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第15章 让垃圾远离我们的生活(3)

垃圾填埋有平面作业法、斜坡作业法和沟填作业法三种。垃圾经过称重、堆卸、推匀、压实、层间覆土、最终覆土等多道工艺完成填埋过程。在填埋场内,垃圾一般分区分层进行填埋。每天运到的生活垃圾在限定的区域内铺成40~80厘米的垃圾层,然后压实,当垃圾层的厚度为2.5~3米(最大厚度不超过9米)时,压实后的垃圾层必须覆土20~30厘米,生活垃圾层和土壤覆盖层共同构成一个填埋单元,具有相同高度的一系列相互衔接的填埋单元构成一个填埋层,一个或几个垃圾填埋层达到填埋场的最终设计高度以后,其上再覆盖一层90~120厘米的土壤,压实后标志着垃圾填埋场封场。填埋场的作用有贮留垃圾,隔断垃圾与外界环境的水力联系,对水、气和垃圾本身的处理。

垃圾填埋示意图

填埋处置对环境的影响主要是填埋场释放物对周围环境的影响。填埋场释放物包括渗沥液和填埋气体。

填埋场水分来源于垃圾的生化反应以及降入的雨水和渗入的地下水。这些水分溶解了垃圾中的可溶解物质和垃圾在降解过程中产生的可溶性物质形成渗沥液。渗沥液是集有机污染物、重金属和病原体微生物三位一体的污染源,处理不当会污染地表水、土壤和地下水。

渗沥液的产量与垃圾组成、防渗层的性能、最终覆盖层的性能和大气降雨情况有关,主要来源于雨水,降雨在补充了垃圾含水量小于垃圾持水量的差值后,就全部转化为渗沥液。可降解垃圾在降解过程中产生的水分量大小与垃圾的组成有关,每米厚的填埋垃圾其降解的水量约为42毫米,垃圾分解的产水量与渗沥液总量相比很小。填埋垃圾在降解过程中会产生气体,气体排出时会携带一部分水分,根据填埋场环境温度下的饱和蒸汽压和气体排放总量计算,该部分水分可达垃圾总量的20%~30%。一般来说,填埋场运营期间的渗沥液产量较大,封场以后的产量较小。

渗沥液的水质与垃圾组成、垃圾分解阶段、防渗层的透水量及填埋场运行方式有关,受季节的影响变化明显。在垃圾的填埋阶段以及填埋场封场后的监督阶段,渗沥液的污染强度和污染特征随时间一直发生变化。受垃圾组成和分解阶段的影响,垃圾填埋阶段和封场初期的渗沥液较多,微生物分解垃圾的反应也较剧烈,前期渗沥液中有机污染物产量较高,后期渗沥液中有机污染物的浓度很快降低到较小。一般来说,当垃圾中的厨余、纸类和庭院植物垃圾含量高时,渗沥液中的COD(化学耗氧量)、BOD(生物化学需氧量)、NH3N(氨氮)等有机污染物含量也高,如果垃圾中的废旧金属没有回收利用,渗沥液中的重金属离子浓度也相对较高。受降雨影响,渗入场内水分越多,微生物活动加强,垃圾分解得越快,同时淋滤进行得越剧烈,渗沥液中污染物总量越多,污染物浓度有增大的趋势,当然水分对污染物浓度有稀释作用。水量水质相互影响,水质波动较大,几分钟内渗沥液中有机物及无机物的浓度变化小于10%,几小时或几天的有机物及无机物浓度变化为30%左右。填埋场的垃圾差异使渗沥液具有明显的场地特色。垃圾组成复杂,微生物在其中的活动不均匀,造成垃圾的物理化学和生化反应在不同的填埋场或同一填埋场的不同区域各处都有差异。在对多个填埋场渗沥液的分析中发现了150多种有机污染物,其中包括尼古丁、咖啡因等有害成分和多种重金属离子。

