填埋场好氧强化稳定化过程及其碳排放特征研究_刘义行.pdf
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1、第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43,No.3Mar.,2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae填埋场好氧强化稳定化过程及其碳排放特征研究刘义行1,楼紫阳2,王罗春1,王湘徽3,王欢3,陈俊杰3,龙吉生3,*1.上海电力大学环境化学与工程学院,上海 2013062.上海交通大学环境科学与工程学院,上海 2002413.上海康恒环境股份有限公司,上海 201703摘要:好氧修复通过将填埋场从厌氧状态转化为好氧状态,加速填埋场垃圾的降解,以实现填埋场在短期内达到稳定状态,并减少后续温室气体排放.本研究以实际运行13年的某中型填埋场为对象,探究
2、了好氧加速稳定化过程中堆体内垃圾性质特征及填埋气变化规律.结果表明:在每次3 h为间隔,每天曝气12 h的运行状态下,经过12个月的好氧治理,总曝气量约为5319万Nm3,填埋场平均沉降为36 cm,约占堆体平均高度的2.6%,沉降性能随修复的进行逐渐减弱;氧气的进入促进了垃圾有机碳的降解,有机碳含量从修复前的10.1%16.3%下降至4.3%8.8%,平均下降了47.6%,降解率随初始有机碳含量的增大而升高;填埋气中O2浓度主要分布于7.8%14.1%,CO2浓度为7.5%12.3%,好氧反应比较活跃,但存在曝气量不足区域;堆体内甲烷浓度基本处于2%左右,满足 生活垃圾填埋场稳定化场地利用技
3、术要求 中场地中度利用的相关要求;修复过程中单位垃圾的总碳排放量约为13.8 gkg-1 干垃圾,其中,二氧化碳贡献占78.2%;碳排放量与初始有机碳含量呈显著正相关 (r=0.902,p0.01),表明好氧修复可能依据垃圾的有机碳情况对降解过程碳排放趋势进行有效预测.关键词:简易填埋场;好氧稳定化;碳排放特征;碳排放文章编号:0253-2468(2023)03-0265-08 中图分类号:X705 文献标识码:AResearch on aerobic stabilization process and carbon emission characteristics of landfillLI
4、U Yihang1,LOU Ziyang2,WANG Luochun1,WANG Xianghui3,WANG Huan3,CHEN Junjie3,LONG Jisheng3,*1.College of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai Electric Power University,Shanghai 2013062.School of Environmental Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 2002413.SUS Environ
5、ment,Shanghai 201703Abstract:Aerobic remediation accelerates the waste degradation by converting the landfill from the anaerobic state to the aerobic environment,thereby stabilizing the landfill and reducing greenhouse gas emissions.This study takes a landfill that has been in operation for 13 years
6、 as the object.Through more than one year of operation,the characteristics of the waste in the heap and the change law of the landfill gas are explored.The results indicated that:during the aerobic restoration process,the average settlement of the landfill was 36 cm,accounting for about 2.6%of the a
7、verage height of the heap,and the settlement performance gradually weakened with the increase of time;the entry of oxygen promoted the degradation of organic carbon in the garbage,and the organic carbon content decreased from the initial 10.1%16.3%to 4.3%8.8%,with an average decrease of 47.6%,the de
