丹麦低有机质填埋场原位全规模通风加速稳定化的现场研究

《Waste Management》：In-situ full-scale aeration of a landfill with low organic content in Denmark

为加速旧填埋场有机质降解、缩短后期养护期，研究团队在丹麦AV Milj?低有机质填埋场开展了为期两年的原位全规模通风试验。结果显示，通风显著提升了有氧微生物活性，使填埋气体中CH4浓度降低约80%，CO2通量增加，废弃物平均温度上升约10℃，沉降率提高至10 cm/年。尽管渗滤液产量异常增加部分掩盖了通风效果，但初期NH4+/NH3-N浓度显著降低。研究表明，通风可有效促进废弃物稳定化，降低温室气体排放，为管理低有机质填埋场提供了重要实践依据。

　　

在欧洲，随着循环经济理念的推进和立法对可回收物、能源回收物填埋的禁止，未来填埋场中有机物含量将越来越低。然而，即便是这些“老旧”填埋场，其内部残留的有机质在厌氧条件下仍会持续产生强效温室气体甲烷（CH₄），并且渗滤液中的污染物（如氨氮）也会长期渗出，对环境构成持久威胁。更令人头疼的是，欧洲法规要求 landfill 运营商在场地关闭后需承担至少30年的后期养护责任，包括持续监测气体排放、维护最终覆盖层和渗滤液收集系统等。如果废弃物的自然稳定化过程超过这个期限，运营商将面临巨大的经济和责任负担。因此，寻找一种能够加速这些低有机质填埋场稳定化、缩短养护周期并降低环境风险的技术，变得尤为迫切。在此背景下，源自德国的“填埋场通风”技术被视为一剂良方。其原理是通过向废弃物中注入空气，将内部的微生物环境从厌氧转变为好氧。好氧微生物代谢更快，主要产物是二氧化碳（CO₂）、水和稳定的腐殖质，能更高效地降解包括木质素在内的顽固有机物，同时大幅减少 CH₄的生成，并有望改善渗滤液水质。那么，这项技术对于有机物本就不高的“老龄化”填埋场是否依然有效？其加速稳定化的效果究竟如何？又会带来哪些新的挑战？为了回答这些问题，来自丹麦技术大学（DTU）可持续研究中心的 Phebe L.B. Prado、Konstantinos Kissas 等研究人员，在丹麦的 AV Milj? 填埋场开展了一项为期两年的原位全规模通风试验，并将研究成果发表在了《Waste Management》上。

本研究在丹麦AV Milj?填埋场的1C单元（占地约2.4公顷，填埋深度6-7.5米，主要包含工业和建筑废弃物）进行了原位通风。研究采用了一套综合监测方法：通过风机向30口注入井（A-wells）以70 m3/h（后降至50 m3/h）的流速注入空气；使用便携式气体分析仪定期监测井中填埋气成分；综合运用通量箱、地表浓度筛查、涡动协方差和示踪气体扩散法等多种技术，从不同时空尺度监测CH₄和CO₂的地表排放通量；同时监测了废弃物温度、地表沉降以及渗滤液的产量、常规污染物和新兴污染物（如PFAS和BPA）浓度。

3.1. 通风

通风流量初始设定为每口注入井70 m3/h。在观察到个别井温度过高（达70°C）后，为避免火灾风险及高温对硝化作用的抑制，自2024年4月29日起将流量降低至50 m3/h。通风过程因维护和温度控制需要存在间歇性。

3.2. 气体排放

所有气体排放测量结果均表明，在初始的填埋气被置换后，有氧微生物活性增强。废弃物内部的填埋气成分显示，通风21个月后，A-wells中的CH₄平均浓度从43.9%降至8.4%（降低约80%），CO₂从29.1%降至17.3%，CH₄/CO₂浓度比从1.5变为0.5，证明 CH₄生成减少而好氧降解产生的 CO₂仍在继续。涡动协方差连续监测显示，夏季通风期间CO₂通量比非通风期高出约50 g CO₂/(m2·d)，而 CH₄通量在通风期间低于1 g CH₄/(m2·d)，低于基线水平。通量箱测量表明，填埋气倾向于通过渗滤液收集系统（如S1.3井附近）和覆盖层更透气的填埋单元东部边界等“捷径”逸出。示踪气体扩散法的测量结果显示，通风两年后，填埋单元的CH₄总排放率低于检测限（<0.3 kg/h），远低于通风前3个月测得的5 kg/h。

