填埋场好氧修复过程碳排放特征及削减研究_张可 (1).pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220808基金项目:污染场地土壤地下水系统中重金属迁移扩散与预测(2018YFC1800601);国家自然科学基金(42077111)第一作者:张可(1997)，男，硕士，主要从事生活垃圾填埋场温室气体排放核算及削减方面的研究工作。zhangk526164119 163com*通信作者:龙吉生(1966)，男，博士，主要从事固废处理和垃圾焚烧方面的研究工作。long shjeccnDOI:10.13205/jhjgc202212003张可，龙吉生，刘义行，等 填埋场好氧修复过程碳排放特征及削减研究 J 环境工程，2022，40(12):1721，60填埋场好氧修复过程碳排放特征及削减研究张可1龙吉生2*刘义行1王湘徽2楼紫阳3(1上海电力大学 环境化学与工程学院，上海 201306;2上海康恒环境修复有限公司，上海 201703;3上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200241)摘要:填埋场是温室气体的主要人为排放源之一。由于历史原因我国目前存在着大量到期填埋场及非正规堆场，面临着严峻的存量垃圾问题，亟需进行修复，而好氧修复技术因其能够有效加速垃圾稳定化而得到了广泛应用，但修复过程中其碳排放特征尚且未知。因此，以某大型垃圾填埋场为对象，考察其在不同的修复状态下，填埋场有机质垃圾和二次污染物的变化特征，揭示其在好氧修复下的稳定化进程，并核算该过程中的甲烷(CH4)减排效果。结果表明:该填埋场在曝气量和注水量分别为 322.34 m3/min 及 25.65 m3/d 的操作状态下，通过间歇注气方法(注气 3 h，停3 h，每日运行 9 h)，垃圾中有机质平均含量从 47.66%降至 17.86%;填埋气 CH4含量从 0.02%46.48%下降至 4.23%，满足导气管排放口 CH4浓度5%的要求;渗滤液中(COD)、(氨氮)及(总氮)分别降低至 800.8，680.9，897.8 mg/L;在修复过程中，该填埋场CH4实际排放量从24.57 t 降低至2.47 t，减少了22.10 t CH4排放，同时由于填埋场稳定化的加速，其 CH4排放潜力减少了 1.75 kg/t 垃圾。该研究成果中好氧修复可做为填埋场 CH4减排的重要支撑。关键词:碳减排;填埋场;好氧修复;CH4减排CABON EMISSION CHAACTEISTICS AND EDUCTION FOM LANDFILL THOUGHFOCED AEOBIC STABILIZATION POCESSZHANG Ke1，LONG Jisheng2*，LIU Yihang1，WANG Xianghui2，LOU Ziyang3(1College of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai Electric Power University，Shanghai 201306，China;2SUS Environment，Shanghai 201703，China;3School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200241，China)Abstract:Landfill is one of the main anthropogenic emission sources of greenhouse gases Due to historical reasons，there area large number of expired landfills and informal storage yards in China facing a severe problem of waste stock that needs torepair urgently Aerobic remediation technology has been widely used because it can effectively accelerate waste stabilization，but its carbon emission characteristics in the remediation process are still not clear Taking a large-scale landfill as the object，this paper investigated the change characteristics of