填埋场甲烷抑制工艺对甲烷释放的影响研究

辛丹慧，赵由才，柴晓利

（1.同济大学 环境科学与工程学院，上海市200092；2.污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海市200092）

填埋场甲烷抑制工艺对甲烷释放的影响研究

辛丹慧1，2，赵由才1，2，柴晓利1，2

（1.同济大学 环境科学与工程学院，上海市200092；2.污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海市200092）

分别在冬季与夏季对厌氧工艺与甲烷抑制工艺下的填埋气收集管中甲烷浓度、填埋体内部甲烷浓度及填埋气释放通量进行了测定，发现冬季填埋体内部甲烷浓度明显低于夏季，甲烷抑制单元的填埋体内部甲烷浓度、甲烷释放通量明显低于厌氧单元，说明甲烷抑制工艺可有效抑制填埋场甲烷的产生与释放。

填埋场；甲烷；甲烷抑制工艺；厌氧工艺；气象条件

温室效应所导致的全球性气候变化和生态环境问题已经成为21世纪人类面临的严重威胁[1]。甲烷(CH4)作为一种重要的温室气体，大气浓度为1 800 ppb[2]，比1750年上升了150%，是温室气体中上升最快的一种[3]。甲烷的全球增温潜势(Global Warming Potential)是二氧化碳的25倍[4]，对全球温室效应的综合贡献率达20%。因此，如何有效地实现甲烷的减排对缓解温室效应具有重要作用。

随着城市化发展与人类生活水平的提高，垃圾产生量急剧增加。填埋作为传统的主要垃圾处置工艺，每千克干垃圾可产生0.01～0.13 m3的甲烷[5－6]，全球填埋场甲烷的年排放量达6.1×107t[7]，占全球甲烷总排放量的比例达到12%[8]，垃圾填埋场成为第三大人为甲烷释放源。

自1975年日本第一次提出准好氧填埋场的概念以来，目前日本有80%的填埋场利用准好氧填埋技术进行填埋[9]。准好氧填埋的主要原理为通过渗滤液收集管的不满流设计，在垃圾发酵产生的温差下，达到填埋堆体的无动力供氧，实现垃圾的准好氧降解。该工艺的主要优点为该工艺降低了渗滤液产生量、改善了渗滤液水质；加快垃圾降解速度，缩短了填埋场稳定化进程；与传统厌氧填埋相比，甲烷产生量降低了59%；有毒有害气体易于排出，增强了填埋场安全性[10]。本研究基于准好氧填埋场的基本机理，结合本课题组研发的风帽无动力通风技术与矿化垃圾覆盖工艺，建设了甲烷减排技术示范工程[9]。由于气象条件对准好氧填埋场氧气的供给产生重要影响，且温度为填埋场甲烷产生与氧化过程的主要影响因素，本研究通过对比与分析冬夏两季填埋场厌氧单元与甲烷抑制单元的内部甲烷浓度、甲烷释放通量，查看了季节变化对不同填埋工艺下甲烷产生与释放的影响，验证了甲烷抑制工艺对甲烷产生与释放过程的抑制效果。

1 材料与方法

1.1 实验时间与地点

上海市老港生活垃圾填埋场自1990年开始运营，占地面积约为300 hm2，日消纳垃圾6～8 kt，是我国规模最大的滩涂型城市生活垃圾填埋场。本实验在老港填埋场的42#甲烷减排技术示范工程地开展；实验期间示范工程单元的垃圾填埋时间分别为2.5年（冬季）与3年（夏季）。甲烷减排技术示范工程分为厌氧单元与甲烷抑制单元，单元库容约为5 000 m3，其工艺构造如图1所示。甲烷抑制工艺与传统厌氧工艺的主要区别为，甲烷抑制工艺单元的填埋气导排管顶部设置了风帽，导排管与渗滤液收集管相通，用矿化垃圾代替传统填埋场覆盖土。

图1 甲烷抑制填埋工艺构造

1.2 填埋气测定方法

1)填埋体内部填埋气组成。垃圾层内部填埋气组成的测定方法如图2所示：首先用钻杆打孔至80 cm深，将气体收集管插入孔中；待收集1 h填埋气后，利用便携式填埋场气象色谱(GA2000,Geotech, UK)分析填埋气组成。

2)填埋气释放通量。用静态箱法测定填埋场填埋气释放通量。本实验用静态箱规格为直径1 m、高0.5 m的圆柱型静态箱。通量箱为底部敞开、顶部密封的树脂玻璃箱，底座部分用锋利的不锈钢圆环制成。通量箱内部安装了小风扇以确保通量箱内甲烷浓度均匀分布，安装温度计，记录温度变化；通量箱顶部开2个直径为3 cm的圆孔，1个孔连接2 L的集气袋平衡气压，另外一个孔供取样用。

