李 蕾,彭 垚,譚涵月,楊屏錦,茹凌宇,王小銘,彭緒亞

填埋場原位好氧穩(wěn)定化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進展

李 蕾*,彭 垚,譚涵月,楊屏錦,茹凌宇,王小銘,彭緒亞

(重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045)

綜述了原位好氧穩(wěn)定化技術(shù)的原理、系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵單元的設(shè)計和優(yōu)化及終點評價,結(jié)合我國填埋場及垃圾特點,展望了該技術(shù)在我國的發(fā)展前景和挑戰(zhàn).均勻布氣及配水是原位好氧穩(wěn)定化項目實施過程中主要的難點.做好滲濾液導排保證堆體最優(yōu)含水率、優(yōu)化曝氣及提氣管道布局、分層整治并輔以高壓局部曝氣有望提高氧氣利用率;采用分層回灌或者壓力回灌以及控制回灌速率可分別改善液體回灌過程中的屏障效應(yīng)和大孔隙出流效應(yīng),保障堆體布水均勻.好氧穩(wěn)定化處理后垃圾腐殖土及場底土壤的風險評價體系及最終出路尚未明確,后期加強相關(guān)基礎(chǔ)研究以指導工程應(yīng)用是必要的.

填埋場修復；原位好氧穩(wěn)定化；曝氣終點；風險評價

我國生活垃圾無害化處理始于20世紀80年代,填埋作為最主要的垃圾處理方式,消納了近70%的生活垃圾[1-2].據(jù)2018年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒報道[3], 2018年我國有運行中的城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場663座,縣城生活垃圾衛(wèi)生填埋場1196座.此外,我國還有大量已封場的垃圾填埋場,如全國一級城市內(nèi)大約有7430座舊垃圾填埋場[4],村鎮(zhèn)地區(qū)排查出的非正規(guī)垃圾填埋場更有2萬余座[5].

大量存在的填埋場在對垃圾開展最終處置的同時也占用了累計達35億m3的土地資源[6].受地區(qū)氣候條件和垃圾組成等因素影響,不加人工調(diào)控的情況下,傳統(tǒng)填埋場一般要在封場后30～50a才能完全穩(wěn)定[7-8].在漫長的降解周期內(nèi),一方面,填埋場會持續(xù)產(chǎn)生滲濾液、填埋氣等污染物,需要長期持續(xù)的后維護以消除其對周邊環(huán)境的影響;另一方面,填埋場還將形成長期占地效應(yīng),浪費土地資源、破壞城鄉(xiāng)環(huán)境形象.近年來,隨著城市化進程加快,原本處于城市遠郊區(qū)的填埋場逐漸進入城市近郊區(qū)甚至主城區(qū)范圍,填埋場越發(fā)制約著周邊區(qū)域的開發(fā)建設(shè).處于村鎮(zhèn)地區(qū)的簡易填埋場也一直充當著污染源的角色,持續(xù)污染周邊水土[9].基于此,開展各類垃圾填埋場治理,促進其快速穩(wěn)定具有重要意義.

國內(nèi)外生活垃圾填埋場治理技術(shù)主要包括原位封場、篩分綜合利用、異地搬遷及好氧穩(wěn)定化等.4種技術(shù)中篩分綜合利用和異地搬遷成本較高,適用于垃圾存量較小、財政資金充足且土地需高密度利用的地區(qū);而原位封場和好氧穩(wěn)定化成本較低,在垃圾存量大而土地僅需低密度利用地區(qū)非常適用[10].與原位封場相比,好氧穩(wěn)定化又具有降解時間短、滲濾液產(chǎn)量少、溫室氣體排放量低等優(yōu)點[11].對2014～ 2018年間公開招標投資額達到千萬元的垃圾填埋場整治項目進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)好氧穩(wěn)定化項目數(shù)量占整治項目總數(shù)的16%,以大型非正規(guī)垃圾填埋場整治為主[10].在Elsevier ScienceDirect數(shù)據(jù)庫中用“l(fā)andfill”及“Aerobic stabilization”字段分別搜索文獻,發(fā)現(xiàn)近10a 2類文獻數(shù)量都呈逐年增加趨勢,好氧穩(wěn)定化類文獻占填埋類總文獻的比例穩(wěn)定在(6.95±0.60)%,且其10a平均增長率達12.03%.

鑒于此,本文綜述了好氧穩(wěn)定化技術(shù)的原理、系統(tǒng)構(gòu)成、氣液系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化、填埋場穩(wěn)定化終點評價等,并結(jié)合我國填埋場及垃圾特點,展望了好氧穩(wěn)定化技術(shù)在我國的發(fā)展前景,并結(jié)合其工程應(yīng)用過程中遇到的問題,提出該技術(shù)高效應(yīng)用的注意事項及技術(shù)優(yōu)化方向.

1 好氧穩(wěn)定化技術(shù)

填埋場好氧/曝氣技術(shù)有高壓主動曝氣耦合廢氣提取、低壓主動曝氣耦合廢氣提取、低壓主動曝氣無廢氣提取、低壓主動抽氣耦合被動曝氣、依靠風力驅(qū)動的能源自給式曝氣及準好氧曝氣等類別. Ritzkowski等[12]對上述各類技術(shù)展開過詳細綜述.鑒于在以垃圾快速降解及土地開發(fā)利用為目的的老垃圾場整治修復中,我國主要采用主動曝氣(高壓或低壓)耦合廢氣提取技術(shù),本文所指的好氧穩(wěn)定化技術(shù)主要指此技術(shù),后文著重針對此類技術(shù)展開綜述.