8、gradation rate increases with the increase of the initial organic carbon content;the O2 concentration in the landfill gas was mainly distributed at 7.8%14.1%,and the CO2 concentration was 7.5%12.3%,but there were areas with insufficient aeration;the methane concentration in the reactor was basically
9、 around 2%,which met the requirements of the landfill medium utilization standard for methane concentration;the total carbon emission per kilogram of dry waste was about 13.8 g,which carbon dioxide contributed 78.2%;there was a significant positive correlation between carbon emissions and the initia
10、l organic carbon content,with a correlation coefficient of 0.902.Aerobic remediation can effectively predict the carbon emissions during the degradation process based on the organic carbon status of waste.Keywords:unsanitary landfill;aerobic stabilization acceleration process;cardon distribution in
11、landfill;carbon emissionDOI:10.13671/j.hjkxxb.2022.0267刘义行,楼紫阳,王罗春,等.2023.填埋场好氧强化稳定化过程及其碳排放特征研究 J.环境科学学报,43(3):265-272LIU Yihang,LOU Ziyang,WANG Luochun,et al.2023.Research on aerobic stabilization process and carbon emission characteristics of landfill J.Acta Scientiae Circumstantiae,43(3):265-272收
12、稿日期:2022-06-02 修回日期:2022-07-29 录用日期:2022-08-01基金项目:国家自然科学基金(No.42077111);国家重点研发计划(No.2018YFC1800601);“科技兴蒙”上海交通大学行动计划专项项目(No.2021PT0045-02-01);上海市生态环境局科研项目(沪环科 2021 第48号)作者简介:刘义行(1996),男,E-mail:;*责任作者,E-mail:环境科学学报43 卷1引言(Introduction)填埋是我国城镇生活垃圾的主要处理方式,其经历了从露天堆放、集中简易填埋到卫生填埋过程(赵由才等,2012).2012年我国卫生填埋
13、场数量已将近2000多座(魏潇潇等,2018);作为固废管理相对落后时期或 地区的产物,我国还有约2.4万个非正规堆放点或简易填埋场(Zhao et al.,2016),其不仅占用大量的土地资源,还给周边造成二次污染,急需对封场或者非正规填埋场进行修复整治.另一方面,作为大量有机物的堆积体,填埋场在整个稳定化过程中,其储存的碳以CO2、CH4等形式排出(孙文静等,2021),也成为“双碳”目标 实施过程中重要的关注对象.因此,住建部、生态环境部等要求“开展非正规堆放点排查整治”,而随着 生活垃圾填埋场污染控制标准(征求意见稿)的推行,填埋/堆场整治成为了现阶段的重中之重.填埋是生活垃圾处置过程
14、中碳排放的主要贡献源,而华东地区的填埋碳排放更是占全国填埋碳排放的1/3(蔡博峰等,2019).通过对填埋场曝气,可将导致大量CH4产生的厌氧反应(曾韵敏等,2021),转化为产物以CO2为主的好氧反应,能够有效加速填埋场稳定化过程并减少碳排放(李蕾等,2021).目前,国内外有大量的研究对填埋场厌氧稳定过程的碳排放特征与排放量进行评估和核算,而对于填埋场好氧稳定过程碳排放的研究尚不多见.Tong等(2015)以CO2排放量作为监测指标,分别在35、45、55 的温度下对垃圾好氧降解进行模拟,发现温度的升高显著了促进垃圾中有机物的降解,在55 时垃圾好氧降解期间的最高碳矿化速率达111 mgd
