垃圾填埋场生化降解指标测试及液气产量评估

柯 瀚,徐 兴,胡 杰*,张美兰,兰盛泽,徐 辉,3,张晨晟,肖电坤

垃圾填埋场生化降解指标测试及液气产量评估

柯 瀚1,徐 兴1,胡 杰1*,张美兰2,兰盛泽1,徐 辉1,3,张晨晟1,肖电坤1

(1.浙江大学岩土工程研究所,浙江 杭州 310027；2.上海老港废弃物处置公司,上海 201302；3.浙江理工大学建筑工程学院,浙江 杭州 310018)

以上海某综合垃圾填埋场作为研究对象,钻取不同龄期的生活垃圾测试固液气生化降解指标,并对全场的渗滤液产量以及填埋气产量进行评估.经过测试和计算,该处区域已开始稳定产甲烷,进入慢速降解阶段.其中,固相垃圾样的C/L(纤维素与木质素的比值)大部分集中在0.72～1.53之间;渗滤液pH值介于7.91～8.92, BOD介于1050～5780mg/L, COD介于2640～15200mg/L, NH3-N介于2110～4360mg/L.引入固相、液相以及气相归一化指标1、2、3,用于评估填埋场降解阶段.其中,1介于0.56～0.83,2介于0.65～0.76,3介于0.97～1.02.1与2能够作为判定垃圾场降解阶段的指标,但3只能作为判定垃圾场是否处于稳定产甲烷阶段的指标.另外,建立考虑垃圾压缩-渗流耦合作用的渗滤液产量计算方法,垃圾自身渗滤液产率在70%～80%左右;采用垃圾两阶段降解模型计算填埋气产量,随着垃圾停止入场填埋,填埋气可收集量快速降低,至2025a降至峰值的3.88%,至2040a降至峰值的0.08%.

垃圾填埋场；固液气生化降解指标；渗滤液产率；填埋气产量

填埋场是生活垃圾的一种较为稳定可靠的处置方式,基本是每个城市必须具备的环境卫生设施,是我国城市生活垃圾无害化处理的兜底保障手段.由于国家倡导垃圾分类,近些年我国垃圾处理方式发生较大转变,上海、深圳、杭州等大型城市的垃圾填埋逐渐被焚烧所替代,餐厨垃圾处理也开展了试点性应用.但由于不同地区经济水平差异较大及生活垃圾含水率过高的特点,目前填埋处理量仍占总处理量60%以上.且我国生活垃圾存量巨大,大部分垃圾未得到规范处理,造成填埋场服役环境极端,建设和运行面临着严重的安全与环境问题.