1.1 好氧穩(wěn)定化的原理

好氧穩(wěn)定化技術(shù)是將垃圾填埋場視為一個巨大的容器,在其中設(shè)計氣體抽注和液體循環(huán)等系統(tǒng),以改變垃圾堆體的水、氣、熱等條件,構(gòu)建適合好氧微生物生存的環(huán)境,從而利用微生物的作用,加速垃圾中可生物降解有機物分解的技術(shù)[13].好氧降解可將填埋場內(nèi)有機物的降解時間縮短5～30倍,開展好氧穩(wěn)定化治理后,填埋場往往能在2～4a內(nèi)達到穩(wěn)定[13].氣體抽注系統(tǒng)的設(shè)計還可以杜絕填埋氣的非控制性擴散,且與厭氧降解產(chǎn)生CH4、NH3、H2S等強溫室氣體或臭氣不同,好氧降解的產(chǎn)物為H2O和CO2,可實現(xiàn)溫室氣體減排[9,13].滲濾液在回灌過程中,污染物可通過吸附、截留及降解等作用被去除;堆體的高溫還會促進滲濾液蒸發(fā)減量,因此好氧穩(wěn)定化還有助于降低滲濾液處理量及污染負荷[14-15].好氧降解過程會產(chǎn)生熱量,往往能使堆體溫度維持在45～60℃,通過此高溫對致病菌滅活,還可以減少填埋場對環(huán)境衛(wèi)生的影響[16].好氧穩(wěn)定化技術(shù)的這些優(yōu)點,使它在老垃圾場快速穩(wěn)定治理中備受關(guān)注.

1.2 好氧穩(wěn)定化的系統(tǒng)構(gòu)成

好氧穩(wěn)定化一般由氣體系統(tǒng)、液體系統(tǒng)、污染隔離系統(tǒng)及數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制等系統(tǒng)構(gòu)成[14,17-18].

1.2.1 氣體系統(tǒng) 氣體系統(tǒng)主要由氣體抽注及尾氣吸收等部分構(gòu)成.其中,氣體抽注系統(tǒng)是保障堆體好氧環(huán)境,使填埋場區(qū)別于厭氧及準好氧填埋過程的核心系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由正壓的曝氣系統(tǒng)和負壓的抽氣系統(tǒng)組成,涉及構(gòu)筑物/設(shè)備包括抽氣井、曝氣井、抽氣風機、曝氣風機、氣體換熱器、氣體過濾器、氣體管道等[17].空氣經(jīng)曝氣系統(tǒng)打入填埋場內(nèi)部,氧氣在場內(nèi)被微生物利用后,剩余的尾氣及產(chǎn)生的填埋氣被抽氣系統(tǒng)引出堆體.根據(jù)曝氣壓力的不同,好氧穩(wěn)定化技術(shù)可以分為低壓曝氣和高壓曝氣2類.低壓曝氣技術(shù)是主流的好氧穩(wěn)定化技術(shù)[19-21],在該技術(shù)中填埋場內(nèi)打入/抽出氣體的正負壓在80kPa之內(nèi),且以3～8kPa居多[14,22-23].而高壓曝氣技術(shù)采用特定的噴槍以及設(shè)定好的電磁閥將壓縮后的空氣間斷地打入填埋場內(nèi)部,打入填埋場中空氣的正壓最高可達600kPa.高壓空氣可以穿透填埋場中高密度區(qū)域、常年包氣帶以及常年滲瀝液匯集區(qū)域,因此該系統(tǒng)曝氣效率相比于低壓曝氣系統(tǒng)可提升30%以上[22].但因能耗較高,高壓曝氣一般只在滲濾液水位高或有曝氣井堵塞等現(xiàn)象的填埋場短程/局部使用,以改變填埋場中空氣及滲濾液的流動途徑,減少填埋場內(nèi)部的短流現(xiàn)象[24].此外,由于主動曝氣修復結(jié)束后,堆體往往還存在產(chǎn)甲烷能力[25],部分填埋場會采用能源自給自足的長期曝氣作為修復末期的補充技術(shù)[12].該類技術(shù)將由風力驅(qū)動的抽氣機安裝在現(xiàn)有氣井上,壓縮空氣被引到現(xiàn)有氣井中,從而為基本達到穩(wěn)定的填埋場持續(xù)供氧[25].相比于主動曝氣系統(tǒng),它提供的風量和風壓有限,但其在運營過程中幾乎不產(chǎn)生電費,可以大大減少運行費用[12].

