一种用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层及渗滤液处理方法

摘要

本发明公开了一种用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层及渗滤液处理方法，属于环境工程领域。本发明的覆盖层包括渗滤液收集池，提升泵和污水管道回灌系统，它还包括植被层、矿化垃圾CH

说明书

技术领域

本发明属于环境工程领域，更具体地说，涉及一种用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层及渗滤液处理方法。

背景技术

全球变暖已成为世界关注的重大环境问题。其中，CH₄是重要的温室气体，对温室效应的贡献仅次于CO₂ (Intergovernmental Panel on the Climate Change, 2001)。相对CO₂而言，大气中CH₄的浓度低，但其增温潜势强，为CO₂的23倍（Intergovernmental Panel on the Climate Change，2001）。垃圾填埋场系统是土地使用转换过程的产物，据统计，超过10% CH₄源于垃圾填埋场，美国、德国等国家垃圾填埋场甲烷释放量甚至高达20~30%（Intergovernmental Panel on the Climate Change，2007）。

填埋气体主动收集系统可有效减少覆盖层表面CH₄的释放量，填埋场终场覆盖层中土壤或其他替代材料的氧化作用是不可缺少的补充。在填埋场终场覆盖层迁移的过程中填埋垃圾所产甲烷气体在甲烷氧化菌的作用下被好氧氧化，其中约70%的CH₄进入生物质，其余部分转化为CO₂。可见，覆盖层的CH₄氧化作用可减少填埋场的排放量。在某些情况下，填埋场覆土层不仅可以完全氧化填埋场自身所排放的CH₄，甚至还可以氧化消耗大气中的CH₄。除CH₄的好氧氧化之外，CH₄厌氧氧化是缺氧环境中最重要的生化反应过程，其发生的必要条件是CH₄补给和适当的硫酸盐（SO₄^2-）浓度。CH₄厌氧氧化由甲烷厌氧氧化古菌和硫酸盐还原细菌共同完成，其化学计量关系可表示为:CH₄ + SO₄^2- → HCO₃^-  + H₂S^- + H₂O。研究证实，甲烷厌氧氧化过程存在于农田、湿地、污泥甚至泥火山等极端环境中。该研究表明甲烷厌氧氧化作用在自然界中广泛存在（吕镇梅,闵航,陈中云等.水稻田土壤甲烷厌氧氧化在整个甲烷氧化中的贡献率. 环境科学, 2005,26(4): 13-17）。

当前，我国有几百座卫生和准卫生城市生活垃圾填埋场和一般堆场已填入或堆放垃圾几千万吨。生活垃圾在填埋场填埋若干年后（南方地区8~10年以上，北方地区l0~l5年以上）即可稳定化而形成矿化垃圾。矿化垃圾不仅具有松散的结构、较好的水力传导和渗透性能、较好的阳离子交换能力等，而且存在着数量庞大、种类繁多的以多阶段降解性微生物为主的微生物，因此是一种性能非常优越的生物介质，完全适合作为优良的填料或介质，而且有着其他介质（如土壤）所无法比拟的优越性能（赵由才,柴晓利,牛冬杰.矿化垃圾基本特性研究.同济大学学报(自然科学版),2006,34(10):1360-1364.）。

Barlaz等人采用开采后的矿化垃圾作填埋场的覆盖材料，其对填埋场内所产CH₄的氧化能力优于粘土（Barlaz, M.A., Green, R.B., Chanton, J.P., Glodsmith, C.D., Hater, G.R., 2004. Evaluation of a biological active cover for mitigation of landfill gas emissions. Environmental Science & Technology 38, 4891-4899.），削减了填埋场57–98% CH₄的释放量，为此，选择矿化垃圾作为覆盖层的中间层氧化CH₄，而且可以节约土壤。

