不同通风量下村镇生活垃圾填埋生化反应及温室气体排放规律研究

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村镇生活垃圾填埋作为温室气体排放源,在“双碳目标”背景下逐渐受到关注。传统厌氧型填埋场生化反应持续时间长,并且反应过程中会排放以甲烷为主的填埋气。因此,本文探讨不同通风量对村镇生活垃圾填埋生化反应的影响规律,并探究温室气体排放特性。以荆州市埠河镇作为我国南方多雨地区村镇垃圾的研究对象,在埠河镇开展生活垃圾微好氧填埋的中试填埋实验,对填埋过程中温室气体排放的主要影响工艺参数进行优化,探究温室气体排放潜力,本论文主要研究内容及结论包括:1、村镇生活垃圾以及其他垃圾处理残余物理化特性分析以湖北省埠河镇生活垃圾及不同垃圾处理处置工艺的残余物(填埋陈腐垃圾、热解残渣、堆肥筛上物、厌氧沼渣)为主要研究对象,开展生活垃圾特性采样调研及特性分析工作。(1)以埠河镇为代表的村镇生活垃圾组分以厨余类(62.0%)为主,垃圾碳氮比为25.23,可生化性较好。生活垃圾含水率为65.03±3.68%,有机质含量为79.80±2.88%,湿基低位热值为4184±290 kJ/kg,垃圾中Zn、Cu重金属元素含量较高。生活垃圾春秋季节含水率较高,有机质与热值较低。垃圾含水率同组分中橡塑类、纺织类具有显著正相关性,同纸类显著负相关;垃圾有机质含量同厨余类具有显著正相关性;湿基低位热值同厨余类存在显著负相关。(2)垃圾处理处置残余物主要由难降解有机组分和无机组分构成,可生化性较差。其中含水率最高的为厌氧沼渣(80.17%),有机质含量最高的为堆肥筛上物(85.12%),热解残渣含水率(0.57%)和有机质含量(3.70%)最低。堆肥筛上物湿基低位热值(5434 kJ/kg)最高,厌氧沼渣和热解残渣热值均低于1000 kJ/kg。残余物主要重金属元素为Zn、Cu元素,此外填埋陈腐垃圾和热解残渣中Pb和Cr含量较高。2、不同通风量条件下填埋生化反应及温室气体排放特性分析(1)对单组分有机垃圾厌氧反应中温室气体产生潜力进行分析,厨余垃圾中油脂类、蛋白类和淀粉类组分为主要来源,产甲烷潜力分别为574.37、390.19和241.20cm~3·g-1VS(Volatile Solid,挥发性固体),二氧化碳产生潜力分别为267.15、141.82和144.37 cm~3·g-1VS。(2)研究通风量0.00、0.07、0.35、0.70和1.20 cm~3·min-1·g-1 DS(Dry Solid,干物质质量)条件下混合垃圾填埋反应器的温室气体产生特性。填埋116 d终止时,通风量0.35 cm~3·min-1·g-1 DS填埋条件下稳定化效果最优,有机质降解率达22.04%,COD降解率达84.33%,TN降解率达90.10%;堆体内部氧气浓度迅速稳定至21%(v/v,以下论文中未作特殊说明,均指体积百分含量)。该条件下填埋0-30 d和30-116 d的CO2、CH4和N2O中间层平均浓度分别为(4.05%、0.02%、8.33 ppm)和(1.44%、0.41%和18.76 ppm),较传统厌氧填埋具有一定温室气体减排效果。C、N元素主要以气相形式进行转化,转化率分别为25.00%和12.17%。3、基于温室气体减排的村镇垃圾微好氧填埋中试优化实验以填埋单元体积、压实密度、通风方式和覆盖方式四项指标为研究参数开展村镇垃圾中试正交填埋试验。风机通风且压实密度≤0.5 t/m~3条件下,堆体氧浓度迅速升至20%,无甲烷产生,CO2浓度低于5%;自然通风无膜覆盖条件下,填埋前100 d甲烷浓度低于1.5%,CO2持续升高至15%-20%后逐渐下降至5%左右。温室气体排放主要影响因素为压实密度和通风方式。其中CH4浓度变化参数作用的主次顺序为:压实密度>通风方式>体积>覆盖方式。综合参数优水平结果,微好氧填埋温室气体减排最优组合条件为低压实度(≤0.5 t/m~3)、风机通风、小单元(2 m~3)、无覆盖。4、不同垃圾处置工艺温室气体排放对比分析不同处置方式下1 t村镇生活垃圾温室气体减排量按从大到小排序为:分类堆肥(1430.75 kg CO2 eqv)>外运焚烧(1322.87 kg CO2 eqv)>微好氧填埋(1289.75 kg CO2 eqv)。传统厌氧填埋温室气体排放主要来自厌氧降解产生的CH4;微好氧填埋温室气体排放主要来自厌氧-好氧降解产生的N2O;外运焚烧温室气体排放主要来自焚烧过程化石碳转化生成的CO2和焚烧厂运行过程的间接排放,上网发电能有效减少温室气体排放;垃圾堆肥过程温室气体排放主要来自生物降解过程产生的CH4和N2O,而堆肥产品的再利用能够有效抵消生产过程的排放。
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