提高垃圾填埋場生物降解的曝氣現場監測試驗

鄭 祥

（南京萬德斯環保科技股份有限公司，江蘇南京211100）

曝氣是提高降解過程中廢物穩定性的關鍵方法之一，已在世界各地應用。該方法的優點包括加快降解速度、減少溫室氣體排放、縮短填埋場封場后維護時間等。近年來,許多國家已經進行了好氧技術的現場應用。低壓曝氣和高壓曝氣都是成功的有氧技術：前者主要用于小規模非濕垃圾填埋，后者通常用于大規模垃圾填埋。在大規模垃圾填埋場模擬生物反應器，需要保留豐富的氣體循環和持續的液體加入，這是很難的。在中國，大多數的垃圾填埋場通常采用厭氧處理工藝，還沒有成功的具備曝氣規模的典型案例。因此，我們選擇了一個老舊垃圾填埋場，進行了不同規模的曝氣測試，評估其是否有穩定的曝氣以提高生物降解的速度。

1 材料和方法

1.1 垃圾填埋場簡述

該城市垃圾填埋場位于湖北省夷陵，于2013 年7月完成最后封場。垃圾填埋場面積約16 000 m2，總容量178 200 m3，平均深度12 m,頂部為1 m 的粘土覆蓋層。垃圾層分為兩層，共11 m，上層深度6 m,下層深度5 m。兩層垃圾的存積時間分別為6 年和9 年。目前這座垃圾填埋場計劃在修復后建為公園，采用有氧處理工藝，可以加速污染物分解的速度。在注入井設置前，我們測試了氣體含量和溫度，其中CH4、CO2和O2的平均濃度分別為12.1% 、26.7% 和4.5% ，平均溫度31.28℃～34.68℃。

1.2 有氧系統

注射系統和提取系統都采用了風機，風量均為5 000 m3/h。在垃圾填埋場共安裝了29 口氣體射入井和42 口提取井 (圖1) 。滲濾污水收集系統包括16 口泵浦井和6口水平的再通行井，井的深度是1 m，長度是50 m，注入井的間距設為22 m。通風系統從2013 年10 月開始向每口氣體射入井進行通氣。

圖1 填埋區曝氣系統的分布情況

深井的空氣注入率高于淺井，下井深度為5 m 和9 m（圖2）。由于最初3 個月溫度急劇上升，曝氣鼓風機短期關閉。第二階段的空氣注入量低于第一階段。

圖2 注水井和溫度傳感器示意圖

1.3 滲濾污水收集

當抽水井工作時，滲濾液經常從井口冒出，這主要是由于氣體在持續抽采條件下入泵管，導致泵管與填埋體之間的壓差過大，滲出液持續流入泵管。滲濾液是由相互隔離的氣體通過嵌入式管道抽取的，且需要回灌，以保證大量的氣體通入采掘井時相對穩定（圖3）。

2 檢測方法

我們對試驗重要參數進行了長達11 個月的監測，以分析曝氣條件對污染物降解的影響。這些參數包括CH4、CO2和O2濃度，浸出液COD、BOD 濃度、溫度、水位、沉降、B/L。

我們對氣體濃度和溫度進行實時監測，溫度探頭設置在填埋場深度為3 m、6 m 和9 m 處（圖2）。COD 和BOD 進行了快速測定。木質素和纖維素采取帶孔采樣的手段：裝配有2 000 mm×10 mm 規格鉆頭的鉆孔機，在5 個取樣區域（10 m×10 m，見圖1）分別取3 個試樣，每個試樣的深度分別為3～5 m 或7～9 m。

3 結果和討論

3.1 溫度和氣體濃度

曝氣系統操作期間的溫度變化如圖4 所示。第一階段，注水井平均流速為82 m3/h，溫度明顯提高。

圖3 供氣提取井和曝氣的滲濾液與匯集管示意圖

圖4 曝氣過程中溫度的變化

圖5 曝氣過程中氣體濃度的變化

3 m 和6 m 的溫度上升幅度明顯大于9 m 處，這是因為垃圾填埋場底部被水覆蓋，因此氧氣流量的影響弱于填埋場上半部分和中心部分。運行100 天后，6 m 內的溫度達到55℃。

