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渗滤液回流对准好氧填埋产气过程影响研究 ＊ 黄启飞 刘玉强 董 路 王 琪 中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所, 北京 100012 刘国浔 江西省九江市浔阳区建设环境保护局, 九江 332000 摘要 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 NH 4-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。 关键词 准好氧填埋 渗滤液回流 城市固体废物 甲烷 ＊“十五”863 国家计划课题 2001AA644010 1 引言 垃圾填埋气是指垃圾填埋场中 ,生活垃圾所含的 大量有机物被微生物降解所生成的气体 。填埋气体 的主要成分为 CH4和CO2,此外还有其它一些成分如 H2S 等 [ 1,2] 。CH4和 CO2是重要的温室气体,CH4对温 室效应的贡献仅次于 CO2,但其当量体积温室效应潜 在值是 CO2的 21 倍 [ 3] , CH4在大气中的浓度在过去 100 多年里增加了 1 倍 ,过去 20 a 中以每年 0. 9的 速度增长, 远高于二氧化碳浓度的增加速度 [ 4] 。全世 界CH4排放量大约 5 亿 t a ,其中2 200～ 3 600万 t 来 自垃圾填埋场 。在人为 CH4排放源中, 垃圾填埋场 排放列第 3 位 [ 5] 。 准好氧填埋场最早于 1975 年在福冈市建成, 它 的设计原理是不通过动力供氧 ,而是利用渗滤液收集 管道的不满流设计 ,利用填埋堆体的内外温差 ,使堆 体外空气自然通入, 在渗滤液收集管和竖直通风管道 周围存在一定的好氧区域 。相对于传统的厌氧填埋, 准好氧填埋方式加快了渗滤液的排出, 抑制了甲烷和 硫化氢等气体的产生 ,降低渗滤液中污染物浓度 [ 6] 。 目前 , 清洁 发展 机制 CDM Clean Development Mechanism 是世界各国特别是发达国家环境研究的 热点 ,其核心问题即是如何在发展中国家的领土上实 施能够减少温室气体的项目 , 并据此获得“经核证的 减排 量”, 即通 常 所 说 的 CERs Certified Emission Reductions [ 7] ,准好氧填埋方式体现 CDM 的核心。因 此有必要加强对填埋场甲烷产气过程的研究和控制。 渗滤液回流技术是指将不经任何处理或略加处 理的渗滤液直接回流垃圾层 , 利用垃圾层的“生物滤 床”作用 ,降低渗滤液中污染物的浓度 。目前已在国 内外得到广泛的应用 [ 8] 。日本福冈大学的花岛正孝 教授 ,在“准好氧填埋”理论的基础上结合渗滤液回流 进行了“循环式准好氧填埋”的实验 [ 9] 。王琪也在实 验室内研究了不同填埋结构下渗滤液回流效果和影 响因素 [ 10] 。由于以上的实验皆为小型实验, 因此存 在着代表性的问题, 本次实验在大规模填埋实验的条 件下 ,探讨渗滤液回流对于准好氧填埋产气过程动态 变化的影响 ,尤其是对填埋气中甲烷的影响。寻求完 整的理论体系。 2 材料与方法 2. 1 填埋装置的建立 本试验为填埋规模为 21 m 3. 8 m 6 m。准好 氧填埋结构为 底部铺设 HDPE 膜, 膜上铺设直径为 0. 2 m 渗滤液收集主管道 ,主收集管周围铺设碎石用 以保护覆盖 ,在主收集管的3 个等分节点处铺设直径 为0. 1 m 渗滤液收集支管和直径为 0. 15 m 的竖直导 气管 ,导气管周围用石笼保护 。 图 1 准好氧填埋实验装置示意图 在装填垃圾过程中 , 在垃圾倾倒至 1. 5、3. 0、 4. 5 m时,进行采气点的铺设, 采气点位于各个填埋层 指定的点位 。在垃圾填至 5. 5 m 高时铺设模拟降雨 管道, 最上层用塑料膜代替粘土层覆盖 , 实现垃圾层 密封 。 59 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 2. 2 分析方法 填埋垃圾为江西省九江市生活垃圾 ,所填垃圾量 约250 t ,理化性质见表 1。在填埋装置封顶后 1周即 开始对准好氧填埋结构进行水质和气体采样分析 ,水 质分析采用相对的国家标准 , 采样频率为 1 次 周。 气体分析仪器使用便携式四组分气体红外分析 仪 [ 11] ,用于测定填埋气的成分和浓度。前期采样频 率为 1 次 周,在垃圾层进入相对稳定期后 ,每隔 2 周 进行采样分析。 表 1 填埋垃圾组分和物理性质 组分厨余草木 纸类布类 塑料砖瓦 玻璃金属 灰土密度 tm- 3 含量50. 84 2. 304. 561. 208. 743. 831. 550. 18 26. 770. 52 3 结果与讨论 3. 1 渗滤液CODCr浓度变化 随着填埋时间的进行 ,渗滤液的 CODCr有了明显 的下降趋势 。在实验进行到第 28 d 后 , 开始进行渗 滤液回流 。刚开始的 28 d内无论回流和不回流的填 埋场的 CODCr浓度下降的都比较快 ,但实验进行到第 70 d 时, 回流的填埋场的 CODCr浓度下降明显减缓。 在减少了渗滤液的回流量 从每 2 周 1. 5 m 3 ,下降到 1 m 3 后 , 15 周开始回流型填埋场的 COD Cr下降也开 始加快。到140d 开始2 种不同结构的渗滤液水质差 距不大。同时2 种不同运行方式在 175 d 后的一段时 间内的浓度值 300 mg L , 达到了国家二级排放标 准。其后由于渗滤液水质变化有所反复 ,平均浓度在 400 mg L , 该值远远小于传统的厌氧填埋所需的时 间。刘疆鹰在对大型垃圾填埋场渗滤液 CODCr的衰 减规律进行研究时认为上海老港填埋场的渗滤液达 到这个标准需要 10 a [ 12] 图 2 。 