landfill organic waste and secondary pollutants under different repairingstates，revealed its stabilization process under aerobic repair，and calculated the effect of methane emission reduction in thisprocess The results showed that under the aeration and water injection of 322.34 m3/min and 25.65 m3/d respectively，byintermittent gas injection method(opening for 3 hours and stopping for 3 hours，running for 9 hours per day)，the content oforganic matter in garbage decreased from 47.66%to 17.86%;the proportion of methane in landfill gas decreased from0.02%46.48%to 4.23%，reaching the requirement that the methane concentration at the outlet of air duct was less than5%;the concentrations of COD，ammonia nitrogen and total nitrogen in leachate decreased to 800.8 mg/L，680.9 mg/L and环境工程第 40 卷897.8 mg/L respectively;during the restoration process，the actual methane emission of the landfill was reduced from 24.57tons to 2.47 tons，cut by 22.10 tons At the same time，due to the acceleration of the stabilization of the landfill，its methaneemission potential was reduced by 1.75 kg/t waste In conclusion，aerobic remediation could provide important support formethane emission reduction in landfill sitesKeywords:carbon emission reduction;landfill;aerobic repair;methane emission reduction0引言随着我国经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，“垃圾围城”“垃圾毒害”现象已经十分严重1。填埋一直我国主要的垃圾处理方式，根据我国住建部的统计数据显示，2020 年我国垃圾填埋量达到了7771.5 万 t2。由于历史原因，我国许多地区采取了非正规填埋垃圾的方式。根据我国“非正规垃圾堆放点排查整治信息系统”中录入的信息显示，当前我国非正规填埋场和堆场达到 2.4 万个，垃圾存量达到约 63 亿 t。这些非正规填埋场没有按照国家标准和规范安装四周防渗和气体导排装置，仅对垃圾堆体表面进行了简单覆盖，导致周围水体和土壤环境遭受到了二次污染，并排放了大量的 CH43。垃圾处理是主要的人为 CH4排放源之一，在垃圾处理过程中，“投收运处”全过程都有可能产生温室气体，其中 CH4的主要来源为垃圾填埋过程中的有机物厌氧发酵4，5。填埋垃圾中的有机质通过厌氧食物链的协同作用，在水解酸化产氢产乙酸乙酸型或氢型产 CH43 阶段作用下会生成 CH4、CO2等气体，其中 CH4占 45%60%6，7。填埋场目前已经成为垃圾处理领域主要的 CH4排放源，2020 年，全球垃圾处理 CH4排放量达到 6526 万 t，而生活垃圾填埋场的 CH4排放量约为 3380 万 t，占比达到52%8。好氧修复技术是一种较有效的非正规填埋场治理技术，通过向填埋场内注入适量的空气以及水分，使填埋场内的有机物质快速降解9。