不同通风模式下生活垃圾填埋稳定化研究.pdf

第 31 卷第 4 期2023年8月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.4Aug.2023第 31 卷第 4 期2023年8月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.4Aug.2023不同通风模式下生活垃圾填埋稳定化研究*淦方茂1，金攀2，虞文波2，郭帅2，惠二青1，杨家宽2（1.长江生态环保集团有限公司，湖北武汉430062；2.华中科技大学 环境科学与工程学院，湖北武汉430074）【摘要】以生活垃圾为研究对象，设置厌氧、好氧、微好氧 3 组填埋反应器，对填埋过程中渗滤液、垃圾堆体、填埋气三相指标进行分析，研究填埋垃圾的稳定化进程。结果表明：好氧和微好氧环境下能够减少渗滤液的产生量，加速渗滤液中污染物的降解。相对于厌氧填埋反应器，好氧填埋反应器温度更高，垃圾堆体沉降速度更快。微好氧填埋过程中垃圾堆体内部 O2浓度可以维持在 10%左右，O2浓度分布由上至下依次递减，随着填埋深度的增加，气体更难扩散。【关键词】村镇垃圾；填埋处置；通风模式；渗滤液；填埋气；稳定化中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）04-0083-07DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.04.014Study on the Stabilization of Solid Waste Landfill Under Different Ventilation ModesGAN Fangmao1，JIN Pan2，YU Wenbo2，GUO Shuai2，HUI Erqing1，YANG Jiakuan2（1.Yangtze Ecology and Environment Co.Ltd.，WuhanHubei430062；2.School of Environmental Science andEngineering，Huazhong University of Science and Technology，WuhanHubei430074）【Abstract】The solid waste was taken as research object.Three groups of anaerobic，aerobic and micro-aerobiclandfill reactors were set up to analyze the three phase indexes of leachate，landfill waste，and landfill gas in landfill process，so as to study the stabilization process of landfill.The experimental results showed that the aerobic and micro-aerobicconditions could reduce the production of leachate and accelerate the degradation of pollutants in leachate.Compared withanaerobic landfill，the aerobic landfill reactor temperature was higher and the settlement rate of the waste pile was faster.Inthe process of micro-aerobic landfill，the concentration of O2inside the landfill could be maintained at about 10%.Theconcentration distribution of O2decreased from top to bottom.As the depth of the landfill increased，it became harder forthe gas to disperse.【Key words】rural solid waste；landfill；ventilation modes；leachate；landfill gas；stabilization0引言卫生填埋作为我国目前农村生活垃圾无害化处理处置的主要方式，具有投资成本和运行成本低、易于管理，且对入场垃圾的组分要求不高等优点1。但是，传统垃圾填埋场的垃圾降解速度相对较慢，需要较长的时间来稳定、监测和维护2。而填埋过程中产生的填埋气体在村镇垃圾填埋场难以收集，是温室气体的重要产生源。此外，垃圾渗滤液含有难降解有机物、氨氮、持久性污染物等3，不妥善处置会产生二次污染，影响我国村镇地区居民的生活环境。好氧生物填埋反应器运用强制通风措施可最大限度地缩短垃圾稳定化周期，同时降低渗滤液中污染物浓度4。微好氧生物反应器填埋场的设计原理是在不提供动力的情况下，利用管道的不满流设计和填埋场的内外压力差，保证外界空气不断向填埋场内部流动5。Ishikagi 等6报道在有氧情况下的填埋垃圾堆体温度比传统的厌氧填埋高 10，有利于部分微生物的代谢活动，加速垃圾堆体中有机物降解。这种填埋方式具有有机物降解率高（比厌氧系统高 1 个数量级）、提高脱氮能力和减少甲烷生成等优点7-8。