综述：通过可持续的好氧填埋技术提升城市固体废物的稳定化处理效果

《Journal of Environmental Management》：Enhancing municipal solid waste stabilization through sustainable aerobic landfill technologies

有氧生物反应填埋场（ABRLs）通过供氧加速废物稳定、降低甲烷排放并改善渗滤液水质，但其技术策略与性能仍需系统分析。本文综合实验室、试点及现场试验数据，评估ABRLs运行原理、配置及性能指标，量化COD去除率（50%-99%）、垃圾压实率（25%-62.5%）等关键参数，对比水平/垂直供氧方式及氧气输送系统，探讨微气泡供氧、纯氧氧化及过氧化氢预处理等创新技术，分析氧气分布不均、水分管理及高能耗等挑战，并提出优化策略。

　　

作者：Arnab Ghosh、Tanushree Paul、Anumita Mishra、Jurng-Jae Yee、Sung Hyuk Park

韩国釜山东亚大学防灾安全海洋城市建设大学核心研究中心，邮编49315

摘要

好氧生物反应器垃圾填埋场（ABRLs）在快速稳定废物、提高渗滤液质量以及大幅减少甲烷排放方面具有潜力；然而，目前尚缺乏对其多种曝气策略和新兴创新的综合分析。本文批判性地评估了ABRLs的运行原理、配置和性能指标，并量化了实验室、试点和现场渗滤仪实验的结果。在汇总的研究中，渗滤液的化学需氧量（COD）减少了大约50%到99%以上，大多数实验在好氧/循环条件下报告COD去除率≥85%。这些试验中测得的废物沉降率介于25%到62.5%之间。实验室/试点渗滤仪的实验持续时间通常在80天到600天之间，而更大规模/长期项目则报告了多年的观测数据以及持续的稳定趋势。此外，本文还概述了好氧降解的基本机制，并比较了水平曝气与垂直曝气以及基于渗滤液的氧气输送系统。文章详细探讨了曝气对关键性能指标（如氨氮去除、化学需氧量减少、废物沉降和尾气成分）的影响。同时，还研究了先进的渗滤液循环技术（包括微曝气、纯氧氧化和H₂O₂预处理），以强调它们在增强微生物活性和加速废物稳定化方面的作用。随后指出了诸如氧气分布不均、水分管理和高能耗等技术挑战，并提出了相应的监测和设计策略以克服这些障碍。

通过综合全球案例研究和定量性能数据，本文填补了文献中的空白，为研究人员和实践者提供了可操作的见解，以指导他们采用更可持续的垃圾填埋管理方法，从而实现气候缓解目标。

引言

能源和商品的高消耗率，加上人口增长和生活水平提高，导致了大量城市固体废物（MSW）的产生。如果这些废物不能得到有效处理或回收，将带来严重的环境威胁。据估计，全球每年产生的MSW约为20亿吨，其中约33%未被市政部门收集（Eghbali等人，2022年；Kaza等人，2018年）。在市政部门收集的MSW中，约70%最终被填埋，19%被回收利用，11%用于能源回收（Kaza等人，2018年）。世界银行预测，到2050年，MSW的产生量将增加到34亿吨（Kaza等人，2018年）。目前，垃圾填埋场已经产生了全球约11%的甲烷排放量，由于人口增长，到本世纪中叶这一数字预计将增加7%（Kaza等人，2018年）。由于甲烷在20年内的温室效应是二氧化碳的80倍，因此现在减少甲烷排放可以立即并对减缓气候变化产生显著影响（Kaza等人，2018年；Dai和Wang，2024年）。尽管欧盟委员会制定了旨在减少垃圾填埋的法规（Abdel-Shafy和Mansour，2018年；Osazee，2021年），但垃圾填埋场仍然是固体废物管理系统的重要组成部分。可持续的垃圾填埋方法强调早期废物稳定化和减少温室气体排放，以保护后代免受环境风险和昂贵的修复成本的影响（Ban等人，2015年；Ozbay等人，2021年；Song等人，2023年）。

