第1章绪论
1.1好氧通风的工程背景和意义
我国生活垃圾较多，生活垃圾总产量逐年递增。根据《2017中国生态环境状况公报》，截至2017年底，全国生活垃圾清运量达21547万t；根据《中国城乡建设统计年鉴2022》，到2021年已经达到了3.17亿t，垃圾填埋场的数量为1665座。随着精神文明建设的不断推进，我国环境卫生的规范化得到长足的发展。2008～2013年是我国垃圾填埋场增速*快的几年，特别是县城中新建的垃圾填埋场。从2015年开始垃圾填埋场的增速逐渐放缓，自2020年开始垃圾填埋场数量（城市和县城的总和）开始呈现下降趋势（图1.1），这主要是由于部分垃圾填埋场已经达到库容上限并关停。未来5～10年，预计将有3/4以上的垃圾填埋场继续面临关停、封场。
图1.1我国垃圾填埋场数量随年份分布情况
由于厌氧降解达到稳定化的时间较长，一般为40～50年，这些关闭的垃圾填埋场仍需要进行沼气和渗滤液的收集和处理，以及相应的安全防控。同时，一些城市已经开始推广“零填埋”政策，原则上不再对生活垃圾实施填埋处理，而推广焚烧处理。但这些城市仍然需要数量不等（一般1～2座）的垃圾填埋场作应急处理，这些应急的垃圾填埋场仍需要进行日常维护，它们仍将存在，并影响人们的生活。
垃圾填埋场内部产生的污染物随运行时间表现出前期逐渐增加、达到峰值后逐渐下降的趋势，下降的幅度随着时间的延长逐渐减小（图1.2）。一般认为，当垃圾填埋场具备良好的底部和边坡防渗系统时，衬垫系统失效的时间会更长。垃圾填埋场的后期管理时间通常远高于运行期，后期管理也受到日处理量与设计能力之间的关系、污染物浓度、施工质量和水头分布等因素的影响。当如下情形出现时，衬垫系统失效的时间将逐渐缩短，如：防渗系统中的土工膜在没有经过完整性检测之前投入使用，垃圾填埋场接收的垃圾量远大于设计处理能
图1.2垃圾填埋场污染物浓度在不同时期内的*线分布示意图Cmax为*大污染物浓度，Cacc为可接受的污染物浓度或国家标准规定的排放限值
力且持续较长时间（国内基本从服役开始到结束），库区内较高的水位形成较大的水力梯度等。以上情况在我国现役的垃圾填埋场中均不同程度地出现过（或一直伴随），造成污染物泄漏事故的时间甚至出现在运行初期。
由于统计数据缺失，我国现存的和已关停的垃圾填埋场的具体数量尚不明确，据估计已超过万座。这些垃圾填埋场大多没有进行正规的封场覆盖和气/液收集处理，而这些库区在兴建时大多位于距离城市中心较远的郊区，随着我国城市化进程的不断加快，中心城区的扩张使得垃圾填埋场所在区域被纳入城市范围，导致垃圾填埋场对环境的污染与人居和活动环境产生了极大的矛盾。这主要是由于这些库区大多没有建设良好的防渗措施，库区内部的垃圾有机物降解后产生的沼气[包含甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）和挥发性有机化合物（volatile organic compound，VOC）等]和渗滤液对周边环境造成了永久性和持续性污染。其中，甲烷和二氧化碳是重要的温室气体，甲烷在大气中的温室效应是二氧化碳的21～25倍。2013年，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的报告指出，全球每年从各类废弃物处理设施（卫生填埋场、陈旧型填埋场和其他类型的垃圾处理厂）排放到大气中的甲烷为（6.7～9）×107t。硫化氢更是一种伴有臭味且对人体神经系统有严重破坏作用的危险气体。此外，恶臭也是垃圾填埋场运行过程中不可回避的问题。臭气主要来源于三个方面：①沼气，包括H2S、NH3（氨气）、SO2（二氧化硫）；②渗滤液，主要是噻吩（C4H4S）；③挥发性有机气体，包括硫醚（甲硫醚）、甲硫醇等。臭气一旦泄漏到空气中就会随风扩散，蔓延范围可达数千米。因此，为了从根本上解决垃圾填埋场对周边环境的污染和破坏问题，必须对陈旧型垃圾填埋场进行修复。填埋气体主要成分所占比例参见表1.1。
