在世界各地，堆積到填埋場的垃圾數量正在以驚人的速度增長。傳統的垃圾填埋場不僅占用了大片土地，還會帶來很多環境問題，因此研究人員希望尋求一種更加安全且節省空間的解決方案。一個可行的方案是將傳統的厭氧 填埋場轉換為好氧 生物反應器式填埋場。然而這一轉換過程或許還需耗費數年時間進行更為深入的實驗研究。為了更快地獲取結果，加拿大西安大略大學（University of Western Ontario）的研究人員使用 COMSOLMultiphysics? 軟件對轉換過程進行了高效的分析。

一探填埋場的究竟

人口數量不斷增長，人類產生的垃圾數量也在同步增加。一個驚人是事實是，固體廢棄物數量到 2025 年幾乎會翻一番。這些廢棄物中的很大一部分最終會被運往填埋場進行處理，一些大型填埋場的規模甚至堪比整個城鎮。然而，土地是一種有限的資源，如果放任情況繼續惡化，我們最終將無處放置我們自己產生的垃圾。不僅如此，不斷增多的填埋場還會給周圍環境帶來嚴重的危害。

垃圾填埋場。

圖像由 AlanLevine 自行拍攝。已獲 CC BY 2.0 許可，通過 Flickr Creative Commons 共享。

首先，我們以干墓式填埋場——這一常見的填埋場類型為例進行了解。顧名思義，此類填埋場的廢棄物掩埋方式可以隔絕水分，從而抑制微生物的生長和活性。雖然干墓式填埋場成本較低，然而一旦有水分滲入，將會產生各種各樣的問題。例如，水分的滲入會提升微生物的活性，進而導致甲烷的產生，甲烷是一種比二氧化碳作用更強的溫室氣體。在美國，填埋場甚至成為了甲烷排放的第三大源頭。不僅如此，填埋場還會產生有害的滲濾液，如果處理不當，滲濾液便會滲入地下水位，嚴重影響周邊環境和人類健康。基于上述原因，研究人員正在探索傳統填埋場的替代性設計，其中的一個可行性方案便是好氧生物反應器式填埋場。

什么是好氧生物反應器式填埋場？

生物反應器式填埋場可以通過是否需要空氣分為兩種類型：好氧式和厭氧式。在本文中，我們主要探討好氧生物反應器式填埋場，其特點是通過將空氣和水分注入填埋場內部來提高好氧微生物的活性，進而提升生物降解速率，加速廢棄物的分解，并更加迅速地為其余待處理垃圾創造出存放空間。與厭氧式填埋場相比，這種方法還能最大限度地減少了有害滲濾液和甲烷的產生。

通過注入空氣并使滲濾液再循環，可使細菌和營養物均勻分布，從而可以將現有的填埋場改造為好氧生物反應器式填埋場。以這種方式構建的好氧式填埋場需要對其進行不間斷的監測，以保證氧氣和水分等指標適合好氧微生物進行分解。如無外部干預，供氧量將會不足，進而無法提供足量的好氧細菌，導致形成致命的厭氧環境。由此產生的有害滲濾液會污染地下水，并嚴重危害周圍環境。

在實施轉換過程之前，研究人員需要進行進一步的分析。此項研究如果采用傳統的物理實驗，可能需要花費數年時間才能得出結論。為使研究更具時效性，加拿大西安大略大學的研究人員采用了仿真對轉換過程進行分析。

使用多物理場建模研究生物反應器式填埋場

在研究過程中，研究人員將廢棄物模擬為多孔介質。他們借助傳熱和化學反應仿真對好氧填埋場的工作原理進行了全面深入的了解。借助 COMSOL Multiphysics，他們便可以通過使用分布式常微分方程（ordinarydifferential equation，簡稱 ODE）來引入生物動力學方程。

研究人員創建了一個如下圖所示的二維模型，該模型由一個 20 米× 20 米的填埋單元構成，單元的角落和中心分別設計有空氣注入井及抽氣井。借助這個模型，研究人員深入分析研究了不同關鍵因素對填埋場的轉換過程產生的影響。

填埋單元的幾何結構。

圖像摘錄自Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 發表于 COMSOL 年會 2015 波士頓站的論文。

首先，研究團隊在仿真分析中對溫度的作用進行了研究，并將其作為填埋場內生物降解成功的“指示器”。之所以這樣做是因為好氧生物的降解是放熱

過程，會產生熱量。因此，當填埋場的溫度與周圍環境溫度相似時，表明只發生了程度很低的生物降解反應，而溫度升高則表明生物降解成功進行。

請務必牢記，只有在適度范圍內提升溫度才對降解過程有利。如未對填埋場進行監測，溫度將會持續升高并殺死好氧細菌。因此，研究人員的一個主要目標便是使氧生物反應器式填埋場始終處于最佳溫度，不會過高或過低。

考慮到這一點，研究人員對兩種控制溫度的方法進行了研究：

1.提高氣流速率

2.提高滲濾液注入速率

他們采用的第一種方法是將氣流速率提升四倍。這種做法雖并未大幅度降低溫度，卻在加熱至最佳溫度之前，使空氣流更充分地流入了廢棄物內，由此產生的對流作用使單元內的溫度分布得更加均勻。

一天之后，不同氣流速率對應的溫度。三種情況的初始溫度都為 293 K。

圖像摘錄自 Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 發表于 COMSOL 年會 2015 波士頓站的論文。

研究人員采用的第二種方法是注入滲濾液，由下圖可以看出溫度顯著降低。這表明與氣流速率相比，滲濾液流率對于控制填埋場的溫度更為有效。在這里，滲濾液的再循環過程起到了散熱器的作用，能有效驅散生物量產生的反應熱，并確保溫度不會超過限度。如果沒有使用這種溫度控制方法，生物量將過熱并開始死亡，其濃度將幾乎降為 0，進而大幅減慢生物降解過程。

一天后，不同滲濾液注入速率對應的溫度。三種情況的初始溫度都為 293 K。

圖像摘錄自 Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 發表于 COMSOL 年會 2015 波士頓站的論文。

另一個影響厭氧反應器式填埋場轉換為好氧生物反應器式填埋場的因素是初始好氧生物量的濃度。您可以根據下圖觀察不同的生物量濃度是如何影響溫度的。當初始好氧生物量的濃度較低時，生物量增長緩慢，產生較少的熱量；而當初始生物量濃度過高時，好氧細菌則生長過快，會產生過量的熱。基于仿真結果，研究人員得了以下結論：初始生物量濃度是填埋場轉換過程中的關鍵因素。

一天后，不同初始好氧生物量濃度對應的溫度。三種情況的初始溫度都為 293 K。

圖像摘錄自 Hecham M. Omar 和 Sohrab Rohani 發表于 COMSOL 年會 2015 波士頓站的論文。

建立具有更優性能的填埋場的下一步研究工作

研究團隊借助多物理場建模深入地研究了會對好氧式填埋場的轉換過程產生影響的因素，相比于傳統的實驗測試，仿真分析更為快速，同時還讓那些原本無法用物理原型進行分析的研究場景變得可行。

盡管模型已與研究人員的期望和現存文獻相符，但研究團隊認為他們的模型仍需經過實驗和工業數據的驗證。展望未來，這種好氧生物反應器式填埋場設計還有很大的提升空間，例如在初始好氧生物量濃度中注入好氧污泥可進一步加速填埋場內的轉換過程。

 作者：Caty Fairclough