好文推荐 | 陈冠益教授团队：基于主成分回归的老生活垃圾填埋场好氧修复过程碳减排核算模型研究

刘军 ^1,2  潘天骐 ²   赵慧慧 ²  郭燕 ²  陈冠益 ³  侯立安 ^1*

（1. 天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072；2. 南京万德斯环保科技股份有限公司，南京 211003；3. 天津商业大学 机械工程学院，天津 300134)

生活垃圾填埋场好氧修复稳定化技术自2009年在北京黑石头消纳场项目开展工程实践以来，目前已在武汉金口填埋场、温州卧旗山填埋场等项目进行了积极的探索，并逐渐开始在全国范围推广应用。与填埋场传统厌氧封场技术相比，好氧技术能在短期内有效消除垃圾填埋场的安全隐患，杜绝填埋场带来的长期污染，使其占用土地得以再利用，特别是利用相对可控的成本实现填埋场的减污降碳，有效减少甲烷等温室气体的排放，具有显著的碳减排效益。因此，填埋场好氧修复稳定化技术有望成为我国“双碳”目标背景下的老填埋场生态修复的重要碳减排技术。

生活垃圾填埋场在厌氧和好氧状态下，均会释放二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体。目前，填埋场封场后的碳排放核算一般采用IPCC指南推荐的质量平衡法及其相关衍生模型，通过一阶动力学模型核算甲烷等主要碳排放来源的变化趋势，而氧化亚氮一般占温室气体总排放量的3%，占比较低，因此通常不纳入温室气体排放清单的实际计算中。IPCC指南法参数的选取与测算是针对厌氧条件下填埋的原生垃圾的自然降解过程，而好氧修复由于采用外加工程手段改变了填埋堆体内部原先的气液状态，因此一阶动力学模型核算甲烷浓度面临参数难以确定的问题。此外，好氧修复状态下同一组分的堆填垃圾在不同含水率、不同区域特征条件下的降解规律并不相同，而IPCC指南法并未对此提供个性化的核算依据，用指南公式难以准确说明好氧修复单个项目的实际情况。

所以，通过建模的方式模拟出堆体温室气体浓度的变化规律，并结合填埋场理化参数特性推算其削减量，成为了填埋场好氧修复过程碳减排核算的可选路径之一。关于老垃圾填埋场好氧修复过程的温室气体浓度测算模型研究鲜有报道，建立的模型一般为动力学模型与多元回归模型。动力学模型由于其变量较少因而其拟合精度受限，而多元回归模型由于填埋场特征指标普遍存在数据的多重共线性问题而易使模型失真，亟需进行优化。

基于以上背景，本文通过构建主成分回归模型，探索填埋场好氧修复过程中典型特征指标与甲烷浓度之间的变化规律，在保证模型有效性的前提下尽可能提高模型计算精度，以期为填埋场好氧修复过程的碳减排核算提供新的思路，并为填埋场稳定化状态的判定提供技术支撑。

老生活垃圾填埋场好氧修复技术因其对甲烷气体的削减已逐渐在我国得到广泛应用，有望成为“双碳”目标背景下我国填埋场修复的重要技术手段。目前国内外常用的填埋场碳排放核算模型难以表征填埋场好氧修复过程的碳减排。本文以天津华明简易填埋场好氧修复项目作为研究对象，分析了其自2019年5月开始好氧修复工作300天内的堆体工程力学特性、垃圾降解生化特性以及垃圾渗沥液生化特性等特征指标，得出2个特征指标主成分，并利用主成分建立堆体甲烷浓度回归模型。该模型可以分析和预测填埋场好氧修复过程中堆体内部甲烷气体浓度递减规律，进而可计算填埋场好氧修复相较于传统厌氧封场的甲烷削减量，为填埋场好氧修复碳减排核算提供理论依据，并可应用于预测填埋场达到甲烷浓度稳定化特征值的好氧修复进程判定。

