柯 瀚,徐 興,胡 杰*,張美蘭,蘭盛澤,徐 輝,3,張晨晟,肖電坤

垃圾填埋場(chǎng)生化降解指標(biāo)測(cè)試及液氣產(chǎn)量評(píng)估

柯 瀚1,徐 興1,胡 杰1*,張美蘭2,蘭盛澤1,徐 輝1,3,張晨晟1,肖電坤1

(1.浙江大學(xué)巖土工程研究所,浙江 杭州 310027；2.上海老港廢棄物處置公司,上海 201302；3.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

以上海某綜合垃圾填埋場(chǎng)作為研究對(duì)象,鉆取不同齡期的生活垃圾測(cè)試固液氣生化降解指標(biāo),并對(duì)全場(chǎng)的滲濾液產(chǎn)量以及填埋氣產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)估.經(jīng)過(guò)測(cè)試和計(jì)算,該處區(qū)域已開(kāi)始穩(wěn)定產(chǎn)甲烷,進(jìn)入慢速降解階段.其中,固相垃圾樣的C/L(纖維素與木質(zhì)素的比值)大部分集中在0.72～1.53之間;滲濾液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、液相以及氣相歸一化指標(biāo)1、2、3,用于評(píng)估填埋場(chǎng)降解階段.其中,1介于0.56～0.83,2介于0.65～0.76,3介于0.97～1.02.1與2能夠作為判定垃圾場(chǎng)降解階段的指標(biāo),但3只能作為判定垃圾場(chǎng)是否處于穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段的指標(biāo).另外,建立考慮垃圾壓縮-滲流耦合作用的滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法,垃圾自身滲濾液產(chǎn)率在70%～80%左右;采用垃圾兩階段降解模型計(jì)算填埋氣產(chǎn)量,隨著垃圾停止入場(chǎng)填埋,填埋氣可收集量快速降低,至2025a降至峰值的3.88%,至2040a降至峰值的0.08%.

垃圾填埋場(chǎng)；固液氣生化降解指標(biāo)；滲濾液產(chǎn)率；填埋氣產(chǎn)量

填埋場(chǎng)是生活垃圾的一種較為穩(wěn)定可靠的處置方式,基本是每個(gè)城市必須具備的環(huán)境衛(wèi)生設(shè)施,是我國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理的兜底保障手段.由于國(guó)家倡導(dǎo)垃圾分類,近些年我國(guó)垃圾處理方式發(fā)生較大轉(zhuǎn)變,上海、深圳、杭州等大型城市的垃圾填埋逐漸被焚燒所替代,餐廚垃圾處理也開(kāi)展了試點(diǎn)性應(yīng)用.但由于不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平差異較大及生活垃圾含水率過(guò)高的特點(diǎn),目前填埋處理量仍占總處理量60%以上.且我國(guó)生活垃圾存量巨大,大部分垃圾未得到規(guī)范處理,造成填埋場(chǎng)服役環(huán)境極端,建設(shè)和運(yùn)行面臨著嚴(yán)重的安全與環(huán)境問(wèn)題.

