申请日2010.09.26
公开(公告)日2011.02.09
IPC分类号B01D53/84; B01D53/72; C02F1/62; C02F1/28; C02F1/42; B09B3/00
摘要
本发明公开了渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，属于垃圾填埋场渗滤液处理和温室气体减排方法领域。其步骤为：(1)首先将渗滤液提升至吸附材料层，吸附材料层由活性炭层和大孔树脂层组成;布水负荷为0.05～0.50m3/(m3矿化垃圾·d);(2)经过处理后垃圾渗滤液的出水，提升至矿化垃圾填料层进行处理，布水负荷为0.05～0.30m3/(m3矿化垃圾·d);(3)在生活垃圾填埋场终覆盖层施工中，在排水层和植被层之间，或者排水层下方增添步骤(2)运行后得到的垃圾渗滤液驯化后的矿化垃圾层。本发明既处理了垃圾渗滤液也再生利用了矿化垃圾，通过预处理渗滤液去除毒性保留氨氮组分，将铵氧化菌的驯化与富集来氧化CH4，降低了垃圾填埋场温室气体释放总当量。
权利要求书
1.一种渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，其步骤为：
(1)首先采用泵力将渗滤液提升至吸附材料层，吸附材料层由上而下采用活性炭层和大孔树脂层组成;布水负荷为0.05～0.50m3/(m3矿化垃圾·d);
(2)经过步骤(1)处理后垃圾渗滤液的出水，经过二次泵力量提升至矿化垃圾填料层进行处理，布水负荷为0.05～0.30m3/(m3矿化垃圾·d);
(3)在生活垃圾填埋场终覆盖层施工中，在排水层和植被层之间，或者排水层下方增添步骤(2)运行后得到的垃圾渗滤液驯化后的矿化垃圾层。
2.根据权利要求1所述的渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，其特征在于步骤(1)中活性炭层层高为30～50cm，大孔树脂层层高为20～50cm。
3.根据权利要求2所述的渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，其特征在于步骤(2)中矿化垃圾填料层层高为20～60cm。
4.根据权利要求2或3所述的渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，其特征在于步骤(3)中矿化垃圾层层高为30cm～50cm。
说明书
渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法
技术领域
本发明涉及垃圾填埋场渗滤液处理和填埋场温室气体总量释放减排方法，更具体的说是利用填埋场内垃圾渗滤液中高浓度的氨氮实现矿化垃圾中铵氧化菌的驯化与富集，基于铵氧化菌对甲烷(CH4)同等氧化能力的特征，再利用富集铵氧化菌处理的矿化垃圾来构建垃圾填埋场覆盖层来氧化CH4的方法。
背景技术
全球变暖已成为世界关注的重大环境问题。《京都议定书》中急待减排的主要温室气体包括：CO2、CH4和N2O。政府间气候变化专门委员会2007年统计结果表明：2004年CH4和N2O占全球人为温室气体排放总量的14.3%和7.9%，仅次于CO2(76.7%)。其中，CH4和N2O单分子百年增温潜势为CO2的23倍和296倍，此外，大气中N2O还具有破坏臭氧层的能。