华明垃圾填埋场位于天津市东丽区华明街，属于简易垃圾填埋场，填埋场占地约240亩，填埋深度约11 m，垃圾填埋量约60~70万 m ³ ，垃圾填埋龄为2~9年。根据华明简易填埋场实际情况，结合国内外填埋场治理发展趋势，项目组采用“帷幕灌浆+覆膜封场+填埋气导排+好氧快速稳定化”技术对华明简易填埋场进行治理。鉴于项目地下水位较浅，垃圾含水率高，氧气输送难度大，常规输氧曝气难以实现高效氧化稳定化，因此拟采用分层曝气系统，采用开花管的方式设置通风曝气孔，并与填埋气导排系统联合，构成曝气-抽气联动系统，提高输氧曝气效率。现场进行网格布置10口分层曝气井，井间距为20 m，与填埋气导气井间距约为15 m。项目组于2019年1月起进场施工，2019年5月正式启动好氧曝气工作。

在生活垃圾填埋场释放的温室气体中，甲烷对温室效应的贡献率最大，在好氧治理过程中的削减效果也较为显著。尽管填埋场好氧过程可由于氮素形态转化而产生一定的氧化亚氮，但由于其浓度占比较低，且释放通量随着填埋龄的增加而大幅降低，故不作为本研究的主要研究对象。

结合国内外研究情况与本试验条件，为更准确的描述甲烷削减量的变化，获得更有效的信息，本试验选取BDM、纤维素（C）、木质素（L）、动态呼吸指数（DRI）、COD、BOD5、堆体沉降、垃圾有机质含量等指标作为模型的特征指标输入参数。

试验从开始好氧通气后的15日开始进行取样位置相关指标的测定，取300天内的数据。试验检测指标及方法参考《土工试验方法标准》GB/T 50123、《生活垃圾填埋场降解治理的监测与监测》GB/T 23857以及《生活垃圾渗沥液检测方法》CJ/T 428相关要求，主要测定方法及取样频率见表1。

表1 特征指标检测方法及取样频率

1）数据标准化。

采用下式，对垃圾堆体的所有特征指标数据进行标准化处理。

2）相关系数矩阵计算。

对标准化后的数据，采用下式计算相关系数矩阵。

3 ）计算主成分贡献率及累计贡献率。

某个主成分的贡献率为：

主成分的累计贡献率为：

计算出主成分的特征值后，提取特征值大于1的所有主成分，并根据下式计算各主成分载荷，即可求得各主成分表达式：

多元线性回归模型计算方式：

碳减排总量计算方式：

本研究取样区域为华明项目填埋I区的试验单元，该区域填埋龄约2年，平均密度为689 kg/m­3。平均垃圾组分、物化特性及渗沥液物化特性见表2、表3及表4。

表2 垃圾组分分析

表3 垃圾物化特性分析

表4 垃圾渗沥液物化特性分析

由上表可知，华明简易垃圾填埋场中垃圾组分以塑料橡胶及纺织类物品为主，占比分别为36.74 %及31.26 %。此外，纸类垃圾也占有较大比重，为16.6 %，还含有少部分的砖瓦陶瓷类、金属类以及其他腐殖质成分，总占比约为垃圾质量分数的15 %。在垃圾理化特性方面，垃圾平均含水率为58.94 %，挥发分占比较高，为44.48 %，有机质含量为28.74 %，木质素含量占26.57 %，垃圾整体具有较高的可生化性。原因主要为华明简易垃圾填埋场的垃圾以居民日常生活垃圾为主，而且垃圾填埋时间较短，垃圾腐熟程度较低。

华明简易垃圾填埋场经过300天好氧修复试验后，场内主要监测数据见图1所示：

图1 治理过程中各项监测指标

（a: BDM；b:有机质；c: C/L；d: B/C）

在填埋场好氧修复期间，填埋场内环境由厌氧逐渐向好氧转变，同时填埋场内将发生有机物降解、微生物快速繁殖以及分解代谢等一系列理化生物过程。填埋场内的好氧微生物将通过呼吸作用以及合成代谢作用将垃圾中的大分子有机物转化为小分子有机物并最终代谢为H ₂ O、CO ₂ 及能量。同时，填埋场内物质相对复杂，BDM、C/L以及有机质含量可以较为准确的反应填埋场中垃圾的降解情况。

