填埋场好氧稳定化进程中有机组分降解模拟实验研究
作者单位：重庆大学
学位级别：硕士
导师姓名：李蕾
授予年度：2022年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学]
摘 要：开展填埋场快速稳定化修复有助于杜绝简易填埋场及膜破裂卫生填埋场对环境的污染,实现场地复垦,释放土地资源。好氧稳定化由于具有快速、高效、经济等特点,成为了填埋场快速稳定化修复的主要方法之一。尽管国内外已经有不少填埋场好氧稳定化的工程案例,但鲜有人探究好氧稳定化中有机全组分的降解规律,并建立降解模型以供修复耗时预测。基于此,本研究以实验室规模的好氧稳定化反应器为研究对象,以不同降解程度的垃圾为底物,在同一曝气量和液体回灌方式下开展好氧稳定化模拟实验。通过测定稳定化过程中的气相指标、垃圾组分指标及渗滤液成分指标,以明确它们的时空变化规律,并建立污染物降解模型,得到了不同场景下的降解模型参数,并构建了好氧稳定化耗时预测方法。本研究主要研究结果如下:(1)以模化垃圾、实际垃圾作为底物,分别模拟卫生填埋场中降解程度较低的新鲜垃圾和老垃圾填埋中降解程度较高的陈垃圾。发现新鲜垃圾在好氧稳定化进程中,糖类、蛋白质、脂肪、半纤维素、纤维素、硝态氮、总氮的降解普遍呈现出三阶段降解规律:其含量/浓度随曝气先降低再升高再降低。而填埋场陈垃圾各组分及渗滤液成分指标普遍呈现出两阶段波动的规律:其含量/浓度随曝气先升高再降低。另外,降解过程中发现,对于某类特定的组分(如纤维素、总糖),其降解程度与底物中的原始含量相关,初始含量越高则在好氧稳定化进程中促进降解的效果更好。而对于综合的可生物降解度(BDM)等参数,降解程度不同的垃圾降解率呈相似特性。(2)分析新鲜垃圾、填埋场陈垃圾呈现出的降解规律发现,尤其对于降解程度低的垃圾,将有机组分的水解考虑至其降解模型中是必要的。多项式更适用于数学关系模型的影响因子过多的情况。其中,二次函数特殊的单调性能更好的表现出水解过程中可溶性物质的变化;另一方面,其有且只有一个的顶点和不断变化的斜率,能表现出水解、代谢速率的变化和两种活动主导阶段的更替。因此本研究采用二次函数模拟微生物水解过程,结合传统代谢阶段的指数函数拟合,构建了好氧稳定化分段非线性降解模型。(3)该函数模型将垃圾中有机组分在好氧稳定化进程中的降解分为水解主导的降解和代谢主导的降解,分别以二次函数、指数函数进行拟合。新鲜垃圾有机组分降解模型为指数函数+二次函数+指数函数,填埋场陈垃圾有机组分降解模型为二次函数+指数函数,各模型拟合度均在0.9以上。此外,根据各降解模型拟合参数可知,相较其他阶段,代谢主导的末阶段(阶段C)持续时间远长于其他阶段,代表性更强,有利于后续的模型应用。(4)根据两类垃圾有机组分降解规律和污染控制要求,构建好氧修复后填埋场稳定度的判定,得到了稳定度随时间的变化关系,并应用于填埋场好氧稳定化的修复时间预测,最后基于两个案例介绍了好氧稳定化耗时的精确、粗略预测方法。其中,对于重庆市某拟进行修复耗时精确评价的填埋场,得到该填埋场稳定化理论修复耗时为237d;对于需要快速获得粗略预测结果的某填埋场,发现其垃圾性质位于本实验两类垃圾之间,结合本实验的模型参数,预测其稳定化修复耗时约在244～250d之间。本研究首次关注有机全组分在好氧垃圾填埋场如何降解,解决了好氧稳定化污染物降解规律不明的问题,有助于为该技术的拓展应用提供基础数据。将垃圾降解过程中各成分的水解过程与代谢过程进行分段拟合,以二项式+一级动力学模型的形式将微生物活动展开描述,给出不同场景下的好氧稳定化降解模型参数的同时也提高了模型拟合优度及过程描述完整性,为好氧稳定化模型建立提供了新思路。最后提供了针对待评价填埋的精确、粗略稳定化耗时预测方法,可根据不同填埋场的要求,实现高精度或快速预测,既让填埋场稳定化耗时预测有据可依,也加大了不同垃圾性质填埋场进行好氧稳定化治理时的区分度,有助于填埋场治理工作对症下药,从而有效节约资源,响应了生态环境保护规划。
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