滲濾液回灌促進垃圾填埋場甲烷產生的研究進展

宋欣欣， 劉凱麗， 呂龍義， 閔海華，王 澄， 楊 佳， 張光明

(1.天津市政工程設計研究總院有限公司 第四設計院， 天津 300392； 2.河北工業大學能源與環境工程學院 天津市清潔能源利用與污染物控制重點實驗室， 天津 300401；3.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 第三設計院， 天津 300074；4.天津市市容環衛建設發展有限公司， 天津 300384)

0 引 言

衛生填埋技術是目前占主導地位的生活垃圾處置方法[1]，不僅可使填埋場中的廢棄物最終降解為相對穩定的物質，而且還具有經濟優勢[2]。但填埋過程產生的滲濾液和填埋氣會對周圍的大氣、地表和地下水造成嚴重污染，成為潛在的污染源。填埋氣體俗稱沼氣，成分如表1所示，主要成分是CH4和CO2[3]。垃圾填埋場可視為大型生物反應器，滲濾液回灌可使其成為可控型生物反應器垃圾填埋場，國內外針對生物反應器型填埋場的研究主要圍繞滲濾液回灌展開[4]。研究表明，回灌的滲濾液中仍有大量未被降解的有機物，可作為營養物質被垃圾填埋層內的微生物利用，這樣既能降低滲濾液的污染程度、加快垃圾填埋穩定化進程，又能形成濕度大、氧化還原電位降低和重金屬離子下降等有利于產甲烷的環境[5]。甲烷是一種理想的氣體燃料，可用于供熱發電和汽車燃料等[6]。因此，滲濾液回灌技術將會帶來較好的環境效益和經濟效益。

相關研究自1975年日益增加，回灌技術在實際工程中也得到了大量應用。圖1顯示了1970～2019年關于滲濾液回灌和滲濾液回灌促進產甲烷的論文數量，呈現持續增長的趨勢。本文對這一技術近50年的發展進行了系統的梳理，并討論了存在的問題與未來研究方向，可為其進一步研究與應用提供參考。

表1 城市垃圾填埋場釋放氣體的典型成分

圖1 關于滲濾液回灌發表論文的數量(Web of Science)

1 滲濾液回灌提高甲烷產量的研究歷程

1973年，美國Pohland率先在實驗室內對滲濾液回灌做了模擬研究，發現滲濾液回灌后，垃圾填埋體的降解速率比未回灌前大幅提高，產甲烷量增加且甲烷產量穩定在60%左右[7]。隨后，Leckie設置了連續注水、使垃圾初始含水率達到場容和滲濾液回灌三種實驗環境，研究表明，滲濾液回灌更能促進垃圾降解，其填埋氣中甲烷含量最高[8]。

20世紀80年代，滲濾液回灌技術的研究越來越廣泛，滲濾液回灌促進產氣的積極作用不斷得到驗證[9-10]，對其機理的研究也逐漸開展。Walsh等和Kinman等認為滲濾液回灌促進了初始階段的酸化過程[11-12]，Leuschner也認為滲濾液回灌能促進垃圾水解酸化，但不能促進產甲烷[13]。也有學者開始將滲濾液回灌技術運用到填埋單元中進行中試試驗，Halvadakis等在美國Mountain View填埋場對6個填埋單元進行了中試規模的滲濾液回灌研究[14]。

20世紀90年代，隨著生物反應器型填埋場的不斷發展，滲濾液回灌已經在國外的垃圾填埋場中得到了實際應用。Pohland等和Townsend等開始了工程規模的試驗，均驗證了滲濾液回灌在促進填埋體的穩定化和產氣量方面的積極作用[15-16]。Chynoweth等和Chugh等相繼開展了序批式厭氧生物反應器的研究，將新鮮垃圾滲濾液和陳舊垃圾滲濾液交叉回灌，直到兩個反應器達到穩定，按此操作的反應器縮短了產甲烷的進程，且能在60天內去除填埋垃圾中80%的可降解物[17-18]。在研究滲濾液回灌促進甲烷產生的機理研究方面也有了新的突破，Lay等發現滲濾液回灌能提高甲烷化速率，而不是酸化速率，并且滲濾液回灌主要是提高了乙酸的甲烷化速率，對其他脂肪酸幾乎無影響[19]。他們的研究結論否定了Leuschner等“滲濾液回灌只是促進了酸化速率”的觀點[13]，這對滲濾液回灌促進產甲烷的機理研究有重要影響。