国内外已经针对好氧修复技术进行了广泛研究，Prantl 等10 通过装置模拟不同条件下的老填埋场原位修复，研究固体物质、渗滤液和填埋气中碳和氮的变化规律;Cossu等11 通过模拟反应柱进行正交实验，探究了不同温度下好氧生物反应的降解效果;Sang 等12 对好氧曝气填埋体内微生物种群及数量动态变化进行研究，归纳了好氧曝气填埋体内的微生物种群类别;付春霞13 使用不同曝气频率对填埋垃圾进行曝气，研究不同曝气频率下垃圾总有机质、渗滤液污染物的降解情况。该技术可以提高垃圾中有机物的分解速率，减少有害气体的排放，减少渗滤液产量，加快填埋场稳定化进程，已经在填埋场稳定化工作中得到广泛使用，对控制填埋场污染具有重大意义14。本文以某大型填埋场为例开展实证性研究，考察该填埋场在好氧修复过程中的稳定化进程及碳削减潜能，以为我国未来填埋场治理工作提供参考。1填埋场概况及 CH4核算方法1.1目标垃圾填埋场概况该填埋场位于华东地区，主要处理生活垃圾和少量建筑垃圾等，平均填埋深度约 15 m，经过 14 年堆填，填埋总量约为 154.7 万 t，共 238.1 万 m3。本研究在该场地 020.1 m 的填埋深度中取得了 34 个垃圾样品。经成分分析得知:腐殖土占比最大，为38.93%68.24%，平均值为 54.54%;其次是塑料，占比平均为 19.26%;再者是纺织物，为 13.01%;纸张、金属和玻璃组分含量较少，占比分别为 0.16%、0.95%和 1.17%。详见表 1。表 1填埋场场地调查概况Table 1Overview of the targeted landfill类别数值填埋量/万 t154.70平均填埋深度/m15填埋年限(填埋+封场年限)/a19组分/%腐殖土38.93%68.24%，均值 54.54%塑料6.96%32.86%，均值 19.26%纺织物4.69%23.49%，均值 13.01%纸张00.51%，均值 0.16%堆场垃圾的有机质含量为 31.30%65.10%，均值为 47.66%，34 个采样点的垃圾样品的有机质含量均16%。场地生活垃圾生物可降解度(DOCF)为4.43%11.90%，均值为 8.40%。其中，生活垃圾半纤维含量为 32.29%45.09%，均值为 39.13%;木质素含量为 11.60%17.75%，均值为 13.38%;表明该填埋场中大部分区域自然有机物(如非塑料、非橡胶等)已基本降解，生活垃圾厌氧腐化程度较高。结合垃圾组分筛选结果，本场地填埋垃圾塑料的平均占比为 19.26%，含量较高;场地难降解有机物多，导致本场地 有 机 质 含 量 高。垃 圾 含 水 率 为 35.86%81第 12 期张可，等:填埋场好氧修复过程碳排放特征及削减研究45.68%，均值为 40.27%。填埋气 CH4含量为 0.0246.48%，均值为 21.16%。1.2好氧修复技术好氧修复系统由空气注入和填埋气收集系统、尾气吸收系统、渗滤液收集和液体循环系统及数据监测与控制系统组成(图 1)，其中填埋气收集系统由注气和抽气风机、注气井、抽气井和导气管道组成。在填埋堆体中埋设注气井、回灌井和抽气井。加密设井，井作用半径采用 12 m，井间距为 20.78 m(图 2)，并将收集的渗滤液和其他液体回注至垃圾堆体，使堆体中的有机物维持在适宜的含氧量、温度、湿度条件下，经好氧微生物的作用快速降解，缩短垃圾分解的时间15。渗滤液处理过程添加化学药剂和生物菌剂(A-BST-A 型和 A-BST-B 型微生物菌剂)，并回灌至垃圾堆体中。操作过程采用间歇注气方法，每天运行9 h，其中注气 3 h，停 3 h。图 1好氧修复技术工艺流程Figure 1Process flow of aerobic remediation technology图 2井位布置示意Figure 2Schematic diagram of wellspositions1.3稳定化指标测定方法有机质含量使用 HJ 7612015固体废物 有机质的测定 灼烧减量法 测定，生物可降解率采用重铬酸钾滴定法(GB/T 238572009生活垃圾填埋场降解治理的监测与检测)测定，CH4及非 CH4总烃采用气相色谱法(HJ 382017固定污染源废气总烃、甲烷和非甲烷 总烃的测定 气相色谱法)测定，恶臭采用 GB/T 146751993空气质量 恶臭的测定 三点比较式臭袋法 测定，渗滤液中 COD 采用HJ 8282017水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法 测定，氨氮采用 HJ 5352009水质 氨氮的测定 纳 氏 试 剂 分 光 光 度 法测 定，总 氮 采 用GB 1189489水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 测定。1.4生活垃圾填埋场 CH4核算模型以 IPCC 推荐的一级衰减动力学模型(FOD)为基础，核算填埋场好氧修复前及过程中产 CH4潜能16，17。