基于主成分回归的老生活垃圾填埋场好氧修复过程碳减排核算模型

老生活垃圾填埋场好氧修复技术因其对甲烷气体的削减,已逐渐在我国得到广泛应用,有望成为“双碳”目标背景下我国填埋场修复的重要技术手段。目前国内外常用的填埋场碳排放核算模型难以表征填埋场好氧修复过程的碳减排。以天津华明简易填埋场好氧修复项目作为研究对象,分析了其自2019年5月开始好氧修复工作300 d内的堆体工程力学特性、垃圾降解生化特性以及垃圾渗沥液生化特性等特征指标,得出2个特征指标主成分,并利用主成分建立堆体甲烷浓度回归模型。该模型可以分析和预测填埋场好氧修复过程中堆体内部甲烷气体浓度递减规律,进而可计算填埋场好氧修复相较于传统厌氧封场的甲烷削减量,为填埋场好氧修复碳减排核算提供理论依据,也可成为填埋场堆体稳定化状态的特征值甲烷浓度的判定参考。     

填埋场好氧修复过程碳排放特征及削减研究

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ρ(COD)、ρ(氨氮)及ρ(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。     

生物反应器填埋场系统中城市生活垃圾原位脱氮研究

采用填埋垃圾上层间歇曝气充氧或渗滤液回流前经好氧、硝化反应器处理的方式,营造生物反应器填埋场系统内生物脱氮环境,研究了其中生活垃圾原位脱氮的性能.结果表明,在填埋垃圾稳定化过程中,88%以上的含氮化合物以渗滤液的形式溶出.填埋垃圾上层间歇曝气充氧或渗滤液经好氧、硝化反应器处理后回流的生物反应器填埋场系统对渗滤液总氮的处理效果较好,实验结束时,渗滤液总氮量仅为对照填埋场的28.7%和14.3%.     

垃圾龄对填埋场好氧修复供氧和加速稳定化效果的影响

填埋场好氧处理是一种有效的填埋场修复手段。采用模拟填埋反应器,搭配水气联合控制系统,探讨不同填埋龄垃圾好氧稳定化过程最佳氧气控制范围和污染物去除情况。结果表明新鲜垃圾和填埋龄分别为1,3,7年的垃圾最佳氧浓度调控范围分别为11%~14%、8%~14%、7%~15%和6%~17%。垃圾耗氧速率随填埋龄增加而降低。经过180~220 d的好氧处理,新鲜垃圾渗滤液BOD5和COD去除率均达到92%以上;而老龄垃圾渗滤液COD降解慢。处理后期各反应器ρ(BOD_5)/ρ(COD)<0.1,垃圾基本稳定。     

中国生活垃圾填埋场甲烷源碳排放量预测评估

生活垃圾填埋场为全球第三大人为甲烷排放源。中国填埋垃圾体量巨大,生化降解持续产生含甲烷的填埋气,对中国碳达峰目标实现具有潜在影响,亟待预测评估。文章基于中国近40年生活垃圾产量和填埋量相关统计数据,建立了中国城市生活垃圾人均日产量与人均GDP的数学关系,预测了未来10年生活垃圾总产量和填埋量。通过对目前常用的3种填埋气产量计算模型比较分析与实测数据验证,筛选出了比较符合中国城市生活垃圾产气特点的双组分产气模型,利用该模型预测了中国未来10年填埋气总产量和甲烷排放量,评估了碳达峰前生活垃圾填埋场甲烷源碳减排潜力。预测结果表明：2021-2030年中国至少新增28.1亿t生活垃圾,其中8.5亿t仍以填埋方式处置;2021-2030年全国所有垃圾填埋场填埋气总产量达1 399.9亿m³,其中约75%的填埋气由2021-2030年间新增填埋垃圾产生,剩余25%由1980-2020年累计填埋的33.1亿t垃圾产生。评估结果表明：全国垃圾填埋场甲烷排放量介于494.7～659.6亿m³,对应的甲烷源碳排放量估算为8.9～11.8亿t。相比于中国其他重点行...     

