太阳能生物反应器用于粉煤灰、炉渣和生活垃圾共处置性能研究
随着中国经济的快速增长，2008年底全国655个城市生活垃圾清运量达1．52亿吨，粉煤灰、炉渣排放量达到1．6亿吨，历年库存约11亿吨，占地达到50万亩。如此大量的生活垃圾、粉煤灰、炉渣的产生、排放是我国目前面临的严重环境问题。同时我国常规化石能源日益紧张，国家正积极提倡发展生物质能源。发展生物反应器垃圾填埋技术，既可解决大量生活垃圾的出路问题、减少其对环境的不利影响，又开辟了新的生物质能来源，是缓解我国常规能源紧张状况的新途径。
本研究首次利用生物反应器对生活垃圾、粉煤灰和炉渣共置处理进行模拟试验研究。首先对比研究了添加粉煤灰、炉渣后对生物反应器填埋垃圾降解率、产甲烷量、渗滤液浓度等方面的变化，进而深入研究了添加粉煤灰、炉渣后提高生物反应器垃圾降解效率及甲烷产量等方面的作用，阐明了粉煤灰、炉渣提高生物反应器性能的机理，为解决生活垃圾及粉煤灰、炉渣问题提供新的方式途径，以达到以废治废目的。
同时首次利用太阳能复合增温系统与生物反应器结合，对比研究了在昼夜更替、四季变化的自然条件下，太阳能复合增温系统对生物反应器增温、保温效果，以及太阳能生物反应器对粉煤灰和生活垃圾共置处理的产气效果，以达到生物反应器稳定高效运行目的，并对太阳能生物反应器系统能效模型进行了研究，对系统能量进行了模拟分析和能量衡算。研究获得如下主要结论：
1、通过模拟实验，对常规卫生填埋(Sanitary landfill SL)和生物反应器填埋(Bioreactor landfill BL)处理生活垃圾进行考察，着重研究了生物反应器对粉煤灰和生活垃圾共置处理的性能，对生物反应器降解效率和产气量行了对比试验。试验设计了4个反应器，其中，模拟SL没有任何控制措施，模拟BL1、BL2和BL3进行渗滤液循环回灌；SL与BL1装填生活垃圾，BL2装填生活垃圾和粉煤灰，BL3装填生活垃圾和炉渣。结果发现，添加粉煤灰、炉渣对提高生物反应器垃圾填埋处理效果作用十分突出，共置处理效果显著好于生活垃圾单一处理的BLl，总产气量提高5．9～7．8倍，最高日产气量提高10倍，甲烷含量可提高2倍以上，渗滤液COD浓度降低60％以上，可增加11．7％的填埋空间。
2、对粉煤灰、炉渣和垃圾共置处理提高生物反应器性能的机制进行了研究。通过模拟试验，研究了粗、细粉煤灰及炉渣三种物质对pH、重金属、COD的调节、吸附性能，以及添加粉煤灰、炉渣后，垃圾渗滤液在反应器内部垂直、水平方向的渗透分布变化。结果发现，粉煤灰、炉渣可调节生物反应器内酸碱度，有效去除重金属离子，在垂直方向上可延长渗滤液在反应器中停留时间4～5倍，在水平方向上起到均布调节作用，减少生物反应器内缝隙短流和冲刷现象，有效改善水分及营养物质在生物反应器内的空间分布，对提高生物反应器填埋处理效果有着显著作用。
3、为了实现在自然环境条件下生物反应器稳定高效运行，提出了利用温室—太阳能热水器复合增温系统对生物反应器增温、保温。通过对比试验证明，太阳能复合增温系统可有效提高生物反应器降解效率，与自然条件下无增温措施的生物反应器相比，在春、夏、秋三季，太阳能生物反应器内温度分别提高了13．0℃～28．5℃、15．0℃～26．5℃和10．7℃～12．2℃，累积产气量分别提高了198％、106％、143％。太阳能复合增温系统能在冬季维持生物反应器的正常运行。
4、对太阳能生物反应器系统能量的传递以及净能量进行了模型研究。经过模拟计算得出，春、夏、秋三季太阳能复合增温系统在无外加能量的情况下即可以满足生物反应器厌氧消化的温度需求，其中太阳能温室占总增温效果的比例分别为45．5％、47％和48．4％。冬季生物反应器若正常运行则需额外的能量对其加热，其中温室、太阳能热水器及电加热所占比例分别为7．8％、56．7％和35．5％。通过对能量产出和消耗情况分析，太阳能生物反应器在春、夏、秋三季的能量转化效率比自然条件下提高了15％、37％和19％，但是冬季试验中维持生物反应器运行则耗能大于产能。
太阳能;生物反应器;生活垃圾处理;粉煤灰;炉渣;沼气
北京化工大学
博士
化学工程
李秀金
2011
中文
TK61;TK519
111
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）