研究發(fā)現(xiàn)西方生活垃圾廚余含量低而我國(guó)生活垃圾廚余含量高且含水量大,兩者的降解穩(wěn)定化過(guò)程差異顯著[1-3].劉海龍等[4]根據(jù)C/L(纖維素與木質(zhì)素含量之比)的變化趨勢(shì)將填埋場(chǎng)降解穩(wěn)定化過(guò)程劃分為3階段:齡期1a以內(nèi)的垃圾處于快速降解階段;齡期1～15a的垃圾處于慢速降解階段;齡期15a以上的垃圾達(dá)到生化降解穩(wěn)定化,此時(shí)C/L 基本穩(wěn)定.徐輝[5]通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)完成快速降解階段的主要特征為胞內(nèi)水釋放基本完成,80%(該階段所降解的物質(zhì)質(zhì)量/新鮮垃圾中可降解物質(zhì)總量)左右的可降解物質(zhì)水解,60%～80%(該階段所產(chǎn)生的滲濾液體積/新鮮垃圾完全降解產(chǎn)生的滲濾液總體積)左右的滲濾液量產(chǎn)出,60%(該階段所產(chǎn)生填埋氣體積/新鮮垃圾完全降解時(shí)產(chǎn)生的填埋氣總體積)左右的填埋氣產(chǎn)生;慢速降解階段以紙類等慢速降解物質(zhì)的生化反應(yīng)為主導(dǎo);后穩(wěn)定化階段以腐殖質(zhì)、木質(zhì)素等難降解有機(jī)物質(zhì)的生化反應(yīng)為主導(dǎo).由于填埋氣(組分、產(chǎn)量及產(chǎn)氣速率)、滲濾液(產(chǎn)量及水質(zhì)變化)、可降解物質(zhì)含量以及堆體沉降變形等參數(shù)隨著垃圾的生化降解不斷變化,因而被學(xué)者廣泛作為填埋垃圾穩(wěn)定化程度評(píng)價(jià)體系的基本指標(biāo)[6].王羅春,Rooker,蔣建國(guó)等[7-11]認(rèn)為滲濾液特性(滲濾液產(chǎn)率、COD、BOD、懸浮物、NH3-N濃度)、填埋氣特性(產(chǎn)氣率)、堆體沉降速率可作為評(píng)價(jià)參數(shù)分析填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化程度.林建偉等[12]以填埋垃圾固相特性(有機(jī)質(zhì)含量、含水率)和滲濾液特性(COD、TN、TP)作為評(píng)價(jià)體系的判別指標(biāo),并采用了單因子指數(shù)法和綜合評(píng)價(jià)法分析了填埋垃圾的穩(wěn)定化程度.劉娟[13]針對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻次較高的各項(xiàng)指標(biāo),以其科學(xué)涵義為基礎(chǔ),進(jìn)行填埋場(chǎng)穩(wěn)定化進(jìn)程表征指標(biāo)的初步篩選,對(duì)滲濾液指標(biāo)主要選取了BOD、COD、BOD/COD、TN、NH3-N以及TOC作為穩(wěn)定化判別指標(biāo),其中BOD/COD表示滲濾液中可生物降解有機(jī)物的相對(duì)含量,是反映滲濾液生化降解性的可生化性指標(biāo),由于抵消了外界環(huán)境干擾的影響,能更準(zhǔn)確地表征填埋場(chǎng)穩(wěn)定化進(jìn)程.劉曉成[14]從降解環(huán)境、填埋氣組分、滲濾液特性、垃圾組分以及固相降解穩(wěn)定化歸一指標(biāo)等角度,綜合分析填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化進(jìn)程,為判斷填埋垃圾穩(wěn)定化程度提供可靠的衡量指標(biāo).陳曉哲[15]基于飽和–非飽和滲流理論和非線性固結(jié)理論,考慮分層堆填過(guò)程及填埋體滲透系數(shù)隨深度的變化,計(jì)算了各階段滲濾液產(chǎn)量.郭汝陽(yáng)[16]在Scholl-Canyon理論模型的基礎(chǔ)上,提出了基于高廚余垃圾降解特征的雙組分產(chǎn)氣速率計(jì)算方法.以往研究中選取的評(píng)估指標(biāo)已涵蓋了填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程的各個(gè)方面,對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定化可進(jìn)行全面的判斷,但研究中往往只考慮單一因素進(jìn)行評(píng)價(jià),未對(duì)液相以及氣相進(jìn)行歸一化處理,填埋場(chǎng)各個(gè)區(qū)域垃圾性質(zhì)各異,使得對(duì)填埋場(chǎng)整場(chǎng)的穩(wěn)定化評(píng)判存在一定的偏差.

本文在上海某垃圾填埋場(chǎng)鉆孔取樣、采集滲濾液以及填埋氣,垃圾填埋齡期為0～2a,分析固液氣的生化降解指標(biāo),研究了低齡期垃圾的穩(wěn)定化情況,引入固相、液相以及氣相歸一化指標(biāo)概念1、2以及3,用于評(píng)估填埋場(chǎng)降解階段.同時(shí),建立考慮垃圾壓縮-滲流耦合作用的滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法,計(jì)算填埋場(chǎng)全場(chǎng)的滲濾液產(chǎn)率,來(lái)用于判斷填埋場(chǎng)的穩(wěn)定階段;采用基于高廚余垃圾降解特征的兩階段降解模型計(jì)算了全場(chǎng)的填埋氣產(chǎn)量,對(duì)該填埋場(chǎng)進(jìn)行全面的穩(wěn)定化評(píng)估及產(chǎn)量評(píng)估.