目前，相关研究主要集中在农田、草地、湿地及林地等生态系统，而对碳氮源丰富、转化更急剧的生活垃圾填埋场中CH4和N2O的释放研究匮乏。仅有的文献表明，生活垃圾填埋场是CH4和N2O的重大释放源。垃圾填埋场CH4主要来源于填埋垃圾的厌氧降解，是CH4的重大释放源，占全球CH4释放总量的10%以上，而美国、荷兰等国的比例甚至高达20%以上，而我国缺乏垃圾填埋场CH4释放的时空变化规律研究及相应的总量统计。填埋场N2O主要形成于覆盖土中微生物硝化反硝化作用，是硝化过程的副产物和反硝化过程的中间产物。生活垃圾填埋场内N2O的释放规律研究较为鲜见，其释放总量尚未统计。其中，Rinne等人对芬兰填埋场的N2O释放通量进行了监测，结果发现比欧洲北部农田和森林的最高释放通量高1～2个数量级。张后虎等以季为时间尺度对我国上海和杭州生活垃圾填埋场3种温室气体(CH4、N2O和CO2)进行了全年同步监测，将结果统一换算成CO2释放当量后发现CH4释放量占主导优势，高达95%以上。为此，垃圾填埋场温室气体减排的关键在于控制CH4的释放量。
填埋气体(Landfill Gas，LFG)主动收集系统可有效降低填埋场内的CH4分压，使其释放推动力减小。除此之外，CH4气体在经过填埋场终场覆盖层时在甲烷氧化菌的作用下被氧气氧化转化为CO2、水和生物质，从而减少甚至完全消除填埋场的甲烷释放。Czepiel等和Chanton等利用同位素分析测得填埋场终场覆土层氧化CH4约为产生总量的10%左右;而Bergamaschi等研究的结果为氧化80%以上的CH4。土壤的CH4氧化能力与温度存在正相关关系，甚至出现填埋场覆土层不仅完全氧化填埋场排放的CH4，还能吸收氧化大气中CH4成为“汇”的现象(Zhang H.H.，He P.J.，Shao LM.Methane emissions from MSW 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等在填埋场和蔡祖聪等在农田发现铵氧化菌对同样具备氧化CH4的能力。CH4和NH4+的正四面体分子结构类似，分子量相近，CH4单氧化酶和铵单氧化酶结构极为相似，而且分别是CH4氧化和铵氧化的关键因子。甲烷氧化细菌和铵氧化细菌在许多方面具有共性：(1)底物利用方面：至少有10种物质可以同时作为甲烷氧化细菌和铵氧化细菌共同的底物;(2)羟胺氧化酶不仅在一些甲烷氧化细菌氧化甲烷过程中发挥重要作用，同时它的结构和功能与铵氧化过程中的一些酶极为相似;(3)甲烷氧化细菌和铵氧化细菌都具有非常复杂的胞质内膜;(4)甲烷氧化细菌和铵氧化细菌都属于严格好氧细菌，能共存于一些好氧-厌氧交叉界面，且这些微域中同时存在CH4、NH4+-N和O2(蔡祖聪，Mosi A.R.土壤水分状况对CH4氧化，N2O和CO2排放的影响.土壤，1999，31(6)，289-294.)。因此，在适宜的环境条件下，甲烷氧化细菌可氧化铵态氮，铵氧化细菌也可氧化甲烷。从而可考虑借助富集铵氧化菌于垃圾填埋场覆盖层来氧化CH4，为削减填埋场的温室气体释放量提供了技术途径。
与此同时，垃圾渗滤液是填埋场中最主要的环境污染问题，垃圾渗滤液是一种氨氮浓度高(500～3000mg/L)、成分复杂的难处理有机物废水(CODCr=3000～15000mg/L)，盐分和重金属浓度高，故难以用传统的生活污水处理工艺来处理，国内有学者研究利用矿化垃圾处理垃圾渗滤液的方法。矿化垃圾指城市生活垃圾填埋场封场数年后(南方地区8～10年以上，北方地区10～15年以上)，垃圾中易降解物质基本降解完成，可生物降解的物质含量小于3%，垃圾外观类似于腐殖质，呈微颗粒状，质地疏松，具有无数微孔隙，这样的垃圾称之为矿化垃圾。上述矿化垃圾经过开挖、晾晒和简单筛分后，可以得到类腐殖质的土细料。其特点是容重轻、孔隙度高、渗透系数大，具有较高的阳离子交换容量、有机质含量和丰富的营养成分，细菌种类多、数量大，微生物代谢力强、活性好，酶促反应和生理生化过程强度大[20-21]。对矿化垃圾重金属全量测定、浸出毒性检验和致病性分析等基本特性的研究，均一致表明矿化垃圾具有在自然条件下难以形成的、极为优良的污染物净化性能，是优良的渗滤液生物处理介质，已被应用于构建矿化垃圾生物反应床处理填埋场内的垃圾渗滤液。矿化垃圾硝化能力强、铵氧化菌群落丰富，当大型卧式矿化垃圾反应床NH3-N的进水浓度为538.5～1583.0mg/L时，水力负荷处于0.027～0.030m3/(m3矿化垃圾·d)的运行条件下，矿化垃圾反应床对NH3-N的去除率可高达为96.9～99.8%，最终出水的浓度可达到《生活垃圾填埋场污染控制标准(GB16889-2008)》中的排放浓度限值(25mg/L)(李鸿江，赵由才，张文海，等.矿化垃圾对渗滤液中有机物及金属元素的去除研究.中国给水排水，2008，24(19)：106-108.)。