圖2 滲濾液回灌提高甲烷產量的研究歷程圖

我國垃圾填埋場技術起步較晚，20世紀90年代起，才開始滲濾液回灌的研究。徐迪民等利用垃圾滲濾液回灌提升滲濾液水質是我國最早對該方面的研究[20]。因滲濾液回灌技術在國外的研究已經相對成熟，該技術在國內很快由實驗研究轉向實際應用。2001年，西南交通大學將滲濾液回灌技術應用在杭州天子嶺填埋場，并進行了單元示范研究[21]。

在機理研究方面，我國的研究較為落后。21世紀初期，有學者的滲濾液回灌實驗室模擬研究證實了其可提高產甲烷的速率[22-25]。但有研究發現，滲濾液的多次回灌對甲烷的產生有抑制作用，彭緒亞、鄒廬泉及張曉星等均發現，在垃圾填埋單元添加厭氧污泥可減輕滲濾液的反復回灌對產甲烷過程的抑制作用[26-28]。這是由于厭氧污泥中存在大量產甲烷菌，可代謝揮發性脂肪酸，為填埋層進入甲烷化階段創造了適宜的環境條件。與此同時，國內外一些學者相繼進行了滲濾液回灌的回灌負荷、回灌頻率和回灌速度等技術參數對垃圾降解和產甲烷氣體的影響研究[29-30]，這些研究大都是通過調整技術參數獲得最優工況。

近十年來，滲濾液回灌技術已經在垃圾填埋場中得到較多應用，但是長期的循環回灌也不可避免地造成諸多問題，長期回灌不能使甲烷產量有顯著的提高[31]。馬澤宇等研究發現，經過好氧預處理后的滲濾液再回灌至填埋場可促進甲烷化的代謝過程，增大甲烷產量且產氣穩定化速率較高[32]。長時間的滲濾液回灌還不可避免地造成垃圾填埋導排層的堵塞和有機酸的積累，劉丹綜合考慮不同回灌參數對滲濾液回灌效果和導排層堵塞的影響規律，確定了最佳回灌參數組合：回灌速度為6.6×10-6m·s-1、回灌頻率為3 天1次、回灌比為2.7%[33]。

20世紀70年代至今，滲濾液回灌技術已經發展得比較成熟，相關研究也日益增多。滲濾液回灌的研究方向也在不斷地進行改進和調整，以避免長期回灌帶來的有機酸大量積累等問題，促進產甲烷環境的形成。

2 滲濾液回灌促進甲烷產生的機理及影響因素

2.1 滲濾液回灌促進甲烷產生的機理

2.1.1 保證產甲烷所需的含水率

水分在垃圾填埋穩定化的進程中占據重要地位，是填埋垃圾降解過程中的微生物保持活性和生存的基本條件，因此，保持適宜的含水率是加速垃圾填埋穩定化進程的重要條件[34]。75%的含水率是加速垃圾穩定化的初始條件[19]，滲濾液回灌的主要目的在于使填埋垃圾保持微生物降解活動所需的含水率。但有研究表明，即便填埋層內部保證相同的含水率，具有傳質作用要比無傳質作用的垃圾填埋層的產甲烷量高25%～50%[35]。滲濾液回灌技術為垃圾填埋的穩定化提供了適宜的含水率，以及滲濾液在垃圾填埋層內充分運移帶來的傳質作用，可以加速固相有機垃圾水解酸化的速率，加速營養物質、微生物和填埋垃圾基質的均勻分布和接觸[36]。Kasali在室溫(20.5～28.5 ℃)下對不同水分含量的垃圾進行了降解研究，60%～75%的含水率最適宜垃圾降解，且甲烷產量最高[37]。當垃圾填埋體內的含水率超過垃圾自身的持水度，不僅對產氣量沒有太大的促進作用，還會破壞垃圾填埋場的防滲系統，進而污染地下水，因此回灌時應提供適宜垃圾降解的含水率[38]。