图2 填埋体内部填埋气组成测定方法

现场测定填埋场填埋气通量的步骤如下：首先，将通量箱固定于测定点，并用水密封连接处，形成密闭、固定结构。然后，每隔30 min进行采样，连续取5次，记录时间和温度。采集的气体样品带回实验室，用气象色谱(Micro GC 3000,Agilent,USA)分析填埋气的组成，计算甲烷与二氧化碳的通量。当填埋气浓度与时间相关性系数r为0.9以上时取其通量值，反之舍去[6]。

1.3 气象数据测定方法

用美国Global公司生产的微型气象工作站(Global Water IIIB，A Xylem brand，USA)同步测定太阳辐射、大气温度、大气相对湿度、风速等参数，研究气象条对收集管中甲烷浓度的影响。

1.4 微生物测定方法

1)甲烷氧化菌与硫酸盐还原菌。取5 g新鲜覆盖土样品于100 mL洁净的带盖塑料瓶中，加入45 mL已灭菌的生理盐水；在转速为600 r/min条件下磁力搅拌1 h，静置片刻后取上清液进行甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌的测定。甲烷氧化菌用滚管计数法、硫酸盐还原菌用绝迹稀释法进行测定。

2)铁还原菌。取10 g新鲜土样和90 mL灭菌蒸馏水，制备土壤悬浊液，在200 rpm转速下搅拌30 min，静置后取上清液，采用绝迹稀释法进行测定。微生物的测定均采用三管法（每个水样、每个稀释倍数做3次平行试验）。

1.5 统计与分析方法

用Pearson相关分析法研究气象因素与甲烷浓度的相关性，设显著性水平为 0.05，进行双边t检验。

2 结果与讨论

2.1 气象条件对收集管中甲烷浓度的影响

填埋时间为2.5 a时，冬季甲烷抑制单元的填埋气收集管中已检测不到甲烷；填埋时间为3 a时，夏季甲烷抑制单元与厌氧单元的填埋气收集管中均未检测到甲烷，表明甲烷抑制单元的稳定化进程比厌氧单元快。厌氧单元填埋时间为3 a的收集管中甲烷浓度低，一方面是由于此时填埋场已进入产甲烷末期，甲烷产生量较少；另一方面是由于夏季降雨量较大，垃圾堆体的底部被雨水浸没，抑制了甲烷的产生。

由于气象条件对填埋气的产生与释放具有重要影响，对填埋时间2.5 a的厌氧单元收集管甲烷浓度与气象条件中太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速的相关性进行了分析，结果如图3所示。厌氧单元填埋气收集管中甲烷浓度为7.0%～11.5%，呈现明显的昼夜变化；日间甲烷浓度显著高于夜间，10:00～12:00甲烷浓度达到最大值，在凌晨03:00左右出现最低值。对填埋气收集管中甲烷浓度与气象条件进行相关性分析，发现甲烷浓度与太阳辐射、大气温度、风速呈显著正相关，相关系数分别高达0.960（p＜0.01）、0.909（p＜0.05）、0.963（p＜0.01），与相对湿度呈显著的负相关，相关系数为－0.893（p＜0.05），表明气象条件对填埋场中甲烷的释放有着重要影响。气象条件中大气温度随着太阳辐射的升高而增大，温度主要通过产甲烷菌活性与甲烷扩散效率影响收集管中甲烷浓度；风速与相对湿度对填埋气收集效率产生影响，风速越高、相对湿度越低，越有利于填埋气收集。

图3 气象条件对填埋气收集管中甲烷浓度的影响

2.2 填埋工艺对不同季节甲烷产生与释放的影响

填埋堆体内部甲烷浓度可间接表示该点的甲烷产生量。为了解填埋堆体内部甲烷的浓度分布，在填埋时间为2.5 a的冬季与填埋时间为3 a的冬季，对厌氧单元与甲烷抑制单元填埋体内部80 cm处甲烷浓度进行了测定。如表1所示，相同时间同一填埋体内部的甲烷浓度差别较大，而垃圾不均匀性是造成甲烷浓度分布差异的主要原因。冬季厌氧填埋工艺和甲烷抑制填埋工艺单元内部甲烷浓度分别为31.74±23.21%、0.75±1.12%，夏季分别为56.08±12.16%、6.58±9.79%，甲烷抑制单元的甲烷浓度显著低于厌氧单元，冬季甲烷浓度显著低于夏季，说明填埋工艺对甲烷浓度具有决定性影响，且在同一填埋单元内温度为影响甲烷浓度的主要因素。对比两种填埋单元甲烷释放通量（表2），发现甲烷抑制单元几乎检测不到甲烷释放通量，表明甲烷抑制单元的甲烷抑制效果明显。

表1 填埋单元内部甲烷浓度 %

表2 填埋单元甲烷释放通量 mol/（m2·h)