垃圾中的可降解有机物在厌氧微生物的作用下产生以甲烷为主的可燃性气体,即填埋气。甲烷是一种无色、无味且密度较轻的气体,甲烷虽无毒,但具有易燃易爆的特性,甲烷着火点为650℃~750℃,当有氧存在时,甲烷的爆炸极限为5%~15%,即甲烷浓度达到10%左右时会发生强烈的爆炸。

垃圾填埋广泛推广压实机械。垃圾经压实机压实后,不但大大降低垃圾堆地产生火灾的危险和害虫滋生的条件,而且提高了填埋场的使用年限。为防止垃圾渗沥液对地下水和土壤的污染,必须将渗沥液与外界的联系切断,同时还要防止外界地表径流、地下水进入填埋场,以减少渗沥液的产生。因此,填埋场采用了防渗层、渗沥液集排系统、雨水集排系统、周边雨水或洪水排泄系统、地下水集排系统、每日封闭系统和封顶层等。一般的填埋场主要包括贮留构筑物、防渗衬层系统、渗沥液控制系统、渗沥液处理系统、入场道路和管理设施。

目前,我国生活垃圾处置以填埋为主。许多地区由于经济发展落后和资金的制约,填埋场的设计标准低,有的就在山沟、凹地进行简易填埋,无害化处理水平低,特别是填埋场的渗沥液,由于没有进行必要的收集和处理,已经导致一些地区的地下水严重污染,危害日益凸现,成为一个不容忽视的问题。而在发达的大城市和沿海地区,即便是采取了垃圾渗沥液处理与沼气收集的卫生填埋方式,由于各种因素的制约,与成熟的填埋工艺还有一定距离,垃圾中的有害物质对周边环境的潜在危险是不言而喻的。填埋场不能杀死有害细菌,封场后需要监管15~30年,处理周期长,垃圾填埋基本没有投资收益。

五、破解术:好氧堆肥

好氧堆肥就是在有氧存在的条件下,利用好氧微生物(如自然界广泛存在的细菌、放线菌、真菌等)的外酶将有机固体废弃物分解为溶解性有机质,溶解性有机质可渗入微生物细胞内,微生物通过新陈代谢把一部分溶解性有机质氧化为简单的无机物,为微生物的生命活动提供能量,其余溶解性有机物被转化为营养物质,形成新的细胞体,使微生物不断增殖,从而促进生活垃圾中可被生物降解的有机质向稳定的腐殖质转化,腐殖质不再具有腐败性,即不再对环境产生不良影响。好氧堆肥的产物称为堆肥。

(一)堆肥工艺

垃圾堆肥过程主要由垃圾堆肥前处理、一次发酵、二次发酵和堆肥后分选处理四个工序组成。

1.垃圾堆肥前处理

垃圾堆肥前处理一般由人工粗分选、破碎、筛分、人工再分选和拌料等环节组成。垃圾从料斗进入粗选皮带,粗选皮带的带速为0.25米/秒,人工粗选从皮带上分拣出砖头石块、无机物堆体、大木块木棒、纸板、铁丝和绳索等。粗选后的垃圾由滚筒刀破碎,破碎后的垃圾又送入滚筒筛,体积大的塑料袋、废纸等留在筛上,被送入再分选皮带,再分选皮带的带速为0.1米/秒,由人工分选进一步选出塑料、废纸、金属和玻璃等可回收物,再去除填埋物,其余为焚烧物,体积小的垃圾至筛下皮带,由磁选器去除铁物,再由人工拣出电池等有害废物和填埋物后才可用作堆肥原料。堆肥原料增湿拌合菌种后,由皮带输送机送入发酵仓皮带,再由卸料小车送入各个发酵仓,发酵仓里的垃圾为自然堆积,堆积不均匀时由卸料机整理,发酵仓的下部布置送风和渗滤液收集系统,送风系统提供发酵所需氧气,渗滤液由上部喷嘴撒入发酵堆以保持发酵过程有合适的含湿量,用热电偶温度计检测发酵过程中的温度变化。