表面沉降对填埋场加速稳定化进程的宏观表征

基于生活垃圾填埋的室内模拟实验,通过4种不同工况下垃圾表面沉降规律的分析,研究了表面沉降对填埋场加速稳定化进程的指示作用.结果表明,垃圾稳定化进程中,表面沉降量S随时间相继呈线性、幂函数和双曲线分段变化,可在宏观上表征垃圾填埋场的稳定化进程及生物反应器填埋技术对稳定化进程的加速作用.在此基础上,将垃圾填埋场稳定化进程划分为3段:不稳定段,S27%.     

渗滤液回流对准好氧填埋产气过程影响研究

依据准好氧填埋的原理,构建了大型模拟填埋场。对准好氧填埋结构渗滤液回流情况下填埋气产气过程做了跟踪监测。定期测定填埋气中的组分浓度变化,结合填埋场渗滤液水质变化进行分析。结果表明准好氧填埋条件下进行渗滤液回流有利于减轻渗滤液的排放量且不会造成NH4+-N的累积。渗滤液回流可以加快甲烷的产气速度,渗滤液回流时的甲烷浓度约为不回流时的甲烷浓度的2倍。从而可加快垃圾的稳定化进程。     

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).     

填埋场好氧稳定化非甲烷有机物排放特征及臭氧生成潜势

非甲烷有机物（NMOCs）是生活垃圾填埋场释放的重要恶臭物质及臭氧前体物,好氧快速稳定化可有效缩短垃圾稳定化周期.为了解该过程中NMOCs的组分浓度变化特征及潜在环境影响,在河北省某生活垃圾腾退填埋场采集曝气和非曝气阶段场地表面、堆体内部及覆膜破损处的10个气体样品,以气相色谱-质谱法定性、定量分析其中NMOCs的组分和浓度.结果表明:①共检出57种NMOCs物质,曝气阶段NMOCs总浓度（10 555.88 μg/m3）比非曝气阶段（32 358.81 μg/m3）低67%,曝气有效降低了NMOCs的释放浓度.②所有样品的烯烃平均浓度在NMOCs总平均浓度中占比（42.6%）最高,其中丙烯（1 007.28 μg/m3）和正丁烯（822.77 μg/m3）的平均浓度最高.③相关性分析和主成分分析表明,曝气阶段各类物质来源相似或受同一环境因素影响,非曝气阶段卤代烃与其他NMOCs来源有显著差异.④分别以等效丙烯浓度法和最大增量反应活性法计算,曝气阶段臭氧生成潜势较非曝气阶段分别降低了71%和73%,快速稳定化可有效控制臭氧前体物的释放浓度.烯烃是好氧快速稳定化中臭氧生成潜势贡献最大的物质,占臭氧生成总潜势的86%.但所采集10个样品中有9个样品的臭氧生成潜势可能诱发空气质量问题,是GB 3095-2012《环境空气质量标准》中O₃二级浓度限值（200 μg/m3）的1~525倍.研究显示,烯烃是好氧快速稳定化过程释放的主要非甲烷有机物类物质.      

北京市北神树填埋场垃圾堆体总氮、总磷和总有机碳含量沿深度变化研究

营养元素是微生物生命活动赖以持续的物质之一。垃圾在降解过程中碳、氮、磷等营养元素的含量变化是堆体内微生物活动以及稳定化程度的重要表征。选择临近封场的北京市北神树垃圾卫生填埋场为研究对象,采用现场打井采样和室内分析的方法得到了不同深度(对应不同填埋年龄)垃圾中总氮、总磷和总有机碳的含量。结果表明:新鲜垃圾(填埋1~2年)与陈腐垃圾(填埋3~12年)中3种元素含量相差较大,总氮、总磷和总有机碳含量分别从4.91%、2.54%和37.67%变化为9.67%、2.92%和10.95%。陈腐垃圾中营养元素含量沿深度变化不大,3种元素变化范围分别为8%~11%、2%~4%和5%~16%。说明填埋3年后的垃圾能基本实现稳定。此外,陈腐垃圾中总有机碳与总磷含量变化呈现显著的相关性,而总有机碳与总氮含量、总氮与总磷含量并无显著相关。     