由图1 (a)~(c) 可以看出，垃圾堆体进行好氧稳定化期间，垃圾BDM、C/L及有机质均显著下降。其中，填埋场中垃圾平均BDM从38.65下降至5.23；C/L从1.83下降至0.22；有机质从28.74下降至10.62。数据表明，经过300天的好氧修复，填埋场内有机物质基本被消耗了，而填埋场中的一些难降解有机质(如：纤维素、木质素)降解效率较低，微生物好氧分解效率并不高，好氧修复效果并不明显。类似的情况在奥地利的Austrian landfill、武汉金口老港填埋场等国内外填埋场中得以验证。

填埋场中的BOD ₅ 以及COD比值（即B/C）也是反应填埋场内填埋物生化指标的重要表征数据之一。在给垃圾堆体进行好氧稳定化治理后，产生的渗沥液的水质发生显著的变化，渗滤液的可生化性明显降低，COD与BOD ₅ 的随时间变化的趋势基本同步。在经过12个月的修复治理后，渗滤液中的COD浓度低于800 mg/L，COD的削减率达到93%，BOD5浓度低于100 mg/L，BOD ₅ 的削减率达到98.6%。渗滤液中COD与BOD5呈显著正相关，相关系数r为0.965，P < 0.01。在进行好氧稳定化修复250天后，渗沥液的B/C值低于0.1。

现阶段国内外学者对填埋场好氧修复过程中影响甲烷削减的因素并无统一的判定标准，目前普遍认为甲烷的削减除了由厌氧逐步转换为好氧的生物学因素外，甲烷削减还会受到垃圾堆体的工程力学特性、垃圾降解生化特性以及垃圾渗沥液生化特性等参数变化的影响。填埋场好氧加速稳定过程中，垃圾中的可降解固相物质在微生物的作用下分解成小分子有机物、水和填埋气等，导致其固相质量损失、工程力学特性改变，引起堆体沉降，沉降又可改变堆体的孔隙度与渗透率，影响堆体内部气液交换及好氧/厌氧状态，进而改变了甲烷的产生环境。随着填埋时间的推进，堆填垃圾的有机质含量逐渐降低，垃圾中纤维素、木质素的含量将发生变化，垃圾可生化性、呼吸指数等参数也发生改变，进而影响产气速率。此外，垃圾加速稳定过程产生的渗沥液中蕴含大量的有机物与微生物，渗沥液的COD和BOD ₅ 等参数的改变将影响垃圾堆体反应进程，进而影响产气状态。项目以期通过对以上指标进行主成分分析，以计算并预测堆体内甲烷削减规律。

主成分分析法作为一种多指标统计方法，能够在尽可能保留原始数据蕴含信息的基础上，对高维的数据变量进行降维。同时，主成分分析法能够客观的确定各个参数指标的权重，并通过正交变换等方式避免了原始数据间的共线性，因此可作为变量处理与简化的有效手段。目前，主成分分析法已在计算机、经济等领域有了广泛的应用，并在环保领域有一定的探索。

现运用SPSS 26软件对华明项目好氧过程的特征指标参数进行主成分分析。对特征指标的初步分析结果表明，参数共线性统计量VIF普遍大于10，部分特征指标的VIF大于50，说明特征指标存在严重的多重共线性问题，若此时采用多元回归建模，会导致分析结果不稳定，甚至出现回归系数的符号与实际情况完全相反的情况，因此考虑利用主成分回归模型进行优化。按照主成分分析法的步骤，对华明项目好氧修复过程中的特征指标进行主成分分析，得到2个特征值大于1的主成分，计算结果见表5、表6。