15、-1.奥地利某填埋场进行了长期的好氧曝气治理,治理工程前后,该填埋场的沉降高度达平均高度的3.6%,采用气体在线监测数据计算出治理期间的碳排放量为4.511.0 gkg-1,与实验室监测结果接近,表明在线监测数据能够较好地评估碳排放量(Christian et al.,2020).蒋国斌(2018)在室内进行了准好氧、好氧、厌氧3种条件下的垃圾填埋模拟实验,3种稳定化过程中的碳排放量分别为15.6、12.1和13.5 kg,好氧稳定化过程中 CH4对碳排放量的贡献最低,仅为 40.8%,而在准好氧和厌氧中分别占 65.8%和 67.6%.因此,采用 好氧修复技术能够有效加速填埋场有机物的降解并
16、减少碳排放,目前全世界有大量填埋场已经在土地再利用时采用该方法进行治理.我国采用好氧加速稳定化技术对实际填埋进行工程治理的案例相对较少,仅武汉金口填埋场(Liu et al.,2018)和北京黑石头填埋场(韩祖光等,2016)有部分报道,经过好氧修复治理后,两座填埋场内垃圾有机质的含量分别从12.4%和18.5%下降至9.1%和6.6%,但对于治理过程中碳排放特征的研究相对不足.因此,本文选取浙江省东部沿海某简易填埋场为对象,通过对好氧加速稳定化期间垃圾有机碳、堆体沉降和填埋气等进行监测分析,评估该填埋场的治理效果,并结合垃圾有机碳性质对修复过程中的碳排放特征和排放量进行探究,以期为我国存量填
17、埋场的处理整治工作提供参考.2材料与方法(Materials and methods)2.1场地概况该填埋场建设于2000年,在20002013年间投入使用,为简易填埋场,主要填埋物为生活垃圾,少量为建筑垃圾和皮革等工业垃圾.该填埋场于2013年停止使用,进行初步的规范整改后封场,现场测绘及钻探勘察显示,填埋场占地19.6万m2,垃圾填埋量约为238万m3,容重约为650 kgm-3,含水率均值为40.27%.场区内地层分为4个工程地质层,自上至下主要为杂填土、垃圾、粉质粘土和淤泥质粉质粘土,其中,填埋垃圾的 厚度变化范围较大,为020.1 m.填埋气中甲烷含量最高,为0.1%46.5%,均值
18、为21.2%.出于建设需求和 消除环境影响的目的,采用好氧加速稳定化技术对该填埋场进行生态化治理,治理项目于2019年开始建设并运行,根据当地总体规划,填埋场所在地的用地类型为公园绿化用地,即要求治理后的场地达到 生活垃圾填埋场稳定化场地利用技术要求(GB/T 2251792010)的中度利用标准,主要包括:填埋有机质含量16%,堆体填埋气甲烷浓度为5%1%,堆体沉降在30 cma-1以下,区域内地表水、恶臭和空气满足公园绿地建设 相关要求.2.2修复工艺垃圾填埋场好氧加速稳定化的技术原理是将垃圾填埋场视为一个巨大的容器,使用高压风机,通过 2663 期刘义行等:填埋场好氧强化稳定化过程及其碳
19、排放特征研究管道和注气井,向堆体内部注入空气,通过以好氧为主的生物反应、生物化学反应、化学反应和物理作用,使垃圾中的可降解有机物快速降解,进而达到稳定状态(李启彬等,2010).工艺流程主要由曝气系统通过管道将气体送入堆体,配备渗滤液回灌系统控制含水率,最后由监测系统对相关指标进行实时监测.该填埋场气体系统的抽/注气风机各4台,均采用额定流量为50 m3min-1的罗茨风机,运行时抽/注风机各开启两台,其余备用,采用间歇曝气的方式,每6 h曝气一次,曝气时长为3 h.曝气井位设计进行加密布置,井作用半径采用 12 m,井间距为 20.78 m.在该填埋场好氧修复工程运行12个月内,对填埋场曝气
20、的总时长约为8885 h,平均流量为5986 Nm3h-1,总曝气量约为5319万Nm3.如图1所示,本填埋场区域较大,堆体内垃圾组成较复杂,因此根据场区情况,将整个场区分为10个子区域,分别设置监测位点.2.3监测方法研究所关注的主要监测指标包括堆体高程、垃圾有机碳含量及填埋气各组分浓度(O2、CO2和CH4).场区内共布置52个沉降监测点,分别于修复治理前及运行第4、8和12个月后共进行沉降4次监测.以填埋场实地钻孔取样的垃圾样品为对象测定有机碳含量,在S1S10内分别设置有钻孔取样点,取样时,将深度为3、6、9 m的垃圾样品充分混合后送往实验室进行测定,测定方法参照国标 土壤 有机碳的测
21、定燃烧氧化-非分散 红外法(HJ 685-2014),垃圾有机碳的测定分别于好氧治理前后各进行一次.填埋气监测采用传感器进行实时监测.区域S1S10内共设置42个气体监测井及5座监测站,填埋气从监测井抽出至监测站,监测站内的传感器对气体成分进行分析后,将气体浓度数据传送至控制中心,定时 记录气体浓度.本研究利用运行期间记录的约2106条填埋气浓度数据进行统计分析.3结果与讨论(Results and discussion)3.1好氧修复效果评价3.1.1填埋场沉降情况垃圾填埋场地面沉降情况可以较好地反映垃圾堆体的稳定程度(刘娟等,2011).图2显示了填埋场在好氧加速稳定化治理过程中堆体高程的
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