1 材料與方法

1.1 場(chǎng)地概況

以上海某綜合填埋場(chǎng)作為工程研究對(duì)象.該綜合填埋場(chǎng)工程分兩期建設(shè)運(yùn)營(yíng),2011年3月30日開(kāi)工,2013年1月10日試運(yùn)營(yíng),包括綜合填埋場(chǎng)一期二期、滲濾液處理廠及配套工程,處理對(duì)象包括生活垃圾、飛灰、污泥、滲濾液.最大處理規(guī)模5000t/d,平均規(guī)模為3759t/d(其中生活垃圾2664t/d、飛灰231t/d、污泥864t/d).填埋場(chǎng)總庫(kù)容1648萬(wàn)m3.

自2013年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái),日填埋規(guī)模自初期的1000t/d,逐年攀升,達(dá)到了當(dāng)前最大的10992t/d,截至2020年8月,該填埋場(chǎng)已填埋垃圾1479.69萬(wàn)t,占用庫(kù)容1515.97萬(wàn)m3.

圖1 填埋場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域衛(wèi)星圖

121.87°E, 31.06°N

測(cè)試區(qū)域在綜合填埋場(chǎng)一期頂部,試驗(yàn)區(qū)域見(jiàn)圖1.垃圾填埋齡期為0～2a.井位的具體布置方案如圖2所示.試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?處深度分別為4, 7, 10m的110mm口徑注氣井簇I,12口深度為40cm的50mm口徑膜下監(jiān)測(cè)井Z.

圖2 試驗(yàn)井布置

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 固相指標(biāo)測(cè)試方法 采用范式洗滌纖維分析法測(cè)定垃圾試樣的纖維素和木質(zhì)素含量[17].原理為:生活垃圾經(jīng)酸性洗滌劑洗滌后,不溶的殘?jiān)鼮樗嵝韵礈炖w維,包括纖維素、木質(zhì)素和硅酸鹽.酸性洗滌纖維經(jīng)72%硫酸硝化后溶解的為纖維素,殘?jiān)鼮槟举|(zhì)素和硅酸鹽,根據(jù)硝化前后物質(zhì)質(zhì)量可計(jì)算出纖維素含量.將硝化處理后剩余的殘?jiān)一?逸出的是木質(zhì)素,殘余物即為硅酸鹽,根據(jù)計(jì)算出的纖維素與木質(zhì)素含量值便可確定C/L.

1.2.2 液相指標(biāo)測(cè)試方法 pH值采用phs-3c型精密酸度計(jì)測(cè)定;COD和BOD分別采用5B-3C型COD快速測(cè)定儀和ysi-550型溶解氧測(cè)定儀測(cè)定;NH3-N采用UV-2550型紫外分光光度計(jì)測(cè)定.

1.2.3 氣相指標(biāo)測(cè)試方法 填埋氣組成包含CH4、CO2、O2以及其他氣體(主要為N2),采用便攜式沼氣分析測(cè)定,用體積百分比表示.

2 結(jié)果與分析

2.1 固液氣生化指標(biāo)

厭氧降解為填埋場(chǎng)中主導(dǎo)的生化反應(yīng),填埋場(chǎng)中垃圾的厭氧降解過(guò)程可簡(jiǎn)化為水解－甲烷化二階段形式[16],見(jiàn)式(1)～式(4).垃圾中可降解固相物質(zhì)(多糖類物質(zhì)、蛋白質(zhì)以及脂肪等)在微生物作用下水解為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和氫氣、CO2等,導(dǎo)致其固相質(zhì)量損失、工程力學(xué)特性改變.水解反應(yīng)的中間產(chǎn)物在甲烷菌作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成CH4及CO2等填埋氣,這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量滲濾液、填埋氣以及污染物,引起堆體沉降,是填埋場(chǎng)中復(fù)雜固－液－氣－化多場(chǎng)相互作用的源頭,因此生化降解是填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程最重要的方面[16].