截至2018年12月，全国排查出的2.4万个非正规垃圾堆放点中，47%已完成整治任务（《2017年中国生态环境状况公报》给出的是“2.7万余个”）。治理前，这些库区大多无导气石笼和收集系统，沼气直接（有组织或无组织）向大气排放（图1.3），导致在较长的时间段内持续向大气排放温室气体和有害气体，排放量和浓度指标均缺乏监测和统计数据，从区—市—省乃至全国无一例外，这也是较多发展中国家面临的日常管理问题。这些整治项目大多采用封场覆盖的方式进行修复，这种方式既可以阻断库区内部产生的沼气外泄，又能防止大气降雨的入渗，以及防止更多的渗滤液产生和控制恶臭。同时，需配合沼气收集系统（包括沼气井、收集管网和尾气处理设施）对气体进行有效疏导，防止沼气向大气扩散，*大限度避免危险气体发生爆炸事故。此外，在水力梯度和浓度梯度的长期作用下，填埋场内的渗滤液会击穿原有的底部（或边坡）防渗系统而流入地下水中。这种情况需要在库区的周边设置隔离墙（渗透系数小于10-7cm/s），防止已经污染的地下水进一步扩散。
图1.3江苏某垃圾填埋场无导气石笼和临时覆盖
此外，由于渗滤液处理不当，垃圾填埋场还有两种类型的防渗结构在近年来事故频发，且随着运行时间的不断增加，事故爆发的频率将日益升高，这将是全球垃圾填埋场在未来10～20年面临的重要课题，亟待进一步深入研究。一种是垂直阻隔修复类型，由于填埋场底部防渗系统年久失效和垃圾渗滤液的浓度负荷高，渗滤液在压力梯度和浓度梯度的作用下击穿防渗系统流入含水层而污染地下水。这种情况需要在库区周边加设具有低渗透特征的竖向隔离墙（渗透系数小于10-6cm/s），深度应达到不透水层，同时库区内水位应持续低于隔离墙外部水位（图1.4）。另一种是降水导排修复类型，主要由库区渗滤液导排系统失效，造成渗滤液水位处于较高水平，特别是在边坡或挡坝处出现高水位情况，严重影响堆体的稳定性，这种工况需要在库区内部实施降水措施达到安全控制的目的。
通过以上介绍可知，垃圾填埋场原位修复的目的是避免气-液污染的持续扩散。造成气液污染事故的主要原因在于这些垃圾填埋场的设计和建造没有考虑具有良好防护功能的防渗系统和气-液导排系统[2001年8月，建设部出台了*部关于垃圾填埋场的设计规范——《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17—2001）]。填埋场内产生的气-液污染物主要来源于生活垃圾中有机质的生化降解，如果可以在较短的时间内将这些“有机质”去除或“消灭”，垃圾填埋场的“污染源”就消除了。
好氧通风是一种将空气注入垃圾堆体中，利用空气中的氧气充满垃圾堆体的孔隙，让生活垃圾处于“好氧”环境下而达到快速降解有机物目的一种方法。好氧生物反应器技术与厌氧型相比具有的优势包括：好氧通风可提高垃圾分解速率、减少渗滤液的产出量、加速消耗渗滤液中的有机物、减少甲烷等有害气体的释放及缩短填埋场的降解反应年限等。
通过上述描述可知，好氧通风可以将垃圾中的有机质在较短的时间内消除，即解决了填埋场内部产生的沼气和渗滤液对周边的污染威胁。国内外学者在好氧通风加速生活垃圾降解的可行性方面开展了大量的研究工作。室内试验已很好地证明了好氧环境对加速生活垃圾降解的可靠性，但在现场工程示范方面缺乏有效数据证明何种注气工艺可有效加速生活垃圾降解并进入稳定化阶段。一方面，国际上尚未出台与通风系统设计和运行相关的标准和规范。另一方面，欧美垃圾填埋场生活垃圾分类全、预处理技术完善，国外案例与国内典型填埋场工况差异巨大，造成国内示范工程的实施无据可依。
采用好氧通风方法对垃圾填埋场进行修复设计前，*先应重点考虑以下几个关键要素：①气井的结构和布设；②空气注入总量及注气强度（或压力）；③控制空气分布；④温度和含水率的优化配置；⑤通风时间；⑥降解稳定化评估。国内在这些方面的研究还处于探索阶段。工程技术人员大多凭借经验和参考国外文献对注气系统及运行条件进行设计，设计方案缺乏可靠性论证。
