城市垃圾填埋场覆膜内的甲烷及恶臭物质特征研究

卫生填埋是常用的固体废弃物处置方法。部分填埋场对已经封场和暂时不填埋垃圾的区域覆盖高密度聚乙烯膜(HDPE),便于雨水分流、减少垃圾渗滤液产生量。通过在华北地区某城市生活垃圾卫生填埋场设置采样点,监测分析了HDPE覆膜内积聚的甲烷及恶臭物质的浓度和成分,研究在不同季节、填埋时间产生的甲烷及恶臭物质特征。结果表明:填埋场覆膜内甲烷的平均浓度为15.6%;硫化物、胺类以及恶臭浓度分别为153.9 mg/m3,16.0 mg/m3以及4 322 OU。主要的恶臭物质为硫化氢和氨。总挥发性有机物的浓度为0~147.2 mg/m3,苯系物、烷烃和烯烃是挥发性有机物的主要成分。恶臭浓度与硫化物、胺类浓度具有明显的相关性。环境温度、垃圾填埋龄和填埋量对甲烷及恶臭物质的产生与释放有明显影响。夏季甲烷及恶臭浓度分别达到81.2%和20 943 OU,明显高于其他季节。随着垃圾填埋龄和填埋量的增加,恶臭物质的浓度和成分均发生显著变化。     

城市生活垃圾填埋产气规律研究

通过理论计算及实验室和现场的试验,研究了生活垃圾填埋产气规律。结果表明,理想条件下上海市生活垃圾填埋产气量最大不超过96.31L/kg;填埋后1～5a内,产气速率为1.7～247.2mL/kg·d;填埋后2a的产气速率为4.6mL/kg·d;填埋气体中CH_4和CO_2的体积分数范围分别为55％～60％和25％～35％。     

有机成分比例对高固体浓度厌氧发酵产甲烷的影响

在12%高固体质量分数和中温(35± 1)℃条件下,开展了碳水化合物、蛋白质和脂肪不同比例联合厌氧发酵对产气性能和有机质降解过程影响的研究.结果表明,当3种有机质比例为55:36:9时,每gVS最大产甲烷量、最大比产甲烷速率、实际甲烷产率分别为404.1mL/gVS、11.2mL/(gVS·d)和326.7mL/gVS,皆高于其他有机质比例,并且有机质的降解过程更为高效、稳定.适当添加碳水化合物一方面能够提升自身的降解率,另一方面促使蛋白质和脂肪的进一步降解.当碳水化合物质量百分比高于65%时,总酸、单酸和分子态酸浓度的增加成为发酵过程的抑制因素.蛋白质质量百分比越高,发酵启动时间和发酵周期相应延长,其质量百分比高于48%时,总氨氮和游离氨对产甲烷过程造成一定抑制作用.     

含固率和接种比对叶菜类蔬菜垃圾厌氧消化的影响

通过叶菜类蔬菜垃圾中温批式厌氧消化实验,比较了含固率(3%、5%、7%)和接种比(1.5、2.5、3.5)对产甲烷效果的联合影响.结果表明,在研究实验参数范围内,含固率越低、接种比越高,越有利于缩短产甲烷反应迟滞期,平均日产甲烷速率越快.经过52d的培养,在含固率为3%、接种比为3.5的工况中,平均日产甲烷速率最快,达到9.5mL/(gVS?d),日最大产甲烷速率最快,达到49.8mL/(gVS?d),最早进入快速产甲烷期.当接种比为3.5时,随着含固率的升高,产甲烷速率下降,迟滞期延长,但单位底物累计产甲烷量增大,含固率7%时单位底物累计净产甲烷量为481mL/gVS.而当接种比为1.5时,含固率为5%和7%的工况均无法启动甲烷化反应,含固率为3%的工况的产气迟滞期达15d.挥发性有机酸的累积抑制甲烷化反应的启动,迟滞期随着液相中有机酸浓度的增加而延长,当有机酸浓度低于1260mg/L,甲烷化反应没有明显的迟滞期.     

含固率和接种比对叶菜类蔬菜垃圾厌氧消化的影响

通过叶菜类蔬菜垃圾中温批式厌氧消化实验,比较了含固率(3%、5%、7%)和接种比(1.5、2.5、3.5)对产甲烷效果的联合影响.结果表明,在研究实验参数范围内,含固率越低、接种比越高,越有利于缩短产甲烷反应迟滞期,平均日产甲烷速率越快.经过52d的培养,在含固率为3%、接种比为3.5的工况中,平均日产甲烷速率最快,达到9.5mL/(gVS·d),日最大产甲烷速率最快,达到49.8mL/(gVS·d),最早进入快速产甲烷期.当接种比为3.5时,随着含固率的升高,产甲烷速率下降,迟滞期延长,但单位底物累计产甲烷量增大,含固率7%时单位底物累计净产甲烷量为481mL/gVS.而当接种比为1.5时,含固率为5%和7%的工况均无法启动甲烷化反应,含固率为3%的工况的产气迟滞期达15d.挥发性有机酸的累积抑制甲烷化反应的启动,迟滞期随着液相中有机酸浓度的增加而延长,当有机酸浓度低于1260mg/L,甲烷化反应没有明显的迟滞期.     