水解酸化階段:

(C6H10O5)n+5nH2O→nCH3COOH+8nH2+4nCO2(多糖類物質(zhì)) (1)

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

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

甲烷化階段:

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

固相垃圾樣取自于15口注氣井附近,分別為3個(gè)深度,0～3m,3～6m,6～10m;滲濾液樣取自15口注氣井;填埋氣組分分別取自于15口注氣井以及12個(gè)膜下氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn),如表1所示.

表1 固液氣相取樣

2.1.1 固相降解指標(biāo)結(jié)果分析 固相降解指標(biāo)采用C/L,即垃圾試樣的纖維素和木質(zhì)素的含量比值.纖維素是城市生活垃圾中可降解組分的主要化學(xué)成分,通過(guò)以往研究發(fā)現(xiàn)C/L可以反映垃圾降解穩(wěn)定化程度[17].劉海龍等[4]在西安江村溝填埋場(chǎng)獲得了8個(gè)不同埋深處的固相垃圾樣,通過(guò)測(cè)試得到了C/L與降解齡期關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn).齡期范圍為0～20a,C/L處于0.3～2.8之間.其中新鮮垃圾的廚余含量高達(dá)56.9% (濕基).Barlaz[17]通過(guò)總結(jié)大量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔垃圾樣降解特性的研究發(fā)現(xiàn),垃圾中C/L隨填埋深度(或齡期)增加而衰減,建議采用可降解物質(zhì)含量指標(biāo)表征垃圾降解穩(wěn)定化程度.另外,瞿賢等[18]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn),也測(cè)得了4個(gè)C/L與降解齡期關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn),齡期在0～1.5a的垃圾C/L處于0.39～2.73之間.徐輝[5]構(gòu)建了BCHM耦合理論模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,獲得了C/L隨降解齡期的變化曲線.

本試驗(yàn)測(cè)試?yán)g期為0～2a,根據(jù)填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)方提供的試驗(yàn)區(qū)域填埋歷史情況,測(cè)試了累計(jì)沉降值,然后根據(jù)相對(duì)深度(垃圾深度/堆體厚度)大致估算取樣0～3m深度的垃圾齡期為1a,3～6m深度的垃圾齡期為1.2a,6～10m深度的垃圾齡期為1.8a.根據(jù)圖3可知,固相垃圾樣的C/L在深度上有著較大的離散性,所得C/L大部分集中在0.72～1.53之間,平均C/L值為1.09,新鮮垃圾C/L指標(biāo)為3.2左右,根據(jù)圖3可知,本文測(cè)試結(jié)果與以往試驗(yàn)結(jié)果較符合, BCHM模型[5]能較好地?cái)M合現(xiàn)場(chǎng)情況,反映高廚余垃圾填埋場(chǎng)的降解穩(wěn)定化過(guò)程.

2.1.2 液相降解指標(biāo)結(jié)果分析 主要測(cè)試了滲濾液的pH值、COD、BOD、NH3-N作為穩(wěn)定化判別的指標(biāo).根據(jù)Alvarez等[19]對(duì)以往研究結(jié)果的總結(jié),低齡期滲濾液(3～12個(gè)月)的BOD/COD比值介于0.6～1之間;中齡期滲濾液(1～5a)的BOD/COD比值介于0.3～0.6之間;高齡期滲濾液(>5a)的BOD/COD比值介于0～0.3之間.王羅春等[8]、Rooker等[10]指出BOD/COD小于0.1時(shí),滲濾液到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài).

圖3 C/L隨齡期變化趨勢(shì)

表2 不同齡期滲濾液的BOD/COD

從表3可以看出,此時(shí)填埋場(chǎng)區(qū)域的pH值介于7.91～8.92之間,屬于堿性環(huán)境,為厭氧降解提供很好的環(huán)境;BOD介于1050～5780mg/L之間, COD介于2640～15200mg/L之間, NH3-N介于2110～4360mg/L, BOD/COD介于0.313～0.316之間.

表3 滲濾液指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

從圖4可以看出,本文所測(cè)指標(biāo)試驗(yàn)區(qū)域已度過(guò)快速降解階段,處于穩(wěn)定產(chǎn)CH4階段,進(jìn)入慢速降解階段.