3. 2 渗滤液NH 4- N 浓度变化 没有进行回流的准好氧填埋场的NH 4-N 浓度保 持在较低的水平且一直处于下降状态 。分析原因是 因为准好氧填埋结构的特殊性 ,在渗滤液收集管和竖 直通风管道周围存在一定的好氧区 ,使微生物利用氨 态氮硝化反应, 填埋层内还存在一定的厌氧环境则有 利于反硝化作用的进行, 使得氨氮转化成为氮气。而 进行渗滤液回流的准好氧填埋场除了在 42 d 到 56 d NH 4- N 浓度有所增高外, 其在下降趋势上表现的和 不回流型准好氧填埋场一样, 并且在数值上还略为偏 低。这是由于回流的渗滤液可以为微生物进行反硝 化时补充碳源, 更加有利于反硝化的进行 [ 13] 图 3 。 图 2 准好氧填埋场渗滤液中 CODCr浓度的变化 图 3 准好氧填埋场渗滤液中 NH 4-N 浓度的变化 经过分析可知在准好氧填埋结构进行渗滤液回 灌不仅可以减少渗滤液的产生量 , 减轻处理压力, 并 且渗滤液水质也没有出现水质恶化的现象 。同时在 准好氧填埋场进行渗滤液回灌可以消除传统的厌氧 填埋回灌导致的 NH 4- N 浓度累积 [ 14] 。 3. 3 准好氧填埋结构两种不同运行方式填埋气组份 变化 普通的准好氧填埋结构中,O2从填埋初期浓度 为0,经过约 30d ,局部的好氧环境形成,使得O2浓度 开始上升 ,大约 50 d 后稳定下来 ,平均浓度在 5左 右。CH4浓度在经过初期稍微的波动后在 90 d 后稳 定在 10 左右, 而 300 d 后开始呈现出下降的趋势。 CO2开始的浓度就比较高 ,前 60 d 内一直上升到最高 浓度为34,此后开始出现波动, 后期开始有缓慢的 下降趋势。其平均浓度约为 25 图 4 。 图 4 普通准好氧填埋场填埋气成分变化 回流型的准好氧填埋 O2开始浓度比较高, 然后 出现波动, 在100 d时波动趋势平缓 。其浓度稳定在 60 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 5左右 。对于 CO2初始浓度在 12 左右 ,然后浓度 开始迅速上升, 到 70 d 时达到极高值为 27。168 d 后浓度开始缓慢降低 。其年均浓度在 23。 对于 CH4, 从开始的 7 经过 40 d 的平缓发展开始上升 ,趋 势和 CO2一样,大约在 60 d 时达到最高值 23 ,其后 的130 d 内浓度保持平稳状态。从 196 d 开始, 它的 浓度也开始缓慢下降 ,随时间趋于平缓。CH4的平均 浓度约为 18 图5 。 图 5 回流型准好氧填埋场填埋气成分变化 从图 4, 图 5 可以看到, 对于普通型填埋气的产 气量一直比较稳定。CO2的平均浓度为 25,CH4的 平均浓度为 10,CO2与 CH4的浓度比约为2. 5∶ 1。 对 于回流型 ,CO2的平均浓度为 23, CH4的平均浓度 为18,CO2与 CH4的浓度比约为 1. 3∶ 1。由于回流 型的 CO2和 CH4的比值小于普通型, 因此渗滤液回 流有利于促进甲烷气体的产量 ,并且2 个填埋仓在填 埋进入 40 d 左右甲烷浓度即进入稳定的产气阶段, 此时相对应的氧气浓度也处于稳定的过程中。填埋 层内形成了初步的好氧环境 [ 15] 。 3. 4 渗滤液回流对填埋气中甲烷浓度的影响 对于准好氧不回流型 ,甲烷的浓度从填埋初期的 7到第 35 d 处于短暂的水解过渡期。这段时间内 甲烷的浓度没有明显的变化 。从 35 d 开始, 填埋气 中的甲烷浓度开始上升 , 到第 84 d 浓度达 14。而 此后, 甲烷的浓度处于平稳的状态中 , 其浓度值在 10 左右。从 270 d 后, 甲烷浓度值有减少的趋势。 对于准好氧回流型,甲烷的浓度从填埋初期的 6到 第35 d无明显的变化。从 35 d 后, 由于开始进行渗 滤液回流, 因此甲烷浓度有明显的上升 , 同时也是由 于这段时间是处于产甲烷期 。到第 100 d 时 , 甲烷的 浓度达到一个顶峰为 28。其后甲烷的浓度开始有 所回落 。其浓度值在 20左右。到第 270 d 时甲烷 的浓度开始下降 图 6 。现场资料表明 同一填埋场 内渗滤液回灌处的垃圾产甲烷速率是不回灌处的垃 圾产甲烷速率的 2 倍多 [ 16] 。 图6 准好氧填埋场填埋气中甲烷浓度变化 通过对比可以看到, 正是由于进行了渗滤液回 流,给填埋场内带来了大量的有机物, 这部分有机物 的降解增加了填埋场的甲烷产量。甲烷的产生速度 有了明显的上升。因而对于同样的垃圾填埋结构来 说,渗滤液回流能够较快地促进甲烷产气过程的进 行,使填埋场的产甲烷速率加快、甲烷的总产量增加 从而可以使得填埋场早日达到稳定化。 3. 5 填埋气中甲烷浓度变化和渗滤液回流量的关系 在产气初期 ,甲烷的浓度随着渗滤液回流而不断 增加 ,因为是由于在填埋初期微生物没有达到最佳的 产甲烷能力 ,活性不足。由于渗滤液回流而导致填埋 层湿度的增加和反应温度的上升,使它的产甲烷能力 大幅增加 图 7 。到 60 d后 ,这种回流作用减弱。即 使有些极值出现也是在回流之后。说明局部好氧环 境的形成, 氧气的存在削弱了垃圾层中微生物产甲烷 能力 。随着渗滤液的回流也只能少量产生甲烷 这些 甲烷在垃圾层中的厌氧区产生而扩散出来 。到了后 期,好氧效果加强使得甲烷的产量缓慢下降。即使渗 滤液的回流使得产甲烷的速度有所加快 ,另一方面也 说明氧气的存在对于甲烷的产生相对于渗滤液回流 作用更加明显。 图 7 甲烷浓度变化和渗滤液回流量的关系 4 结论 1 准好氧填埋作为一种新型的填埋方式 ,它在 减少甲烷的排放和改善渗滤液水质方面作用是非常 61 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 明显的 ,而从生物反应器角度来说, 利用准好氧填埋 场作为一个渗滤液预处理阶段 ,不仅减少了渗滤液的 量,从水质效果上也是非常明显的 。 