Sekman 等9报道中试规模的填埋实验中，经过 140 d 的反应时间，厌氧反应器渗滤液中 COD 浓度仍有 87 650 mg/L，而曝气量为 0.1 L/（minkg）的填埋反应器渗滤液COD 浓度只有 5 000 mg/L；另外，其氨氮浓度只*基金项目：国家重点研发计划专项（2018YFD1100604）；武汉市科技计划项目（2020020601012277）；中国长江三峡集团有限公司科研项目（202101356）；长江生态环保集团有限公司科研项目（HB/ZB2021138）收稿日期：2022-08-31；录用日期：2023-04-25城乡生活垃圾填埋与二次污染控制环境卫生工程2023 年 8 月第 31 卷第 4 期有厌氧反应器渗滤液中氨氮浓度的 37%。通风模式是填埋垃圾稳定化研究的一个重要方向。Chu等10发现连续通风反应器中垃圾降解速度最快；间歇通风可以创造厌氧、好氧、兼性好氧条件，有利于垃圾填埋场厌氧和好氧微生物的生长和代谢；相 对 于 连 续 通 风，间 歇 通 风 成 本 降 低80%10。Qiu 等11研究了通风频率对填埋垃圾稳定化的影响，发现通风频率为 13 时垃圾降解速率最快，污染物去除速率最高。Zhang 等12报道了在自然通风情况下，利用填埋垃圾自身的孔隙与垃圾堆体内外的温度差，可以增加填埋垃圾堆体中氧气浓度。本研究在上述研究的基础上，系统开展厌氧、好氧、微好氧 3 种填埋模式下液、固、气三相变化的研究，进一步通过 CFD 模拟软件对好氧反应器内氧气浓度流场进行模拟计算。为好氧与微好氧填埋工艺在实际工程中应用提供实验支撑。1材料与方法1.1实验装置实验所用反应器为有机玻璃材质的填埋反应柱，壁厚 10 mm、直径 400 mm、总高 1 000 mm，如图 1 所示。共设置 3 组生物反应器，分别为厌氧生物反应器、好氧（强制通风）生物反应器、微好氧（自然通风）生物反应器。以强制通风生物反应器为例，反应器底部为锥形，坡度（i）为0.25，并在底部接 1 根直径 25 mm 的渗滤液收集管，锥体部分铺设碎石子作为导滤层，渗滤液经导滤层由渗滤液收集管流入渗滤液收集桶；反应器中央设置 1 根直径 25 mm 的穿孔花管作为导气管，外接风机通风，风量为 1 L/（minkg）13；反应器距底部高度 500 mm 处设置 1 个直径 100 mm的固体取样口，取样口配有法兰盘密封，反应器距底部高度 250 mm 处设置 1 个温度计探头。反应器顶盖依次设置有雨水回灌口、导气管通风口、填埋气检测口，各管口皆设有阀门，可实现管路的启闭。填入垃圾后，垃圾层上方铺设 50 mm 的卵石层，以实现均匀布水。垃圾层中设有填埋气收集装置管，管路连接填埋气检测口外接气体检测。厌氧反应器不接风机，各管口阀门关闭，保证装置内严格厌氧，在填埋气检测口接 1 根支管收集填埋气；微好氧填埋反应器不接风机，通风管阀门开启，其他管口阀门关闭；为保证渗滤液产生量，根据武汉市当地降雨量收集雨水，通过雨水回灌口汇入反应器中。卵石层雨水回灌口法兰盘顶盖气体检测100100 100 100导气管取样口法兰盘1 00050100温度计风机渗滤液收集管i=0.25渗滤液收集桶注：图中长度单位为 mm。图 1实验用垃圾填埋反应器Figure 1Lab-scale landfill reactor1.2实验原料为保证反应器填充原料的均一性，本实验使用自配的模拟生活垃圾。填埋垃圾组分比例参考前期的调研监测结果14。单个反应器填埋垃圾量为 33.2 kg，其中使用学校食堂的餐厨垃圾 20 kg、菜市场的菜叶 6.4 kg、校园收集到的树叶 4.8 kg、破碎后的秸秆 2 kg。模拟垃圾充分混合均匀后，填充至反应器中，垃圾的基本特性如表 1 所示。表 1模拟垃圾基本特性Table 1Characteristics of simulated wastes含水率/%68.881.02有机质含量/%94.171.13高位热值/（kJ/kg）13 561.12963.98元素组成/%C32.15H4.32O12.36N0.89S0.351.3实验方法3 组反应器垃圾固体样品每隔 15 d 取样 1 次，所取样品均匀混合破碎后，测定含水率和有机质含量；3 组反应器渗滤液和填埋气每周取样测定两次。垃圾含水率与有机物含量参考 CJ/T 3132009 生活垃圾采样和分析方法进行测定，垃圾堆体温度通过温度传感器直接读取。干燥后垃圾热值通过氧弹式量热仪（中国三德，SDACM3100）进行测定；干燥样品中 C、H、O、N、S 含量通过元素分析仪（德国Elementar，Vario Micro cube）进行测定。渗滤液中 BOD、COD、NH4+-N 分别通过BOD 水质测定仪（中国中科德馨环保，LL-IS）、84重铬酸钾法与纳氏试剂分光光度法进行测定15。填埋气体组分含量通过沼气分析仪（英国 Geotech，Biogas5000）进行测定。2结果与讨论2.1渗滤液产生量和水质2.1.1渗滤液产生量整个实验周期为 45 d，武汉市总降雨量为62.9 mm，降雨量集中在第 1020 天，如图 2 所示。3 组反应器的渗滤液产生量趋势基本保持一致，在实验初期（05 d），渗滤液产生量较大，来源于垃圾自身在重力沉降作用下产生的渗滤液（图 2）。第 1020 天雨水汇入反应器内使得渗滤液产生量增加。20 d 后渗滤液产生量（以绝干垃圾计）单日低于 10 mL/kg。45 d 的填埋实验后，好氧生物反应器停止产渗滤液；厌氧、微好氧与好氧反应器渗滤液总产生量分别为 384.8、339.2、309.1 mL/kg。厌氧生物反应器渗滤液产生量高于好氧和微好氧生物反应器，说明填埋反应器在空气流通的开放系统中，可以通过蒸发作用实现渗滤液的减量化。2.1.2渗滤液水质指标渗滤液 pH 是表征填埋过程稳定化阶段的一个重要指标，填埋初期的水解酸化阶段中有机物水解成小分子酸，导致渗滤液 pH 较低。如图 3 所示，3 组反应器中渗滤液 pH 在前 10 d 经过快速上升后保持在一个稳定的水平，厌氧和微好氧反应器渗滤液 pH 分别稳定在 5.0 和 5.5 左右，说明两组反应器还处于填埋初期的水解酸化阶段。好氧反应器渗滤液 pH 维持在 6.57.5，并且还有缓慢上升的趋势，说明好氧条件有利于小分子酸降解，加快了填埋稳定化进程3。厌氧、好氧与微好氧 3 组反应器渗滤液初始COD 浓度分别