圖4 滲濾液指標(biāo)隨齡期變化趨勢(shì)

2.1.3 氣相指標(biāo)結(jié)果分析 由圖5可知試驗(yàn)區(qū)域的填埋氣主要成分為CH4、O2、CO2以及其他氣體(主要為N2等);典型的填埋氣中CH4濃度為60%左右,CO2濃度在35%左右,O2濃度在0.1%左右.其中1#I10m、2#I10m、3#I7m、4#I7m、5#I7m以及5#I10m注氣管道中存在滯水,由于水氣阻滯效應(yīng)導(dǎo)致填埋氣很難進(jìn)入管道,測(cè)得填埋氣含量其他氣體(N2)占很大比重,CH4與CO2組分濃度相對(duì)較低.

CH4生成機(jī)理主要有甲基形成理論和H2還原理論兩種,徐輝[5]的生化降解模型中對(duì)這兩種CH4生成途徑按固定比例進(jìn)行分配.根據(jù)其構(gòu)建的生化-水力-力學(xué)耦合理論模型,將計(jì)算的填埋氣CO2/CH4與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比.從圖6可以看出CO2/CH4比值先快速下降隨后趨于穩(wěn)定,本文所測(cè)試CO2/CH4介于0.34～0.76,跟模型參數(shù)相比,實(shí)測(cè)CH4組分濃度較高,CO2組分濃度偏低,易知試驗(yàn)區(qū)域已明顯處于穩(wěn)定產(chǎn)CH4階段.

圖5 各井氣體組分濃度

2.1.4 固液氣歸一化指標(biāo)

式中:1,2,3分別為固相、液相、氣相歸一化指標(biāo);1,2,3等于0時(shí)為新鮮垃圾;1,2,3等于1時(shí)為穩(wěn)定化垃圾;(/),(/)0,(/)∞分別為纖維素與木質(zhì)素比值實(shí)測(cè)/值,新鮮垃圾/值以及穩(wěn)定化垃圾/值;(BOD/COD),(BOD/COD)0,(BOD/COD)∞分別為實(shí)測(cè)BOD/COD值、填埋初期滲濾液BOD/COD值、穩(wěn)定化垃圾滲濾液值;(CO2/CH4),(CO2/CH4)0, (CO2/CH4)∞分別為CO2/CH4實(shí)測(cè)值、填埋初期CO2/CH4值、穩(wěn)定化時(shí)期CO2/CH4值.

表4 固液氣歸一化指標(biāo)參數(shù)

根據(jù)表4中參考文獻(xiàn)結(jié)果,新鮮垃圾的C/L指標(biāo)為3.2;填埋初期的滲濾液BOD/COD指標(biāo)為1;根據(jù)徐輝[5]的模型槽試驗(yàn)研究,初期垃圾水解階段CH4不會(huì)產(chǎn)生,在100d左右產(chǎn)生CH4,此時(shí)CO2/CH4在8.7左右,將其作為填埋初期CO2/CH4的參考值.在穩(wěn)定化之后,陳垃圾的C/L指標(biāo)為0.2;滲濾液BOD/COD指標(biāo)為0.1;將穩(wěn)定產(chǎn)CH4階段的CO2/CH4作為參考值,為0.5.

從圖7可知,1與2數(shù)值相近,但兩者與3數(shù)值相差較大.1與2大致處于0.5～0.8之間,3在1左右,此時(shí)試驗(yàn)區(qū)域已度過(guò)好氧階段、水解階段,達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段,但仍處于慢速降解階段.劉海龍等[4]將1介于0.58～0.84之間的階段稱為慢速降解階段,對(duì)應(yīng)于實(shí)際填埋場(chǎng)中降解齡期為1～15a;蔣建國(guó)等[11]將BOD/COD介于0.15～0.8之間的階段稱為慢速降解階段,此時(shí)2介于0.22～0.94之間;所以,本文測(cè)試結(jié)果能夠較好地符合以往研究規(guī)律,1與2能夠作為判定垃圾場(chǎng)降解階段的指標(biāo),但3只能作為判定垃圾場(chǎng)是否處于穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段的指標(biāo).

