填埋場甲烷抑制工藝對甲烷釋放的影響研究

辛丹慧，趙由才，柴曉利

（1.同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海市200092；2.污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海市200092）

填埋場甲烷抑制工藝對甲烷釋放的影響研究

辛丹慧1，2，趙由才1，2，柴曉利1，2

（1.同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海市200092；2.污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海市200092）

分別在冬季與夏季對厭氧工藝與甲烷抑制工藝下的填埋氣收集管中甲烷濃度、填埋體內(nèi)部甲烷濃度及填埋氣釋放通量進行了測定，發(fā)現(xiàn)冬季填埋體內(nèi)部甲烷濃度明顯低于夏季，甲烷抑制單元的填埋體內(nèi)部甲烷濃度、甲烷釋放通量明顯低于厭氧單元，說明甲烷抑制工藝可有效抑制填埋場甲烷的產(chǎn)生與釋放。

填埋場；甲烷；甲烷抑制工藝；厭氧工藝；氣象條件

溫室效應(yīng)所導(dǎo)致的全球性氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)重威脅[1]。甲烷(CH4)作為一種重要的溫室氣體，大氣濃度為1 800 ppb[2]，比1750年上升了150%，是溫室氣體中上升最快的一種[3]。甲烷的全球增溫潛勢(Global Warming Potential)是二氧化碳的25倍[4]，對全球溫室效應(yīng)的綜合貢獻率達20%。因此，如何有效地實現(xiàn)甲烷的減排對緩解溫室效應(yīng)具有重要作用。

隨著城市化發(fā)展與人類生活水平的提高，垃圾產(chǎn)生量急劇增加。填埋作為傳統(tǒng)的主要垃圾處置工藝，每千克干垃圾可產(chǎn)生0.01～0.13 m3的甲烷[5－6]，全球填埋場甲烷的年排放量達6.1×107t[7]，占全球甲烷總排放量的比例達到12%[8]，垃圾填埋場成為第三大人為甲烷釋放源。

自1975年日本第一次提出準(zhǔn)好氧填埋場的概念以來，目前日本有80%的填埋場利用準(zhǔn)好氧填埋技術(shù)進行填埋[9]。準(zhǔn)好氧填埋的主要原理為通過滲濾液收集管的不滿流設(shè)計，在垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的溫差下，達到填埋堆體的無動力供氧，實現(xiàn)垃圾的準(zhǔn)好氧降解。該工藝的主要優(yōu)點為該工藝降低了滲濾液產(chǎn)生量、改善了滲濾液水質(zhì)；加快垃圾降解速度，縮短了填埋場穩(wěn)定化進程；與傳統(tǒng)厭氧填埋相比，甲烷產(chǎn)生量降低了59%；有毒有害氣體易于排出，增強了填埋場安全性[10]。本研究基于準(zhǔn)好氧填埋場的基本機理，結(jié)合本課題組研發(fā)的風(fēng)帽無動力通風(fēng)技術(shù)與礦化垃圾覆蓋工藝，建設(shè)了甲烷減排技術(shù)示范工程[9]。由于氣象條件對準(zhǔn)好氧填埋場氧氣的供給產(chǎn)生重要影響，且溫度為填埋場甲烷產(chǎn)生與氧化過程的主要影響因素，本研究通過對比與分析冬夏兩季填埋場厭氧單元與甲烷抑制單元的內(nèi)部甲烷濃度、甲烷釋放通量，查看了季節(jié)變化對不同填埋工藝下甲烷產(chǎn)生與釋放的影響，驗證了甲烷抑制工藝對甲烷產(chǎn)生與釋放過程的抑制效果。

1 材料與方法

1.1 實驗時間與地點

上海市老港生活垃圾填埋場自1990年開始運營，占地面積約為300 hm2，日消納垃圾6～8 kt，是我國規(guī)模最大的灘涂型城市生活垃圾填埋場。本實驗在老港填埋場的42#甲烷減排技術(shù)示范工程地開展；實驗期間示范工程單元的垃圾填埋時間分別為2.5年（冬季）與3年（夏季）。甲烷減排技術(shù)示范工程分為厭氧單元與甲烷抑制單元，單元庫容約為5 000 m3，其工藝構(gòu)造如圖1所示。甲烷抑制工藝與傳統(tǒng)厭氧工藝的主要區(qū)別為，甲烷抑制工藝單元的填埋氣導(dǎo)排管頂部設(shè)置了風(fēng)帽，導(dǎo)排管與滲濾液收集管相通，用礦化垃圾代替?zhèn)鹘y(tǒng)填埋場覆蓋土。