1.2好氧通风技术的特点
1.2.1好氧通风的主要形式
通风系统（aeration system）主要由机械鼓风机（mechanical blower）、传送系统（conveyance system）、气体管道（gaspiping）和注-抽气井网络（airinjection-pumping network）组成。机械鼓风机和传送系统主要负责空气的压缩、分配和泵入，当空气被施加一定的压力后，将通过“气体管道”汇入各注-抽气井网络，完成空气从大气到垃圾堆体的“运输”过程。
注-抽气井网络由若干个注-抽气井组成。注气井主要包括水平井和竖直井两类。前者主要用于新建的好氧型生物反应器填埋场，垃圾分层堆填，逐层埋设在垃圾堆体中。后者的施工相对简单，从垃圾堆体表面向垂直方向钻孔布管即可完成。在好氧通风工程中通常采用竖直井进行注气，由竖直井组成的注-抽气井也是本书讨论的重点。
1.高压通风
使用高压通风（high pressure aeration）的主要目的是*大限度降低爆炸风险和避免开挖过程恶臭扩散（Ritzkowski et al.，2012）。该方法主要通过在竖直井底部施加短期的冲击压力，使释放的空气压力迅速上升至600kPa，垃圾堆体内部形成较强的压力梯度，驱使空气流向收集井。每口竖直井井口须安装快速释放阀门，以保障良好的正压输出。为了*大限度地保证注入气体的可控性，每两口注气井中间配套一个收集井，注气井和收集井采用平行设计，可大幅度提升收集效率[图1.5（a）]。由于气体是高压输出，系统在运行过程中能源和辅助材料的消耗较大，运行成本较高。
高压注气系统中具有代表性的系统有奥地利的“BIO-PUSTER”系统和“AEROflott”系统。该系统通过间歇性的曝气将空气注入垃圾堆体中，高压力在注气井井口处形成类似球形的膨胀体。一种理论认为，在低压通风（注气或抽气）过程中，堆体中的压力仅为0.1～0.2bar（1bar①约等于1atm②），气体实际的流动只是沿大的缝隙（裂缝或优势通道）的对流气体交换，而在垃圾压缩的密集区域对流较难实现，因此较难实现好氧代谢过程。而且，在整个注气井井口，注入的氧气被限制在很小的体积。
使用BIO-PUSTER方法，可以在单个脉冲中产生压力推力，这些脉冲从井口处以声速扩散。球形压力波会更好地穿透压缩密度大的区域，垃圾堆体内的氧气浓度可达30%～35%。为了避免堆体内的气体向库区以外的区域泄漏，堆体内始终保持负压（通过抽气井实现），该负压的抽气量一般大于注气量的1/3。为了保证好氧环境的持续进行，注气通风也需保持持续，一旦注气停止（一般3～5d），垃圾堆体又会转换为厌氧环境。通常，氧气浓度达到8%～10%即可形成好氧反应环境。
2.主动式低压通风
主动式低压通风（active aeration in low pressure）有配备抽气井运行和不配备抽气井运行两种方式。
配备抽气井运行的主动式通风系统包含高压曝气和低压通风两种方式。其中，低压通风系统由注气井和收集井组成[图1.5（b）]。空气经过机械鼓风机输送到垂直井中，垂直井布有花孔，使空气被连续地注入垃圾堆体中（Heyer et al.，2005；Cossu et al.，2003），空气和反应后的气体在对流-弥散机制的作用下流向收集井。由于“注”和“抽”过程相互配合，此方式在保持良好氧气环境和防止堆体内部温度过高造成安全事故两个方面具有优势。此外，良好的抽气状态也可使库区内形成较低的水位，增加非饱和带，进而提高氧气的流动效果。
不配备抽气井运行的主动式低压通风系统只有注气井。注气井中的打孔段距离末端较近，井的末端靠近库区底部，也可深入渗滤液导排层中[图1.5（c）]。这种注气系统在库区覆盖层中加铺生物过滤层（biolog
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