專利名稱：滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH₄的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及垃圾填埋場滲濾液處理和填埋場溫室氣體總量釋放減排方法，更具體 的說是利用填埋場內(nèi)垃圾滲濾液中高濃度的氨氮實(shí)現(xiàn)礦化垃圾中銨氧化菌的馴化與富集， 基于銨氧化菌對甲烷(CH4)同等氧化能力的特征，再利用富集銨氧化菌處理的礦化垃圾來 構(gòu)建垃圾填埋場覆蓋層來氧化CH4的方法。
背景技術(shù)：
全球變暖已成為世界關(guān)注的重大環(huán)境問題?！毒┒甲h定書》中急待減排的主要溫室 氣體包括C02、CH4和N20。政府間氣候變化專門委員會2007年統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明2004年CH4 和隊(duì)0占全球人為溫室氣體排放總量的14. 3%和7. 9%，僅次于CO2 (76. 7% )。其中，014和 N2O單分子百年增溫潛勢為CO2的23倍和296倍，此外，大氣中N2O還具有破壞臭氧層的能。目前，相關(guān)研究主要集中在農(nóng)田、草地、濕地及林地等生態(tài)系統(tǒng)，而對碳氮源豐富、 轉(zhuǎn)化更急劇的生活垃圾填埋場中CH4和N2O的釋放研究匱乏。僅有的文獻(xiàn)表明，生活垃圾填 埋場是CH4和N2O的重大釋放源。垃圾填埋場CH4主要來源于填埋垃圾的厭氧降解，是CH4 的重大釋放源，占全球CH4釋放總量的10%以上，而美國、荷蘭等國的比例甚至高達(dá)20%以 上，而我國缺乏垃圾填埋場CH4釋放的時(shí)空變化規(guī)律研究及相應(yīng)的總量統(tǒng)計(jì)。填埋場N2O 主要形成于覆蓋土中微生物硝化反硝化作用，是硝化過程的副產(chǎn)物和反硝化過程的中間產(chǎn) 物。生活垃圾填埋場內(nèi)N2O的釋放規(guī)律研究較為鮮見，其釋放總量尚未統(tǒng)計(jì)。其中，Rirme 等人對芬蘭Ammassuo填埋場的N2O釋放通量進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)比歐洲北部農(nóng)田和森林 的最高釋放通量高1 2個(gè)數(shù)量級。張后虎等以季為時(shí)間尺度對我國上海和杭州生活垃圾 填埋場3種溫室氣體(CH4、N20和CO2)進(jìn)行了全年同步監(jiān)測，將結(jié)果統(tǒng)一換算成CO2釋放當(dāng) 量后發(fā)現(xiàn)CH4釋放量占主導(dǎo)優(yōu)勢，高達(dá)95%以上。為此，垃圾填埋場溫室氣體減排的關(guān)鍵在 于控制CH4的釋放量。填埋氣體(Landfill Gas, LFG)主動收集系統(tǒng)可有效降低填埋場內(nèi)的CH4分壓，使 其釋放推動力減小。除此之外，CH4氣體在經(jīng)過填埋場終場覆蓋層時(shí)在甲烷氧化菌的作用下 被氧氣氧化轉(zhuǎn)化為CO2、水和生物質(zhì)，從而減少甚至完全消除填埋場的甲烷釋放。Czepiel等 和Chanton等利用同位素分析測得填埋場終場覆土層氧化CH4約為產(chǎn)生總量的10%左右； 而Bergamaschi等研究的結(jié)果為氧化80%以上的CH4。土壤的CH4氧化能力與溫度存在正相 關(guān)關(guān)系，甚至出現(xiàn)填埋場覆土層不僅完全氧化填埋場排放的CH4,還能吸收氧化大氣中CH4 成為“匯”的現(xiàn)象(Zhang H. H. ,He P. J.，Shao LM. Methane emissions from MSff landfills with sandy cover soils under leachate recirculation and subsurface irrigation. Atmospheric Environment,2008,42(22) :5579-5588.) 除甲烷氧化菌外，Mandernack等在填埋場和蔡祖聰?shù)仍谵r(nóng)田發(fā)現(xiàn)銨氧化菌對同樣 具備氧化CH4的能力。CHdPNH4+的正四面體分子結(jié)構(gòu)類似，分子量相近，CH4單氧化酶和銨單 氧化酶結(jié)構(gòu)極為相似，而且分別是CH4氧化和銨氧化的關(guān)鍵因子。甲烷氧化細(xì)菌和銨氧化細(xì) 菌在許多方面具有共性(1)底物利用方面至少有10種物質(zhì)可以同時(shí)作為甲烷氧化細(xì)菌