生物反应器填埋条件下垃圾生物质组分的初期降解规律

在经甲烷化填埋层渗滤后的渗滤液循环回灌的新鲜垃圾填埋层内,以生物质分类表征为基础,分析了新鲜垃圾填埋层内固相各生物质组分（总糖、蛋白质、脂肪、纤维素和木质素）的初期降解规律.结果表明,垃圾中原有总糖组分和蛋白质的快速水解发酵是新鲜垃圾填埋后产生高有机质浓度渗滤液的主要机制;脂肪和纤维素的降解产物不是填埋初期高有机质浓度渗滤液的主要来源;纤维素是填埋层稳定产甲烷阶段的主要碳源,其水解速率可能是甲烷化过程的限速步骤;纤维素/木质素之质量比可作为指示填埋垃圾稳定化的指标.各生物质组分的初期降解速率常数均在0.01至0.1之间,而填埋气体中甲烷体积分数在60d内达到45%.食品垃圾组分富集的生活垃圾,应用生物反应器填埋技术时,必须具备足够的降解容量以代谢填埋初期固相中总糖和蛋白质快速水解产生的酸性液相产物.     

厌氧分步生物反应器系统处理城市生活垃圾的试验研究

以生活垃圾中COD溶出量为研究参数,试验研究了厌氧分步生物反应器系统和渗滤液直接回灌填埋场中的有机物降解规律与产甲烷特征.结果表明:厌氧分步生物反应器系统可显著促进生活垃圾及渗滤液中有机污染物的降解,加速填埋垃圾稳定化,其COD溶出总量与填埋时间的对数呈极显著的线性相关性.厌氧分步生物反应器中产甲烷反应器的产气量占总产气量的80%,甲烷含量55%～69%,较适容积COD负荷为6.5～7.5g/(L·d).     

垃圾填埋水溶性有机物组成、演化及络合重金属特征

采集不同填埋年限垃圾和渗滤液,提取制备水溶性有机物(DOM),采用紫外光谱、荧光光谱及1H-核磁共振,研究垃圾填埋DOM组成、演化及络合重金属特征.结果表明,填埋初期(5 a)DOM以脂肪族类物质为主,DOM中芳香族物质随填埋进行含量降低,苯环结构上的羰基、羧基和羟基等随填埋进行不断减少;填埋中后期(5 a)DOM以碳水化合物、有机胺等为主,随着填埋年限的延伸DOM中芳香性物质含量上升,苯环上羰基、羧基和羟基等官能团不断增加.填埋产生的渗滤液原液DOM中同时含有脂族类物质、碳水化合物、有机胺等,渗滤液经过厌氧-好氧和MBR处理后,碳水化合物和芳香族化合物含量相对增加,但小分子有机物和烷基链烃物质含量减少,脂肪链支链变短,分支增加.垃圾填埋DOM通过含氮和含氧官能团络合金属Zn从而影响其分布,而对其他金属的分布影响较小.     

短期填埋龄垃圾堆体内微生物群落结构与种群分布特征

填埋垃圾的稳定化过程一般经历好氧过渡、水解酸化、初期产甲烷及稳定产甲烷阶段,固相垃圾的厌氧水解酸化阶段常被视为垃圾降解的限速步骤,而这一阶段微生物的降解作用是影响垃圾稳定化进程的关键.以青岛市小涧西生活垃圾填埋场短期填埋龄垃圾为研究对象,采用MiSeq高通量测序研究了填埋龄0～1、1.0～1.5、1.5～2 a垃圾堆体内微生物的群落结构多样性及种群分布特征.结果表明,0～1 a填埋龄垃圾微生物多样性高于1.0～1.5 a和1.5～2 a垃圾堆体,且微生物多样性整体上随填埋深度呈降低趋势.参与垃圾降解细菌多样性比真菌更丰富,而真菌多样性随填埋区域、填埋龄的不同呈现更显著的差异.参与短期填埋龄垃圾降解的细菌中,Firmicutes在填埋层上层为优势菌门,最大比例达到65%,Proteobacteria在填埋层中下层为优势菌门,最大比例达到88%.填埋上层细菌菌属以Defluviitoga、Aerococcus、Clostridium III和Proteiniphilum为主,而在中下层以Thiopseudomonas、Sporosarcina和Eionea为主.真菌主要包括3个菌门,Ascomycota在各点位均为最优势菌门,属水平上Kernia及Aspergillus作为常见的腐生菌属,在不同点位均有较高的丰度.冗余分析表明短期填埋龄垃圾堆体内微生物不同时空分布存在显著差异性,且细菌群落结构的变化受pH值影响较大,而真菌群落结构的变化与垃圾有机质密切相关.     