為保證氧氣在填埋場內(nèi)的均勻分布,好氧穩(wěn)定化技術(shù)往往會在強制注氣的同時開展主動的廢氣提取.然而,填埋場是各類垃圾的“匯”,其中不僅含生物質(zhì)垃圾,也含各種人工合成的有機、無機垃圾,底物的復雜性無疑會造成氣相產(chǎn)物的復雜性.多相混雜和各向異性還使填埋場在整治過程中難以實現(xiàn)完全的好氧環(huán)境及充分的垃圾降解[21,26].鑒于此,抽氣井提取的填埋氣往往不僅有隨曝氣空氣進入堆體但未被利用的N2、O2,有機物降解產(chǎn)生的CO2和水蒸汽,還含有部分惡臭物質(zhì)及揮發(fā)性有機化合物(VOCs).如楊府山垃圾填埋場填埋氣檢測分析發(fā)現(xiàn)高濃度H2S、NH3、SO2和VOCs,其中VOCs濃度高達5.6～23600mg/m3[14].北京營坊村西非正規(guī)垃圾填埋場填埋氣中檢測到的CH4、CO2和O2之外的氣體含量也高達46.9%～80.5%[27].此部分氣體直接排放會對環(huán)境產(chǎn)生污染,因此設(shè)置氣水分離器、洗滌塔、除臭設(shè)備等尾氣吸收單元去除填埋氣中的有害有味氣體是必要的[14].瑞安東山垃圾填埋場就采取了“噴淋塔水洗+高效除霧段+植物液堿液洗滌+高效除霧段+干式中和脫臭”工藝作為尾氣處理工藝[28].

1.2.2 液體系統(tǒng) 滲濾液收集及循環(huán)系統(tǒng)也是好氧穩(wěn)定化過程的重要系統(tǒng)之一.該系統(tǒng)一般由滲濾液抽提、回灌及處理系統(tǒng)構(gòu)成.涉及的構(gòu)筑物/設(shè)備包括滲水溝渠、滲濾液井、滲濾液泵、蓄水池、水管道等等[17].不同于常規(guī)填埋場以控制污染為目的,對收集的滲濾液進行處理后即達標排放;在好氧穩(wěn)定化修復技術(shù)中,收集到的滲濾液往往經(jīng)暫存或初步的水質(zhì)調(diào)節(jié)后即部分或全部回灌至堆體內(nèi),多次循環(huán)后再通過滲濾液處理裝置進行處理[29].

就滲濾液抽提系統(tǒng)而言,垃圾在填埋場內(nèi)降解時因自身分解、雨水浸入等會產(chǎn)生滲濾液.有效的收集和排除滲濾液是好氧穩(wěn)定化技術(shù)順利開展的前提[30].因為滲濾液積存導致含水率高時,堆體的自由氣隙(FAS)會顯著下降,導致氧氣無法順利在堆體內(nèi)流通[16,22].多項研究指出填埋場中存在常年儲存滲濾液的區(qū)域時,低壓曝氣無法改變其厭氧狀態(tài),好氧微生物也無法生長.正常情況下,滲濾液可通過填埋場場底設(shè)置的滲濾液導排設(shè)施有效導排,達到目標含水率.但部分填埋場隨著運行時間的增長,滲濾液導排層因物理、化學、生物淤堵等原因,出現(xiàn)滲透系數(shù)下降,底部導排層逐漸失效的情況,則會造成場底滲濾液水位壅高[31-32].此時可在堆體中布置抽水井,采用壓縮空氣排水或直接放潛污泵排水[33-34].

滲濾液回灌具有均衡填埋場垃圾含水率、調(diào)節(jié)堆體溫度、降低滲濾液污染負荷等多重目的.具體而言,微生物進行生長代謝的最佳含水率在45%～60%,但老填埋場往往達不到此含水率,且不同填埋深度垃圾含水率差距也極大[16,35],因此采用滲濾液(量不足時還需輔以雨水或自來水等)回灌有助于讓埋深不同的垃圾都能處在適宜的含水率下.當微生物降解產(chǎn)生大量的熱導致堆體溫度急劇增加時,滲濾液回灌還可以降低堆體溫度,保證修復工程的安全性[26,36].另一方面,高溫及抽氣會將填埋場內(nèi)液體以蒸汽的形式帶出,有助于滲濾液減量;垃圾層的截留、過濾、吸附及微生物降解又有助于滲濾液中污染濃度的降低[37].如Campanaro等[38]指出即使采用新鮮垃圾開展好氧穩(wěn)定化,滲濾液中的化學需氧量(COD)和氨氮(TAN)都能從初期的(59016±4014)和(1987± 80)mg/L降至171d的(1883±474)和(30±19)mg/L.老垃圾場中這種削減更為明顯[21].

有鑒于此,好氧穩(wěn)定化修復工程的滲濾液處理系統(tǒng)在工程案例中少有提及,多次循環(huán)后的滲濾液往往污染負荷較低,而多余未回灌的滲濾液處理方式與傳統(tǒng)填埋場是一致的.