研究发现西方生活垃圾厨余含量低而我国生活垃圾厨余含量高且含水量大,两者的降解稳定化过程差异显著[1-3].刘海龙等[4]根据C/L(纤维素与木质素含量之比)的变化趋势将填埋场降解稳定化过程划分为3阶段:龄期1a以内的垃圾处于快速降解阶段;龄期1～15a的垃圾处于慢速降解阶段;龄期15a以上的垃圾达到生化降解稳定化,此时C/L 基本稳定.徐辉[5]通过模型实验发现完成快速降解阶段的主要特征为胞内水释放基本完成,80%(该阶段所降解的物质质量/新鲜垃圾中可降解物质总量)左右的可降解物质水解,60%～80%(该阶段所产生的渗滤液体积/新鲜垃圾完全降解产生的渗滤液总体积)左右的渗滤液量产出,60%(该阶段所产生填埋气体积/新鲜垃圾完全降解时产生的填埋气总体积)左右的填埋气产生;慢速降解阶段以纸类等慢速降解物质的生化反应为主导;后稳定化阶段以腐殖质、木质素等难降解有机物质的生化反应为主导.由于填埋气(组分、产量及产气速率)、渗滤液(产量及水质变化)、可降解物质含量以及堆体沉降变形等参数随着垃圾的生化降解不断变化,因而被学者广泛作为填埋垃圾稳定化程度评价体系的基本指标[6].王罗春,Rooker,蒋建国等[7-11]认为渗滤液特性(渗滤液产率、COD、BOD、悬浮物、NH3-N浓度)、填埋气特性(产气率)、堆体沉降速率可作为评价参数分析填埋场的稳定化程度.林建伟等[12]以填埋垃圾固相特性(有机质含量、含水率)和渗滤液特性(COD、TN、TP)作为评价体系的判别指标,并采用了单因子指数法和综合评价法分析了填埋垃圾的稳定化程度.刘娟[13]针对国内外文献中出现频次较高的各项指标,以其科学涵义为基础,进行填埋场稳定化进程表征指标的初步筛选,对渗滤液指标主要选取了BOD、COD、BOD/COD、TN、NH3-N以及TOC作为稳定化判别指标,其中BOD/COD表示渗滤液中可生物降解有机物的相对含量,是反映渗滤液生化降解性的可生化性指标,由于抵消了外界环境干扰的影响,能更准确地表征填埋场稳定化进程.刘晓成[14]从降解环境、填埋气组分、渗滤液特性、垃圾组分以及固相降解稳定化归一指标等角度,综合分析填埋场的稳定化进程,为判断填埋垃圾稳定化程度提供可靠的衡量指标.陈晓哲[15]基于饱和–非饱和渗流理论和非线性固结理论,考虑分层堆填过程及填埋体渗透系数随深度的变化,计算了各阶段渗滤液产量.郭汝阳[16]在Scholl-Canyon理论模型的基础上,提出了基于高厨余垃圾降解特征的双组分产气速率计算方法.以往研究中选取的评估指标已涵盖了填埋场稳定化过程的各个方面,对填埋场稳定化可进行全面的判断,但研究中往往只考虑单一因素进行评价,未对液相以及气相进行归一化处理,填埋场各个区域垃圾性质各异,使得对填埋场整场的稳定化评判存在一定的偏差.

本文在上海某垃圾填埋场钻孔取样、采集渗滤液以及填埋气,垃圾填埋龄期为0～2a,分析固液气的生化降解指标,研究了低龄期垃圾的稳定化情况,引入固相、液相以及气相归一化指标概念1、2以及3,用于评估填埋场降解阶段.同时,建立考虑垃圾压缩-渗流耦合作用的渗滤液产量计算方法,计算填埋场全场的渗滤液产率,来用于判断填埋场的稳定阶段;采用基于高厨余垃圾降解特征的两阶段降解模型计算了全场的填埋气产量,对该填埋场进行全面的稳定化评估及产量评估.

1 材料与方法

1.1 场地概况

以上海某综合填埋场作为工程研究对象.该综合填埋场工程分两期建设运营,2011年3月30日开工,2013年1月10日试运营,包括综合填埋场一期二期、渗滤液处理厂及配套工程,处理对象包括生活垃圾、飞灰、污泥、渗滤液.最大处理规模5000t/d,平均规模为3759t/d(其中生活垃圾2664t/d、飞灰231t/d、污泥864t/d).填埋场总库容1648万m3.

自2013年投产运行以来,日填埋规模自初期的1000t/d,逐年攀升,达到了当前最大的10992t/d,截至2020年8月,该填埋场已填埋垃圾1479.69万t,占用库容1515.97万m3.

图1 填埋场试验区域卫星图

121.87°E, 31.06°N

测试区域在综合填埋场一期顶部,试验区域见图1.垃圾填埋龄期为0～2a.井位的具体布置方案如图2所示.试验区域为5处深度分别为4, 7, 10m的110mm口径注气井簇I,12口深度为40cm的50mm口径膜下监测井Z.

图2 试验井布置

1.2 测试方法

1.2.1 固相指标测试方法 采用范式洗涤纤维分析法测定垃圾试样的纤维素和木质素含量[17].原理为:生活垃圾经酸性洗涤剂洗涤后,不溶的残渣为酸性洗涤纤维,包括纤维素、木质素和硅酸盐.酸性洗涤纤维经72%硫酸硝化后溶解的为纤维素,残渣为木质素和硅酸盐,根据硝化前后物质质量可计算出纤维素含量.将硝化处理后剩余的残渣灰化,逸出的是木质素,残余物即为硅酸盐,根据计算出的纤维素与木质素含量值便可确定C/L.