3和銨氧化細(xì)菌共同的底物；(2)羥胺氧化酶不僅在一些甲烷氧化細(xì)菌氧化甲烷過程中發(fā)揮 重要作用，同時(shí)它的結(jié)構(gòu)和功能與銨氧化過程中的一些酶極為相似；(3)甲烷氧化細(xì)菌和 銨氧化細(xì)菌都具有非常復(fù)雜的胞質(zhì)內(nèi)膜；(4)甲烷氧化細(xì)菌和銨氧化細(xì)菌都屬于嚴(yán)格好氧 細(xì)菌，能共存于一些好氧_厭氧交叉界面，且這些微域中同時(shí)存在CH4、NH4+-N和O2 (蔡祖聰， Mosi A.R. 土壤水分狀況對CH4氧化，N2O和CO2排放的影響.土壤，1999，31 (6)，289-294.)。 因此，在適宜的環(huán)境條件下，甲烷氧化細(xì)菌可氧化銨態(tài)氮，銨氧化細(xì)菌也可氧化甲烷。從而 可考慮借助富集銨氧化菌于垃圾填埋場覆蓋層來氧化CH4,為削減填埋場的溫室氣體釋放 量提供了技術(shù)途徑。與此同時(shí)，垃圾滲濾液是填埋場中最主要的環(huán)境污染問題，垃圾滲濾液是一種氨 氮濃度高(500 3000mg/L)、成分復(fù)雜的難處理有機(jī)物廢水(CODtt = 3000 15000mg/L)， 鹽分和重金屬濃度高，故難以用傳統(tǒng)的生活污水處理工藝來處理，國內(nèi)有學(xué)者研究利用礦 化垃圾處理垃圾滲濾液的方法。礦化垃圾指城市生活垃圾填埋場封場數(shù)年后(南方地區(qū) 8 10年以上，北方地區(qū)10 15年以上)，垃圾中易降解物質(zhì)基本降解完成，可生物降解 的物質(zhì)含量小于3 %，垃圾外觀類似于腐殖質(zhì)，呈微顆粒狀，質(zhì)地疏松，具有無數(shù)微孔隙，這 樣的垃圾稱之為礦化垃圾。上述礦化垃圾經(jīng)過開挖、晾曬和簡單篩分后，可以得到類腐殖質(zhì) 的土細(xì)料。其特點(diǎn)是容重輕、孔隙度高、滲透系數(shù)大，具有較高的陽離子交換容量、有機(jī)質(zhì)含 量和豐富的營養(yǎng)成分，細(xì)菌種類多、數(shù)量大，微生物代謝力強(qiáng)、活性好，酶促反應(yīng)和生理生化 過程強(qiáng)度大[2°_21]。對礦化垃圾重金屬全量測定、浸出毒性檢驗(yàn)和致病性分析等基本特性的 研究，均一致表明礦化垃圾具有在自然條件下難以形成的、極為優(yōu)良的污染物凈化性能，是 優(yōu)良的滲濾液生物處理介質(zhì)，已被應(yīng)用于構(gòu)建礦化垃圾生物反應(yīng)床處理填埋場內(nèi)的垃圾滲 濾液。礦化垃圾硝化能力強(qiáng)、銨氧化菌群落豐富，當(dāng)大型臥式礦化垃圾反應(yīng)床NH3-N的進(jìn)水 濃度為538. 5 1583. Omg/L時(shí)，水力負(fù)荷處于0. 027 0. 030m3/ (m3礦化垃圾· d)的運(yùn)行 條件下，礦化垃圾反應(yīng)床對NH3-N的去除率可高達(dá)為96. 9 99. 8%，最終出水的濃度可達(dá) 到《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GB16889-2008)》中的排放濃度限值(25mg/L)(李鴻江， 趙由才，張文海，等.礦化垃圾對滲濾液中有機(jī)物及金屬元素的去除研究.中國給水排水， 2008,24(19) 106-108.)。