外加氨氮对玉米秸秆厌氧发酵的影响

以玉米秸秆为例,研究了氨氮浓度对农业废弃物厌氧发酵产甲烷性能以及沼渣特性的影响,并利用Gompertz方程对沼气及甲烷产生过程进行了数学拟合。实验结果表明:外加氯化铵浓度(1¹0 g/L)对秸秆厌氧产累计产气量影响不显著;但对累计甲烷产量、玉米秸秆中挥发性组分(volatile solid,VS)的去除率、沼渣组分等有显著影响。在外加氯化铵浓度为5 g/L时,即碳氮比(C/N)为15∶1时,产气组分中甲烷含量最高为1 039 mL,当外加氯化铵浓度为10 g/L时,产气组分中甲烷量最低仅为833 mL。此外,用修正的Gompertz方程能够很好地拟合各反应器的厌氧发酵产气产甲烷过程。高浓度氯化铵(10 g/L)对产甲烷量、VS去除率有抑制作用。氯化铵浓度对沼渣中纤维素含量影响不显著,对半纤维素及木质素含量影响显著。     

渗滤液循环对填埋气体产生量影响的实验研究

以上海市生活垃圾组成为依据,通过填埋模拟柱实验研究了不同渗滤液循环方式对新鲜垃圾填埋层填埋气体(LFG)产生的影响.渗滤液循环方式包括:原液循环、厌氧预处理后循环、好氧预处理后循环、原液与陈垃圾柱出水混合后循环.结果表明,原液循环抑制了甲烷化进程,产气速率小,产气期分散.渗滤液经适当预处理后循环均能改善LFG的各项气量指标,表现为产气速率显著提高、产气期集中(本实验条件下约1a);Qt(实际累积产气量)增加,Q有效 Qt值(甲烷浓度大于50%的填埋气体量与实际累积产气量的比值)大于0 80,Qt Qp值(实际累积产气量与计算总产气量的比值)大于0 4.但渗滤液经不同预处理后循环对LFG各项气量指标的优化效果不同,排序为厌氧预处理后循环>原液与陈垃圾柱出水混合后循环>好氧预处理后循环.优化LFG各项气量指标的关键是:①缩短填埋层进入稳定的甲烷化阶段的时间;②减少垃圾中有机物的场外去除量.而渗滤液的预处理程度和方式对这两个因素有直接影响.     

不同渗滤液循环方式对填埋层甲烷产生的影响

通过填埋模拟柱 ,实验室研究了以我国大城市生活垃圾组成为依据的新鲜垃圾填埋层在不同渗滤液循环方式条件下甲烷产生的规律 .渗滤液循环方式包括 :原液循环、好氧预处理 (SBR)后循环、与陈垃圾出水混合后循环 .结果表明 :新鲜垃圾填埋层初期渗滤液COD、VFA浓度高 ,原液循环导致有机酸的积累 ,抑制了甲烷化进程 ;初期渗滤液经预处理控制一定COD、VFA浓度后循环 ,能够显著地缩短产甲烷滞后时间、加速甲烷化进程 ;当填埋层进入稳定的甲烷化阶段后 ,渗滤液循环才能有效地降解渗滤液中的有机污染 ,近 10 0 %地转化为填埋气体.     

北京市安定生活垃圾填埋场VOCs恶臭物质及其臭气强度

挥发性有机物(VOCs)是填埋场重要的恶臭源之一.为了深入了解造成填埋场恶臭的VOCs及其臭气强度情况,在2014年7—8月采用固相微萃取(SPME)-气相色谱(GC)-质谱(MS)联用法测定了北京市安定生活垃圾卫生填埋场内各代表性地点的VOCs.共确认了48种化合物,包括烷烃、烯烃、芳香烃、环烷烃、萜类、酯类、醛酮类、卤代烃、醇类及含硫化合物和含氮化合物.烷烃的种类最多,达到13种,其次是芳香烃,为9种.以内标法和外标法相结合测定了其中35种物质的含量,发现浓度在0.05~40 mg·m~(-3)之间.在厂区入口和作业面浓度最高的VOC是2,2,4,6,6-五甲基庚烷,在沼气干管是甲苯.从实际经验和臭气强度出发,建立了一种恶臭物质筛选方法,即首先以检出频次和各地点浓度比值筛选出可能的恶臭物质,然后由臭气强度确定最终的恶臭物质.筛选结果表明,填埋场内的恶臭VOCs是对伞花烃、对二甲苯、乙苯、甲苯和邻二甲苯,其中对伞花烃和对二甲苯对恶臭贡献尤为显著.这些恶臭VOCs浓度之间呈现出显著的相关关系,表明这些物质均来源于填埋场内生活垃圾的降解过程.     