1.2.2 液相指标测试方法 pH值采用phs-3c型精密酸度计测定;COD和BOD分别采用5B-3C型COD快速测定仪和ysi-550型溶解氧测定仪测定;NH3-N采用UV-2550型紫外分光光度计测定.

1.2.3 气相指标测试方法 填埋气组成包含CH4、CO2、O2以及其他气体(主要为N2),采用便携式沼气分析测定,用体积百分比表示.

2 结果与分析

2.1 固液气生化指标

厌氧降解为填埋场中主导的生化反应,填埋场中垃圾的厌氧降解过程可简化为水解－甲烷化二阶段形式[16],见式(1)～式(4).垃圾中可降解固相物质(多糖类物质、蛋白质以及脂肪等)在微生物作用下水解为挥发性脂肪酸(VFA)和氢气、CO2等,导致其固相质量损失、工程力学特性改变.水解反应的中间产物在甲烷菌作用下进一步转化生成CH4及CO2等填埋气,这一过程会产生大量渗滤液、填埋气以及污染物,引起堆体沉降,是填埋场中复杂固－液－气－化多场相互作用的源头,因此生化降解是填埋场稳定化过程最重要的方面[16].

水解酸化阶段:

(C6H10O5)n+5nH2O→nCH3COOH+8nH2+4nCO2(多糖类物质) (1)

C46H77O17N12S+59.26H2O→7.88CH3COOH+30CO2+63H2+12NH3+H2S(蛋白质) (2)

C55H104O6+78H2O→13CH3COOH+29CO2+104H2(脂肪) (3)

甲烷化阶段:

CH3COOH+7.43H2+0.93CO2+0.029NH3→2.79CH4+3.8H2O+0.029C5H7NO2(4)

固相垃圾样取自于15口注气井附近,分别为3个深度,0～3m,3～6m,6～10m;渗滤液样取自15口注气井;填埋气组分分别取自于15口注气井以及12个膜下气体监测点,如表1所示.

表1 固液气相取样

2.1.1 固相降解指标结果分析 固相降解指标采用C/L,即垃圾试样的纤维素和木质素的含量比值.纤维素是城市生活垃圾中可降解组分的主要化学成分,通过以往研究发现C/L可以反映垃圾降解稳定化程度[17].刘海龙等[4]在西安江村沟填埋场获得了8个不同埋深处的固相垃圾样,通过测试得到了C/L与降解龄期关系的数据点.龄期范围为0～20a,C/L处于0.3～2.8之间.其中新鲜垃圾的厨余含量高达56.9% (湿基).Barlaz[17]通过总结大量对现场钻孔垃圾样降解特性的研究发现,垃圾中C/L随填埋深度(或龄期)增加而衰减,建议采用可降解物质含量指标表征垃圾降解稳定化程度.另外,瞿贤等[18]通过开展室内试验,也测得了4个C/L与降解龄期关系的数据点,龄期在0～1.5a的垃圾C/L处于0.39～2.73之间.徐辉[5]构建了BCHM耦合理论模型对试验数据进行模拟,获得了C/L随降解龄期的变化曲线.

本试验测试垃圾龄期为0～2a,根据填埋场运营方提供的试验区域填埋历史情况,测试了累计沉降值,然后根据相对深度(垃圾深度/堆体厚度)大致估算取样0～3m深度的垃圾龄期为1a,3～6m深度的垃圾龄期为1.2a,6～10m深度的垃圾龄期为1.8a.根据图3可知,固相垃圾样的C/L在深度上有着较大的离散性,所得C/L大部分集中在0.72～1.53之间,平均C/L值为1.09,新鲜垃圾C/L指标为3.2左右,根据图3可知,本文测试结果与以往试验结果较符合, BCHM模型[5]能较好地拟合现场情况,反映高厨余垃圾填埋场的降解稳定化过程.