除CH₄高释放外，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（500~3000 mg/L）、成分复杂的难降解有机物废水（COD_Cr= 3000~15000 mg/L），总磷（5~30 mg/L）浓度高，故难以用传统的污水工艺来处理。国内赵由才等学者研究利用矿化垃圾处理垃圾渗滤液的方法，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0.027~0.030 m³/（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（25 mg/L） （Zhao, Y., Li, H., Wu, J., Gu, G., 2002. Treatment of leachate by aged refuse-based biofilter. J. Environ. Manage. 128, 662-668.）。但在填埋场内另外构建大型卧式矿化垃圾反应床将占用本已紧张的土地空间；而渗滤液就地土地灌溉处理减量化效果显著，运行成本低；这为渗滤液灌溉与由矿化垃圾填料构建的覆盖层提供了可能。此外，若采用地表下灌溉渗滤液（表土下20到30cm，以下简称为：“亚表面灌溉”）于填埋场覆盖层，通过蒸发还可大幅削减渗滤液水量。

渗滤液亚表面灌溉回灌于矿化垃圾填料构成的覆盖层，水质中NH₃-N在矿化垃圾填料中硝化势必与CH₄好氧氧化争夺填料中本已稀缺的O₂，引发CH₄的高释放。渗滤液中氨氮微生物硝化降解之外，磷酸铵镁化学沉淀法是近年来兴起的一种去除高浓度氨氮的新方法，该方法不仅可以将废水中的氨以沉淀物的形式固定下来，也能将渗滤液中的磷固定下来。而选择MgSO₄预先施加于矿化垃圾填料促使回灌的渗滤液中氮磷形成磷酸铵镁沉淀，大幅减少微生物硝化渗滤液氨氮对矿化垃圾填料中O₂的消耗，渗滤液淋洗作用下SO₄^2-迁移至依托细质矿化垃圾填料构成厌氧层，借助提高SO₄^2-浓度实现厌氧氧化生成CO₂，减少温室气体CH₄的排放和降低温室气体排放当量。

中国专利申请号：200910194529.0，申请日：2009-08-25的专利文件公开了一种生活垃圾填埋场渗滤液生物物化处理的装置，包含：改良厌氧调节池，预处理渗滤液；回灌区，连接该改良厌氧调节池，进一步处理渗滤液；矿化垃圾反应床，连接该回灌区，吸附、降解渗滤液；高级氧化池，连接该矿化垃圾反应床，渗滤液在该高级氧化池中产生化学反应；高级吸附沉淀池，连接该高级氧化池，其中设置活性炭，吸附渗滤液中的沉淀；人工湿地，连接该高级吸附沉淀池，进一步利用生物方法处理渗滤液；生态景观处理池，连接该人工湿地，进一步处理渗滤液。该发明的技术方案的不足之处主要如下：1）处理渗滤液的同时未能综合考虑填埋场污染物温室气体CH₄的减排；2）填埋场外设置的矿化垃圾床占用宝贵的土地资源，3）厌氧回灌渗滤液导致氨氮浓度的累积，增强了渗滤液的生物毒性；而采用好氧回灌，虽然可以避免渗滤液中氨氮的累积，但能耗高，难以推广应用。

我国国民经济迅猛发展，人民生活水平大幅提高，城市固体废弃物数量急剧增长。统计数据显示，目前我国生活垃圾的年产量已达1.5亿吨，人均垃圾产生量在1.0kg/d 左右，并且还在以每年8~9%的增长率递增。填埋处理是目前我国城市生活垃圾主要的处理方式，占处理总量的80%以上。为此，构造合理的垃圾填埋场覆盖层，在渗滤液就地灌溉减量处理的同时，控制温室气体（CH₄）的释放量，对于减少我国温室效应气体的排放有显著意义，这也是我国作为《京都协议》签约国应承担的责任。

发明内容

本发明要解决的问题

针对现有技术中存在的填埋场渗滤液污染，填埋垃圾释放的甲烷气体得不到控制及渗滤液处理占用空间大、处理成本高的问题，本发明提供一种用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层及其渗滤液处理方法，采用该方法，在不占用填埋场内土地的前提下，可同时实现渗滤液的水质净化和CH₄氧化减排。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的一种用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层，包括渗滤液收集池，提升泵和污水管道回灌系统，它还包括植被层、矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层、甲烷厌氧氧化层和防渗粘土层；所述的提升泵进水端伸入渗滤液收集池内，所述的提升泵的出水端与污水管道回灌系统连接；所述的植被层、矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层、甲烷厌氧氧化层和防渗粘土层从上至下依次堆叠；所述的污水管道回灌系统的出水端设置在植被层和矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层之间。

