生物反應器填埋場的設計初探
為了解決傳統填埋場滲濾液處理難且費用高、降解過程緩慢、穩定化時間長、降解不完全、產氣率低、封場后維護監管期長等問題，推動填埋技術的發展，20世紀 70年代美國率先開展了滲濾液回灌技術的研究工作，發現將滲濾液循環回灌到填埋場一段時間后，其污染物濃度與不經過循環處理的滲濾液濃度相比大大降低，從而提出了生物反應器填埋場的概念。此后，英國、加拿大、澳大利亞、德國、丹麥、意大利、瑞典和日本等相繼開始了生物反應器填埋場（Bioreactor landfilll）的研究。
1、生物反應器填埋場概述
生物反應器填埋場是傳統的衛生填埋場技術的最新發展。它除了具有一般衛生填埋場的垃圾貯留功能外，還通過獨特的設計和合適的控制，增加了滲濾液的循環、垃圾水分的控制等措施，強化微生物代謝過程從而加速垃圾中易降解有機組分的轉化和穩定。實現了填埋場從傳統的以貯留垃圾為主向多功能方向發展，即一個垃圾填埋場應同時具有貯留垃圾、隔斷污染。生物降解和資源恢復等多個功能。
目前國內已有部分科研工作者開展了生物反應器填埋場的研究工作，主要側重于生物反應器填埋場的理論探討和室內研究方面，如李金秀分析了常規衛生填埋場 (CL)的缺點，對“生物反應器型”垃圾填埋場(BL)的結構特點進行了簡要的描述，并以美國加州一“生物反應器型”垃圾填埋技術研究項目為例，對該技術的生物降解特性進行了介紹；于曉華等根據我國城市垃圾有機物含量高的特點，提出了將準好氧填埋技術與生物反應器填埋技術特點相結合的垃圾滲濾液場內循環處理的設計思路；李啟斌等通過實驗探討了生物反應器填埋場穩定技術；其它一些研究者就生物反應器填埋場的產氣狀態、滲濾液控制技術等也通過實驗進行了探討。然而，迄今為止，國內對于生物反應器填埋場設計研究尚未見報道。我們擬就生物反應器填埋場的設計做初步探討。
2、生物反應器填埋場設計
2.1設計依據
我國目前對生物反應器填埋場的研究工作尚處于起步階段，對于生物反應器填埋場的設計還沒有相應的規范。因此，在設計中主要參考建設部頒發的CJJ17-2004生活垃圾填埋技術規范，同時結合國內的實際條件并借鑒國外相關成熟技術標準。
2.2設計內容
主要涉及生物反應器填埋場的防滲系統、滲濾液收集與導排系統、封場覆蓋系統、滲濾液回灌系統和填埋氣體回收利用等主體工程的設計內容。
2.2.1生物反應器填埋場防滲系統設計
在傳統衛生填埋場設計中，要求填埋場必須進行防滲處理，以防止滲濾液對地下水和地表水的污染，同時阻止地下水進入填埋區。同樣生物反應器填埋場的防滲系統設計是必須的，但對其結構形式有不同看法：一種觀點認為，由于生物反應器加速了填埋場的降解速度，使填埋物料在填埋后幾年內即完成了降解，達到生物穩定化，而這幾年正是防滲系統效率最高的時候，因而認為生物反應器填埋場防滲系統的結構可較傳統衛生填理場適當簡化，只要能滿足填埋場服務年限內的需求即可；另一種觀點認為生物反應器填埋場因為要承受比傳統填埋場更大的水頭壓力，防滲系統的結構比傳統填埋場的要求更嚴格，以防止滲濾液穿透防滲系統，造成對地下水的污染。結合我國的經濟發展水平，設計生物反應器填埋場時，如天然粘土能滿足防滲要求，可直接采用粘土防滲；在粘土不能滿足防滲結構的情況下，對其膜的使用壽命要求上可適當放寬，膜厚度大于1.0mm即可，防滲結構形式見圖1，該結構形式考慮了地下水埋深較淺時的情況，如地下水最小埋深大于2m時，則可不考慮地下水導流層，以減少填埋場建設投資。
 圖1 防滲結構形式 |
采用這種結構形式既可保證生物反應器填埋場不會對地下水造成污染，同時與傳統填埋場相比，還能降低投資。