在核算过程中，将 FOD 引入了时间参数，根据垃圾中各个组分的降解速率，计算出各个组分 CH4排放，体现了有机物的降解过程18。模型如下:L0=MSW4i=1MCFfiDOCiDOCFF16/12(1)ECH4=MSW4i=1MCFfiDOCiDOCF(e(T1)ki eT ki)F16/12(1 )(1 OX)(2)式中:L0为产 CH4潜能，t;ECH4为 1 年内填埋 MSW 固体废弃物在 T 年所产生 CH4排放，t;MSW 为填埋场当前填埋量，t;MCF 为 CH4的修正因子;fi为不同垃圾成分比例，%;i 为不同垃圾(如厨余、纸张、织物、竹木和其他);DOCi为可降解有机碳比例;DOCF为分解的 DOCi比例，%;T 为垃圾填埋时间，a;ki为 CH4产生速率常数;F 为填埋气体中 CH4比例，%;为CH4收集率，%;OX 为 CH4氧化系数。2填埋场稳定化进程及温室气体削减分析2.1填埋场稳定化特征分析依据 GB/T 251792010生活垃圾填埋场稳定化场地利用技术要求，对堆体的稳定化过程进行了评估，具体指标见表 2。2.1.1有机质变化特征在填埋场稳定化过程中，通过 322.34 m3/min 曝气及 25.65 m3/d 的注水量，堆体中有机质含量逐渐下降，如图 3 所示。其中，东部区域在好氧修复工作开始前有机质含量高于西侧，经过 2 年降解，至 2021年 9 月，该区域有机质含量由初始值 31.3%57.0%下降至 11.0%28.0%。西侧填埋垃圾由于填埋龄91环境工程第 40 卷表 2垃圾填埋场场地现状及稳定化水平Table 2Current situation and stabilization level ofthe landfill site项目标准填埋场场地现状判定结果封场年限5 a(GB/T 251792010)5 a满足填埋物有机质含量 16%(GB/T 251792010)31.30%65.10%未满足地表水水质满足 GB 3838 相关要求未发现地表水系满足堆体中填埋气CH4浓度 1%5%(GB/T251792010)0.02%46.46%，均值 21.16%未满足场地区域大气质量 达到 GB 3095 二级标准未超过相关标准满足恶臭指标达到 GB 14554 二级标准未超过标准满足堆体沉降不均匀，1030 cm/a(GB/T 251792010)较长，有机质含量略低于东部，剩余的有机质可能较难降解，随着好氧修复工程的进行，该区域剩余有机质含量略高于东部，为 11.9%30.3%。同时，填埋区垃圾有机质平均含量从 47.66%降低至 17.86%，说明好氧降解过程可以加速垃圾中有机质的降解过程。图 3有机质变化特征Figure 3Variation characteristics of organic matters2.1.2填埋气变化特征好氧修复过程中，填埋场有机质垃圾在微生物的作用下会氧化产生 CO2，从而降低其中的温室效应19。不同填埋气浓度随时间变化的趋势如图 4 所示。可知:在好氧反应工程运行的前 8 个月内，O2浓度最高，CO2浓度其次，CH4浓度最低。其中 CH4浓度稳定在 2.79%左右，在第11 个月达到 4.23%，已达到我国最新发布的生活垃圾填埋场污染控制标准(征求意见稿)中填埋场导气管排放口 CH4浓度5%的要求。O2和 CO2浓度含量变化不大，分别稳定在 11.2%14.2%和 5.3%10.9%。2.1.3堆体沉降变化特征填埋场稳定化过程中沉降变化特征如图 5 所示。图 4填埋气变化特征Figure 4Variation characteristics of landfill gases可知:随着时间的变化，堆场沉降高度不断升高，在好氧修复工程运行 20 个月时，沉降高度达到 0.36 m。在工程运行前 8 个月，沉降高度约为 0.14 m;8 13 个月时，沉降高度约为 0.14 m;1320 个月时，沉降高度约为 0.09 m，说明堆体整体沉降速度在逐渐减缓。图 5堆体沉降变化特征Figure 5Settlement variation characteristics2.1.4渗滤液变化特征在整个运行过程中，填埋场渗滤液变化特征如图 6所示。可知:经过为期近 2 年的处理后，(COD)从 73518900 mg/L 下降至 800.8 mg/L，(氨氮)从160 5650 mg/L 下降至 680.9 mg/L，(总氮)从5525710 mg/L 下降至 897.8 mg/L。渗滤液浓度基本稳定，C/N 稳定在 1 左右，属于典型老龄渗滤液水质特征20。2.2温室气体削减特征分析根据 IPCC 核算方法，填埋场的 CH4排放核算所涉及的垃圾组分、DOCi和 k 值参数见表 3。