圖1 甲烷抑制填埋工藝構(gòu)造

1.2 填埋氣測定方法

1)填埋體內(nèi)部填埋氣組成。垃圾層內(nèi)部填埋氣組成的測定方法如圖2所示：首先用鉆桿打孔至80 cm深，將氣體收集管插入孔中；待收集1 h填埋氣后，利用便攜式填埋場氣象色譜(GA2000,Geotech, UK)分析填埋氣組成。

2)填埋氣釋放通量。用靜態(tài)箱法測定填埋場填埋氣釋放通量。本實驗用靜態(tài)箱規(guī)格為直徑1 m、高0.5 m的圓柱型靜態(tài)箱。通量箱為底部敞開、頂部密封的樹脂玻璃箱，底座部分用鋒利的不銹鋼圓環(huán)制成。通量箱內(nèi)部安裝了小風(fēng)扇以確保通量箱內(nèi)甲烷濃度均勻分布，安裝溫度計，記錄溫度變化；通量箱頂部開2個直徑為3 cm的圓孔，1個孔連接2 L的集氣袋平衡氣壓，另外一個孔供取樣用。

圖2 填埋體內(nèi)部填埋氣組成測定方法

現(xiàn)場測定填埋場填埋氣通量的步驟如下：首先，將通量箱固定于測定點，并用水密封連接處，形成密閉、固定結(jié)構(gòu)。然后，每隔30 min進行采樣，連續(xù)取5次，記錄時間和溫度。采集的氣體樣品帶回實驗室，用氣象色譜(Micro GC 3000,Agilent,USA)分析填埋氣的組成，計算甲烷與二氧化碳的通量。當(dāng)填埋氣濃度與時間相關(guān)性系數(shù)r為0.9以上時取其通量值，反之舍去[6]。

1.3 氣象數(shù)據(jù)測定方法

用美國Global公司生產(chǎn)的微型氣象工作站(Global Water IIIB，A Xylem brand，USA)同步測定太陽輻射、大氣溫度、大氣相對濕度、風(fēng)速等參數(shù)，研究氣象條對收集管中甲烷濃度的影響。

1.4 微生物測定方法

1)甲烷氧化菌與硫酸鹽還原菌。取5 g新鮮覆蓋土樣品于100 mL潔凈的帶蓋塑料瓶中，加入45 mL已滅菌的生理鹽水；在轉(zhuǎn)速為600 r/min條件下磁力攪拌1 h，靜置片刻后取上清液進行甲烷氧化菌和硫酸鹽還原菌的測定。甲烷氧化菌用滾管計數(shù)法、硫酸鹽還原菌用絕跡稀釋法進行測定。

2)鐵還原菌。取10 g新鮮土樣和90 mL滅菌蒸餾水，制備土壤懸濁液，在200 rpm轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，靜置后取上清液，采用絕跡稀釋法進行測定。微生物的測定均采用三管法（每個水樣、每個稀釋倍數(shù)做3次平行試驗）。

1.5 統(tǒng)計與分析方法

用Pearson相關(guān)分析法研究氣象因素與甲烷濃度的相關(guān)性，設(shè)顯著性水平為 0.05，進行雙邊t檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣象條件對收集管中甲烷濃度的影響

填埋時間為2.5 a時，冬季甲烷抑制單元的填埋氣收集管中已檢測不到甲烷；填埋時間為3 a時，夏季甲烷抑制單元與厭氧單元的填埋氣收集管中均未檢測到甲烷，表明甲烷抑制單元的穩(wěn)定化進程比厭氧單元快。厭氧單元填埋時間為3 a的收集管中甲烷濃度低，一方面是由于此時填埋場已進入產(chǎn)甲烷末期，甲烷產(chǎn)生量較少；另一方面是由于夏季降雨量較大，垃圾堆體的底部被雨水浸沒，抑制了甲烷的產(chǎn)生。