2.2.2生物反應器填埋場滲濾液收集與導排系統設計
在傳統衛生填埋場的設計中，規范要求填埋庫區防滲系統應鋪設滲濾液收集設施。滲濾液收集盲溝宜采用礫石、卵石、碴石、HDPE管等材料鋪設，結構應為石料盲溝、石料與HDPE管盲溝、石籠盲溝等。用于滲濾液導排盲溝的HDPE管要求干管直徑不小于250mm，支管不應小于200mm。對于滲濾液收集管之間的距離，規范里沒有強制性規定，趙由才提出支管的間距一般設置為20m，若用于焚燒殘渣的填埋場，間距還應適當縮小。
由于生物反應器填埋場的滲濾液收集導排系統承受的水力負荷要比傳統衛生填埋場大，因此，在生物反應器填埋場滲濾液收集系統的設計中，需要增大滲濾液導排管管徑和減小管間距。筆者認為用于生物反應器填埋場滲濾液導排盲溝的HDPE管要求干管直徑不應小于400mm，支管不應小于250mm，管間距不得大于20m。
2.2.3生物反應器填埋場封場覆蓋系統設計
傳統衛生填埋場的封場設計規范要求應考慮地表水徑流、排水防滲、填埋氣體的收集、植被類型、填埋場的穩定性及土地利用等因素。其中排水防滲是封場設計中必須考慮的，目的是阻止降水進入填埋場，減少滲濾液產生量，降低滲濾液處理難度。
對于生物反應器填埋場的設計，同樣需要考慮地表水徑流、填埋氣體的收集、植被類型、填埋場的穩定性及土地利用等因素。但對于封場系統的防滲功能則可不作嚴格防滲考慮，因為生物反應器填埋場與傳統衛生填埋場的一個重要區別在于：生物反應器填埋場需要外加水源以保持填埋場內部的濕度，維持場內微生物活性，以加速垃圾的降解和填埋場的穩定化進程。其結構形式如圖2所示。
 圖2 生物反應器填埋場覆蓋結構示意圖 |
與傳統衛生填埋場相比，沒有采用HDPE土工膜或防滲粘土做覆蓋材料，選用一般的粘土做阻氣層，主要目的是既要讓適量的水能通過覆蓋層進入填埋場內部，又不使填埋氣大量逸出，防止氣體污染和氣體流失。
對于生物反應器填埋場的日覆蓋材料，也不能選用防滲性能強的粘土。如采用防滲性能強的粘土，將導致滲濾液回灌不能均勻進入填埋物料，不能起到回灌的作用。在操作中可采用普通編織彩條防雨塑料布做覆蓋材料，塑料布兩端用竹竿固定，在每日填埋作業完成后，由人工將塑料布鋪蓋在垃圾體表面，在第二天填埋作業前收起。該方法既可減少中間覆土的用量，增大填埋場的庫容，又能滿足生物反應器填埋場設計的要求。
2.2.4生物反應器填埋場滲濾液回灌系統設計
滲濾液回灌是一種用于管理垃圾填埋場滲濾液的有效方法，同時也是生物反應器填埋場的重要工藝手段。在滲濾液回灌時，滲濾液重新回到分層的填埋場再次滲入城市生活垃圾中。這種方法被作為是一種滲濾液處理方法，是因為當滲濾液繼續從填埋場滲出時已經經過了生物處理、沉淀和吸附的處理過程。這種方法同樣對填埋場有益，它增加了垃圾的含水量，進而加快了填埋垃圾的生物降解速率，加速填埋場的穩定化過程，提高了填埋場的產氣率。
滲濾液的回灌方式可采用如下幾種手段：①直接將滲濾液回灌到處置過程中的垃圾上；②表面噴灌；③表層回灌；④深層回灌。
各種不同回灌方式的利弊見表1。
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滲濾液回灌系統是生物反應器填埋場不可或缺的系統之一，由上面的論述和表1可以看出，不同的回灌方式各有其利弊，我們在設計時，宜針對當地的實際情況進行相應的設計，在填埋過程中宜采用表層回灌的方式，在封場后，宜采用深層回灌的方式。在設計中采用平面管網，鋪設于覆蓋土層下，平面管網應盡量布置均勻且與氣體收集豎井錯開，防止回灌滲濾液在填埋場垂直段形成溝流。