已经开发了多种生物反应器垃圾填埋技术来加速MSW的分解并改善渗滤液处理（Cossu等人，2016年；Hirata等人，2012年；Slezak等人，2015年；Xu等人，2014年）。在厌氧生物反应器中，添加水分和渗滤液循环可以促进甲烷生成，提高渗滤液质量，并缩短稳定化和监测时间（Valencia等人，2011年；Christensen等人，2011年）。然而，厌氧条件可能导致渗滤液中氨积累过多，通常接近2000毫克/升，这会促进藻类繁殖，耗尽接收水体中的溶解氧，并对水生生物产生毒性影响（Dos Santos等人，2020年）。此外，厌氧垃圾填埋场会阻碍有机废物生物降解所需的微生物生长（Viegas等人，2021年），导致稳定化周期长达数十年（Lee等人，2022年）。这些长时间框架消耗了大量土地，限制了城市发展（Huang等人，2022年），尽管关闭后重新用于商业或住宅用途可以降低污染风险并支持城市扩张（Zhang等人，2023年）。

在可持续垃圾填埋概念下，好氧过程被视为厌氧垃圾填埋的更好替代方案，因为它通过去除氨氮和化学需氧量（COD）更快地改善渗滤液质量，同时降低甲烷排放并加速废物稳定化（Nikolaou等人，2009年；Grossule等人，2018年；Shao等人，2008年；Tong等人，2015年）。最近，人们对好氧垃圾填埋的兴趣有所增加，促使人们在实验室和现场规模上进行研究，以评估其在改善废物稳定化、减少有害渗滤液和防止甲烷排放方面的能力，从而为传统厌氧垃圾填埋的缺点提供了有前景的解决方案（Hashisho和El-Fadel，2014年）。

许多研究利用好氧生物反应器垃圾填埋场（ABRLs）来评估废物分解和渗滤液质量（Ko等人，2016年；Slezak等人，2015年；Xu等人，2015年；Falamaki等人，2019年；Qiu等人，2020年；Chu等人，2021年；Ma等人，2021年）。这些系统通过同时提供水分和空气来刺激微生物活动，从而更快地去除氨氮和COD，并降低甲烷排放（Shao等人，2008年；Tong等人，2015年）。然而，ABRLs通常涉及强制通风系统、复杂的操作和高能耗，导致较高的资本和运营成本（Slezak等人，2015年）。

曝气是ABRL性能的核心，因为它可以提高渗滤液质量并加速稳定化（Xu等人，2025年），同时也用于通过减少长期厌氧降解产生的排放来修复老旧垃圾填埋场（Raga和Cossu，2014年；Ritzkowski等人，2006年；Zieleniewska-Jastrzebska等人，2007年）。强制曝气已成为稳定废物、降低氮含量和管理排放的首选方法（Hrad等人，2013年；Ritzkowski和Stegmann，2005年），并且是垃圾填埋场开采的关键预处理步骤（Raga和Cossu，2014年；Ritzkowski和Stegmann，2012年）。尽管冲洗可以有效（Bolyard和Reinhart，2016年），但它需要大量的水并且需要昂贵的场外渗滤液处理（Ritzkowski等人，2006年）。最近，Song等人开发了一种利用科安达效应（Coand? effect）的空气放大器，将功耗降低了90%，同时将气流增加了3.5倍，实现了90.3%的甲烷减排效率，证明这是一种具有成本效益的曝气解决方案（Song等人，2023年）。

本文旨在批判性地审视和综合当前关于好氧垃圾填埋技术的知识和进展，作为一种可持续的MSW管理方法。通过提供ABRL原理、方法和影响的全面概述，本文突出了其优势和挑战。虽然之前的综述往往集中在传统的厌氧技术或特定的好氧方面，但本研究通过分析多种曝气方法（例如水平曝气和垂直曝气、渗滤液收集系统）及其对性能指标（如氨氮水平、渗滤液COD和废物沉降）的直接影响，填补了关键的知识空白。此外，本文还探讨了创新的渗滤液循环趋势，如微曝气、氧化和H₂O₂预处理，这些内容很少被全面覆盖。最后，本文提出了建议和未来展望，以指导进一步的可持续废物管理实践的研究和实施。