由于氣象條件對填埋氣的產(chǎn)生與釋放具有重要影響，對填埋時間2.5 a的厭氧單元收集管甲烷濃度與氣象條件中太陽輻射、大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速的相關(guān)性進行了分析，結(jié)果如圖3所示。厭氧單元填埋氣收集管中甲烷濃度為7.0%～11.5%，呈現(xiàn)明顯的晝夜變化；日間甲烷濃度顯著高于夜間，10:00～12:00甲烷濃度達到最大值，在凌晨03:00左右出現(xiàn)最低值。對填埋氣收集管中甲烷濃度與氣象條件進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)甲烷濃度與太陽輻射、大氣溫度、風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別高達0.960（p＜0.01）、0.909（p＜0.05）、0.963（p＜0.01），與相對濕度呈顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.893（p＜0.05），表明氣象條件對填埋場中甲烷的釋放有著重要影響。氣象條件中大氣溫度隨著太陽輻射的升高而增大，溫度主要通過產(chǎn)甲烷菌活性與甲烷擴散效率影響收集管中甲烷濃度；風(fēng)速與相對濕度對填埋氣收集效率產(chǎn)生影響，風(fēng)速越高、相對濕度越低，越有利于填埋氣收集。

圖3 氣象條件對填埋氣收集管中甲烷濃度的影響

2.2 填埋工藝對不同季節(jié)甲烷產(chǎn)生與釋放的影響

填埋堆體內(nèi)部甲烷濃度可間接表示該點的甲烷產(chǎn)生量。為了解填埋堆體內(nèi)部甲烷的濃度分布，在填埋時間為2.5 a的冬季與填埋時間為3 a的冬季，對厭氧單元與甲烷抑制單元填埋體內(nèi)部80 cm處甲烷濃度進行了測定。如表1所示，相同時間同一填埋體內(nèi)部的甲烷濃度差別較大，而垃圾不均勻性是造成甲烷濃度分布差異的主要原因。冬季厭氧填埋工藝和甲烷抑制填埋工藝單元內(nèi)部甲烷濃度分別為31.74±23.21%、0.75±1.12%，夏季分別為56.08±12.16%、6.58±9.79%，甲烷抑制單元的甲烷濃度顯著低于厭氧單元，冬季甲烷濃度顯著低于夏季，說明填埋工藝對甲烷濃度具有決定性影響，且在同一填埋單元內(nèi)溫度為影響甲烷濃度的主要因素。對比兩種填埋單元甲烷釋放通量（表2），發(fā)現(xiàn)甲烷抑制單元幾乎檢測不到甲烷釋放通量，表明甲烷抑制單元的甲烷抑制效果明顯。

表1 填埋單元內(nèi)部甲烷濃度 %

表2 填埋單元甲烷釋放通量 mol/（m2·h)

甲烷抑制工藝可通過以下三方面抑制表面甲烷的釋放：1)填埋氣導(dǎo)排管與滲濾液收集管相通，形成準(zhǔn)好氧填埋結(jié)構(gòu)，使填埋垃圾在準(zhǔn)好氧條件下快速降解，并促進了甲烷向二氧化碳轉(zhuǎn)化，從而抑制了甲烷的釋放。由于垃圾降解過程為放熱反應(yīng)，填埋體內(nèi)部溫度通常大于外界溫度,空氣在熱壓通風(fēng),即“煙囪效應(yīng)”下進入垃圾層,使垃圾在準(zhǔn)好氧條件下降解[11]。2)導(dǎo)排管頂部風(fēng)帽增強了系統(tǒng)通風(fēng)效果，改善了外界氣象條件變化導(dǎo)致的不穩(wěn)定性，加快了填埋場準(zhǔn)好氧環(huán)境的形成。有研究對比了安裝與卸下風(fēng)帽時的甲烷濃度，發(fā)現(xiàn)甲烷從6.14%增大為16.12%；當(dāng)風(fēng)速為8 m/s時,風(fēng)帽的作用增強,甲烷濃度從最初的15%降低為5%以下[12]。3)利用礦化垃圾代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土壤覆蓋層,加強了覆蓋層甲烷氧化活性。研究表明礦化垃圾是一種微生物種類繁多、多相多孔的介質(zhì)；礦化垃圾長期處于富含甲烷的環(huán)境中,為甲烷氧化菌提供良好的生長環(huán)境[9,13]。

夏季填埋單元內(nèi)部甲烷濃度均顯著高于冬季，主要原因為夏季溫度高，堆體內(nèi)部產(chǎn)甲烷微生物的活性強，提高了甲烷產(chǎn)生量。研究表明產(chǎn)甲烷菌對溫度極為敏感，多數(shù)產(chǎn)甲烷菌是中溫菌，溫度為15～35℃時保持相對較高的活力；產(chǎn)甲烷菌在最適溫度下活性最高，偏離最適溫度時產(chǎn)甲烷活性受到不同程度的抑制[14－15]。堆體內(nèi)部甲烷濃度測定實驗過程中，夏季與冬季平均溫度分別為26℃與7℃，夏季溫度條件明顯有利于甲烷的產(chǎn)生。