2.1.2 液相降解指标结果分析 主要测试了渗滤液的pH值、COD、BOD、NH3-N作为稳定化判别的指标.根据Alvarez等[19]对以往研究结果的总结,低龄期渗滤液(3～12个月)的BOD/COD比值介于0.6～1之间;中龄期渗滤液(1～5a)的BOD/COD比值介于0.3～0.6之间;高龄期渗滤液(>5a)的BOD/COD比值介于0～0.3之间.王罗春等[8]、Rooker等[10]指出BOD/COD小于0.1时,渗滤液到达稳定状态.

图3 C/L随龄期变化趋势

表2 不同龄期渗滤液的BOD/COD

从表3可以看出,此时填埋场区域的pH值介于7.91～8.92之间,属于碱性环境,为厌氧降解提供很好的环境;BOD介于1050～5780mg/L之间, COD介于2640～15200mg/L之间, NH3-N介于2110～4360mg/L, BOD/COD介于0.313～0.316之间.

表3 渗滤液指标测试结果

从图4可以看出,本文所测指标试验区域已度过快速降解阶段,处于稳定产CH4阶段,进入慢速降解阶段.

图4 渗滤液指标随龄期变化趋势

2.1.3 气相指标结果分析 由图5可知试验区域的填埋气主要成分为CH4、O2、CO2以及其他气体(主要为N2等);典型的填埋气中CH4浓度为60%左右,CO2浓度在35%左右,O2浓度在0.1%左右.其中1#I10m、2#I10m、3#I7m、4#I7m、5#I7m以及5#I10m注气管道中存在滞水,由于水气阻滞效应导致填埋气很难进入管道,测得填埋气含量其他气体(N2)占很大比重,CH4与CO2组分浓度相对较低.

CH4生成机理主要有甲基形成理论和H2还原理论两种,徐辉[5]的生化降解模型中对这两种CH4生成途径按固定比例进行分配.根据其构建的生化-水力-力学耦合理论模型,将计算的填埋气CO2/CH4与试验测试结果对比.从图6可以看出CO2/CH4比值先快速下降随后趋于稳定,本文所测试CO2/CH4介于0.34～0.76,跟模型参数相比,实测CH4组分浓度较高,CO2组分浓度偏低,易知试验区域已明显处于稳定产CH4阶段.

图5 各井气体组分浓度

2.1.4 固液气归一化指标

式中:1,2,3分别为固相、液相、气相归一化指标;1,2,3等于0时为新鲜垃圾;1,2,3等于1时为稳定化垃圾;(/),(/)0,(/)∞分别为纤维素与木质素比值实测/值,新鲜垃圾/值以及稳定化垃圾/值;(BOD/COD),(BOD/COD)0,(BOD/COD)∞分别为实测BOD/COD值、填埋初期渗滤液BOD/COD值、稳定化垃圾渗滤液值;(CO2/CH4),(CO2/CH4)0, (CO2/CH4)∞分别为CO2/CH4实测值、填埋初期CO2/CH4值、稳定化时期CO2/CH4值.

表4 固液气归一化指标参数

根据表4中参考文献结果,新鲜垃圾的C/L指标为3.2;填埋初期的渗滤液BOD/COD指标为1;根据徐辉[5]的模型槽试验研究,初期垃圾水解阶段CH4不会产生,在100d左右产生CH4,此时CO2/CH4在8.7左右,将其作为填埋初期CO2/CH4的参考值.在稳定化之后,陈垃圾的C/L指标为0.2;渗滤液BOD/COD指标为0.1;将稳定产CH4阶段的CO2/CH4作为参考值,为0.5.

从图7可知,1与2数值相近,但两者与3数值相差较大.1与2大致处于0.5～0.8之间,3在1左右,此时试验区域已度过好氧阶段、水解阶段,达到稳定产甲烷阶段,但仍处于慢速降解阶段.刘海龙等[4]将1介于0.58～0.84之间的阶段称为慢速降解阶段,对应于实际填埋场中降解龄期为1～15a;蒋建国等[11]将BOD/COD介于0.15～0.8之间的阶段称为慢速降解阶段,此时2介于0.22～0.94之间;所以,本文测试结果能够较好地符合以往研究规律,1与2能够作为判定垃圾场降解阶段的指标,但3只能作为判定垃圾场是否处于稳定产甲烷阶段的指标.