圖7 各井固液氣歸一化指標(biāo)

2.2 滲濾液產(chǎn)量與填埋氣產(chǎn)量評(píng)估

2.2.1 滲濾液產(chǎn)量評(píng)估

(1)滲濾液產(chǎn)量原理及參數(shù)取值 垃圾滲濾液來(lái)源于兩個(gè)部分:①降雨入滲量②因壓縮降解作用垃圾自身產(chǎn)生的滲濾液.

圖8 上海降雨趨勢(shì)(2013～2020)

滲濾液產(chǎn)量=降雨入滲量+垃圾降解壓縮析出水量

式中:為滲濾液產(chǎn)量,m3;為實(shí)際月降雨量,mm;1為填埋作業(yè)面積降雨入滲系數(shù),取0.8;2為中間覆蓋面積降雨入滲系數(shù),取0.48;3為封場(chǎng)覆蓋面積降雨入滲系數(shù),取0.1,參考自《CJJ176-2012生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》[21];1,2,3分別為埋作業(yè)面積、中間覆蓋面積、封場(chǎng)覆蓋面積,m2;由填埋場(chǎng)方提供;d為實(shí)際月填埋量,t;W為初始含水量,取63%,參考自《CJJ176-2012生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》[21];F為田間持水量.

本次計(jì)算所使用的上海市月降雨量值來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和上海市氣象局.具體的降雨量資料如圖8所示.

逐年填埋量數(shù)據(jù)由該填埋場(chǎng)方提供,如表5所示.

表5 逐年填埋量

表6 不同齡期垃圾的田間持水量

田間持水量數(shù)據(jù),在填埋場(chǎng)鉆孔時(shí)隔5m取樣,在室內(nèi)進(jìn)行田間持水量測(cè)試,最后根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果及國(guó)內(nèi)外測(cè)試資料進(jìn)行擬合,并經(jīng)反演計(jì)算,不同齡期垃圾田間持水量取值見(jiàn)表6.

(2)滲濾液產(chǎn)量評(píng)估 如圖9可知填埋場(chǎng)的自身滲濾液產(chǎn)率在70%～80%左右,快速降解階段的特征為60%～80%左右的滲濾液產(chǎn)出[5],可知此時(shí)試驗(yàn)區(qū)域即將度過(guò)快速降解階段,步入慢速降解階段.

圖9 滲濾液產(chǎn)量計(jì)算(2013～2020)

2.2.2 填埋場(chǎng)產(chǎn)氣量評(píng)估

(1) 預(yù)測(cè)方法和參數(shù)取值

新建填埋場(chǎng)和正在運(yùn)營(yíng)填埋場(chǎng)宜按照郭汝陽(yáng)[16]提出的填埋氣兩階段模型方法計(jì)算填埋氣體產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)量.

填埋場(chǎng)單位時(shí)間理論產(chǎn)氣量,可按下式計(jì)算:

式中:Q為填埋場(chǎng)在投運(yùn)后第個(gè)月的填埋氣體單位時(shí)間理論產(chǎn)氣量,m3/h;為自填埋場(chǎng)投運(yùn)月至計(jì)算月的月數(shù);M為第個(gè)月的垃圾填埋量,t;L為單位質(zhì)量垃圾中快速降解物質(zhì)的理論產(chǎn)氣量,m3/t;L為單位質(zhì)量垃圾中慢速降解物質(zhì)的理論產(chǎn)氣量,m3/t;k為快速降解物質(zhì)的產(chǎn)氣速率常數(shù),a-1;k為慢速降解物質(zhì)的產(chǎn)氣速率常數(shù),a-1.

填埋場(chǎng)累計(jì)理論產(chǎn)氣量,可按下式計(jì)算:

式中:G為填埋場(chǎng)投入運(yùn)行至第個(gè)月的累計(jì)理論產(chǎn)氣量,m3.