2.一次发酵

一次发酵可在露天或发酵装置内进行,通过翻堆或强制通风向堆积层或发酵装置内供给氧气,在堆肥初始阶段的1~3天时间里,发酵仓底的堆肥物由于供氧充足,好氧微生物首先分解易腐质,然后吸取其分解有机物的碳/氮营养成分,部分营养成分用于细菌自身繁殖,其余营养成分被分解成二氧化碳和水,同时放出热量使堆温上升。当堆温处于25℃~45℃时,中温菌微生物比较活跃;随着堆层温度的不断升高,当堆温处于45℃~65℃时,高温微生物如嗜热菌、放线菌等逐渐占据主导地位,中温微生物受到抑制甚至死亡,有机质进行更快速的分解,使堆温迅速上升到60℃~70℃或更高的温度,这时除过易腐有机质继续分解外,部分纤维素和木质素也逐渐被分解,腐殖质开始形成。实践证明,堆肥温度在60℃以上保持3天,就能杀死垃圾中的寄生虫卵、病原微生物和杂草种子,达到堆肥无害化的目的。

一次发酵的生化反应主要有葡萄糖在真菌、兼性真菌作用下的分解,淀粉在糖化酶作用下的水解,纤维素在纤维素酶的作用下逐渐水解为葡萄糖,蛋白质在蛋白酶和肽酶的作用下降解为氨基酸等。

脂肪在甘油酯水解酶的作用下水解成脂肪和甘油,脂肪酸经过其β碳原子的氧化而降解。木质素是苯基类丙烷的复杂聚合物,它也能被真菌和放线菌所降解,但其降解速度与其微生物的新陈代谢活动相比慢到可以忽略不计。

经过4~l0天的高温发酵,大部分有机质被分解,堆层需氧量逐渐减小,这时残余少量有机质降解所产生的热量不足以维持堆层温度,物料温度呈现下降的趋势,堆肥物质初步稳定化,一次发酵结束。

堆肥有机质的降解主要是在一次发酵阶段完成的,所以一次发酵也称为主发酵,一次发酵时间的长短因堆肥原料和发酵装置的不同而不同,一般为3~10天。对一次发酵过程的各种参数进行有效控制,可以提高发酵的效率和产品的质量。

3.二次发酵

经过一次高温发酵后,随着床温的下降,这时的中温微生物又开始活跃起来,堆肥进入二次发酵,中温二次发酵过程对于堆肥非常重要,堆肥的充分腐熟就是在这一阶段完成的。未腐熟的堆肥表现为碳氮比的较高或较低。例如,未腐熟堆肥的碳氮比高时,施与土壤的堆肥会由于继续分解夺取土壤中的氮,从而造成植物的氮饥饿;而当未腐熟堆肥的碳氮比低时,施与土壤的堆肥会由于进一步分解放出氨气,也会危害植物的生长。因此,经过一次发酵后的堆肥有必要进行进一步的熟化,它使在一次发酵工序中尚未分解的易分解及较难分解的有机物可能全部分解,变成腐殖质、氨基酸等比较稳定的有机物,从而使成品的肥效大大提高。二次发酵一般需要10~20天。经过二次发酵后的物料中,几乎所有的有机物都变细变碎或变形,数量也减少了。

4.堆肥后处理

堆肥后处理的目的是把在前处理中没有被分离出的塑料、玻璃、金属、砖块等从堆肥中分离出来,将腐熟后的垃圾加工成品质稳定、含湿量较低的干粉料。垃圾经过一次发酵和二次发酵,其中的有机物都基本稳定,颗粒粒径进一步减小,使得从堆肥中分离出不合农用标准的物料变得容易,这对提高堆肥产品的质量很有好处。堆肥后处理中的关键问题是塑料薄膜和重金属的去除。

堆肥后处理一般由干燥、磁选、风力分选、磨碎和造粒等环节组成。腐熟垃圾首先经过去除金属,然后由风力分选机去除塑料薄膜。腐熟垃圾的干燥是在滚筒干燥机中完成,利用焚烧炉的烟气为加热工质,烟气与物料同流向,直接接触,干燥温度110℃。干燥物料由反击式破碎机处理,出料粒度≤10毫米,进一步用振动磨机加工,出料粒度小于40目时适宜造粒要求。