3.3. 温度

通风导致废弃物平均温度整体上升约10°C。最深层（5-7米）升温最显著，平均温度从基线9.6°C升至通风六个月后的31.0°C，尽管在冬季注入冷空气时有所波动。中层（3-5米）温度更稳定，维持在20-25°C，且监测到最高的填埋气浓度，表明注入空气在垂直方向上的分布不均匀。最浅层（1-3米）温度则与环境温度同步波动。

3.4. 沉降

通风25个月后，填埋单元平均沉降达19厘米，沉降率约为10厘米/年。这比通风前在厌氧条件下观测到的沉降率（0.6厘米/年）提高了约17倍，表明废弃物中有机质的降解显著加速，体积进一步稳定化。

3.5. 渗滤液

渗滤液结果总体反映了旧废弃物中有机碳含量低的特点。通风前六个月，渗滤液质量有所改善，NH₄⁺/NH₃-N浓度从97.3 mg N/L降至56.1 mg N/L，同时检测到NO₃^-，表明发生了硝化作用。化学需氧量（COD）和五日生化需氧量（BOD₅）也有所下降。然而，2023年底至2024年初异常高的降水量导致渗滤液产量激增，产生了“冲刷效应”，使得多种污染物（包括PFAS和氨氮）的浓度不降反升，从而部分掩盖了通风对渗滤液水质的改善效果。

3.5.4. PFAS

监测的新兴污染物中，全氟和多氟烷基物质（PFAS）的总浓度较高，且短链全氟烷基羧酸（PFCA）占主导。在渗滤液产量激增和通风重新开始后，PFAS浓度呈现上升趋势。研究人员推测，通风可能加速了废弃物中现有PFAS前体物的生物降解，同时注入的空气可能像泡沫分选技术一样，增加了PFAS在废弃物中的迁移性。

3.5.5. 双酚A

另一种新兴污染物双酚A（BPA）的浓度在通风初期降至检测限以下，但在通风中断期间（2024年夏季）和之后出现峰值。高BPA浓度可能与渗滤液中高铁浓度共同作用，促进了阻燃剂四溴双酚A（TBBPA）的降解转化有关。

本研究得出结论，在丹麦AV Milj?低有机质填埋场进行的原位通风（流量70-50 m3/h）成功加速了旧废弃物中有机质的降解。其效果体现为：有氧微生物活性增强，废弃物平均温度升高约10°C；沉降率大幅提升至10厘米/年；填埋气中CH₄浓度降低80%，CO₂通量在通风期间更高；整个填埋单元的CH₄排放率在两年后降至极低水平。这些变化清晰地表明，通风有效促进了废弃物的稳定化进程。

尽管异常增加的渗滤液产量带来的“冲刷效应”干扰了对渗滤液水质改善效果的评估，但初期氨氮浓度的降低和硝化现象的出现，显示了通风改善渗滤液水质的潜力。对于新兴污染物，研究表明通风可能影响PFAS的迁移和转化，而BPA的行为则与通风状态和渗滤液中其他成分（如铁）有关，这指出了未来需要重点监测的方向。

该研究的核心意义在于，它通过严谨的全规模现场试验证明，即使对于有机质含量已经较低的“老龄化”填埋场，原位通风技术仍然是加速其稳定化、大幅减少温室气体CH₄排放的有效手段。这为 landfill 运营商提供了一条缩短漫长且昂贵的后期养护周期、履行环境责任的可行技术路径。随着欧洲乃至全球对填埋废弃物的有机含量要求日益严格，此类低有机质填埋场将越来越普遍，本研究的结果为此类场地的可持续管理提供了宝贵的实证数据和深入见解。然而，研究也揭示了通风实践中需注意的问题，如温度控制、气体逸散路径管理，以及通风对渗滤液水质和新兴污染物行为的复杂影响，强调了实施过程中精细化监测和管理的必要性。