表5 特征指标前2个主成分的贡献率

表6 特征指标前2个主成分的特征向量

根据以上计算，可得出2个主成分y ₁ 与y ₂ 的表达式分别为：

主成分表达式中的特征指标均为标准化处理后的数据，2个主成分的累积贡献率为95.194 %。通过对主成分计算，消除了原特征指标之间的相关性，如果主成分的数量大于1，即可利用主成分对堆体内的甲烷浓度进行回归分析，建立多元线性回归模型。

根据2.3节得出的主成分表达式结果，对堆体甲烷浓度用主成分进行拟合预测，得到的回归方程为：

方程方差分析的结果见表7 ，回归系数的参数估计及假设检验的结果见表8。

表7 回归方程的方差分析

表8 回归系数的参数估计及假设检验

由表7可知，回归方程的显著性水平远小于0.05，回归效果显著。通过回归方程可以计算出甲烷浓度削减的预测值，将其与实测值的比较，结果如表9所示。可以看出，除第30天、60天及165天的数据外，其他甲烷浓度削减计算值与实测值的偏差均在2%以内，即拟合度在98%以上。由此可以说明，通过该模型计算出的垃圾堆体内甲烷浓度削减的预测值可较为准确的反映华明项目甲烷浓度削减的实际情况，该模型的回归效果较理想。

表9 甲烷浓度削减计算值与实测值比较

将通过模型得出的甲烷浓度削减计算值带入式（9），甲烷的二氧化碳当量取25，可算出华明项目试验单元通过好氧工艺可减排的温室气体减排量（折算成二氧化碳）为8547.907  tCO ₂ 。

随着好氧修复进程的推进（第210天以后），垃圾堆体内部甲烷浓度逐渐降至5 %以下，甲烷浓度的绝对值较低。此时，受填埋堆体内部局部不均匀降解环境及填埋场内部水气运移等条件的影响，使甲烷浓度的实测值数据波动变大，这也可以在治理前后甲烷空间分布图（图2）中得以印证。

图2 堆体治理前后甲烷空间分布图（a：治理前；b：治理后）

从图上可以看出，随着垃圾堆体的逐渐稳定，实测甲烷浓度波动加大，单个数值容易出现失真问题，这也表征为甲烷浓度的模型预测值与实测值平均值的数值趋于接近，而单个数值的绝对误差减小、相对误差逐渐增大。此时，通过模型预测出的甲烷浓度可能更接近堆体的平均甲烷浓度。也就是说，当填埋场好氧进程不断推进，由模型计算出的甲烷浓度可能更贴近堆体内部的实际情况。因此，将该模型进一步修改完善后，该模型有望成为好氧修复过程中甲烷气体浓度实测值的修正依据，也可成为填埋场堆体稳定化状态特征值甲烷浓度的判断参考。

（1）通过提取垃圾填埋场好氧修复过程中的堆体工程力学特性、垃圾降解生化特性以及垃圾渗沥液生化特性等特征指标，构建了主成分回归模型，可进一步表征填埋场好氧修复过程中特征指标与甲烷浓度削减之间的变化规律，也为好氧修复过程中数据数字化可视预测提供了一定的理论基础。

（2）在天津华明简易填埋场好氧修复项目上对模型进行了模拟与检验。通过华明项目的特征指标提取了两个有效的主成分，并构建了基于主成分的甲烷浓度削减表达式。通过验证可知该模型的回归效果显著，计算值与实测值的拟合程度达到98 %以上，因此该模型可对堆体甲烷浓度削减规律进行有效表征。

（3）该模型的实用意义是，随着填埋场好氧修复进程的推进，实测甲烷浓度波动加大，单个数值容易出现失真问题，而通过模型预测出的甲烷浓度可能更接近堆体的平均甲烷浓度。因此，进一步修改完善后的模型有望成为好氧修复过程中甲烷浓度实测值的修正依据，也可成为填埋场堆体稳定化状态特征值甲烷浓度的判断参考。