由 1.1 节02第 12 期张可，等:填埋场好氧修复过程碳排放特征及削减研究图 6渗滤液中 COD、氨氮和总氮变化特征Figure 6Variation characteristics of COD，ammonia nitrogen and totalnitrogen in leachate表 3该填埋场生活垃圾有机质组分、DOCi及 k 值取值Table 3Value of organic matterscomponent，DOCiand k values of MSW in the landfill垃圾成分DOCik 值组分占比/%腐殖土0.110.1754.54纺织0.270.0313.01竹木0.330.042.64纸张0.240.060.16可知，分解的 DOC 比例 DOCF为 8.4%，填埋气中CH4比例为 21.16%。根据前期准备工作18 可知，厨余垃圾 k 值为 0.185，而由于腐殖土中包含了厨余、植物物质等有机垃圾，因此 k 值偏低，取 0.17。OX取 0.1，取 0.24。此外，基于该填埋场未设有良好的覆盖层，其MCF 取值为 0.8118。同时依据采样分析数据得知，在好氧修复工程运行过程中，该填埋场 DOCF下降至4.91%，填埋气中 CH4比例下降至 4.23%。T 分别取19 和21 a。经式(1)、(2)计算得知:在好氧修复过程中，该场地 CH4排放量从 24.57 t 减少至 2.47 t，CH4减排量为 22.10 t，同时由于有机质含量的减少，CH4排放潜力从 3073.22 t 下降至 361.84 t，产 CH4潜能减少了 2711.38 t，每吨垃圾的 CH4排放潜力减少了1.75 kg。3结论1)针对华东地区某填埋场好氧修复工程，在322.34 m3/min 曝气及 25.65 m3/d 的注水量条件下，堆体中有机质含量从47.66%下降至17.86%，CH4浓度从 21.16%下降至 4.23%，沉降高度达到 0.36 m;此外，渗滤液(COD)从 735 18900 mg/L 下降至800.8 mg/L，(氨氮)从 160 5650 mg/L 下降至680.9 mg/L，(总氮)从 552 5710 mg/L 下降至897.8 mg/L。2)根据 FOD 模型计算可知:该垃圾填埋场在好氧修复过程中 CH4排放量从 24.57 t 降低至 2.47 t，减少了 89.9%的 CH4排放，共 22.10 t。产 CH4潜能从 3073.22 t 下降至 361.84 t，每吨垃圾的 CH4排放潜力减少了 1.75 kg。证明好氧修复技术在填埋场稳定化工作中能够起到良好的 CH4削减效果。3)在 24 个月的项目运行期间内，该填埋场各项指标均得到了较大程度的改善，其中，CH4浓度已达到了现行的生活垃圾填埋场污染控制标准限值。当前我国非正规填埋场众多，面临着严峻的填埋场治理难题，好氧修复工程为期通常为 13 年，能使老旧填埋场的废水及废气问题得到较好控制，减少对周边环境的二次污染。我国对于好氧修复技术的研究起步较晚，未来应加强该方面的相关研究，以期解决我国严峻的非正规填埋场治理问题。参考文献1姜龙雨，徐亦迅 垃圾填埋场的设计与防渗处理技术研究J城市建设理论研究:电子版，2016，6(7):1414-14152中华人民共和国国家统计局 中国统计年鉴M 北京:中国统计出版社，20213马先芮，胡佳晨，王欢，等 好氧生物治理技术在瑞安东山垃圾填埋场治理中的应用J 广东化工，2019，46(13):157-1594王晓琳，曹爱新，周传斌，等 垃圾填埋场 CH4氧化菌及 CH4减排的研究进展J 生物技术通报，2016，32(5):16-255UNEPCCAC Global Methane Assessment:Benefits and Costs ofMitigating Methane Emissions 20216冯俊熙，陈多福 垃圾填埋场 CH4排放监测方法研究进展 J环境科学与技术，2014，37(3):174-1797高庆先，杜吴鹏，卢士庆，等 中国城市固体废弃物 CH4排放研究 J 气候变化研究进展，2006，2(6):269-2728HGLUND-ISAKSSON L，GMEZ-SANABIA A，KLIMONT Z，etalTechnicalpotentialsandcostsforreducingglobalanthropogenic methane emissions in the 2050 timeframe-resultsfromtheGAINSmodel J 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