基于中子慢化/活化效应的填埋场中含水率实时监测新方法及其物理机理研究

Moisture content is one of the most important factors in MSW bioreactor landfill. Neutron probe is applicable to measure moisture content in practical landfill engineering, which is in conditions of inhomogeneous and large-scale environment, providing a lossless, contactless, sensitive and continuous solution. But this method is significantly affected by the bound hydrogen that is an inherent part of wood and plastic materials normally contained in landfills. Another limitation is due to capture of neutrons by elements with relatively high absorption capacity, like iron, potassium, and chloride, which are present inherently in the waste. In addition, the change in bulk density between the calibration medium and the test media may result in misinterpretation of the neutron count measurements. In this project, the prompt gamma rays are used to perform elemental analysis of solid wastes from the interaction between neutron and materials when using neutron probe technique. Then, the analysis results can be used to solve the above problems. In details, this project includes the following studies: studying the relationship between the hydrogen content in the organic matter and other elements, such as carbon, oxygen, nitrogen, sulfur, to estimate the hydrogen content in the organic matter based on microorganism degradation rules of solid waste; study the effect on the results with neutron probe technique by chlorine, iron and potassium; study the changes of characteristic gamma rays count for the mark element with bulk density, to determinate the errors caused by bulk density with those changes.

垃圾含水率调控是生活垃圾生物反应器填埋技术最核心的内容之一。中子测水技术具有无损、不需接触、灵敏度高、连续测量等特点，适用于填埋场这种非均匀性的，大规模条件下的水分原位测量。但填埋场垃圾有机质中H、中子吸收体及介质密度对中子测水的准确度有较大影响。本项目利用中子测水过程中产生的包含大量元素成分信息的γ射线，采用PGNAA技术对填埋场垃圾进行元素成分分析，利用这些元素成分信息去解决应用中子测水技术检测填埋场垃圾含水率中存在的主要技术瓶颈。研究垃圾降解过程中有机质中H与C、O、N、S元素之间的关系，结合微生物降解规律，估算有机质中H的含量，有效地降低有机质中H的干扰；研究垃圾中中子吸收体Cl、Fe、K等元素含量对慢中子计数率的影响，确定根据中子吸收体含量对中子测水结果进行修正的方法；研究介质密度变化时标记元素的瞬发γ射线特征峰计数的变化，通过标记元素含量变化来确定介质密度对中子测水结果的误差。

生物反应器填埋技术由于具有较高的生物降解效率和垃圾资源化水平成为新型垃圾处理技术的研究热点，其中水分控制是该技术核心内容之一。填埋垃圾中含水率和环境有害元素含量的在线检测，可为填埋场安全稳定运行提供必要的技术支持。本项目研发完成了一种基于PGNAA技术的填埋垃圾含水率及有害元素检测方法，主要研究工作如下：.（1）研究填埋场中有代表性的垃圾理化性质，采用聚乙烯球、玻璃球和超纯水混合物模拟填埋垃圾。针对填埋场中实际环境，利用MCNP建立含水率检测装置研究模型，通过蒙卡模拟研究氢元素特征峰强度的变化规律，对模型的检测范围进行研究，以此为依据确定装置各项尺寸参数并搭建实验研究平台。.（2）通过调控聚乙烯球和玻璃球配比制备了具有不同含水率的填埋垃圾模拟样品。采用蒙卡模拟和实验相结合的方法对填埋场中含水率检测进行了研究。结果表明，氢峰强度随着含水率的增加而增强，两者具良好的线性相关性，采用相对k0法分析模拟结果，得到填埋垃圾含水率数值平均绝对误差为0.88%，表明采用PGNAA技术对填埋场中含水率进行检测具备一定的可行性。.（3）采用模拟和实验方法分别对填埋垃圾模拟样品中有害元素进行检测研究。结果表明，氯、锰、镍、铬元素特征峰强度均随着元素容重的增加而增强，且呈现良好的线性变化关系。其中氯元素的检测限因其中子吸收截面相对较大而较低，并研究了其含量变化对氢峰强度的影响。而锰、镍、铬元素中子吸收截面相对较低，其含量变化对中氢峰强度的干扰较小。