图7 各井固液气归一化指标

2.2 渗滤液产量与填埋气产量评估

2.2.1 渗滤液产量评估

(1)渗滤液产量原理及参数取值 垃圾渗滤液来源于两个部分:①降雨入渗量②因压缩降解作用垃圾自身产生的渗滤液.

图8 上海降雨趋势(2013～2020)

渗滤液产量=降雨入渗量+垃圾降解压缩析出水量

式中:为渗滤液产量,m3;为实际月降雨量,mm;1为填埋作业面积降雨入渗系数,取0.8;2为中间覆盖面积降雨入渗系数,取0.48;3为封场覆盖面积降雨入渗系数,取0.1,参考自《CJJ176-2012生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[21];1,2,3分别为埋作业面积、中间覆盖面积、封场覆盖面积,m2;由填埋场方提供;d为实际月填埋量,t;W为初始含水量,取63%,参考自《CJJ176-2012生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[21];F为田间持水量.

本次计算所使用的上海市月降雨量值来自于中国气象数据网和上海市气象局.具体的降雨量资料如图8所示.

逐年填埋量数据由该填埋场方提供,如表5所示.

表5 逐年填埋量

表6 不同龄期垃圾的田间持水量

田间持水量数据,在填埋场钻孔时隔5m取样,在室内进行田间持水量测试,最后根据实测结果及国内外测试资料进行拟合,并经反演计算,不同龄期垃圾田间持水量取值见表6.

(2)渗滤液产量评估 如图9可知填埋场的自身渗滤液产率在70%～80%左右,快速降解阶段的特征为60%～80%左右的渗滤液产出[5],可知此时试验区域即将度过快速降解阶段,步入慢速降解阶段.

图9 渗滤液产量计算(2013～2020)

2.2.2 填埋场产气量评估

(1) 预测方法和参数取值

新建填埋场和正在运营填埋场宜按照郭汝阳[16]提出的填埋气两阶段模型方法计算填埋气体产气速率和累计产量.

填埋场单位时间理论产气量,可按下式计算:

式中:Q为填埋场在投运后第个月的填埋气体单位时间理论产气量,m3/h;为自填埋场投运月至计算月的月数;M为第个月的垃圾填埋量,t;L为单位质量垃圾中快速降解物质的理论产气量,m3/t;L为单位质量垃圾中慢速降解物质的理论产气量,m3/t;k为快速降解物质的产气速率常数,a-1;k为慢速降解物质的产气速率常数,a-1.

填埋场累计理论产气量,可按下式计算:

式中:G为填埋场投入运行至第个月的累计理论产气量,m3.

作为对比,利用国际通用的LandGEM模型来预测该填埋场的填埋气产量.LandGEM模型的控制方程表达式如下:

式中:Q为填埋气理论产生量,m3/a;为年份;为计算的年份减去开始接收垃圾的年份;为每1/10a;为CH4产生率,a-1;0为最终CH4产生潜力,m3/t;M为第年填埋的垃圾量,t;t为第年里填埋的第部分垃圾的龄期;CH4为CH4浓度(以体积计算).

在计算时,和0是两个关键参数.目前,关于这两个参数的取值国内外诸多学者已做了大量研究[22-24].参考大量数据,确定=0.25a-1,0=70m3/t.

(2) 初步预测结果

考虑后续垃圾进场填埋量至2020年12月,填埋场仍然维持现有的填埋规模,之后不再填埋原生生活垃圾.基于两阶段模型可知(图10),2019年预计填埋气产量为35426m3/h,2020年预计填埋气产量为19249m3/h,实际之后随着垃圾停止入场填埋,填埋气产量快速降低.至2025年降至峰值的3.88%;至2040年降至峰值的0.08%.

图10 填埋气产量随时间变化趋势

参考填埋场的实际填埋气收集量数据,2019年实际填埋气收集量为11000m3/h,2020年实际填埋气收集量为6311.5m3/h,按理论收集效率40%来算,2019年的实际填埋气产量为27500m3/h,2020年的实际填埋气产量为15779m3/h.对比该填埋场的实际填埋气收集量,两阶段模型比Land-GEM模型更具有工程参考性.