作為對(duì)比,利用國(guó)際通用的LandGEM模型來(lái)預(yù)測(cè)該填埋場(chǎng)的填埋氣產(chǎn)量.LandGEM模型的控制方程表達(dá)式如下:

式中:Q為填埋氣理論產(chǎn)生量,m3/a;為年份;為計(jì)算的年份減去開(kāi)始接收垃圾的年份;為每1/10a;為CH4產(chǎn)生率,a-1;0為最終CH4產(chǎn)生潛力,m3/t;M為第年填埋的垃圾量,t;t為第年里填埋的第部分垃圾的齡期;CH4為CH4濃度(以體積計(jì)算).

在計(jì)算時(shí),和0是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù).目前,關(guān)于這兩個(gè)參數(shù)的取值國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已做了大量研究[22-24].參考大量數(shù)據(jù),確定=0.25a-1,0=70m3/t.

(2) 初步預(yù)測(cè)結(jié)果

考慮后續(xù)垃圾進(jìn)場(chǎng)填埋量至2020年12月,填埋場(chǎng)仍然維持現(xiàn)有的填埋規(guī)模,之后不再填埋原生生活垃圾.基于兩階段模型可知(圖10),2019年預(yù)計(jì)填埋氣產(chǎn)量為35426m3/h,2020年預(yù)計(jì)填埋氣產(chǎn)量為19249m3/h,實(shí)際之后隨著垃圾停止入場(chǎng)填埋,填埋氣產(chǎn)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%.

圖10 填埋氣產(chǎn)量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

參考填埋場(chǎng)的實(shí)際填埋氣收集量數(shù)據(jù),2019年實(shí)際填埋氣收集量為11000m3/h,2020年實(shí)際填埋氣收集量為6311.5m3/h,按理論收集效率40%來(lái)算,2019年的實(shí)際填埋氣產(chǎn)量為27500m3/h,2020年的實(shí)際填埋氣產(chǎn)量為15779m3/h.對(duì)比該填埋場(chǎng)的實(shí)際填埋氣收集量,兩階段模型比Land-GEM模型更具有工程參考性.

根據(jù)填埋場(chǎng)產(chǎn)氣量評(píng)估可知,隨著填埋量的減少,該填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣量處于快速下降的階段,但停止填埋后2～15a仍會(huì)有CH4產(chǎn)生,此時(shí)填埋場(chǎng)將處于慢速降解階段,待CH4不產(chǎn)生時(shí)即處于穩(wěn)定階段.

3 結(jié)論

3.1 固相垃圾樣的C/L在深度上有著較大的離散性,所得C/L大部分集中在0.72～1.53之間,平均C/L值為1.09,測(cè)試結(jié)果與以往研究結(jié)果較符合,試驗(yàn)區(qū)域已處于慢速降解階段.

3.2 試驗(yàn)區(qū)域的滲濾液pH值介于7.91～8.92之間,屬于堿性環(huán)境,為厭氧降解提供很好的環(huán)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之間.

3.3 填埋氣主要成分為CH4、O2、CO2;該試驗(yàn)區(qū)域的典型填埋氣濃度CH4濃度為60%左右,CO2濃度在35%左右,O2濃度在0.1%左右.

3.4 通過(guò)比較固液氣降解指標(biāo)1、2與3,此時(shí)試驗(yàn)區(qū)域已度過(guò)好氧階段、水解階段,達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段,但仍處于慢速降解階段.另外,通過(guò)分析可知1與2能夠作為判定垃圾場(chǎng)降解階段的指標(biāo),但3只能作為判定垃圾場(chǎng)是否處于穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段的指標(biāo).

3.5 建立考慮垃圾壓縮-滲流耦合作用的滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法,截至到2020年8月,垃圾自身滲濾液產(chǎn)率在70%～80%左右.基于兩階段降解模型的填埋氣產(chǎn)量計(jì)算方法與實(shí)測(cè)值更為接近,2020年填埋氣產(chǎn)量為19249m3/h,之后隨著垃圾停止入場(chǎng)填埋,填埋氣產(chǎn)量快速降低.

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本試驗(yàn)場(chǎng)地以及部分運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)由上海老港廢棄物處置公司提供,在此表示感謝.

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,浙江麗水人,教授,博士,從事環(huán)境土木工程研究.發(fā)表論文80余篇.

2021-01-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFC1806000);中國(guó)博士后科學(xué)基金(2021M692836)

* 責(zé)任作者, 博士, hujie1993@zju.edu.cn