2 从 CDM 角度来说 ,甲烷的减排也是考虑的关 键,在准好氧填埋的基础上进行渗滤液回流还可以加 快甲烷的产生速度, 更早的使垃圾达到稳定化 。这样 对于土地的再利用是相当有益的。因此 ,作为准好氧 填埋方式的一个衍生 ,进行渗滤液回流从环保方面和 土地利用方面都非常值得推广 。 参考文献 1 E. J -Nyns, A. Gendebien. Landfill gas from environment to energy . Wat . Sci . Tech, 1993. 27 3 253～ 259. 2 Christensen TH et al. Landfill of waste, Biogas, London. E whereas Fe2 has inhibition to this reaction. DYB1 Dian Yuan Bacteria 1 in the course of breeding it with Fe2as the energy can turn Fe2 into Fe3 effectively. Combining this functionwith the above -mentioned reaction can keep on the constant concentration of Fe3and maintain circulation of desulfuration. Keywords flue gas desulfurization, Fe3catalysis, microoganism and coordinate effect STUDY ON SKEW GAS FLOW DISTRIBUTION OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR WITH CFD Dang Xiaoqing et al 45 Abstract On the basis of discussing effect of electrostatic precipitation gas flow distribution on dedusting efficiency, it is introduced skew gasflow technology which can reduce reentrainment and improve the efficiency effectively;and the gas flow distribution in electric field is simulated numerically using CFD, which provides a adjusting and parameters of distribution devices that realizing skew gas distribution in electric field. Keywords electrostatic precipitator, gas flow distribution, skew gas flow technology and CFD EXPERIMENTAL STUDY ON CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER DESULFURATION Ma Linzhuan et al 47 Abstract It was conducted that an industrial test of adding limestone to a circulating fluidized bed CFBboiler 75 t h. The effects of Ca S ratio, bed temperature and suphur content of the coal etc on the desulfuration efficiency were obtained when high -sulphor hard coal was combusted. The optimal Ca S ratio and control parameter of desulphuration under actual operation of CFB boiler were also proposed based on the analysis of the test results. Keywords desulphuration, Ca S ratio, CFB boiler and hard coal DEVELOPMENT AND APPLICATION OF AXIAL FAN AT HIGH TEMPERATURE IN WET ARRESTING DUST OF SHAFT CEMENT KILNLiu Jianshou et al 51 Abstract The article introduces a new axialfan used athigh temperature and high moisture and high dust. Itmakes use of structure ofwater cooling and lubrication and protected belt and clean dust door and so no. It features huge diameter, enormous wind and low pressure. Keywords axial fan used in high temperature, shaft cement kiln, wet arresting