兩種填埋工藝下的覆蓋層甲烷氧化菌、硫酸鹽還原菌與鐵還原菌含量如表3所示。盡管甲烷抑制單元的甲烷產(chǎn)生量明顯低于厭氧單元，夏季甲烷抑制單元覆蓋層中的甲烷氧化菌數(shù)量比厭氧單元大一個數(shù)量級，說明礦化垃圾為甲烷氧化菌生長提供了良好的環(huán)境，礦化垃圾中的甲烷氧化活性較強。夏季覆蓋層甲烷氧化菌數(shù)量比冬季大一倍，一方面是由于甲烷氧化菌的生長與氧化活性受溫度影響；另一方面，甲烷為甲烷氧化菌的唯一碳源與能源，而冬季甲烷產(chǎn)生量顯著降低，進而影響了甲烷氧化菌的生長。因此，甲烷抑制工藝不僅通過形成準(zhǔn)好氧環(huán)境降低了甲烷的產(chǎn)生量，而且以礦化垃圾作為覆蓋層，增加了甲烷氧化活性，有效抑制了甲烷的釋放。

表3 覆蓋層微生物數(shù)量 cfu/g干土

甲烷抑制工藝覆蓋土中硫酸鹽還原菌的數(shù)量為1.14×103～1.14×105cfu/g干土，比厭氧工藝中的1.20× 104～1.86×106cfu/g干土小一個數(shù)量級，說明甲烷抑制填埋工藝覆蓋土松散、孔隙度較大，空氣易進入內(nèi)部，抑制了厭氧的硫酸鹽還原菌的生長。冬季厭氧工藝和甲烷抑制工藝覆蓋土中鐵還原細菌的數(shù)量分別為9.30×104～5.30×105cfu/g干土、3.03×105～7.97×105cfu/g干土；夏季厭氧工藝和甲烷抑制工藝覆蓋土中鐵還原細菌的數(shù)量分別為6.00×105～6.60×105cfu/g干土、3.20×105～3.70×105干土。兩種填埋工藝覆蓋土中鐵還原細菌的數(shù)量無明顯的變化規(guī)律，這主要是因為鐵還原細菌的含量不僅與覆蓋土氧化還原電位有關(guān)，還與覆蓋土中Fe3+，F(xiàn)e2+含量有著密切聯(lián)系。

3 結(jié)論

綜上，通過冬、夏兩季對厭氧工藝與甲烷抑制工藝下的填埋氣收集管中甲烷濃度、填埋體內(nèi)部甲烷濃度及填埋氣釋放通量進行了測定，發(fā)現(xiàn)冬季填埋體內(nèi)部甲烷濃度明顯低于夏季，甲烷抑制單元的填埋體內(nèi)部甲烷濃度、甲烷釋放通量明顯低于厭氧單元，說明甲烷抑制工藝可有效抑制填埋場甲烷的產(chǎn)生與釋放。甲烷抑制工藝通過填埋場無動力通風(fēng)技術(shù)形成垃圾準(zhǔn)好氧環(huán)境，能降低甲烷產(chǎn)生量，并通過礦化垃圾加強甲烷氧化過程，抑制了甲烷的釋放，是一種有效的填埋場甲烷抑制工藝。

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The Impact of Landfill Technology on the Methane Generation and Emission Under Different Climate Conditions

XIN Danhui1，2,ZHAO Youcai1，2,CHAI Xiaoli1，2

(1.College of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai,200092,China; 2.State key laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,Shanghai,200092,China)

Methane concentration of landfill gas collection pipe,internal methane concentration and landfill gas flux were investigated in winter and summer seasons respectively at the anaerobic landfill cell and methane control landfill cell.The results showed that the internal methane concentration is significantly lower in winter than summer,and both the internal methane concentration and methane flux were lower in the methane control cell than the anaerobic cell,indicating that methane control technology can effectively inhibit landfill methane generation and emission.

landfill;methane;methane control technology;anaerobic technology;climate conditions

X705

A

1004－4345(2015)02－0046－04

2015－03－20

上海市國際科技合作項目，基于交替式厭氧/好氧填埋工藝的溫室氣體減排與污染控制技術(shù)研究(13520722500)。

辛丹慧(1990—),女,碩士研究生,研究方向為固體廢物處理處置與資源化。

柴曉利，教授，工學(xué)博士，E－mail:xlchai＠#edu.cn