在世界各地，堆积到填埋场的垃圾数量正在以惊人的速度增长。传统的垃圾填埋场不仅占用了大片土地，还会带来很多环境问题，因此研究人员希望寻求一种更加安全且节省空间的解决方案。一个可行的方案是将传统的厌氧填埋场转换为好氧生物反应器式填埋场。然而这一转换过程或许还需耗费数年时间进行更为深入的实验研究。为了更快地获取结果，加拿大西安大略大学（University of Western Ontario）的研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对转换过程进行了高效的分析。
一探填埋场的究竟
人口数量不断增长，人类产生的垃圾数量也在同步增加。一个惊人是事实是，固体废弃物数量到 2025 年几乎会翻一番。这些废弃物中的很大一部分最终会被运往填埋场进行处理，一些大型填埋场的规模甚至堪比整个城镇。然而，土地是一种有限的资源，如果放任情况继续恶化，我们最终将无处放置我们自己产生的垃圾。不仅如此，不断增多的填埋场还会给周围环境带来严重的危害。
垃圾填埋场。图像由 Alan Levine 自行拍摄。已获CC BY 2.0许可，通过Flickr Creative Commons共享。
首先，我们以干墓式填埋场——这一常见的填埋场类型为例进行了解。顾名思义，此类填埋场的废弃物掩埋方式可以隔绝水分，从而抑制微生物的生长和活性。虽然干墓式填埋场成本较低，然而一旦有水分渗入，将会产生各种各样的问题。例如，水分的渗入会提升微生物的活性，进而导致甲烷的产生，甲烷是一种比二氧化碳作用更强的温室气体。在美国，填埋场甚至成为了甲烷排放的第三大源头。不仅如此，填埋场还会产生有害的渗滤液，如果处理不当，渗滤液便会渗入地下水位，严重影响周边环境和人类健康。基于上述原因，研究人员正在探索传统填埋场的替代性设计，其中的一个可行性方案便是好氧生物反应器式填埋场。
什么是好氧生物反应器式填埋场？
生物反应器式填埋场可以通过是否需要空气分为两种类型：好氧式和厌氧式。在本文中，我们主要探讨好氧生物反应器式填埋场，其特点是通过将空气和水分注入填埋场内部来提高好氧微生物的活性，进而提升生物降解速率，加速废弃物的分解，并更加迅速地为其余待处理垃圾创造出存放空间。与厌氧式填埋场相比，这种方法还能最大限度地减少了有害渗滤液和甲烷的产生。
通过注入空气并使渗滤液再循环，可使细菌和营养物均匀分布，从而可以将现有的填埋场改造为好氧生物反应器式填埋场。以这种方式构建的好氧式填埋场需要对其进行不间断的监测，以保证氧气和水分等指标适合好氧微生物进行分解。如无外部干预，供氧量将会不足，进而无法提供足量的好氧细菌，导致形成致命的厌氧环境。由此产生的有害渗滤液会污染地下水，并严重危害周围环境。
在实施转换过程之前，研究人员需要进行进一步的分析。此项研究如果采用传统的物理实验，可能需要花费数年时间才能得出结论。为使研究更具时效性，加拿大西安大略大学的研究人员采用了仿真对转换过程进行分析。
使用多物理场建模研究生物反应器式填埋场
在研究过程中，研究人员将废弃物模拟为多孔介质。他们借助传热和化学反应仿真对好氧填埋场的工作原理进行了全面深入的了解。借助 COMSOL Multiphysics，他们便可以通过使用分布式常微分方程（ordinary differential equation，简称 ODE）来引入生物动力学方程。
研究人员创建了一个如下图所示的二维模型，该模型由一个 20 米× 20 米的填埋单元构成，单元的角落和中心分别设计有空气注入井及抽气井。借助这个模型，研究人员深入分析研究了不同关键因素对填埋场的转换过程产生的影响。
填埋单元的几何结构。图像摘录自 Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 发表于COMSOL 年会 2015 波士顿站的论文。
首先，研究团队在仿真分析中对温度的作用进行了研究，并将其作为填埋场内生物降解成功的“指示器”。之所以这样做是因为好氧生物的降解是放热过程，会产生热量。因此，当填埋场的温度与周围环境温度相似时，表明只发生了程度很低的生物降解反应，而温度升高则表明生物降解成功进行。
请务必牢记，只有在适度范围内提升温度才对降解过程有利。如未对填埋场进行监测，温度将会持续升高并杀死好氧细菌。因此，研究人员的一个主要目标便是使氧生物反应器式填埋场始终处于最佳温度，不会过高或过低。
考虑到这一点，研究人员对两种控制温度的方法进行了研究：
- 提高气流速率
- 提高渗滤液注入速率
他们采用的第一种方法是将气流速率提升四倍。这种做法虽并未大幅度降低温度，却在加热至最佳温度之前，使空气流更充分地流入了废弃物内，由此产生的对流作用使单元内的温度分布得更加均匀。
一天之后，不同气流速率对应的温度。三种情况的初始温度都为 293 K。图像摘录自 Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 发表于 COMSOL 年会 2015 波士顿站的论文。
研究人员采用的第二种方法是注入渗滤液，由下图可以看出温度显著降低。这表明与气流速率相比，渗滤液流率对于控制填埋场的温度更为有效。在这里，渗滤液的再循环过程起到了散热器的作用，能有效驱散生物量产生的反应热，并确保温度不会超过限度。如果没有使用这种温度控制方法，生物量将过热并开始死亡，其浓度将几乎降为 0，进而大幅减慢生物降解过程。
一天后，不同渗滤液注入速率对应的温度。三种情况的初始温度都为 293 K。图像摘录自 Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 发表于 COMSOL 年会 2015 波士顿站的论文。
另一个影响厌氧反应器式填埋场转换为好氧生物反应器式填埋场的因素是初始好氧生物量的浓度。您可以根据下图观察不同的生物量浓度是如何影响温度的。当初始好氧生物量的浓度较低时，生物量增长缓慢，产生较少的热量；而当初始生物量浓度过高时，好氧细菌则生长过快，会产生过量的热。基于仿真结果，研究人员得了以下结论：初始生物量浓度是填埋场转换过程中的关键因素。
一天后，不同初始好氧生物量浓度对应的温度。三种情况的初始温度都为 293 K。图像摘录自 Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 发表于 COMSOL 年会 2015 波士顿站的论文。
建立具有更优性能的填埋场的下一步研究工作
研究团队借助多物理场建模深入地研究了会对好氧式填埋场的转换过程产生影响的因素，相比于传统的实验测试，仿真分析更为快速，同时还让那些原本无法用物理原型进行分析的研究场景变得可行。
尽管模型已与研究人员的期望和现存文献相符，但研究团队认为他们的模型仍需经过实验和工业数据的验证。展望未来，这种好氧生物反应器式填埋场设计还有很大的提升空间，例如在初始好氧生物量浓度中注入好氧污泥可进一步加速填埋场内的转换过程。
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