原位曝气对垃圾填埋场稳定化的长期影响：一项奥地利案例研究

《Waste Management》：Long-term impacts of in-situ aeration on landfill stabilization: An Austrian case study

针对老旧填埋场后续维护周期长、温室气体与渗滤液污染风险高的问题，研究人员开展了为期11年（曝气结束后）的全尺度案例研究。结果显示，原位曝气结合终场覆盖可持久降低渗滤液污染物（如NH4-N、BOD5）及CH4排放，使填埋场达到低排放稳定状态，为科学制定封场后的管护策略提供了重要依据。

　　

想象一下，一座已经停止运营数十年的垃圾填埋场，依然像一个隐形的“环境炸弹”，持续产生以甲烷（CH₄）为主的温室气体，并不停渗出含有高浓度氨氮（NH₄-N）和化学需氧量（COD）的渗滤液（leachate）。这不仅带来了长期的地下水污染风险，也让填埋场运营商不得不承担长达30年甚至更久的后期维护（aftercare）负担与费用。为了打破这一困局，原位曝气（in-situ aeration）技术应运而生。该技术通过向垃圾堆体强制注入空气，营造好氧环境，加速有机废物稳定化，并将甲烷转化为二氧化碳（CO₂），从而缩短后期维护周期。虽然其短期效果已被证实，但在曝气停止、尤其是加上终场覆盖（final cover）多年后，这种“治疗”效果能否持久？垃圾堆体是否会死灰复燃，重新产生高污染渗滤液和甲烷？这些问题长期以来缺乏全尺度（full-scale）的长期数据支持。

正是在这一背景下，Marlies Hrad和Marion Huber-Humer（来自奥地利BOKU大学）以奥地利下奥地利州一座老旧市政固体废物（MSW）填埋场为研究对象，开展了一项跨度长达11年（2014年至2024年，即曝气结束后的“后曝气阶段”与“后覆盖阶段”）的跟踪监测研究，相关成果发表在《Waste Management》上。研究发现，原位曝气的积极效果具有显著的长期持续性；配合2016年安装的终场覆盖系统，该填埋场的渗滤液污染物浓度及年负荷均满足甚至优于各类建议的稳定化阈值，地表甲烷浓度也降至检测限以下，表明该场地已成功步入低当前排放且未来排放潜力大幅降低的稳定状态。

为开展此项研究，作者主要采用了长期的现场监测与数据分析方法。研究站点为奥地利一处1976年至1995年运营的MSW填埋场（分VA01和VA02两区），该场在2007年至2013年进行了原位曝气（通过37口气体井低压注气）。关键方法包括：1）渗滤液水质监测：2014年后每半年采集一次VA02区（带底部排水系统）的渗滤液，分析NH₄-N、NO₃-N、COD、BOD₅（5日生化需氧量）、硫酸盐（SO₄）、氯化物（Cl?）及重金属（Cu、Cr、Zn）等参数，并结合月渗滤液产量计算年物质负荷（load），辅以敏感性分析；2）甲烷排放监测：2018年至2024年每半年使用便携式火焰离子化检测仪（FID）和激光吸收设备检测填埋场表面、井口等处的CH₄浓度；2024年额外在6个环形采样口检测填埋气中CH₄、CO₂和O₂占比；3）数据比对：将长期监测数据与奥地利及国际文献中的填埋场稳定化完成标准（如?WAV 2008、AAEV 1996等）进行比对。