优选地，所述的防渗粘土层下方依次设置有排气层和填埋垃圾层。根据我国行业标准( 生活垃圾卫生填埋技术规范：CJJ 17-2004) 防渗粘土层下方应为排气层和填埋垃圾层。

优选地，所述的渗滤液收集池的上端设置有进水口；所述的甲烷厌氧氧化层底部设置有出水管道。

优选地，所述的污水管道回灌系统上的各喷头纵横方向间距为30-50cm。

优选地，所述的植被层的表土层厚度为20~30 cm。植被表土层的厚度为20~30 cm，是为了支撑植被层的培养，20~30 cm利于下层矿化垃圾好氧层中氧气的传递和渗滤液亚表面灌溉的蒸发，且能覆盖渗滤液亚表面回灌后引发的恶臭。

优选地，所述的矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层由粗质矿化垃圾填料构成，粒径2~5cm，厚度20~30cm，利于通风复氧和水力均匀分布；所述的粗质矿化垃圾填料上喷洒有MgSO₄溶液，且MgSO₄溶液的施加量不低于1.5 kg MgSO₄/m²。过量投加的MgSO₄利于磷酸铵镁沉淀的产生，固化回灌渗滤液中的氨氮和磷酸盐。

优选地，所述的甲烷厌氧氧化层由细质矿化垃圾填料构成，粒径小于2.00cm，厚度30~60cm。此种结构是为了构造甲烷氧化环境。

本发明的所述的用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层的渗滤液处理方法，其步骤为：

1）稳定化的填埋场渗滤液收集于渗滤液收集池，通过提升泵提升，进入污水管道回灌系统；

2）污水管道回灌系统中的渗滤液喷洒于植被层和矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层；

3）渗滤液的水质依次经矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层、甲烷厌氧氧化层两层的过滤净化，蒸发水量，由出水管道排出。

优选地，所述污水管道回灌系统按照序批式运行，回灌时间为白天的8:00am~20:00pm，其他时间处于闲置期，灌溉渗滤液的水力负荷为0.10~0.35 m³/(m²·d)，渗滤液水质指标为COD_Cr≤5000 mg/L，氨氮浓度介于500~2500 mg/L，总磷浓度不低于10 mg/L。过高的CODcr将使得土壤降解水体中有机质大量消耗氧气，从而与甲烷氧化产生竞争；氨氮浓度介于500~3000 mg/L，是因为渗滤液中氨氮浓度过高将产生生物毒性，对甲烷氧化菌的富集不利，浓度过低则不利于磷酸铵镁沉淀的产生；总磷浓度不低于10 mg/L，是因为过低的磷浓度不利于磷酸铵镁沉淀的产生，否则需要在渗滤液中添加磷酸盐促使反应进行。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明的覆盖层结构包括污水管道回灌系统、植被层、矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层以及甲烷厌氧氧化层，可同步实现垃圾填埋场两大主要污染物的污染控制，即通过回灌蒸发作用削减水量，借助矿化垃圾颗粒和Mg²⁺的投加高效去除垃圾渗滤液中的氨氮和磷酸盐；同时回灌的渗滤液中的营养成分（水分，有机质，氮、磷、钾等成分）添加至矿化垃圾填料中，利于将填埋场温室气体CH₄高效氧化成CO₂，其温室气体当量相应削减至1/23，实现了总当量降低的减排技术途径；

（2）本发明的技术方案中，投加MgSO₄具备“一剂双效”的功能，其中Mg²⁺作为磷酸铵镁沉淀对渗滤液中的氮磷实现沉淀去除，固化的营养物质利于覆盖层植被的生长；而矿化垃圾填料中SO₄^2-的存在提高了甲烷的厌氧氧化能力；

（3）本发明的技术方案中，矿化垃圾填料介质的选用体现了“以废治废”的节约理念，而渗滤液的回灌处理方案，成本低廉，易于操作且不另占用土地，节省了空间，效果良好；

（4）与其他同类发明相比，本发明兼顾了垃圾填埋场渗滤液的净化和温室气体污染的控制，且将矿化垃圾生物填埋设置于覆盖层，无需另外曝气，节省了填埋场内土地资源和能源，具有较广的应用前景。

