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评估美国封闭垃圾填埋场潜在威胁的功能性与有机稳定性方法的案例研究比较
作者： Sean T. O Donnell , Michael D. Caldwell , Morton A. Barlaz , Jeremy W.F. Morris
关键词：美国援外合作组织、渗滤液、垃圾填埋气、沉降、EPCC方法
摘要
美国的城市固体废弃物 (垃圾) 填埋场是根据《资源保护和恢复法》 (RCRA) 的副标题 D 加以规定的, 其中包括在关闭后护理 (PCC) 期间保护人类健康和环境 (HHE) 的要求。已经公布了几种方法来评估对 HHE 的潜在威胁。这些方法大致可以分为有机稳定化和功能稳定化，后者建立惰性废物质量作为最终目标，功能稳定性则考虑长期排放情况，尽量减少在缺乏主动控制的情况下对HHE的威胁。本研究的目的是利用关于垃圾填埋气（LFG）生产，渗滤液质量，场地地质和固体分解的长期数据，对封闭垃圾填埋场进行案例研究评估。比较了基于功能和有机稳定性标准的评估。结果表明，相对于基于功能稳定性的方法，使用有机稳定性标准需要较长时间的LFG和渗滤液管理。这些研究结果强调指定普遍稳定性标准的某些任意和过于严格的性质，而没有适当考虑垃圾填埋场的水文地质背景和潜在的环境受体。这支持以前的研究，主张基于性能为基础的功能稳定性框架过渡到被动或非主动控制阶段，作为优化和终止监管PCC的防御机制
1介绍
美国的城市固体废物（MSW）填埋场受“资源保护和回收法案”（RCRA）的副标题D的管理。根据RCRA，城市封闭垃圾填埋场的业主或经营者（以下简称业主）在最终关闭后30年内负责其维护，监测和条件，或为保护人类健康和环境（HHE）所需的替代时间， 。当潜在威胁在相关暴露点（POE）降低到可接受水平时，通常是人类或生态受体暴露于污染物并通过潜在迁移途径接受剂量的最接近的属性边界位置如RCRA（美国环保局，1993）所定义。最近关于评估RCRA垃圾填埋场关闭后护理（PCC）结束的指导建议采用基于绩效的方法，并提供一个框架，使用监测，建模和统计分析来确定垃圾填埋污染物（主要是渗滤液）是否构成POE对HHE的威胁（US EPA，1993）。然而，根据RCRA，确定什么PCC时期足以保护HHE的最终权力被授予州一级。各国的任务是批准程序以证明PCC的结束，而所有者负责收集必要的数据以进行此类示范。因此，尽管联邦法规以性能为重点，各州之间关于什么构成PCC完成的定义各不相同，其中一些（特别是堪萨斯州和威斯康星州）倾向于测量源渗沥液，填埋气（LFG）和/或原地废弃物，而另一些（特别是佛罗里达州和华盛顿州）则倾向于评估垃圾填埋排放造成的潜在威胁。
Laner等人（2012）评估了几种评估城市垃圾填埋场对HHE造成的潜在威胁的方法，以及关于PCC完成决策的指导。这些方法可以分为两类：（1）那些寻求有机稳定或相对惰性废物质量的证明（2）侧重于功能稳定性的那些，其考虑了在填埋场和POE之间的点处没有主动控制的潜在威胁情况下的长期排放。文献中缺乏评估封闭垃圾填埋场的长期数据库对LFG生产和渗沥液质量的威胁潜力，详细的场地地质以确定潜在的暴露途径，并使用国家批准的方法评估威胁潜力。在简要回顾了评估威胁潜力的其他方法（重点关注美国州一级的监管）之后，本研究使用美国东北部一个封闭垃圾填埋场的20年数据集，对基于有机物稳定性和功能稳定性。
2堆填区威胁潜力评估方法
2.1有机稳定性
以有机稳定性为基础的方法要求将废物质量几乎完全降解为一种惰性状态，作为PCC的适当终点。尽管这种方法可以提供最大程度的HHE保护，并且理论上消除了未来非管理条件下的废物再活化的潜在威胁，但它意味着在不考虑成本的情况下，在受管制的计划下永久保健（Scharff et al。，2011）。在试图定义和测量有机稳定性时，掩埋在垃圾填埋场中的固体至少有两个关注的特征：（1）生物降解的程度，和（2）浸出潜力。生物降解程度有助于评估剩余的LFG生产和沉降情况，而浸出潜力有助于评估未来渗滤液的质量。尽管可能认为埋藏固体的表征至关重要，但LFG生产，废物沉降和渗滤液产生的趋势可能为固体表征提供了合适的替代物，这样就没必要进行固体取样。
如果要通过测量废物的残留生物降解和浸出特性来评估有机稳定性，那么就需要制定收集代表整个废物质量的样品的计划。必须考虑几个实际问题，包括固体采样是否可行，是否具有代表性和成本效益。假设有代表性的样品可以回收，可以通过多种测试来评估有机物稳定性，以确定剩余的碳可以被矿化的程度和速度。（Wagland等，2009）。用于确定稳定速率的生物化学和物理参数历来是纤维素，木质素，pH，挥发性固体，生化甲烷势和呼吸指数（Shanmugam和Horan，2009; Lesteur等，2010; Laner等， 2012）。但是，目标级别和样品的可代表性很少。