Barlaz等也嘗試?yán)猛ピ豪逊女a(chǎn)品(Yard waste compost)構(gòu)建生物覆蓋層 (Biological active cover)來削減CH4的釋放，通過應(yīng)用于垃圾填埋場現(xiàn)場研究和借助于 同位素技術(shù)表明，垃圾構(gòu)建的生物覆蓋層對可氧化55%的甲烷氣體，土壤覆蓋層僅能氧化 21 % 的甲燒(BarlazM. A. , Green R. B. , Chanton J. P. , et al. Evaluation of a biological active cover for mitigation of landfill gas emissions. Environmental Science & Technology, 2004, 38 =4891-4899.)。而鮮見涉及垃圾填埋場溫室氣體減排技術(shù)的相關(guān)研 究，更未能涉及礦化垃圾經(jīng)垃圾滲濾液馴化后富集銨氧化菌對CH4氧化能力的衍生研究。垃圾滲濾液中含有毒的，尤其是致突變、致畸變和致癌變的化學(xué)物質(zhì)，此外，垃圾 滲濾液中含有一定量的重金屬組分，對銨氧化菌的培養(yǎng)和富集存在負(fù)面效應(yīng)。而大孔吸附 樹脂和活性炭等吸附材料可選擇性吸附分離滲濾液中有機(jī)污染物和重金屬等毒性組分，目 的性保留水溶性氨氮成分。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題針對垃圾填埋場產(chǎn)生的垃圾滲濾液和甲烷難以處理的問 題，本發(fā)明提供了滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，首先利用吸附材料吸附 垃圾滲濾液中的有機(jī)污染物和重金屬等毒性成分，保留高濃度、水溶性的氨氮組分；經(jīng)過預(yù) 先處理后的垃圾滲濾液對礦化垃圾填料進(jìn)行馴化培養(yǎng)富集銨氧化菌；根據(jù)銨氧化菌對甲烷 (CH4)同等的氧化能力，構(gòu)建生活垃圾填埋場覆蓋層中的CH4氧化層，使得垃圾滲濾液和甲 烷可以得到很好的處理，降低了甲烷的濃度。本發(fā)明原理針對銨氧化菌對甲烷(CH4)同等氧化能力的特征，首先設(shè)置活性炭、 大孔樹脂或吸附材料填充柱對垃圾滲濾液進(jìn)行前置處理，吸附其中的有機(jī)污染物和重金屬 等毒性組分。經(jīng)過預(yù)處理后的垃圾滲濾液保留了高濃度氨氮組分，被用于礦化垃圾中銨氧 化菌的馴化和富集。再利用銨氧化菌對CH4同等的氧化能力，實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場溫室氣體的 減排。其中，礦化垃圾構(gòu)建的甲烷氧化層設(shè)置在排水層和防滲層之間。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，其步驟為(1)首先采用泵力將滲濾液提升至吸附材料層，吸附材料層由上而下采用活性炭 層和大孔樹脂層組成；布水負(fù)荷為0. 05 0. 50m3/(m3礦化垃圾· d)；(2)經(jīng)過步驟(1)處理后垃圾滲濾液的出水，經(jīng)過二次泵力量提升至礦化垃圾填 料層進(jìn)行處理，布水負(fù)荷為0. 05 0. 30m3/(m3礦化垃圾· d)；(3)在生活垃圾填埋場終覆蓋層施工中，在排水層和植被層之間，或者排水層下方 增添步驟(2)運(yùn)行后得到的垃圾滲濾液馴化后的礦化垃圾層。其中步驟(1)中活性炭層層高為30-50cm，大孔樹脂層層高為20-50cm。步驟(2) 中礦化垃圾填料層層高為20-60cm。步驟(3)中礦化垃圾層層高為30cm 50cm。有益效果本發(fā)明滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，使得既處理了垃 圾滲濾液也再生利用了礦化垃圾，1) “以廢治廢”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)本發(fā)明主要利用開挖填埋多 年的填埋垃圾、借助填埋場內(nèi)垃圾滲濾液中高濃度的氨氮(有機(jī)污染物和重金屬通過樹脂 等吸附分離)，探討通過預(yù)處理滲濾液去除毒性保留氨氮組分，實(shí)現(xiàn)礦化垃圾中銨氧化菌的 馴化與富集，再利用富集銨氧化菌處理的礦化垃圾來構(gòu)建垃圾填埋場覆蓋層來氧化CH4，降 低垃圾填埋場溫室氣體釋放總當(dāng)量。2)無二次污染風(fēng)險(xiǎn)在馴化富集銨氧化菌過程中，礦 化垃圾填料將同時(shí)吸附重金屬、有機(jī)污染物、磷等其他成分，而覆蓋于生活垃圾填埋場內(nèi)依 靠場內(nèi)底部設(shè)置的防滲系統(tǒng)可避免上述污染風(fēng)險(xiǎn)。