1.2.3 污染隔離系統(tǒng) 目前好氧穩(wěn)定化技術(shù)在我國多用于非正規(guī)填埋場整治,而這類填埋場基本沒有任何污染防治措施(如底部防滲、填埋氣收集與導排等),與周邊水土開放接觸[10,39].原位好氧穩(wěn)定化治理需要一個相對封閉的環(huán)境來提高反應(yīng)效率,降低運行成本[18,23,29];封閉環(huán)境也有利于切斷填埋場內(nèi)滲濾液與周邊地表、地下水的水力聯(lián)系,防止氣體橫向遷移等,以減少污染范圍并杜絕安全事故[18,39-40],因此設(shè)置污染隔離系統(tǒng)是必要的.污染隔離系統(tǒng)一般有垂直防滲和水平防滲系統(tǒng)兩類[18].其中水平防滲指填埋場頂部的封場覆蓋,可選用高密度聚乙烯(HDPE)膜或粘土進行覆蓋.水平防滲不僅可以阻隔降雨帶來的滲濾液,其覆蓋密封性能還會對垃圾體內(nèi)負壓分布有明顯影響[23].垂直防滲是指在填埋場周邊設(shè)置豎向防滲帷幕,以往多采用注漿帷幕、攪拌樁帷幕[40],近年來柔性垂直土工膜帷幕也開始被關(guān)注.湖南省湘陰縣附山垸生活垃圾填埋場治理時就將3mm厚HDPE膜垂向插入相對不透水層中,構(gòu)成了垂直防滲系統(tǒng)[41].垂直防滲系統(tǒng)不僅可用于隔水,對防止填埋氣的無序擴散也有顯著效果[42].

1.2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)包括各種監(jiān)測井、氣體監(jiān)測探頭、溫度、濕度傳感器及配套組件等[17].對垃圾堆體溫度、濕度、填埋氣組成、滲濾液水位等參數(shù)進行監(jiān)測和控制是避免安全隱患、保證好氧穩(wěn)定化治理效果的必要手段[18].具體而言,爆炸、火災(zāi)、邊坡穩(wěn)定性等都是填埋場好氧修復過程中需重點防范的安全問題.填埋場原本以厭氧環(huán)境為主,場內(nèi)填埋氣富含甲烷,好氧穩(wěn)定化修復時需向填埋場內(nèi)注入大量空氣,而當注入的O2與場內(nèi)CH4達到一定混合比,即可能發(fā)生爆炸.鑒于填埋場與空氣氣氛不同,Ko等[26]曾提出了針對填埋場情況(CH4與CO2混合)的爆炸范圍圖,并指出對填埋場內(nèi)CH4和O2等氣體的濃度進行例行監(jiān)測和評估是必要的,一旦氣體混合物的成分在爆炸范圍內(nèi),需立即停止注氣并監(jiān)控該區(qū)域.另外,廢物的好氧分解是大量產(chǎn)熱的,空氣注入引發(fā)填埋場內(nèi)高溫進而引發(fā)悶燒甚至火災(zāi)的現(xiàn)象也已被多次報道[26,43-44].根據(jù)美國新河地區(qū)垃圾填埋場的經(jīng)驗,開展溫度監(jiān)測,保證溫度小于76.6℃是必要的,一旦觀察到存在溫度>70℃的高溫區(qū),即應(yīng)調(diào)整空氣注入速率;當溫度接近高溫閾值時,可能還需在停止注氣的同時向周邊井回灌液體[26].值得注意的是,當液體回灌量過大引起堆體水位急劇增高時又可能導致邊坡穩(wěn)定性問題[34].因此開展水位監(jiān)測也是必要的.除了安全性問題,數(shù)據(jù)監(jiān)測的另一個目的是指導工藝參數(shù)設(shè)置,優(yōu)化系統(tǒng)工況[14,17].多個填埋場均直接根據(jù)監(jiān)測到的堆體氧濃度情況指導曝氣量[16],而以堆體濕度情況調(diào)節(jié)滲濾液回灌量[45].

2 好氧穩(wěn)定化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計單元

好氧穩(wěn)定化的4個系統(tǒng)中,后2個系統(tǒng)在工程應(yīng)用中鮮少出現(xiàn)爭議或設(shè)計難點,但氣、液兩系統(tǒng)涉及相當多的工藝參數(shù),我國好氧穩(wěn)定化項目起步較晚,第1個項目2006年才啟動,截止目前我國并沒有相關(guān)標準或規(guī)范來明確各類參數(shù)的取值或計算[22].本研究調(diào)研了國內(nèi)外典型的垃圾填埋場好氧穩(wěn)定化工程案例(表1),并著重分析了各案例氣、液系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計方法,討論了存在的問題,以期為該技術(shù)的后續(xù)工程應(yīng)用提供指導.

2.1 曝氣量

曝氣量是影響好氧穩(wěn)定化效果的重要參數(shù),為保證填埋場好氧反應(yīng),應(yīng)將堆體氧濃度(體積分數(shù))控制在16%～21%,當氧濃度低于10%時,好氧反應(yīng)將被嚴重抑制[16].由此可見,過少的曝氣量不足以保證垃圾堆體的好氧環(huán)境.但過大的曝氣量不僅會增大運行費用;還會帶走水分,影響堆體濕度;且會降低堆體溫度,影響降解速率.控制合適的曝氣量,兼顧O2利用率、堆體溫度、濕度控制及治理成本是必要的.