Barlaz等也尝试利用庭院垃圾堆放产品(Yard waste compost)构建生物覆盖层(Biological active cover)来削减CH4的释放，通过应用于垃圾填埋场现场研究和借助于同位素技术表明，垃圾构建的生物覆盖层对可氧化55%的甲烷气体，土壤覆盖层仅能氧化21%的甲烷(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.)。而鲜见涉及垃圾填埋场温室气体减排技术的相关研究，更未能涉及矿化垃圾经垃圾渗滤液驯化后富集铵氧化菌对CH4氧化能力的衍生研究。
垃圾渗滤液中含有毒的，尤其是致突变、致畸变和致癌变的化学物质，此外，垃圾渗滤液中含有一定量的重金属组分，对铵氧化菌的培养和富集存在负面效应。而大孔吸附树脂和活性炭等吸附材料可选择性吸附分离渗滤液中有机污染物和重金属等毒性组分，目的性保留水溶性氨氮成分。
发明内容
发明要解决的技术问题：针对垃圾填埋场产生的垃圾渗滤液和甲烷难以处理的问题，本发明提供了渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，首先利用吸附材料吸附垃圾渗滤液中的有机污染物和重金属等毒性成分，保留高浓度、水溶性的氨氮组分;经过预先处理后的垃圾渗滤液对矿化垃圾填料进行驯化培养富集铵氧化菌;根据铵氧化菌对甲烷(CH4)同等的氧化能力，构建生活垃圾填埋场覆盖层中的CH4氧化层，使得垃圾渗滤液和甲烷可以得到很好的处理，降低了甲烷的浓度。
本发明原理：针对铵氧化菌对甲烷(CH4)同等氧化能力的特征，首先设置活性炭、大孔树脂或吸附材料填充柱对垃圾渗滤液进行前置处理，吸附其中的有机污染物和重金属等毒性组分。经过预处理后的垃圾渗滤液保留了高浓度氨氮组分，被用于矿化垃圾中铵氧化菌的驯化和富集。再利用铵氧化菌对CH4同等的氧化能力，实现垃圾填埋场温室气体的减排。其中，矿化垃圾构建的甲烷氧化层设置在排水层和防渗层之间。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，其步骤为：
(1)首先采用泵力将渗滤液提升至吸附材料层，吸附材料层由上而下采用活性炭层和大孔树脂层组成;布水负荷为0.05～0.50m3/(m3矿化垃圾·d);
(2)经过步骤(1)处理后垃圾渗滤液的出水，经过二次泵力量提升至矿化垃圾填料层进行处理，布水负荷为0.05～0.30m3/(m3矿化垃圾·d);
(3)在生活垃圾填埋场终覆盖层施工中，在排水层和植被层之间，或者排水层下方增添步骤(2)运行后得到的垃圾渗滤液驯化后的矿化垃圾层。
其中步骤(1)中活性炭层层高为30-50cm，大孔树脂层层高为20-50cm。步骤(2)中矿化垃圾填料层层高为20-60cm。步骤(3)中矿化垃圾层层高为30cm～50cm。
有益效果：本发明渗滤液驯化矿化垃圾后处理填埋场CH4的方法，使得既处理了垃圾渗滤液也再生利用了矿化垃圾，1)“以废治废”的创新设计：本发明主要利用开挖填埋多年的填埋垃圾、借助填埋场内垃圾渗滤液中高浓度的氨氮(有机污染物和重金属通过树脂等吸附分离)，探讨通过预处理渗滤液去除毒性保留氨氮组分，实现矿化垃圾中铵氧化菌的驯化与富集，再利用富集铵氧化菌处理的矿化垃圾来构建垃圾填埋场覆盖层来氧化CH4，降低垃圾填埋场温室气体释放总当量。2)：无二次污染风险：在驯化富集铵氧化菌过程中，矿化垃圾填料将同时吸附重金属、有机污染物、磷等其他成分，而覆盖于生活垃圾填埋场内依靠场内底部设置的防渗系统可避免上述污染风险。