dust, water cooling and lubrication ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF VERTICAL WELLS AND HORIZONTAL COLLECTORS USED IN LANDFILLZhu Yan et al 53 Abstract Characteristics of two different suction systems for landfill gas in the largest landfill site of Europe are investigated. Based on field testing and data analyzing, the characteristics such as quality and quantity of the landfillgas, the suction pressure, construction and operation costs are discussed. The advantages and disadvantage of the two systems and their applicability are also summarized. The results are helpful to researchers and engineers in developing countries for their new landfill design and construction. Keywords landfill gas LFG, suction system, verticalwell and horizontal collector EXPERIMENTAL STUDY ON SOLIDIFYING FLY ASH FROM REFUSE INCINERATION BY FUEL MELTINGZhao Guangjie et al 56 Abstract Fly ash from refuse incineration is solidified in a melting furnace that takes diesel fuel as its fuel, the solidifying effect is examined. The influence of different environments on the solidifying effect is also explored. The results show that the fly ash has no toxicity after its melt solidification; acidic pH≤4. 5and alkaline pH≥11. 5environments have a greater effect on the solidification, whereas a wet one hasno obvious effect on the solidification. Keywords fly ash from refuse incineration, melt, solidification and leach toxicity RESEARCH ON THE EFFECT OF LEACHATE RECIRCULATION TECHNOLOGY ON GAS PRODUCTIONBY SEMI-AEROBIC LANDFILLHuang Qifei et al 59 Abstract A simulated large scale landfill was established according to the semi -aerobic landfilling theory. A tracer monitoring for the landfill gas concentration variation on the condition of leachate recycling as compared with that of the un-recycling in semi -aerobic landfill. The results shows that leachate recycling in semi-aerobic landfill reduces the amount of leachate, and does not cause the accumulation of NH 4-N concentration. On the other hand, leachate recycling in semi -aerobic landfill can cause the velocity of methane production faster. The methane concentration in leachate recycling system doubled than the un -recycling one. So it does good to accelerate the stabilization of landfill. Keywords semi -aerobic landfill, leachate recycling, municipalwaste solid and methane THE DESIGN AND APPLICATION OF FLY ASH -SLAG PAVEMENT CONCRETE WITHOUT 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 5,Oct. , 2005