測定和計算垃圾的好氧降解潛力是曝氣量設(shè)計的第一步.不同填埋場因填埋垃圾類別、組分及填埋期不同,其好氧降解潛力會有明顯不同.楊府山垃圾填埋場在曝氣量設(shè)計時,首先調(diào)研了填埋場的垃圾組分,再對其中的有機組分進行元素分析,以加權(quán)平均的方式算出了填埋場有機垃圾的概化分子式.基于好氧和厭氧反應(yīng)的理論方程式,并假設(shè)好氧穩(wěn)定化過程中85%的垃圾參與好氧降解,15%參與厭氧降解,最后以化學計量法求出了單位垃圾的需氧量,結(jié)合垃圾總量和治理目標最終求出了曝氣量[14].此案例為計算曝氣量提供了思路,但實際上僅可生物降解有機垃圾可在整治過程中與氧氣反應(yīng),而填埋場除可生物降解有機物外還有很多人工合成的有機物,這部分垃圾的存在會嚴重干擾曝氣量的計算.鑒于此,有研究者進一步提出了如式(1)所示的曝氣量計算方法[28]:

式中:為填埋場總抽/注氣量,m3/min;G為填埋垃圾總質(zhì)量,kg;0和C分別為修復前后垃圾的可生物降解度(BDM),%;r為治理達標率;BDM為BDM好氧降解潛力,即降解單位質(zhì)量的BDM所需氧氣的質(zhì)量,gO2/kgBDM;為治理年限,取值一般在2～3a;O2為氧氣的物質(zhì)的量質(zhì)量,32g/mol;O2為氧氣利用率;為安全系數(shù).

表1 垃圾填埋場好氧穩(wěn)定化修復典型案例

續(xù)表1

注:NA表示原文中沒有介紹.

公式(1)有BDM和BDM2個關(guān)鍵參數(shù).相比有機物含量,BDM含量能更準確表征在修復過程中的耗氧物質(zhì).該指標可根據(jù)GB/T 23857—2009[56]采樣監(jiān)測.BDM,對老垃圾場而言,各類易降解垃圾已降解完全,而木質(zhì)素在修復期間降解程度低,主要的可降解部分為纖維素和半纖維素,基于此兩類物質(zhì)的理論需氧量及含量加權(quán)平均計算BDM可能比測出元素分析后,基于其概化分子式計算更為準確[28].

式(1)中還有垃圾質(zhì)量、治理達標率、降解年限及氧氣利用率等指標.前3者是每個修復場地的特異性參數(shù),由管理者根據(jù)實際情況或需求進行選擇,但氧氣利用率在取值過程中則存在很大差異.從表1可知,瑞安東山填埋場的取值為0.43[28];楊府山填埋場取值0.6[14];奧地利某填埋場取值0.69[54].但國外好氧穩(wěn)定化示范項目的氧氣利用率僅15%～22%[22];我國填埋場由于環(huán)境復雜、填埋深度大、曝氣控制系統(tǒng)不完善等問題,該值更僅為8%～15%[22].由此可見,實際氧氣利用率遠沒有設(shè)計值那么樂觀.為保證堆體的好氧條件,部分填埋場留出了一定的安全系數(shù);部分填埋場直接根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的堆體氧含量動態(tài)調(diào)整曝氣量[16].但長遠來看,優(yōu)化曝氣及提氣井位布局,緩解布氣不均勻現(xiàn)象,以提高氧氣利用率才更經(jīng)濟合理.

2.2 井位布置型式及其結(jié)構(gòu)

優(yōu)化井位布局可從抽注氣井的布置間距及型式上入手[57].小的布置間距及多的區(qū)域交疊有助于均勻布氣、避免死角.鑒于此,好氧穩(wěn)定化修復中常用的井位布置型式有井字形和梅花形兩種[33].兩種布置形式分別指4座和6座曝氣井組成正多邊形,一個抽氣井在其中心的布置方式(圖1).2種布置方式都滿足當某個抽氣井需要維修時,關(guān)閉周圍的曝氣井,其抽氣影響半徑內(nèi)的填埋氣可被任意抽氣井抽走.由此既保證了布氣的均勻性、避免了死區(qū)產(chǎn)生,又對好氧穩(wěn)定化的治理效果影響最小.關(guān)于布置間距,前期有研究者在現(xiàn)場實驗中發(fā)現(xiàn),即使在0.04m3/s的大抽氣量下,抽氣影響半徑都只有20～ 30m,超過30m處的監(jiān)測井在抽氣過程中甲烷濃度變化不大[23].大多工程案例的單井影響半徑取值也在15～25m(表1).相應(yīng)的曝氣井之間及其與抽氣井之間的間距為10～18m(井字形布置)或8～14m(梅花形布置),遠小于常規(guī)填埋場25～50m的導氣井布設(shè)間距.同樣的影響半徑下井字形布置的井位總數(shù)量少于梅花形布置,因此研究者指出井字形布置比較適合采用“強制抽氣+強制注氣”的好氧工藝,而采用“強制抽氣+自動補氣”的準好氧工藝中更適合使用梅花形布置[33].然而從表1可知,盡管都采用“強制抽氣+強制注氣”工藝,除湖北省夷陵垃圾填埋場采用了井字形布置外[45],楊府山和瑞安東山垃圾填埋場都采用了六邊形布置[14,28].垃圾深度大、垃圾滲透系數(shù)小、堆體存在常年包氣帶、滲濾液匯集區(qū)等會降低氣體的遷移擴散能力,這可能是不同項目選擇不同布置形式的原因.有些填埋場為了防止堵塞,增強抽注氣效果,還建議將抽氣井和曝氣井互換使用[16].