圖1本發(fā)明工藝流程圖，其中1 垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池；2 提升泵；3 布水管道；4 吸附材料層；5 集水池；6 礦化垃圾填料層；圖2為由馴化后礦化垃圾氧化填埋場甲烷層構(gòu)建的垃圾填埋場覆蓋層的方法-粘 土覆蓋結(jié)構(gòu)示意圖，其中，7 營養(yǎng)土植被層，8 排水層，9，本發(fā)明的礦化垃圾甲烷氧化層， 10 防滲粘土層，11 排氣層，12 垃圾層。圖3為由馴化后礦化垃圾氧化填埋場甲烷層構(gòu)建的垃圾填埋場覆蓋層的方法_人 工材料覆蓋結(jié)構(gòu)示意圖，其中7 營養(yǎng)土植被層，8 排水層，9 本發(fā)明的礦化垃圾甲烷氧化
5層，13 膜上保護(hù)層，14 膜下保護(hù)層，111 排氣層；12 垃圾層；15 :HDPE 土工膜。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖與實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明實(shí)施例1 垃圾滲濾液從垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池1采用泵力2提升，通過布水管道3 至吸附材料層4，吸附材料層由上而下采用活性炭層(25cm高)/大孔吸附樹脂層(型號 H103，25cm高，南開大學(xué)化工廠)組成，滲濾液的水質(zhì)指標(biāo)為=CODra = 3000-8000mg/L, BOD5 =1000-2000mg/L, NH4+_N = 1350_2870mg/L， Fe3+ = 1200_2300mg/L， Pb2+ = 12_35mg/L， Zn2+ = 123-267mg/L，布水水力負(fù)荷處于0. 03 0. 15m3/(m3吸附材料· d)的運(yùn)行條件下， 出水水質(zhì)為 CODcr = 800-2500mg/L, BOD5 = 500_1200mg/L，NH4+_N = 950_2500mg/L，F(xiàn)e3+ = 100-350mg/L, pb2+ = 2_5mg/L，Zn2+ = 18_35mg/L。出水經(jīng)過二次泵力量提升至礦化垃圾填 料層6 (圖1)，布水負(fù)荷為0. 05 0. 35m3/ (m3礦化垃圾· d)，處理后的垃圾滲濾液再經(jīng)過 后續(xù)處理排放至集水池5。持續(xù)運(yùn)行100 200天后，礦化垃圾經(jīng)過馴化可作為垃圾填埋場 甲烷氧化層基質(zhì)填料，其中銨氧化菌個(gè)數(shù)有原來的4 5 X IO4個(gè)/ (g干垃圾)迅速發(fā)展成 為3 5X105個(gè)/(g干垃圾)。根據(jù)我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范CJJ 17-2004)-粘土覆蓋層 結(jié)構(gòu)中，填埋垃圾上方首先為粗?；蚨嗫撞牧系呐艢鈱樱穸却笥?0cm;其次為采用通 透性差的粘土壤層覆蓋所填垃圾起包裹功能，同時(shí)擔(dān)任防滲作用，其防滲系數(shù)不應(yīng)大于 1.0X IO-Ws,厚度大于20cm。使垃圾產(chǎn)生的CH4可最大限度的被氣體收集系統(tǒng)所收集利 用，同時(shí)防止降雨雪水等入侵。然后再覆蓋本發(fā)明設(shè)計(jì)的垃圾滲濾液馴化后的礦化垃圾層甲烷氧化層9，厚度介 于30 60cm。