在滲濾液回灌中，如果在干旱地區，由于雨水較少，滲濾液的產生量較小，通過回灌基本上都能滿足滲濾液在填埋場內部完全消化，只需修建一集液調節池即可，不需要滲濾液處理系統；如果在濕潤地區，由于降雨量較大，在填埋場不能滿足滲濾液回灌的要求時，需要對多余的滲濾液進行處理達標后排放或進入城市污水管網，在設計中需考慮一個能滿足貯存要求的集液調節池。
2.2.5生物反應器填埋場氣體收集系統設計
在傳統衛生填埋場設計中，規范要求填埋場必須設置有效的填埋氣體導排設施，填埋氣體嚴禁自然聚集、遷移等，防止引起火災和爆炸。其導排設施宜采用豎井（管），也可采用橫管（溝）或橫豎相連的導排設施。在規范中對氣體的回收利用則沒有作任何規定和要求。
建立生物反應器填埋場的一個重要目的是回收填埋氣，所以，在生物反應器填埋場的設討中，需要對傳統填埋場的氣體收集系統進行優化。對氣體收集系統最大的改進是安裝氣體回收系統，以滿足氣體回收的需要。
在傳統衛生填埋場中，氣體回收系統通常是在一個填埋單元完成幾年后才進行安裝。而對于生物反應器填埋場來說，氣體收集井需要在填埋單元完成后馬上進行安裝，甚至在某些特殊情況下，氣體收集井需要在填埋過程中就安裝。同時，氣體收集井建立必須考慮填埋場發展的后續要求，以滿足在后來的改進中容納更多的垃圾。
對于生物反應器填埋場的氣體收集井來說，與傳統填埋場相比較，已有多種可供選擇的構造形式。當填埋場填埋高度增加時，修建水平氣體收集井是必需的。
生物反應器填埋場的回收氣體質量較好，其氣體中的甲烷含量可接近理論上的最高值，約達到55%。這種填埋氣很容易通過氣體渦輪機或內燃發電機轉化為電能；也可用于燃氣鍋爐燃料或作為汽車燃料。關于填埋氣作為燃料的研究工作已有實驗證明是可行的。
生物反應器填埋場的氣體收集井結構形式可采用與傳統衛生填埋場的氣體收集井相同的結構形式，只是因封場系統的不同，使氣體收集井的結構形式上也有所不同。同時由于生物反應器填埋場的產氣階段集中，產氣率比傳統衛生填埋場大，為了使氣體導排通暢，在設計時，氣體收集井導排管管徑應比傳統衛生填埋場要大。生物反應器填埋場的氣體收集井結構形式見圖3。
 圖3 生物反應器填埋場的氣體收集井結構形式 |
3、生物反應器填埋場設計存在的問題
到目前為止，我國在傳統衛生填埋場的設計方面已經建立起一個相對完整的由標準、規范、指南組成的技術體系，并且不乏成功設計、興建和運行管理的工程實例，如深圳下坪、廣州大豐、北京北神樹等填埋場，使傳統衛生填埋場的建設能做到有的放矢。但國內對于生物反應器填埋場的建設還沒有相應的規范標準和工程實例，使我國的生物反應器填埋場設計還無據可依，且無經驗可循。同時我國城市垃圾成分與發達國家相比存在很大差異，發達國家城市垃圾的特點是食品垃圾和灰渣所占比例低，而紙類、玻璃、塑料等較高，同時垃圾含水率一般為20%～30%，與土壤持水能力相當，而我國垃圾含水率一般在40%～50%，夏季更高；垃圾成分的不同導致了所產生的滲濾液的差異也很大。因此，這種短期內不能改變的狀況決定了我國垃圾生物反應器填埋技術研究及工程設計既要借鑒國外經驗，更要考慮自身特點。
4、結束語
由于我國生物反應器填埋場的研究工作尚處于起步階段，進入真正的實施還有較長一段時間，希望所有從事填埋場設計、建設和研究的有關人員能從不同的角度并結合實際工程的需要，對生物反應器填埋場的設計工作提出自己的觀點和看法，以盡快建立一個完善的技術體系。推動生物反應器填埋場建設工作的深入開展。
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