在美国，一些州已经通过法规来界定PCC在有机稳定方面的结局。例如，堪萨斯州卫生与环境部（DHE）认为，渗滤液和填埋气的平衡定义为废物质量排放流量和成分趋势在统计上不变的条件，即代表稳定的废物和修改或终止PCC的基础（Kansas DHE，2014）。根据威斯康星州自然资源部（DNR）颁布的有机稳定性法则（OSR），填埋场所有者必须提交一份计划，在关闭后40年内大幅减少可降解有机物的残留量。在选择废物稳定策略方面提供了灵活性，包括生物可降解材料的转移，机械或生物预处理和/或原位处理（例如液体添加，渗滤液再循环和原位通气）。在OSR下，有机稳定性意味着LFG生产已经有效停止，垃圾填埋场渗滤液的有机污染不明显，当处于理想的水分和温度条件下时，废物的有机部分不会轻易分解，不再有可测量的沉降，与未分解废物相关的财务风险被最小化（Wisconsin DNR，2007）。但是，固体采样或沉降监测的指标没有具体说明;相反，有机稳定性的证明完全依赖于LFG指标。 Bareither等人最近的一项研究表明， （2017）评估了在十个垃圾填埋场实施的OSR的有效性。通过添加水分（即生物反应器操作）加强原地降解废物是遵守该规则的主要策略，其中有机废物转移只包括一小部分。一般认为，实施该规则导致更快速的废物分解而没有明显的有害环境影响，尽管一些垃圾填埋场所有者观察到可以修改若干实践以更好地支持有机稳定计划的有效性（例如，纳入指标以帮助从积极的系统转换到被动系统以管理垃圾填埋气排放）。因此，OSR在促进长期威胁减少战略方面很有益处，但在界定可行的标准方面似乎不足，这些标准将允许垃圾填埋所有者完成PCC。
2.2功能稳定性
有机稳定性的另一种选择是功能稳定性，它描述了一个在没有主动控制系统的情况下不会对HHE构成威胁的封闭垃圾填埋场（Morris et al。，2013）。功能稳定性时候在“关闭后护理评估（EPCC）方法论”中实现的，该方法依靠保守的影响评估来定义长期监测和管理要求（Morris and Barlaz，2011）。使用这种方法，PCC计划（渗滤液和LFG管理，地下水监测，覆盖物维护）的核心要素可以被证明是完整的，如果适当的话，或者被优化以专注于使用更多被动措施来减少能源消耗来提供环境保护和成本。积极的垃圾填埋管理技术可以降低剩余污染潜力（Beaven等，2014; Brand等，2016），以及基于故障安全工程的垃圾填埋设计（例如，基于重力流实现长期平衡）非管理状况（Stentsoslash;e等，2001; Hall等，2007）通过提供消除活动PCC控制的灵活性而获得回报。然而，无论采取何种积极措施，功能稳定性的基本原理是，通过在排放构成的威胁背景下关注长期填埋场的表现，可以在技术和经济上更合适的方式实现终止或减少PCC活动而不是现场废物的特征。
使用EPCC方法演示功能稳定性涉及分析填埋气体产生，覆盖层沉降，渗滤液和地下水质量的趋势，以证明LFG生产稳定或降低，沉降基本完成，渗滤液质量稳定或改善，渗滤液或LFG不会通过潜在途径对空气，地下水，地表水或包气带产生不可接受的影响。因此，垃圾填埋场的接收环境特征和确定的最终用途是重要的输入。渗滤液管理的减少是基于定期评估不受控制的渗滤液排放造成的潜在威胁。在填埋气管理方面，EPCC方法最初侧重于控制地下甲烷迁移和气味的监管要求。后来，莫里斯等人。 （2012）更新了方法学，以考虑表面排放和空气质量以及地下迁移控制方面LFG管理的最佳可用控制技术（BACT）。更新后的方法强调通过考虑被动BACT选项，包括全土壤覆盖系统的甲烷氧化能力，减少或消除逃逸性甲烷和非甲烷有机化合物（NMOC）排放。总体目标是负责停止活性渗滤液和LFG控制，只留下被动控制系统（例如，用于渗滤液和甲烷氧化覆盖的人工湿地），或者在最好的情况下，不需要控制的稳定条件。该方法的基石是确认监测（CM）计划，作为从积极护理到被动护理过渡的一部分。功能稳定性只有在CM完成后才能得到认证，之后垃圾填埋场的责任应落在土地管理的保管计划之下，以促进财产的有效再利用（Interstate Technology and Regulatory Council，2006）。监管关怀包括最小化活动，以防止缓冲区或被动障碍（主要是封面）的干扰，并满足机构控制，契约限制或环境契约。