(二)好氧堆肥设备

1.螺旋组发酵仓

螺旋组发酵仓的主要部件是一组可以公转、自转的螺旋装置。工作时,物料通过旋转臂中的输送带均匀地分布在发酵仓的周边,然后通过旋转臂上一组悬吊的轴线从上向下向中心偏斜的螺旋搅拌,使物料不断由四周向中心移动,移动速度的大小由发酵时间确定。仓底布风,发酵好的堆肥由中心出料斗排出。

2.回转窑式发酵仓

回转窑式发酵仓也称为滚筒发酵仓。回转窑式发酵仓的主要部件是一倾斜布置的长形圆筒,工作时,筒体缓慢旋转,物料由稍高的一端供给,然后在筒体内一边发酵一边沿筒体旋转方向被提升,当提升到一定高度后垃圾沿抛物线运动自上部跌落。这样垃圾在发酵的过程中不断被搅拌和破碎,垃圾层中供氧。垃圾发酵时间由筒体的旋转速度和倾角来调整,发酵完成后堆肥物料由最低的一端排出。

3.槽式发酵仓

槽式发酵仓一般是一宽度为2~3米、深度为2~4米的长方体槽。垃圾在槽内发酵,槽一底供氧,堆肥料层的长度与处理量和供氧能力有关。槽式发酵仓的关键装置是翻堆机。通过翻料,不仅可以增加堆层中的氧气,而且可以破碎物料,加快发酵反应速度。既可以当翻料机还可以提升和输送物料。

(三)影响堆肥的关键因素

1.含水率

微生物只能吸收溶解性养分,同时水分是微生物细胞的重要组成部分。理论上讲,堆肥垃圾中的水分越多越好。但垃圾中水分含量过大,水将充满垃圾颗粒的间隙,使空气不能渗透到料堆积层的内部,阻止微生物好氧呼吸,甚至有可能出现厌氧状态,从而降低发酵速度和堆温;垃圾中水分含量较小时,可溶有机质的流动性变差,将阻止养分对微生物的供给,妨碍微生物活性,减慢微生物增倍。同样使有机物分解速度变小。所以,好氧堆肥原料的含水率一般保持在45%~65%。

固体颗粒所能持有的最大含水率(不包括颗粒间隙中的水分)称为极限含水率。

堆肥原料水分过高时通过天然干燥、加热干燥或添加木屑和稻壳的方法进行调整,水分过低时用成品堆肥、污泥或粪水进行调节,堆肥有机物的极限含水率一般控制在60%~80%。

水——万物不可或缺

2.氧量

垃圾好氧堆肥对氧的消耗量与有机质的氧化量成正比。垃圾通风量过小时不能满足微生物繁殖的要求,将使有机质的降解速度降低;垃圾通风量过大时其排气量也大,堆肥排气可将堆层中的热量和水分带走,堆层中的水分和温度降低同样将造成有机质的降解速度降低,因此,堆层通风要综合考虑各种因素。在垃圾堆肥的初级阶段,有机质含量最高,有机质分解激烈,供风量大,当堆层温度上升到70℃以上时,加大通风量带走更多的热量,使堆温不致升得太高,当有机质基本分解后,通风主要是为了减少堆肥的水分,使产品便于贮存。好氧堆肥的实际通风量根据堆温测量控制。

3.温度

每一种微生物都有适宜其繁殖的温度范围,堆层温度不同,堆肥微生物的种类、数量和活性均不同,对各种有机质的分解能力也不同。对于最适宜的温度为65℃的高温微生物来说,温度偏离最适宜值时,微生物的活性降低,如40℃时的微生物活性只有其最适宜温度活性的2/3左右,而70℃以上时微生物呈孢子状态,微生物的活性几乎为零。

4.pH值

在堆肥的过程中,堆肥物料的pH值会随发酵阶段的不同而变化,但其自身有调节pH值的能力。pH值在5.0~8.0之间变化时,对堆肥过程无影响;pH值偏离此范围时,要对物料进行调节,如掺入成品堆肥。堆肥结束时的有机肥pH值几乎都在8.5左右。

5.碳/氮比

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