附图说明

图1是本发明的覆盖层的结构示意图；

图2是本发明的渗滤液处理方法的流程图。

图中：1、渗滤液收集池；2、提升泵；3、污水管道回灌系统；4、植被层；5、矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层；6、甲烷厌氧氧化层；7、防渗粘土层；8、排气层；9、填埋垃圾层，10、进水口 ；11、出水管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细描述。

实施例一

如图1，本实施例1的一种用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层，包括渗滤液收集池1、提升泵2、污水管道回灌系统3、植被层4、矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5、甲烷厌氧氧化层6、防渗粘土层7、排气层8和填埋垃圾层9；提升泵2进水端伸入渗滤液收集池1内，提升泵2的出水端与污水管道回灌系统3连接；植被层4、矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5、甲烷厌氧氧化层6、防渗粘土层7、排气层8和填埋垃圾层9从上至下依次堆叠；污水管道回灌系统3的出水端设置在植被层4和矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5之间。

渗滤液收集池1的上端设置有进水口10；甲烷厌氧氧化层6底部设置有出水管道11。

植被层4的表土层厚度为20cm。污水管道回灌系统3中的喷头间距为40cm*40cm。

该矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5由粗质矿化垃圾填料构成，粒径2cm，厚度30cm；粗质矿化垃圾填料覆盖后喷洒MgSO₄溶液，施加量为2.5 kg MgSO₄/m²。 

甲烷厌氧氧化层6由细质矿化垃圾填料构成，粒径1.00cm，厚度为30cm（如图1）。

如图2，本发明的用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层的渗滤液处理方法，其步骤为：

1）稳定化的填埋场渗滤液收集于渗滤液收集池1，通过提升泵2提升，进入污水管道回灌系统3；

2）污水管道回灌系统3中的渗滤液喷洒于植被层4和矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5；所述污水管道回灌系统3按照序批式运行，回灌时间为白天的8:00am~20:00pm，其他时间处于闲置期，灌溉渗滤液的水力负荷为0.10m³/(m²·d)，填埋场渗滤液稳定后，回灌水质指标为：COD_cr=2000~ 5000mg/L，NH₄⁺-N= 1350~3000 mg/L，TP = 10~32 mg/L，出水水量总量削减约30%；

3）渗滤液的水质依次经矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5、甲烷厌氧氧化层6两层的过滤净化，蒸发水量，由出水管道11排出。

经上述步骤处理的渗滤液出水水质为：COD_cr= 700~950 mg/L，NH₄⁺-N= 85~180 mg/L，TP=3.0~5.0 mg/L（图2）。

通过以下实验对本实施例1的覆盖层的甲烷氧化削减效果进行说明：

通过长达12个月（2011年6月~2012年6月）的现场监测，同时测试填埋场中间覆盖层剖面CH₄气体浓度分布和表面释放通量，共25组数据的平均值。结果表明：从土下79 cm到14 cm处，气体中甲烷浓度降低高达62~85 vol%。通过与国外数据比较，不难发现本发明的垃圾填埋场CH₄释放通量年平均值低（见表1），其中比芬兰?mm?ssuo垃圾填埋场和美国Leon垃圾填埋场低1~2个数量级以上。

表 1：本发明的垃圾填埋场中间覆盖层全年CH₄释放通量均值与国外数据比较

实施例二

本实施例2的用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层，其结构同实施例1，其不同之处在于，植被层4的表土层厚度为30cm；矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5由粗质矿化垃圾填料构成，粒径5cm，厚度20cm；粗质矿化垃圾填料覆盖后喷洒MgSO₄溶液，施加量为1.5 kg MgSO₄/m²。甲烷厌氧氧化层6由细质矿化垃圾填料构成，粒径1.90cm，厚度60cm（图1）。污水管道回灌系统3中喷头间距为30cm*50cm。