井結(jié)構(gòu)方面,好氧穩(wěn)定化工藝的抽、注氣井結(jié)構(gòu)是相似的,氣井直徑一般為800mm,井深為自場底或滲濾液液位向上1m至堆體頂部以上1m.且井內(nèi)自井底向上,需以1m穿孔管2m非穿孔管的方式內(nèi)置直徑100mm的HDPE管,穿孔管視垃圾層厚度不同,可設(shè)置2～3段,上部其余部分采用非穿孔管[33].這種結(jié)構(gòu)與生活垃圾填埋氣導氣井也有明顯區(qū)別.在常規(guī)填埋場導氣井的布置中,氣井距場底間距不應(yīng)小于5m,內(nèi)置導氣管均為多孔管.好氧穩(wěn)定化技術(shù)中減少了氣井到場底的間距,這可能是因為氣體密度小,在注入堆體后會向上運動,若注氣管距離場底較遠,難以使場底垃圾達到好氧環(huán)境;而注氣井同高度布設(shè)則是為了保證布氣的均勻性.同理,內(nèi)置管道采用穿孔和非穿孔管相間分布也是為了布氣均勻、防止短流.研究表明,隨著垃圾深度的增加,孔隙度降低,含水率升高,氣體滲透系數(shù)會急劇下降[23,26],在此條件下若不分段抽注氣,很容易導致氣體短流,集中在堆體上部.此外,為了提高抽注氣效率,HDPE管外至井筒之間下部需填充級配碎石,防止管道堵塞;上部則應(yīng)由膨潤土壓實,避免漏氣[23,33].

圖1 導氣井平面布置示意

2.3 曝/抽氣壓力

曝/抽氣壓力是好氧穩(wěn)定化過程中風機選型的依據(jù),與前述曝/抽氣流量及氣井影響半徑等都密切相關(guān).有研究者根據(jù)抽氣井抽氣條件下填埋氣壓力分布簡易模型,總結(jié)出了抽氣壓力的計算式[33]:

式中:為抽氣壓力,Pa;為單井抽氣量,m3/s;為抽氣管直徑m;為抽氣井影響半徑m;h為氣體水平方向滲透系數(shù),m2/(Pa·s);為抽氣井井深,m.

式(2)中的取值一般為0.1m.根據(jù)前期好氧穩(wěn)定化修復案例,、、h和4個參數(shù)的取值多集中在0.001～0.03m3/s[28,37,45,58-59], 15～25m, 10-7～ 10-5m2/(Pa·s)[27,60-61]及3～25m(表1).從圖2可知,抽氣壓力與單井抽氣量和井影響半徑成正比,與氣體水平方向滲透系數(shù)和抽氣井深度成反比.當、K和等都處于設(shè)置的典型范圍(0.01m3/s,10-6m2/(Pa·s)和15m)時,可直接讀出需要的曝氣壓力;而當、h和等不在典型值時,盡管得不到具體壓力數(shù)值,圖2仍可為技術(shù)人員初步判斷曝氣壓力提供依據(jù).在設(shè)計曝氣壓力時,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如h和)的獲取是必要的,明確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后即可根據(jù)設(shè)計的值求出相應(yīng)值.

圖2 井深、曝氣壓力及氣體滲透系數(shù)與曝氣井影響半徑和抽氣壓力的關(guān)系

2.4 液體回灌量及回灌方式

液體系統(tǒng)中主要的設(shè)計要點是液體回灌量及回灌方式.液體回灌量的計算分為初期注水量和運行期回灌量兩種.初期注水量主要根據(jù)堆體現(xiàn)狀平均含水率、修復工藝確定的最優(yōu)含水率(通常定在40%～70%,表1)及垃圾總質(zhì)量確定[16].該計算較為簡便,液體在運行前一次性加入堆體,以構(gòu)造目標含水率環(huán)境.運行期回灌量的計算由排氣帶出水量扣除進氣帶入水量和好氧反應(yīng)產(chǎn)生水量,并考慮一定水分利用率計算得出[14,16].排氣和進氣中出水量的差異主要是兩者溫度不同,飽和含水率不同導致;而有機物降解的需水及產(chǎn)水量,則需結(jié)合2.1節(jié)曝氣量計算中的反應(yīng)方程式確定,因此該計算相對復雜.鑒于此,很多工程案例在運行期并不計算回灌量,而是直接定一個回灌比(25%左右)或者根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控到的溫度、濕度信息動態(tài)調(diào)整回灌量(表1).