2.1.2 微生物的接種作用

填埋層內有機質的甲烷化代謝過程是由水解酸化和甲烷化兩類微生物協同代謝的串聯反應，各類微生物的代謝反應速率取決于基質的性質和數量、微生物數量和環境條件三類主要因素[39]。厭氧環境下的垃圾滲濾液中含有大量產甲烷的古細菌[40]，且滲濾液可以再循環至填埋垃圾中，顯著提高了水解微生物接觸固體表面的可能性[41]。徐迪民等對垃圾填埋場模擬反應柱進行鏡檢，發現回灌后的垃圾填埋層，腐爛、半腐爛的有機殘體減少，并有微團聚體出現，總孔隙多，孔隙發育良好，彎曲度較大，且呈樹枝狀或網格狀的連續孔隙，孔壁光滑[20]。經滲濾液回灌之后，垃圾層的微生物種類明顯增多，含有一定數量的菌類、大腸菌群、原生動物、輪蟲和蠕蟲等[42]。Luo等的研究結果表明,滲濾液回灌不僅可以使更多的微生物進入固體廢棄物表面，還可以提供更多的可溶性產物和營養物質來促進微生物的生長，從而獲得更好的水解性能[43]。

2.1.3 提供適合微生物產甲烷的pH和VFA

垃圾填埋層中有機物發酵產甲烷的最后一步由產甲烷菌完成，一般認為產甲烷菌必須在嚴格厭氧且氧化還原電位小于-150 mV的環境下才能正常生長。已有的研究表明，回灌滲濾液中的揮發性脂肪酸(Volatile fatty acid, VFA)和pH是影響填埋垃圾降解過程的主要因素[44]。VFA是產甲烷菌進行甲烷化代謝的底物[45]，其濃度直接影響甲烷的產量，但是VFA濃度過高會抑制水解酸化進程，也會影響甲烷化過程的穩定性[46]。pH過低或過高會完全抑制甲烷化菌群的代謝，影響滲濾液回灌過程中的甲烷產量[47]。Lavagnolo等通過實驗驗證了在較低的pH下，整個實驗過程沒有發生產甲烷作用[48]。降低回灌滲濾液中的有機酸濃度，提高滲濾液的pH，可以為填埋層產甲烷微生物活動創造適宜的條件，從而加速新鮮垃圾進入穩定產甲烷階段的進程，提高填埋氣的可回收利用性[49]。邵立明等通過實驗研究發現，回灌滲濾液在酸性(pH=6)條件下，且其中存在一定量的VFA時，填埋層可迅速甲烷化，VFA濃度越低，填埋層甲烷化過程的穩定時間越短。回灌滲濾液pH為7時，保證填埋層仍能快速進入甲烷化階段的最高VFA濃度不應超過4 000 mg·L-1(以C計)[50]。

滲濾液回灌至垃圾填埋場內，促進甲烷大量產生的過程如圖3所示。可以看出，產甲烷過程是垃圾填埋層的垃圾成分和其中的產甲烷菌等微生物、pH、VFA以及溫度等環境條件的共同作用。產甲烷是一種復雜的過程，是多種中溫菌協同作用的結果。當大部分可降解有機物轉化成CH4和CO2后，垃圾填埋體幾乎不產氣，此時的垃圾填埋場會逐漸趨于穩定狀態。滲濾液回灌至垃圾填埋場，提高了甲烷產量，縮短了產氣年限，減少了氣體收集系統的運行費用，使回收利用廢氣作為能源成為可能。

圖3 滲濾液回灌促進產甲烷機理圖

2.2 滲濾液回灌促進產甲烷的影響因素

滲濾液回灌的技術參數對甲烷產量起著決定性的作用。研究表明，回灌頻率和回灌負荷是影響垃圾填埋層穩定性和產氣量的決定性因素[51]。如表2所示，有關回灌頻率和回灌負荷的研究較多，而對回灌速度的研究相對前兩者來說較少。

表2 滲濾液回灌的技術參數對產甲烷的影響

續表

2.2.1 回灌負荷

滲濾液回灌負荷是回灌技術的關鍵參數，滲濾液回灌負荷過低會影響填埋垃圾的穩定化進程，進而影響甲烷產量。但增大滲濾液回灌負荷并不能顯著地提高甲烷產量[60]，這是因為填埋垃圾的總產氣量取決于垃圾成分和垃圾的總干重，當滲濾液回灌負荷達到飽和狀態時，即使增大回灌負荷，也不會明顯提高產氣量[62]。邱忠平等提出，20%的回灌負荷可為填埋場中的微生物提供較優的生長環境，促進含碳有機垃圾的生物降解與轉化，加速好氧生物反應器填埋場的穩定化進程[63]。Chung等研究表明，提高滲濾液的回灌負荷使滲濾液的pH上升到中性的時間縮短，對加速垃圾降解有促進作用，但是并不會顯著地改善滲濾液的出水水質[64]。回灌的滲濾液過量會導致垃圾填埋體內水分過度飽和、形成酸性環境和造成填埋層內部短流等諸多問題，而且還不利于附著在垃圾表面的微生物的生長，使回灌效果變差[65]。由于不同地方的垃圾結構和成分不同，因此，要確定適宜的回灌負荷來獲得最優的滲濾液回灌參數，使垃圾填埋場達到穩定化效果。