甲烷抑制工艺可通过以下三方面抑制表面甲烷的释放：1)填埋气导排管与渗滤液收集管相通，形成准好氧填埋结构，使填埋垃圾在准好氧条件下快速降解，并促进了甲烷向二氧化碳转化，从而抑制了甲烷的释放。由于垃圾降解过程为放热反应，填埋体内部温度通常大于外界温度,空气在热压通风,即“烟囱效应”下进入垃圾层,使垃圾在准好氧条件下降解[11]。2)导排管顶部风帽增强了系统通风效果，改善了外界气象条件变化导致的不稳定性，加快了填埋场准好氧环境的形成。有研究对比了安装与卸下风帽时的甲烷浓度，发现甲烷从6.14%增大为16.12%；当风速为8 m/s时,风帽的作用增强,甲烷浓度从最初的15%降低为5%以下[12]。3)利用矿化垃圾代替传统的土壤覆盖层,加强了覆盖层甲烷氧化活性。研究表明矿化垃圾是一种微生物种类繁多、多相多孔的介质；矿化垃圾长期处于富含甲烷的环境中,为甲烷氧化菌提供良好的生长环境[9,13]。

夏季填埋单元内部甲烷浓度均显著高于冬季，主要原因为夏季温度高，堆体内部产甲烷微生物的活性强，提高了甲烷产生量。研究表明产甲烷菌对温度极为敏感，多数产甲烷菌是中温菌，温度为15～35℃时保持相对较高的活力；产甲烷菌在最适温度下活性最高，偏离最适温度时产甲烷活性受到不同程度的抑制[14－15]。堆体内部甲烷浓度测定实验过程中，夏季与冬季平均温度分别为26℃与7℃，夏季温度条件明显有利于甲烷的产生。

两种填埋工艺下的覆盖层甲烷氧化菌、硫酸盐还原菌与铁还原菌含量如表3所示。尽管甲烷抑制单元的甲烷产生量明显低于厌氧单元，夏季甲烷抑制单元覆盖层中的甲烷氧化菌数量比厌氧单元大一个数量级，说明矿化垃圾为甲烷氧化菌生长提供了良好的环境，矿化垃圾中的甲烷氧化活性较强。夏季覆盖层甲烷氧化菌数量比冬季大一倍，一方面是由于甲烷氧化菌的生长与氧化活性受温度影响；另一方面，甲烷为甲烷氧化菌的唯一碳源与能源，而冬季甲烷产生量显著降低，进而影响了甲烷氧化菌的生长。因此，甲烷抑制工艺不仅通过形成准好氧环境降低了甲烷的产生量，而且以矿化垃圾作为覆盖层，增加了甲烷氧化活性，有效抑制了甲烷的释放。

表3 覆盖层微生物数量 cfu/g干土

甲烷抑制工艺覆盖土中硫酸盐还原菌的数量为1.14×103～1.14×105cfu/g干土，比厌氧工艺中的1.20× 104～1.86×106cfu/g干土小一个数量级，说明甲烷抑制填埋工艺覆盖土松散、孔隙度较大，空气易进入内部，抑制了厌氧的硫酸盐还原菌的生长。冬季厌氧工艺和甲烷抑制工艺覆盖土中铁还原细菌的数量分别为9.30×104～5.30×105cfu/g干土、3.03×105～7.97×105cfu/g干土；夏季厌氧工艺和甲烷抑制工艺覆盖土中铁还原细菌的数量分别为6.00×105～6.60×105cfu/g干土、3.20×105～3.70×105干土。两种填埋工艺覆盖土中铁还原细菌的数量无明显的变化规律，这主要是因为铁还原细菌的含量不仅与覆盖土氧化还原电位有关，还与覆盖土中Fe3+，Fe2+含量有着密切联系。

3 结论

综上，通过冬、夏两季对厌氧工艺与甲烷抑制工艺下的填埋气收集管中甲烷浓度、填埋体内部甲烷浓度及填埋气释放通量进行了测定，发现冬季填埋体内部甲烷浓度明显低于夏季，甲烷抑制单元的填埋体内部甲烷浓度、甲烷释放通量明显低于厌氧单元，说明甲烷抑制工艺可有效抑制填埋场甲烷的产生与释放。甲烷抑制工艺通过填埋场无动力通风技术形成垃圾准好氧环境，能降低甲烷产生量，并通过矿化垃圾加强甲烷氧化过程，抑制了甲烷的释放，是一种有效的填埋场甲烷抑制工艺。

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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

上海市国际科技合作项目，基于交替式厌氧/好氧填埋工艺的温室气体减排与污染控制技术研究(13520722500)。

辛丹慧(1990—),女,硕士研究生,研究方向为固体废物处理处置与资源化。

柴晓利，教授，工学博士，E－mail:xlchai＠tongji.edu.cn