗滤液调节水箱(8)、气体采样瓶(10)、精密蠕动泵(16)相接，渗滤液调节水箱(8)分别与精密蠕动泵(16)、溢流渗滤液收集箱(17)、模拟雨水箱(18)相接，气体采样瓶(10)依次连接有气体收集瓶(15)、气体排出液收集瓶(12)、控制阀门(11)。

4.根据权利要求3所述的一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器，其特征在于所述的反应器(5)分多层采样品，每层设3个取样口，且呈平面120°夹角，每个取样口设有渗滤液采样口(3)、垃圾采样口法兰(4)，反应器内的上部设有十字布水支管(2)。

5.一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器，其特征在于，它具有不锈钢支架I(7)，在不锈钢支架I上设有反应器(5)、精密蠕动泵(16)、气体收集瓶(15)、气体排出液收集瓶(12)，在不锈钢支架I下设有渗滤液调节水箱(8)、溢流渗滤液收集箱(17)、模拟雨水箱(18)，反应器(5)与渗滤液调节水箱(8)、气体采样瓶(10)、精密蠕动泵(16)相接，渗滤液调节水箱(8)与溢流渗滤液收集箱(17)相接，气体采样瓶(10)依次连接有气体收集瓶(15)、气体排出液收集瓶(12)、控制阀门(11)相接，精密蠕动泵(16)与模拟雨水箱(18)相接。

6.根据权利要求5所述的一种多层取样型生活垃圾生态填埋反应器，其特征在于所述的反应器(5)分多层采样品，每层设3个取样口，且呈平面120°夹角，每个取样口设有渗滤液采样口(3)、垃圾采样口法兰(4)，反应器内的上部设有十字布水支管(2)。

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