2.2.2 回灌頻率

Irem研究發現，采用和產甲烷菌世代時間相吻合的回灌頻率會有較高的產氣量[57]。過低的回灌頻率限制了填埋垃圾與滲濾液和微生物的接觸以及物質和能量交換，使填埋垃圾中的有機物降解速率受到抑制，進而影響垃圾降解的甲烷化反應進程[36]。而過高的回灌頻率會使微生物難以附著在微生物膜上，造成微生物的大量流失，破壞酸化反應和甲烷化反應的平衡，還可能導致循環滲濾液帶走垃圾體內部的熱量[53]，從而影響產甲烷菌的正常生長繁殖。研究表明，填埋前期低回灌頻率有利于縮短進入產甲烷階段的時間[66]，甲烷濃度峰值的出現(59.6%)也提前了147 d[67]；而進入產甲烷階段后，高回灌頻率有助于提高產甲烷的速率[68]。此外，溫度較高時采用高回灌頻率(1天1次)以及溫度較低時采用低回灌頻率(5天1次)有利于提高產甲烷速率[69]。王浩還發現，采用5%垃圾質量的回灌負荷、適當的回灌頻率(7天1次)以及盡量較低的回灌速度，也有利于提高產氣性能[60]。

2.2.3 回灌速率

滲濾液回灌速度也發揮著關鍵的作用，如回灌速率大于其在垃圾體中的滲透速率，會對垃圾產生較大作用力[27]。該力會壓實垃圾體，減小垃圾的孔隙度，提高垃圾體的密度，加速垃圾填埋場的沉降。隨著回灌速率的下降，回灌的滲濾液在下滲過程中有更多時間與填埋垃圾中既有的非飽和孔隙接觸，從而能較均勻地流入已經排水的空隙。因此，采用較小的回灌速率會使垃圾體的有效儲水率提高[59]，還可以使滲濾液中的微生物在垃圾體表面有良好的吸附和絡合平衡，建立起良好的產甲烷環境[60]，有利于產甲烷菌的生長。劉丹通過實驗研究發現，過高或過低回灌速率條件下的回灌效果都不甚理想，最優的回灌速率水平是6.6×10-6m·s-1[33]。實際的垃圾填埋場進行滲濾液循環操作時，可以采用滴灌而不是噴灌的方式回灌，以保持較適宜的回灌速率來促進甲烷產量的提高。

2.3 滲濾液回灌技術促進產甲烷的實際應用

我國第一個垃圾填埋場—杭州天子嶺垃圾填埋場于1991年建成[70]，它也是我國首個利用填埋氣發電的填埋場。杭州、廣州、北京、南京、珠海和武漢等城市也相繼把滲濾液回灌技術應用于垃圾填埋場中，例如北京北神樹垃圾填埋場和上海老港垃圾填埋場等。東莞虎門市垃圾填埋場采用滲濾液回灌技術進行產氣和加速填埋場的穩定，自2013年運行以來，截止到2018年，累計產氣量約8.7×106m3[71]。湖北宜昌黃家灣垃圾填埋場采用滲濾液回灌技術后，甲烷濃度從原來的51.2%提高到58.2%[73]。

3 結論與展望

垃圾滲濾液回灌促進沼甲烷生產是減少垃圾填埋場二次污染、促進能源生產的重要途徑。現有研究仍存在一些不足：(1)僅僅研究了單一因素對甲烷產量的提升，如滲濾液回灌的水力條件、接種厭氧活性污泥等添加物，缺乏多因素復合研究；(2)長期回灌成熟的垃圾滲濾液，不可避免地導致污染物的積累以及垃圾導排層的堵塞問題，降低處理能力。針對這些問題，在后續的研究處理中，應該從以下幾點出發：(1)結合滲濾液的非原位部分硝化作用，可促進生物降解產甲烷，滲濾液收集后進行異位預處理后再回灌至垃圾填埋場；(2)結合滲濾液回灌頻率和回灌負荷等技術參數，對垃圾導排層堵塞等問題進行機理研究，從而得出獲得最大甲烷產量的回灌技術參數。