根据填埋场产气量评估可知,随着填埋量的减少,该填埋场的产气量处于快速下降的阶段,但停止填埋后2～15a仍会有CH4产生,此时填埋场将处于慢速降解阶段,待CH4不产生时即处于稳定阶段.

3 结论

3.1 固相垃圾样的C/L在深度上有着较大的离散性,所得C/L大部分集中在0.72～1.53之间,平均C/L值为1.09,测试结果与以往研究结果较符合,试验区域已处于慢速降解阶段.

3.2 试验区域的渗滤液pH值介于7.91～8.92之间,属于碱性环境,为厌氧降解提供很好的环境;BOD介于1050～5780mg/L,COD介于2640～15200mg/L, NH3-N介于2110～4360mg/L,BOD/COD介于0.313～ 0.316之间.

3.3 填埋气主要成分为CH4、O2、CO2;该试验区域的典型填埋气浓度CH4浓度为60%左右,CO2浓度在35%左右,O2浓度在0.1%左右.

3.4 通过比较固液气降解指标1、2与3,此时试验区域已度过好氧阶段、水解阶段,达到稳定产甲烷阶段,但仍处于慢速降解阶段.另外,通过分析可知1与2能够作为判定垃圾场降解阶段的指标,但3只能作为判定垃圾场是否处于稳定产甲烷阶段的指标.

3.5 建立考虑垃圾压缩-渗流耦合作用的渗滤液产量计算方法,截至到2020年8月,垃圾自身渗滤液产率在70%～80%左右.基于两阶段降解模型的填埋气产量计算方法与实测值更为接近,2020年填埋气产量为19249m3/h,之后随着垃圾停止入场填埋,填埋气产量快速降低.

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本试验场地以及部分运营数据由上海老港废弃物处置公司提供,在此表示感谢.

Biochemical degradation index test and liquid-gas production evaluation of waste landfill.

KE Han1, XU Xing1, HU Jie1*, ZHANG Mei-Lan2, LAN Sheng-Ze1, XU Hui1,3, ZHANG Chen-Sheng1, XIAO Dian-Kun1

(1.Institute of Geotechical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China；2.Shanghai Laogang Waste Disposal Co.Ltd., Shanghai 201302, China；3.School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)., 2021,41(9)：4167～4175

Taking a comprehensive waste landfill in Shanghai as the research object, the municipal solid waste samples were drilled for testing of biochemical degradation index. The results showed that the waste in the testing area has begun to produce methane stably, and it entered the slow degradation stage.Among them, the C/L(the ratio of cellulose and lignin) values of solid waste samples range from 0.72 and 1.53; pH values of leachate were between 7.91 to 8.92; BOD values were between 1050 and 5780mg/L, COD values were between 2640 and 15200mg/L, NH3-N values were between 2110～4360 mg/L. The normalized indexes1,2, and3for solid, liquid and gas phases were introduced to evaluate the degradation stage of the landfill. Among them,1values were between 0.56 and 0.83;2values were between 0.65 and 0.76;3values were between 0.97 and 1.02.1and2could be used as the indicators determining the degradation stage of landfill, but3could only be used to determine whether it is in the stable methane production stage. In addition, the calculation method of leachate production considering the coupling effect of compression and seepage was established. The leachate production rate from waste was around 70%～80%. The landfill gas production was calculated using the two-stage degradation model. As the waste stops landfilling, the landfill gas production rapidly decreased, and it would drop to 3.88% of the peak value by 2025 and would reduce to 0.08% of the peak value by 2040.

landfill；biochemical degradation index of solid；liquid and gas；leachate generation rate；gas production rate

X705

A

1000-6923(2021)09-4167-09

柯 瀚(1975-),男,浙江丽水人,教授,博士,从事环境土木工程研究.发表论文80余篇.

2021-01-27

国家重点研发计划项目(2019YFC1806000);中国博士后科学基金(2021M692836)

* 责任作者, 博士, hujie1993@zju.edu.cn