回灌方式可分為滲水溝渠、地表噴灌和豎井注入等.滲水溝渠回灌和地表噴灌溉都是依靠液體的滲透作用進行回灌,不同的是,滲水溝渠布置在覆蓋層之下,而地表噴灌需要通過覆蓋層向下滲透;地表噴灌受環(huán)境影響較大,且對回灌時間和注水速率反應(yīng)敏感[37].兩種回灌方式都可能存在水分在垂直方向擴散受阻的問題.Clément等[58]通過電阻成像方法對滲濾液在垃圾堆體中的流動進行了量化和空間化,發(fā)現(xiàn)滲濾液在垂直方向的流動范圍僅限于注入點下方的2～3m.這可能是垃圾在填埋過程中采用黏土進行了日覆蓋或中間覆蓋,而土壤層相比垃圾層具有極低的滲透系數(shù)造成的.分層回灌或者帶壓力回灌的方法有望改善上述屏障效應(yīng)[58],如表1所示,許多已建工程會采用豎井回灌,將滲濾液在曝氣風機正下方添加,旨在加強液體的快速擴散[24,46,29].另一方面,有些填埋場在回灌過程中又發(fā)現(xiàn)滲濾液無法像理論中那樣經(jīng)過垃圾的層層過濾和吸附,降低污染濃度和水量后再流出堆體,而是極快的滲出了堆體.這可能與垃圾是大孔隙介質(zhì)相關(guān).無論如何,這種回灌-出流方式也無法起到預(yù)定作用,加大滲濾液的異位處理力度是有效的兜底方法.但另一方面,控制回灌量被認為可有效防止此現(xiàn)象.Jain等[35]就曾指出為避免回灌的滲濾液快速下滲積累在防滲層上,美國政府規(guī)定好氧穩(wěn)定化250d前后的最大允許回灌量分別為218和132m3/d.此外,滲濾液異位處理后再回灌還可能更有助于提高好氧穩(wěn)定化效率.夏向利等[9]發(fā)現(xiàn)在回灌滲濾液中添加菌劑可使堆體沉降性能提高60%～75%.瑞安東山垃圾填埋場采用“預(yù)處理+厭氧反應(yīng)器+A2O+MBR+芬頓氧化”為主體的工藝處理滲濾液后,將其排放到調(diào)理水池,并在池內(nèi)投加生物菌劑和藥劑,混合均勻后輸送至垃圾堆體頂部回灌水箱進行液體回灌[28].這種回灌模式極大的提高了好氧穩(wěn)定化速率,填埋場原定32個月完成的修復目標在14個月后即已實現(xiàn).

3 好氧穩(wěn)定化的終點評價

填埋場好氧穩(wěn)定化修復的目的是使垃圾成分穩(wěn)定,場地無燃燒爆炸風險并得以再次開發(fā)利用.我國的好氧穩(wěn)定化修復工程往往根據(jù)生活垃圾填埋場穩(wěn)定化場地利用技術(shù)要求[62],以有機質(zhì)含量和填埋氣濃度等作為終點評價和驗收指標.但有些填埋場在達到修復目標并停止曝氣一段時間,又會出現(xiàn)產(chǎn)氣反彈現(xiàn)象[25].國外以BDM代替有機質(zhì)作為修復終點時,也依然會存在該問題.鑒于此,研究者提出以RI4和GP21作為補充評價指標,當RI4在1～3mgO2/ gDM或GP21達到0.2L/kgDM時可停止曝氣[54].其中,RI4似乎較易實現(xiàn),如意大利北部摩德納垃圾填埋場穩(wěn)定后收集的樣品RI4的平均值為1.6mgO2/ gDM[32];奧地利維也納附近一個舊垃圾填埋場和奧地利城市生活垃圾填埋場穩(wěn)定后收集的樣品RI4平均值均為1.7mgO2/gDM[54].但從表1可知,到曝氣終點時GP21似乎鮮少達到此目標值.也有不少研究者會考慮修復終點的滲濾液污染負荷及堆體沉降量,但這類指標更多的應(yīng)該是常規(guī)監(jiān)測作用,而不是作為修復目標.目前該方向的科研探索尚在持續(xù).

另一個值得注意的問題是,曝氣結(jié)束后填埋場內(nèi)會剩余大量腐殖土,這些腐殖土應(yīng)如何最終處置或利用,原場地周邊或場底的土壤應(yīng)如何進行風險評價,都還未成體系.韓祖光等[7]曾對好氧降解處理后的北京黑石頭垃圾填埋場表層土壤進行質(zhì)量評價,發(fā)現(xiàn)填埋場土壤盡管在測試指標范圍內(nèi)沒有明顯超標,但重金屬含量大多高于北京市土壤背景值;毛管孔隙度與孔隙比低,水氣性能不夠協(xié)調(diào).至于是否有微塑料、抗生素抗性基因、環(huán)境激素等新型污染物,前期未見監(jiān)測與評價.由此可見,加大好氧穩(wěn)定化修復后場地的利用技術(shù)研究力度是必要的.

4 展望

4類填埋場整治技術(shù)中,原位好氧穩(wěn)定化的綜合成本僅38～69元/m3,而以篩分綜合利用為主體的異位治理方式,其成本達到了223～533元/m3[10,18,63].懸殊的成本差異,使好氧穩(wěn)定化技術(shù)在大型垃圾填埋場的修復上極具應(yīng)用優(yōu)勢.