大型填埋场垃圾降解规律研究

在上海市老港垃圾填埋场建造了一座面积为3000m^2，高度为4m，内填生活垃圾10800t的小型卫生填埋场。对该卫生填埋场进行了40个月的监测，分析了垃圾中的总糖、总炭、挥发性物质和有机碳、生物可降解物含量（BDM）、粗纤维含量与填埋时间的关系。同时，也对1991年至1994每年4月份的填埋单元垃圾组成了分析。通过数学聚合，预测了填埋单元封场后的若干年内垃圾组成，对填埋场稳定化程度和垃圾矿化程度进行了判断。结果表明，该场的稳定化时间大约为22－23年，届时，该场的垃圾基本上达到无害化和稳定化，绝大部分可降解的有机物得到充分降解。     

生活垃圾填埋短期好氧预处理工艺优化研究

以模拟有机生活垃圾为底物,通过实验研究了通风和温度协同控制作用下,填埋短期好氧预处理过程垃圾VS、含水率和有机组分的代谢情况.结果表明,好氧预处理过程VS降解主要发生在反应前期(0~6d),占实验全过程降解量的68%~85%;同时垃圾含水量的15%~26%以渗滤液和气体的形式被去除,并且延长通风时间能够增加后者所占比例.反应前期堆体自发升温到高温状态(50~55℃)比控制堆体温度维持在中温状态(42~47℃)更利于碳水化合物的代谢,但对粗蛋白降解的影响不明显.而在中温状态下粗脂肪和木质纤维素的降解率更高.继续延长预处理时间至14d,不同通风和温度的组合对VS和水分总体去除差距不大.控制填埋好氧预处理周期在6d并尽量维持堆体温度在50~55℃,成本-效益较高.     

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.     

填埋结构对填埋场稳定化的影响

依据准好氧填埋和厌氧填埋的原理,构建了大型模拟填埋场,并定期对渗滤液水质进行监测分析;根据所获得的渗滤液水质变化数据,利用指数法对2种结构的填埋场稳定化进行了评价.结果表明,准好氧填埋比厌氧填埋结构更有利于渗滤液中污染物尤其是NH3-N的去除;准好氧填埋场稳定化速率大于厌氧填埋场;准好氧填埋场在封场25周后稳定化综合指数I<50,达到二级稳定化程度,渗滤液水质达二级排放标准;厌氧填埋场在实验期内稳定化综合指数I>100,稳定化等级为四级,渗滤液水质在三级排放标准以下.     

生活垃圾填埋过程含水率变化研究

为分析垃圾在好氧和厌氧条件下降解过程中含水率变化的规律,采用时域反射测量(time domain reflectometry,TDR)技术监测了垃圾填埋过程中含水率的变化情况.结果表明,填埋过程中垃圾体积含水率随时间逐渐增大,垃圾持水性能不断提高.好氧初期垃圾内水量变化与含水率变化正相关,好氧后期则为负相关;厌氧填埋过程中,垃圾沉降压缩是含水率变化的主要原因.垃圾TDR读数与基于物质衡算的垃圾体积含水率计算值之间有较好的相关性,好氧填埋过程两者最大偏差约为±5%,厌氧填埋过程两者最大偏差约为±2%,TDR技术适用于实际填埋工程的含水率测量.     

