生活垃圾"好氧-厌氧-好氧"三段式生物反应器填埋的调控机制研究

With the characteristics of high moisture and high biodegradable organic matters, the MSW in China produces high concentration of organic acids and ammonia nitrogen which will inhibit stable methane production, and emits large quantity of odorous substances and greenhouse gases in the initial stage of anaerobic landfilling. Meanwhile it degrades very slowly in the late stage of anaerobic landfilling. As a result, the conventional MSW landfill is challenged by heavy secondary pollution, low efficiency of resource and energy recovery and large land occupation. A novel technological concept, Three-Stage Bioreactor Landfill (aerobic pretreatment-anaerobic landfill-aerobic in-situ rapid stabilization) is proposed. Lab-scale simulating experiments are to be conducted to explore the regulating mechanism of collaborative optimization among the three stages to accelerate degradation and mitigate emission in the whole process, including the positive effect of MSW property modification through aerobic pretreatment on subsequent anaerobic degradation as well as emission reduction, and the dependence effect of initial property (anaerobic landfill age) on the last aerobic stabilization. The shift points among the three stages and the key parameters of the integrated process are to be defined, and comprehensive benefits are to be evaluated based on C and N balance analysis. The potential application of the results will make landfilled waste mining and landfill space reutilization possible, and will promote MSW landfilling transformed to "environmental engineering" from "civil engineering".

针对我国高含水率、高易降解有机质含量生活垃圾在厌氧填埋初期有机酸和氨氮积累抑制填埋场稳定产气，同时释放大量恶臭气体和温室气体，在厌氧填埋后期垃圾降解趋于缓慢需要长期维护，造成二次污染重、资源能源回收效率低、占地面积大的问题，首次提出"短期受控好氧预处理-厌氧填埋-原位好氧快速稳定化"三段式生物反应器填埋技术理念。通过系列模拟试验，系统研究"好氧-厌氧-好氧"三段协同优化实现垃圾填埋全过程降解加速和污染减排的调控机制，揭示垃圾好氧预处理适度改性促进厌氧稳定产气及削减污染物产生和释放的机理，以及原位好氧快速稳定化路径对初始状态（厌氧填埋龄期）的依赖效应，确定好氧-厌氧-好氧的适宜切换节点，明确三段式生物反应器填埋集成优化工艺关键参数，在全过程C、N平衡分析基础上开展综合效益评估，为填埋场垃圾开采利用和空间循环使用创造条件，推动垃圾填埋由一次性"处置"的土木工程向流程化"处理"的环境工程的转变。

本课题以揭示“好氧（预处理）-厌氧（填埋）-好氧（快速稳定化）”三阶段协同优化实现垃圾填埋全过程降解加速和污染减排的调控机制为根本研究目标，通过合理可行的分段式实验设计和精准控制，明确了“好氧-厌氧-好氧”三段式填埋集成优化的关键参数及其作用效果。该研究成果的取得有利于推动我国生活垃圾可持续填埋理论的发展。.课题取得的主要结论如下：.短期好氧预处理可实现生活垃圾有机组分的定向改性。不同组分在短期好氧预处理过程不同阶段的降解速率不同，碳水化合物、蛋白质和木质纤维素分别在升温期、高温期、降温期占据好氧降解的主导地位。.短期好氧预处理对垃圾的厌氧降解具有显著的促进作用。生活垃圾经过6~8天的好氧预处理后进入厌氧填埋阶段，产甲烷能力可达123.4和108.8 NL/kg干垃圾，填埋气中甲烷的含量可达56%左右，垃圾减重达28.1%，减容达30.3%。蛋白质在高温期的加速代谢产生的氨氮对填埋初期渗滤液高浓度挥发性脂肪酸（VFAs）的中和作用是促进垃圾后续厌氧产甲烷的主要机制；而在高温期之后的降温阶段木质纤维素类物质开始大量降解，从而导致垃圾厌氧产甲烷量显著下降，据此可以确定将高温期结束作为短期好氧预处理向厌氧填埋切换的适宜节点。.原位好氧稳定化对不同“填埋龄”垃圾具有不同程度的加速稳定化效果。对于低龄垃圾，好氧操作在短期内对渗滤液溶解性有机碳降解速率可达0.075/d，明显高于老龄渗滤液的情况（0.02/d）。老龄垃圾好氧稳定化后渗滤液胡敏酸（HAs）的荧光效应有所加强，说明好氧稳定化过程进一步促进了老龄垃圾的芳构化程度，起到了强化腐殖化的效果。同时，好氧稳定化对于老龄垃圾渗滤液氨氮的去除率可达99%以上。.与传统填埋相比，三段式填埋模式对温室气体减排达89%，垃圾稳定周期缩短76%，填埋空间利用率提高3倍。受控条件下好氧通风过程产生的排气易于控制和处理、厌氧填埋阶段填埋气收集效率提高、好氧预处理阶段产生的大量渗滤液可生化性较好等均有助于三段式填埋实现综合污染减排和温室气体减排的目标。