如图2，本实施例2的用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层的渗滤液处理方法，其步骤为：

1）稳定化的填埋场渗滤液收集于渗滤液收集池1，通过提升泵2提升，进入污水管道回灌系统3；所述污水管道回灌系统3按照序批式运行，回灌时间为白天的8:00am~20:00pm，其他时间处于闲置期，灌溉渗滤液的水力负荷为0.35m³/(m²·d)，填埋场渗滤液稳定后，回灌水质指标为：COD_cr=1100~2100 mg/L，NH₄⁺-N= 500~1250 mg/L，TP = 18~25 mg/L，出水水量总量削减约30%；

2）污水管道回灌系统3中的渗滤液喷洒于植被层4和矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5之间；

3）渗滤液的水质依次经矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5、甲烷厌氧氧化层6两层的过滤净化，蒸发水量，由出水管道11排出。

经上述步骤处理的渗滤液出水水质为：出水水质为COD_cr= 270~500 mg/L，NH₄⁺-N= 55~81 mg/L，TP=0.5~1.7 mg/L（图2）。

对于本实施例2的覆盖层的甲烷氧化削减效果的说明如下：

通过长达12个月（2011年6月~2012年6月）的现场监测，同时测试填埋场中间覆盖层剖面CH₄气体浓度分布和表面释放通量，共25组数据的平均值。结果表明：从土下80 cm到15 cm处，土壤气体甲烷浓度降低高达73~95 vol%。通过与国外数据比较，不难发现本发明的垃圾填埋场CH₄释放通量年平均值低（见表2），其中比芬兰?mm?ssuo垃圾填埋场和美国Leon垃圾填埋场低1~2个数量级以上。

表 2：发明的垃圾填埋场中间覆盖层全年CH₄释放通量均值与国外数据比较

实施例三

本实施例3的用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层，其结构同实施例1，其不同之处在于，植被层4的表土层厚度为25cm；矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5由粗质矿化垃圾填料构成，粒径4m，厚度25cm；粗质矿化垃圾填料覆盖后喷洒MgSO₄溶液，施加量为2.0 kg MgSO₄/m²。甲烷厌氧氧化层6由细质矿化垃圾填料构成，粒径1.90cm，厚度50cm（图1）。污水管道回灌系统3中喷头间距为35cm*50cm。

如图2，本实施例3的用于填埋场渗滤液水质净化和甲烷强化氧化的覆盖层的渗滤液处理方法，其步骤为：

1）稳定化的填埋场渗滤液收集于渗滤液收集池1，通过提升泵2提升，进入污水管道回灌系统3；所述污水管道回灌系统3按照序批式运行，回灌时间为白天的8:00am~20:00pm，其他时间处于闲置期，灌溉渗滤液的水力负荷为0.25m³/(m²·d)，填埋场渗滤液稳定后，回灌水质指标为：COD_cr=1100~2150 mg/L，NH₄⁺-N= 450~1250 mg/L，TP = 17~25 mg/L，出水水量总量削减约30%；

2）污水管道回灌系统3中的渗滤液喷洒于植被层4和矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5之间；

3）渗滤液的水质依次经矿化垃圾CH₄好氧氧化-渗滤液水质强化净化层5、甲烷厌氧氧化层6两层的过滤净化，蒸发水量，由出水管道11排出。

经上述步骤处理的渗滤液出水水质为：出水水质为COD_cr= 270~520 mg/L，NH₄⁺-N= 50~81 mg/L，TP=0.4~1.7 mg/L（图2）。

对于本实施例3的覆盖层的甲烷氧化削减效果的说明如下：

通过长达12个月（2011年6月~2012年6月）的现场监测，同时测试填埋场中间覆盖层剖面CH₄气体浓度分布和表面释放通量，共25组数据的平均值。结果表明：从土下80 cm到15 cm处，土壤气体甲烷浓度降低高达70~93 vol%。通过与国外数据比较，不难发现本发明的垃圾填埋场CH₄释放通量年平均值低（见表3），其中比芬兰?mm?ssuo垃圾填埋场和美国Leon垃圾填埋场低1~2个数量级以上。

表 3：发明的垃圾填埋场中间覆盖层全年CH₄释放通量均值与国外数据比较

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。