為保證垃圾填埋場的安全，曝氣系統在106 天后停止運行。暫停21 天后，曝氣系統重新啟動，平均曝氣量調整為42 m3/h。后期由于曝氣強度降低，3～6 m 區域溫度穩定。250 天后9 m 處溫度無明顯變化。圖5 給出了曝氣操作期間氣體濃度的變化：在曝氣的第一階段，CH4和CO2的濃度顯著下降，CH4濃度在50 天后降至5% 以下，表明CH4氧化效果良好。在曝氣暫停階段，CH4和CO2的濃度明顯增加，O2濃度同時下降。

3.2 COD 和B/C

從滲濾液濃度的變化來看（圖6），在有氧系統運行初期，COD 呈下降趨勢，第一階段的減振幅度高于第二階段。BOD/COD 在整個操作過程中也有下降趨勢。250天后，BOD/COD 基本低于0.1，說明滲出液的有機物處于較低水平。

圖6 曝氣操作過程中COD 和BOD/COD 的變化

3.3 滲濾液再循環及核算

有氧系統運行過程中再循環速率和水位變化如圖7 所示。第一階段，再循環總量為346.8 m3，平均再循環量為98.2 m3/月；第二階段人工補給總量為413.8 m3，平均補給量為60.6 m3/月。浸出液再循環率降低，曝氣強度降低。第一階段的水位為5.7～8.1 m，第二階段水位為6.3～7.9 m。

圖7 曝氣過程中滲濾液循環率和水位的變化

圖8 測試結果表明，加速好氧反應，可加快填埋場沉降的穩定速度：填埋場初始沉降速度在0.13～1.34 mm/天，131 天之后，沉降速度穩定在0.83 mm/天，具體可參考GB/T 25179-2010《生活垃圾填埋場穩定化場地利用技術要求》。

圖8 曝氣過程中沉降速率和累計沉降的變化

圖9 顯示了通過污染物抽樣測試平均纖維素與木質素的比例變化，兩個深度區的C/L 下降。在第二階段，深度為3～5 m 的部分C/L 值降至0.4 以下，而深度為7～9 m 時僅略低于0.4。這可能是由于在填埋場7～9 m的深度下，含水量較高而降低了空氣的滲透性。滲透性降低，繼而降低了空氣流動的能力，削弱了填埋機體的氧氣環境。

圖9 曝氣過程中纖維素/木質素的變化

3.4 垃圾填埋場異質性對C/L 的影響

由于污染物成分和分布的異質性，鉆孔機獲得的樣品不能代表所有區域。在堆填區抽取了五個樣本區（15個樣本），以獲得更多廢物樣本。C/L 的測試結果必然是離散的（見表1）。

表1 在曝氣操作期間，不同深度的C/L 范圍和平均值

3.5 垃圾填埋場水位的變化

填埋場的平均水位維持在9.6 m 左右。第一階段和第二階段分別為6.8 m 和7.05 m（圖7）。這表明，大多數區域沒有浸沒于水，這為填埋區滲濾液再循環和氣流提供了可行性。由于含水量高，填埋機體的滲透性降低，削弱了氣流的能力。因此，使垃圾填埋場的水位保持在足夠的水平對有氧曝氣非常重要。

3.6 生物降解的穩定性

BOD/COD 用于評估廢物樣品中有機物的降解程度，它只是評估廢物樣本降解穩定性的參考。C/L 被廣泛用于分析廢物樣品降解的穩定性。由于現場規模填埋穩定性評價的抽樣結果不定，檢測結果可能明顯不同。目前，通過增加抽樣數量，使測試結果具有代表性。

4 結論

我們選取一個老舊垃圾填埋場進行提高生物降解性能的曝氣中試試驗，并監測了污染物樣品穩定降解的關鍵參數。結果顯示:

（1）沼氣和滲濾污水的濃度有明顯下降的趨勢，這表明有氧修復可加速樣品中有機物的降解。

（2）滲濾液的水位控制適當是曝氣的基礎。

（3）C/L 呈明顯下降趨勢，填埋區廢物處于穩定階段。同時，堆填區底部附近的廢物亦未處于穩定階段。

（4）現場采取樣本數據有很大的離散，如何獲得代表性樣本需要進一步研究。

經過11 個月的曝氣操作后，垃圾填埋場在加速退化中效果較好。此項目有氧系統的設計和監測方法可為今后其他類似項目提供參考。