最終覆蓋砂性土排水層，厚度為20cm 30cm，利用其通透性良好的特性，再次 氧化未被收集逃逸的CH4氣體(參見圖2)。而排水層8上方為營養(yǎng)土植被層7，不小于15cm。通過長達(dá)12個(gè)月的現(xiàn)場監(jiān)測，同時(shí)測試填埋場中間覆蓋層剖面CH4氣體濃度分 布和表面釋放通量。結(jié)果表明從土下80cm到15cm處，土壤氣體甲烷濃度降低高達(dá)62 85vol %。通過與國外數(shù)據(jù)比較，不難發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的垃圾填埋場CH4釋放通量年平均值低 (見表1)，其中比芬蘭Ammassuo垃圾填埋場和美國Leon垃圾填埋場低1個(gè)數(shù)量級以上。表1 發(fā)明的垃圾填埋場中間覆蓋層全年CH4釋放通量均值與國外數(shù)據(jù)比較
^中間覆蓋層 ^
(mg CH4 Hi-2Ii1)
發(fā)明的1.0m復(fù)
國內(nèi)華東地區(qū)某垃圾填埋場207現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果
么[3 I=I /TS
,…，,,,Barlaz et al., 2004. Environmental
美國Louisville垃圾填埋場 1.0 m粘丄808
Science & Technology 38, 4891-4899.
權(quán)利要求
一種滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，其步驟為(1)首先采用泵力將滲濾液提升至吸附材料層，吸附材料層由上而下采用活性炭層和大孔樹脂層組成；布水負(fù)荷為0.05～0.50m3/(m3礦化垃圾·d)；(2)經(jīng)過步驟(1)處理后垃圾滲濾液的出水，經(jīng)過二次泵力量提升至礦化垃圾填料層進(jìn)行處理，布水負(fù)荷為0.05～0.30m3/(m3礦化垃圾·d)；(3)在生活垃圾填埋場終覆蓋層施工中，在排水層和植被層之間，或者排水層下方增添步驟(2)運(yùn)行后得到的垃圾滲濾液馴化后的礦化垃圾層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，其特征在于 步驟(1)中活性炭層層高為30 50cm，大孔樹脂層層高為20 50cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，其特征在于 步驟(2)中礦化垃圾填料層層高為20 60cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，其特征 在于步驟(3)中礦化垃圾層層高為30cm 50cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了滲濾液馴化礦化垃圾后處理填埋場CH4的方法，屬于垃圾填埋場滲濾液處理和溫室氣體減排方法領(lǐng)域。其步驟為(1)首先將滲濾液提升至吸附材料層，吸附材料層由活性炭層和大孔樹脂層組成；布水負(fù)荷為0.05～0.50m3/(m3礦化垃圾·d)；(2)經(jīng)過處理后垃圾滲濾液的出水，提升至礦化垃圾填料層進(jìn)行處理，布水負(fù)荷為0.05～0.30m3/(m3礦化垃圾·d)；(3)在生活垃圾填埋場終覆蓋層施工中，在排水層和植被層之間，或者排水層下方增添步驟(2)運(yùn)行后得到的垃圾滲濾液馴化后的礦化垃圾層。本發(fā)明既處理了垃圾滲濾液也再生利用了礦化垃圾，通過預(yù)處理滲濾液去除毒性保留氨氮組分，將銨氧化菌的馴化與富集來氧化CH4，降低了垃圾填埋場溫室氣體釋放總當(dāng)量。
文檔編號B09B3/00GK101966422SQ20101029273
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者吳睿, 孫慶窯, 張后虎, 張毅, 張洪玲, 蒯廣東 申請人:環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所