最近有三个州颁布了规定和指导PCC在功能稳定性方面终结的指导。在加利福尼亚州，填埋场所有者必须证明财务保证（FA）的年化PCC成本至少为30倍，但如果主动收集绩效数据（如果有的话）可以在垃圾填埋场关闭五年后开始降低FA CalRecycle，2010）。华盛顿生态部（DOE）要求业主估计垃圾填埋场在封闭后达到功能稳定所需的时间，并根据此时间表计算FA（华盛顿州能源部，2012年）。业主还必须提交立约文件，提供一种方法，在场地功能稳定后建立重复使用条件，此后固体废物许可证不再适用。佛罗里达州环境保护局（DEP）建议基于性能的示范，在基于功能稳定性评估的旧型垃圾填埋场完成或扩建PCC，主要涉及最终覆盖物维护，水质监测以及渗滤液和LFG的应用管理（佛罗里达州DEP，2016）。一旦达到功能稳定性，监管护理期就完成了，垃圾填埋填埋场应该进入保管区。
3.案例研究评估
这个案例研究的目的是比较功能和有机稳定性的分析。 EPCC方法被用来评估在LFG管理，渗沥液管理和覆盖层结算以及每种情况下CM需要的持续时间方面的功能稳定性。文献中建议的原位稳定的目标值以及Wisconsin DNR指定的程序被用于评估LFG产生，渗沥液质量，覆盖物沉降和固体分解的有机稳定性。
案例研究场地位于纽约州中部地区，占地32公顷，占地12公顷。垃圾填埋场于二十世纪七十年代开始运营，并于一九九三年在PCC 30年的任期内关闭。填埋量约为1.7times;106m3，最大垃圾厚度约为27m。设计和施工记录以及从20世纪80年代末到2015年的渗滤液，LFG，地下水和地表水数据都是可用的。怀疑地下水沿着升级地下边界的一些横向侵入，2001年和2002年的调查包括固体取样和分析。填埋场用一个土壤覆盖系统封闭，该系统包括一个覆盖75cm营养支持土壤层的45cm压实粘土层（1 109m / s）。封闭处安装了一个由30个垂直井组成的活性LFG收集系统。 LFG转能源工厂一直运行到2001年。业主尚未确定具体的最终用途;然而，功能稳定性分析假设，在完成PCC后，该房产将作为绿地留存。这种被动，低影响的再利用战略认识到未开发土地的生态价值（Reynard，2014），通过获取和机构控制将人类接触降到最低。
3.1填埋气体管理
3.1.1功能稳定性评估
2001年，网站所有者通知该州，LFG产生量的下降不再能够维持LFG-能源工厂。该州同意，允许业主停止积极的LFG控制，有利于最终封面土壤和通风系统提供的被动控制。然而，对于这个案例研究，假定业主将使用EPCC方法论评估LFG的功能稳定性来支持谈判。
评估LFG管理功能稳定性的第一步需要证明LFG生成具有统计学意义的下降趋势。数据合并为1993年9月至2001年8月的96个月平均甲烷流量，其中显着的统计学显着下降趋势（R2 = 0.82）很明显（图1）。甲烷流量下降趋势的统计有效性使用Sen的测试（Sen，1968）得到证实。
在第二步中，使用LANDGEM（美国环保局，2005）的改进版本对LFG的产生和收集进行建模，该版本假定废物生物降解和甲烷生成符合一阶衰减函数（图2）。假定的16年运行期（1976-1992年）处理约1.6 106 Mg的废物，根据国家固体废物数据的推算平均每年增加1.8％（美国环保局，2013年）。假设甲烷含量和收集效率分别为50％和75％，这与所报道的最终覆盖填埋场和主动填埋气控制的测量数据和数值一致（Barlaz et al。，2009）。迭代曲线拟合用于调整甲烷生成潜力（L0）和衰减常数（k），使得模拟结果与指数趋势线拟合的测量数据相匹配。基于此，选择L0 = 80m3 / Mg和k = 0.135 /年的最终输入值。 L0比美国EPA（1995）默认值100m3 / Mg低20％，但更接近Staley和Barlaz（2009）提出的估计。 k与最近的垃圾填埋场衰减率估计值（Wang等，2013）一致，但高于美国EPA（1995）的0.04 /年的缺省值。使用EPCC方法，将LFG发电潜力降至峰值流量的10％以下代表最小流量和大多数情况下开始CM的合适目标。实际的目标位点特异性，取决于潜在受体的位置，堆填区大小，甲烷氧化的潜力以及代表潜在完整暴露途径的地下条件。如图2所示，达到峰值流量10％的估计时间在2002年至2008年之间（即关闭后9至15年），尽管早期日期似乎更可能基于测量数据的外推。
现场不适用排放标准或BACT规范; 因此，与此相比是不可能的。 如果有说服力的技术论证被动控制能够保护HHE，州可以批准取消积极的LFG控制。 有趣的是，美国环保局更新的程序，选择填埋场LFG控制低填埋场LFG控制，建议确定所有可用的控制技术，消除技术上不可行的特定场
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