准好氧生物反应器填埋系统的渗滤液变化特性研究

针对传统卫生填埋过程中存在的不足,开展了准好氧生物反应器填埋场的室内模拟试验,以导气管管径为参照变量,设计两组准好氧生物反应器填埋场并对其进行连续监测。研究表明:在填埋处理的300 d内,垃圾沉降比例接近40%,固相垃圾的有机质含量可降至24%,渗滤液的COD、BOD5、TOC、氨氮与总氮等污染物指标可得到高效去除,分别降至3 643,73,1 284,67,109 mg/L,VFA物质可降至20 mmol/L,B/C降至0.02~0.03,渗滤液的可生化性大大降低,填埋垃圾减量化、无害化、稳定化效果显著。     

长春市简易垃圾填埋场中垃圾特性研究

从长春市一个封场垃圾填埋场中系统采集了不同填埋年龄(8~12年和25~30年)和不同位置(上层和下层)的垃圾样品,并对其基本特性进行了分析。结果发现,填埋垃圾总体呈弱碱性,含水率随填埋时间的增加而减小,上层垃圾含水率低于下层垃圾;从垃圾组成、有机质和生物可降解物(BDM)来看,8~12年的填埋垃圾仍处于不稳定状态,而25~30年的垃圾基本达到稳定化,但上层和下层垃圾的降解程度无明显区别。这表明传统填埋场中垃圾稳定化至少需要几十年的时间。因此开发能够加速垃圾稳定性填埋场的生物反应器修复技术具有重要意义,填埋垃圾的特性分析则为工程设计提供了必要的基础数据。     

复合菌剂促进生物反应器填埋场稳定化研究

为强化填埋场稳定化进程,该研究提出利用生物强化技术促进准好氧型填埋场的生物降解,通过模拟实验研究了复合微生物菌剂对填埋场垃圾稳定化进程的影响。结果表明,在整个实验阶段,复合微生物菌剂有利于渗滤液污染物的降解,渗滤液产量峰值较对照组提前14 d;实验结束时,实验组渗滤液产量仅为对照组的64.3%,COD浓度仅为对照组的53.3%,氨氮浓度仅为对照组的59.0%;实验组和对照组纤维素含量峰值分别为16.08%、17.60%,木质素峰值分别为25.30%、29.49%。实验组生物降解度比对照组低1.80 mmol/g,说明投加优势复合微生物菌剂能促进垃圾填埋场的稳定化。     

好氧填埋技术对渗滤液水质变化的影响

垃圾填埋场产生大量渗滤液,而一般厌氧型填埋场产生渗滤液中含有很高浓度的有机物。因此,渗滤液成为填埋场的难题。通过试验模拟垃圾的好氧填埋过程,并在此过程中对垃圾产生渗滤液中的COD、BOD5和NH 4+-N进行连续监测,通过试验初步得出:在好氧填埋条件下,垃圾堆体产生渗滤液中有机物和NH 4+-N浓度得到较大程度降低。渗滤液中COD、BOD5和NH 4+-N的降解率分别高达98.99%、99.94%和99.78%。     

生物反应器填埋场中邻苯二甲酸二丁酯的迁移转化

基于填埋垃圾和渗滤液这一整体系统,以传统卫生填埋场(CL)为对照,研究了模拟回灌型生物反应器填埋场(RL)和两相型生物反应器填埋场(BL)中邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的迁移转化特征.结果表明,实际垃圾填埋的CL、RL和BL垃圾及渗滤液均检测到DBP,其中垃圾中DBP的初始含量约为18.5μg.g-1.各填埋场的稳定化进程顺序为BL>RL>CL,稳定化进程影响着DBP在垃圾中的降解行为,相比于填埋场产酸期,填埋场产甲烷期时的环境条件更有利于DBP的降解.至实验结束(310 d),CL、RL和BL垃圾沉降率分别为7.0%、11.9%和24.3%,垃圾中DBP的残留含量分别约为2.1、1.3和0.8μg.g-1,DBP去除率分别约为89.5%、93.9%和96.6%.DBP残留总量变化符合指数衰减模型,实验后期不同运行工艺的填埋场中DBP残留总量差异显著,渗滤液回流明显加速了DBP的生物降解,而产甲烷反应器的引入更能促进DBP在填埋场中的去除.