3.1. 渗滤液质量和数量的长期影响

通过对长达十余年的渗滤液数据进行分析，研究发现不同阶段呈现出鲜明的趋势。在曝气阶段（2008-2013），NH₄-N显著下降而NO₃-N上升，表明发生了强烈的硝化作用；但COD和BOD₅对曝气的响应较平缓，BOD₅/COD比值总体低于曝气前，暗示有机物降解增强的同时，局部厌氧微区可能因易降解有机物供应增加而刺激了产甲烷作用。在后曝气阶段（2014-2016），污染物浓度总体呈下降趋势。2016年底安装终场覆盖后，水力条件发生剧变，渗滤液产量从年均降水量的12%骤降至2%–4%。由于入渗水减少，加之可能的局部被动空气侵入及厌氧矿化，NH₄-N和碳参数在2018-2022年间出现了一轮暂时性回升，但随后再度下降。至2023-2024年，NH₄-N满足?WAV间接排放标淮（≤200 mg/l），BOD₅满足直接排放限值（≤20 mg O₂/l），且最后三次测量的BOD₅/COD比值逼近0.01这一建议的生物稳定阈值。重金属浓度则始终处于低水平，符合直/间接排放限值。

借助氯化物（Cl?）这一天然示踪剂进行归一化处理（NH₄-N/Cl? 和 COD/Cl? 比值）后发现，即便在浓度出现波动的时期，归一化比值在长期维度上仍呈下降态势，证实了氮和有机物的真实减排。硫酸盐（SO₄）浓度在曝气期因硫化物氧化升至约900 mg/l，后期回落但仍高于早期水平，可能与矿物溶解及“气体环网系统”带来的局部复氧导致的H₂S再氧化有关。

最关键的是年物质负荷（load）数据：2017年至2024年间，COD、BOD₅、NH₄-N、Cl? 和 AOX（可吸附有机卤化物）的年负荷均满足表1中列举的所有建议稳定化标准（包括?WAV的直接排放负荷限值及Krümpelbeck标准）。这主要归功于终场覆盖大幅削减了渗滤液产量（仅占年降水量的0.3%–1.9%），使得即便偶尔出现浓度波动，总的污染物输出量也极低。

3.2. 后曝气期间的甲烷排放

2018年至2024年的地表CH₄浓度监测显示，大部分测点浓度低于检测限。虽然在2020-2023年间的填埋场边界及部分老气体井处曾测得过高值（甚至超过10,000 ppm），但在2024年的最后两次测量中，所有地表测点均未检出CH₄浓度，且未观察到因填埋气逸出导致的植被损伤。2024年6月在旧井构成的“环网系统”采样口测得的CH₄/CO₂比值为0.45–2.8，符合老旧填埋场高级稳定化伴生空气侵入（Phase VI）及甲烷氧化（Phase VII）的特征。这些数据独立印证了地表CH₄极微的结论，表明填埋场气体环境已高度稳定。

4. 结论

尽管渗滤液水质和CH₄排放不能完全等同于垃圾固体本身的物理化学稳定及沉降行为，但它们是反映废物反应活性及稳定化进程的核心指标。此前的实验室研究已证明原位曝气对废物稳定化的长效作用，而本研究是首个在曝气结束超十年后，结合终场覆盖的实际运行期，全面评估全尺度填埋场渗滤液（质与量）及CH₄释放（通过地表浓度测量）的长期研究。

结果表明，曝气结束十年后，渗滤液中的NH₄-N已达间接排放标淮，BOD₅接近直接排放限值，重金属维持低位，且BOD₅/COD比值逼近0.01的稳定阈值；年物质负荷更是满足最严格的直接排放负荷建议值。这得益于终场覆盖将渗滤液产量压低至年降水量的0.3%–0.8%，极大限制了污染物的洗出。同时，地表CH₄在监测末期完全未检出，气体组分比值印证了堆体内部的氧化/稳定状态。综上，原位曝气结合恰当的后曝气措施（如安装终场覆盖）能有效将填埋场推向低当前排放、低未来排放潜力的稳定状态。

当然，目前仍缺乏其他全尺度研究的同类长期数据以资对比，且本研究未涉及固体废物稳定化参数、气体排放通量及沉降行为。未来仍需更多量化研究来验证原位曝气对填埋废物的长期稳定化效果，从而完善后期维护策略，确立基于科学的填埋场稳定化成功判据。