垃圾填埋技术和发展趋势

随着人口增长、城市化和消费主义的增加，全球MSW的产生量正在急剧上升，预计到2050年将达到34亿吨。2016年，东亚和太平洋地区的废物产生量约为4.68亿吨，预计到2050年将达到7.14亿吨（世界银行，2018a，世界银行，2018b）。这一增长凸显了需要全面的废物管理策略

好氧生物反应器垃圾填埋场概念概述

近年来，由于好氧生物反应器垃圾填埋技术的显著优势，它受到了越来越多的关注（Rich等人，2008年；Ritzkowski等人，2007年）。好氧条件抑制了产酸发酵，防止pH值降至关键降解微生物的最佳范围以下，从而保持了较高的有机分解速率。这种pH稳定性降低了重金属的溶解度，促进了它们在生物质和固体相上的吸附，而不是进入水体

不同的垃圾填埋场主动曝气方法

主动曝气系统使用强制空气来创造好氧条件并加速废物稳定化。空气通常通过工程井或管道供应，并通过通风口或气体收集器排出，使氧气到达埋藏的废物。正曝气意味着将空气吹入废物中（例如，通过注入井使用鼓风机），而负曝气（真空）意味着抽出气体从而引入新鲜空气。例如，Dillon等人（2023年）描述了主动曝气概念，其中空气

曝气对渗滤液中氨氮的影响

好氧垃圾填埋中的曝气显著影响渗滤液中的氨氮（NH₃-N）含量。当空气引入垃圾填埋场时，它促进了好氧微生物的生长和活动，这些微生物在硝化过程中起着关键作用。在此过程中，NH₃-N通过中间产物NO₂^?氧化为硝酸盐NO₃^?。这种转化降低了渗滤液中的氨氮含量，因为它转化为危害较小的氮形式。

渗滤液循环技术

在垃圾填埋场中循环渗滤液可以增加MSW的水分含量，促进微生物和营养物质的分布，从而加速MSW的生物降解过程。渗滤液循环是通过在垃圾填埋场内安装专门的循环系统来实现的。在工程实践中，表面喷洒、垂直井和水平沟渠是最常见的渗滤液循环系统（Zhang等人，2021年）

好氧垃圾填埋技术的挑战

尽管好氧垃圾填埋技术对于可持续废物管理具有前景，但仍存在一些需要解决的重大挑战，以确保其有效实施和运行。

氧气扩散和分布：好氧垃圾填埋的主要挑战之一是确保足够的氧气到达垃圾填埋场的所有部分。这需要有效的曝气系统，能够均匀地将氧气输送到整个废物基质中。实现适当的氧气扩散

中国

Liu等人（2018年）研究了如何使用MWOAM优化中国一个旧垃圾填埋场的原位曝气。目标是通过向垃圾填埋场添加更多空气来提高好氧降解。主要目的是通过向垃圾填埋场输送额外的空气并创造一个改善的氧气环境来增强好氧降解。MWOAM根据气体传输特性选择WS和曝气速率，关键目标是最大化OSR。

现场应用和进一步研究的建议

总之，当在受控条件下运行时（例如，保持约40–70%的湿基水分和可行的垃圾内O₂水平≥5%），好氧生物反应器垃圾填埋场（ABRLs）可以加速废物稳定化并显著减少甲烷排放。尽管ABRLs的资本和运营成本较高（曝气系统、能源需求和强化监测），但这些成本通常可以通过较短的后期维护来抵消

CRediT作者贡献声明

Arnab Ghosh：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。Tanushree Paul：可视化、验证。Anumita Mishra：撰写——审阅与编辑。Jurng-Jae Yee：资源获取、项目管理、资金筹集。Sung Hyuk Park：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、项目管理、资金筹集。

伦理批准

不适用。

参与同意

不适用。

出版同意

不适用。

资金支持

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由教育部提供（2021R1I1A3060770）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。