高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响

污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH₄可将城市有机废弃物转化为可再生能源H₂、CH₄,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH₄的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH₄效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH₄效能。初始pH=8时,CH₄最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH₄生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。     

多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

为评估农牧废弃物多元物料混合厌氧发酵对产甲烷性能的协同促进作用,研究了中温（37±1）℃和固体质量分数为12%时,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合原料的厌氧消化产甲烷性能,最后应用修正的Gompertz方程分析甲烷生产的动力学过程.结果表明：3种物料混合厌氧发酵发生了明显的协同促进作用,协同效应作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著（P<0.05）;当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为50：20：30时,甲烷产率、累计甲烷产量和VS降解率达到最大值,分别为286.0mL/g VS、20713mL和65.6%,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.修正的Gompertz方程能较好反映物料厌氧消化产甲烷过程,拟合结果的R²均大于0.99,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50：20：30时具有最大产甲烷速率17.34mL/（d×g）和较短的迟滞时间2.97d.该研究结果可为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.     

Comparison between controlled landfill reactor and conditioned landfill bioreactor

Bioreactor landfills allow a more active landfill management that recognizes the biological, chemical and physical processes involved in a landfill environment. The laboratory-scale simulators of landfill reactors treating municipal solid wastes were studied, the effect of solid waste size, leachate recirculation, nutrient balance, pH value, moisture content and temperature on the rate of municipal solid waste (MSW) biodegradation were determined, and it indicated the optimum pH value, moisture content and temperature decomposing MSW. The results of waste biodegradation were compared with that of the leachate-recirculated landfill simulator and conservative sanitary landfill simulator. In the control experiment the antitheses of a decreasing trend of the organic load, measured as biological oxygen demand and chemical oxygen demand, was shown. An obvious enhancement of effective disposal from conservative sanitary landfill (CSL) simulator, to the leachate-recirculated landfill (LRL) simulator and to the conditioned bioreactor landfill(CBL) simulator would be noted, through displaying the compared results of solid waste settlement, heavy, metal concentration in leachate, methane production rate, biogas composition, BOD and COD as well as their ratio.     

厨余和餐厨垃圾混合干式厌氧发酵及活性炭缓解酸抑制研究

分别在中温和高温条件下对厨余垃圾与餐厨垃圾混合干式厌氧发酵产甲烷特性进行研究,结果表明:55℃高温发酵累积产气量均高于35℃中温组;高温组厨余垃圾与餐厨垃圾配比为1:5时发酵累积产气量最大,最大累积产气量达到2492.5 mL,是中温组协同产甲烷的1.4倍。同时,为提高产气率,考察了不同种类活性炭对厌氧发酵的影响,采用甘蔗皮、秸秆、花生藤蔓以及发酵沼渣为原料自制了4种生物质活性炭。实验结果表明,4种活性炭均呈蜂窝煤状的炭孔,其中甘蔗皮活性炭表面炭孔相对规则、完整,微生物可附着面积大,更有利于加快产气进程。添加甘蔗皮活性炭时累积产气3410 mL,相比空白对照组增长20.1%。     

沈阳市垃圾填埋处理甲烷产量研究

分析了4种典型的生活垃圾填埋处理甲烷产气量模型：IPCC模型、化学计量式模型、COD模型和生物降解理论模型;利用这4种模型估算沈阳市生活垃圾的甲烷产气总量,对计算结果的差异进行比较讨论;分析了4种模型的优缺点及其不同的适用性;根据沈阳市城市生活垃圾的特点,建议采用生物降解理论模型来估算沈阳市垃圾填埋甲烷产气量。     

生活垃圾处理的碳排放和减排策略

利用质量平衡模型,在核算生活垃圾处理技术碳排放的基础上,通过低碳化程度评价方法,建立了面向不同层次需求的生活垃圾低碳化策略.研究结果表明,餐厨垃圾产沼利用、生活垃圾填埋气收集利用和焚烧发电的低碳化程度最高,分别为93.7%、75.3%和71.0%.在不具备上述处理条件的地区,可以采用准好氧填埋,或在填埋之前进行好氧稳定预处理实现碳减排,其低碳化程度分别为61.8%和56.7%.根据目前生活垃圾的处理情况,估算我国每年生活垃圾处理过程将形成甲烷排放超过600万t,总碳排放约1.5亿t;而通过实施低碳化处理策略,2015年甲烷排放可减少至约500万t,总碳排放减少至1.3亿t.