但盡管該技術(shù)在北美和歐洲起步較早且示范項目較多,其在我國的應(yīng)用卻尚不成熟,許多工藝參數(shù)尚待摸索.如與國外填埋垃圾的初始含水率平均為27%相比,我國10個不同地區(qū)填埋垃圾的初始含水率平均52%,南方濕潤地區(qū)垃圾初始含水率接近60%[64],垃圾高含水率導致滲濾液產(chǎn)量大,加之填埋場場底滲濾液導排系統(tǒng)普遍容易淤堵等,造成我國垃圾填埋場極易存在水位壅高現(xiàn)象,影響布氣效率.此外,我國填埋場垃圾厚度往往也遠高于國外,部分衛(wèi)生填埋場垃圾厚度可達50m.而國內(nèi)外填埋場好氧修復經(jīng)驗均表明,深層垃圾往往壓實度高,孔隙小,導氣率差,易形成短流通道且存在常年包氣帶,因此隨著填埋厚度增加,曝氣效果將明顯變差.鑒于此,為保證該技術(shù)在我國的高效應(yīng)用,針對我國垃圾、填埋場特性,做好技術(shù)適應(yīng)性調(diào)整是必要的.比如,首先要保證滲濾液成功導排,避免“水泡垃圾”的現(xiàn)象出現(xiàn),在底部滲濾液導排系統(tǒng)異常的情況下,要積極探索諸如壓縮空氣排水、氣井抽水等工藝,確保滲濾液成功導排.再者,針對垃圾各向異性特征明顯,要探索曝氣及提氣管道布局的優(yōu)化方法.甚至對于垃圾厚度極高的填埋場,也許還需考慮分層整治輔以局部高壓曝氣,以提高氧氣利用率.另外針對堆體濕度不均勻的問題,正確合理的液體回灌也是必要的.對于黏土層造成的屏障效應(yīng),目前已探索出分層或壓力回灌的方法來解決.對于垃圾大孔隙介質(zhì)難以截留吸附水分的問題,一方面控制好回灌速率可能有所改善;另一方面,加大滲濾液異位處理力度,不過度依靠垃圾中的微生物截留、吸附、降解滲濾液中的污染物也許是必要的.

填埋場是各類垃圾的“匯”,成分復雜、危害各異的垃圾處理后即使變成腐殖土,這些腐殖土的生態(tài)風險及利用,也存在爭議.目前部分簡易填埋場由于已停止服役20余年,對其周邊土壤開展檢測未見明顯風險.但場底土壤,乃至垃圾腐殖土本身也是大量存在的,這部分土壤應(yīng)如何評價其風險,如何規(guī)范其出路,是下一步研究中亟待解決的問題.

5 結(jié)論

5.1 原位好氧穩(wěn)定化是極具前景的填埋場治理技術(shù),它由氣體、液體、污染隔離及數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制四大系統(tǒng)組成.

5.2 氣、液系統(tǒng)是影響好氧穩(wěn)定化效率的關(guān)鍵,目前實際工程在均勻布氣、滲濾液收集和循環(huán)上面存在很多困難.做好滲濾液導排保證堆體最優(yōu)含水率、優(yōu)化曝氣及提氣管道布局、分層整治并輔以局部高壓曝氣有望改善布氣不均現(xiàn)象,提高氧氣利用率;采用分層回灌或者壓力回灌可改善液體回灌過程中的屏障效應(yīng);針對大孔隙出流效應(yīng),在控制回灌速率的同時,加大滲濾液異位處理力度以削減滲濾液污染負荷也許是必要的.

5.3 有機質(zhì)、BDM、甲烷含量、RI4和GP21等常被用于指示曝氣終點,但尚無指標體系可對好氧穩(wěn)定化治理后垃圾腐殖土及場底土壤的生態(tài)風險進行評估,其最終處置方法或資源化途徑也無明確指南,后期應(yīng)加強相關(guān)基礎(chǔ)研究以指導工程應(yīng)用.

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Application status and research progress of in-situ landfill aeration.

LI Lei*, PENG Yao, TAN Han-yue, YANG Ping-jin, RU Ling-yu, WANG Xiao-ming, PENG Xu-ya

(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China)., 2021,41(6)：2725～2736

This paper reviewed the technical principles, system components, the design and optimization of key units, as well as the completion criteria of in-situ landfill aeration. Future development and challenges were prospected in combination with the characteristics of landfill sites and wastes in China. At present, uniform air and water distribution was the major difficulty faced in the implementation of in-situ aeration projects. Oxygen utilization rate could be improved with engineering measures such as the proper leachate collection and distribution to maintain an optimal waste humidity, the optimization of the aeration and extraction pipeline layouts, and the implementation of layer by layer remediation accompanied by high pressure aeration. In addition, the barrier effect and macropore outflow effect during the liquid recirculation could be improved by using stratified or pressurized recirculation, and controlling the recirculation rate, so that an uniform distribution of moisture in landfills may be provided. After aerobic stabilization, the risk assessment system and the final disposal of decomposed wastes and bottom soils were not clearly demonstrated yet, therefore, it was necessary to strengthen the relevant basic research to guide engineering application in future.

landfill remediation；in situ aeration；completion criteria；risk assessment

X705

A

1000-6923(2021)06-2725-12

2020-10-23

重慶市市城管科字(2019)第14號;中央高?；鸹究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(2019CDCGHS307)

* 責任作者, 副教授, lileich17@cqu.edu.cn

李 蕾(1989-),女,江西宜春人,副教授,博士,主要從事固體廢物污染控制與資源化研究.發(fā)表論文30余篇.