提高填埋气体收集率的方法探讨

郭祥信

填埋气体是生活垃圾填埋场的主要气体污染源。填埋气体既是一种可以利用的能源，又是填埋场主要的臭味源和大气温室气体的排放源。提高填埋气体收集率和利用率对于节约能源、控制填埋场臭味、减小温室气体排放具有重要意义。本文通过对填埋气体产生规律和影响因素的论述以及对气体收集率影响因素的分析，提出了提高填埋气体收集率的方法。

一、概述

填埋气体是生活垃圾填埋场的主要气体污染源。填埋气体的主要成分是甲烷（体积浓度约55%-65%）、二氧化碳（体积浓度约35%-45%CO2），另外还有一些少量的气体，如氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢、氨和硫醇等，其中硫化氢、氨和硫醇等气体具有很强的臭味。因此填埋气体既是一种可以利用的能源，又是填埋场主要的臭味源和大气温室气体的排放源。提高填埋气体收集率和利用率对节约能源、控制填埋场臭味、减小温室气体排放具有重要意义。

填埋气体是垃圾中有机物厌氧发酵产生的气体，其产气周期比较长，且产气速率和产气量随时间变化较大，另外垃圾填埋场内的情况比较复杂，管理难度大，因此填埋气体的收集和利用难度也非常大，因此如何提高填埋气体的收集率是一个值得探讨的问题。以下，本文从几个方面对填埋气体收集率的提高方法进行了探讨和论证。

二、国内垃圾填埋场气体收集现状分析

填埋是我国生活垃圾处理的主要方式。上世纪90年代以前，国内大部分城市采用简易填埋方式，填埋气体均是自然排放，基本没有什么控制措施。90年代以来，国内逐步建设了一些卫生填埋场，简易的填埋场逐步被封场。这些卫生填埋场均设有填埋气体导排设施，大部分填埋场是将导出的填埋气体直接排空，只有少数填埋场在运行几年后建设了填埋气体利用设施或火炬燃烧系统。对于建设填埋气体利用或燃烧设施的填埋场，填埋气体的收集率和利用率（燃烧率）非常小，据估计气体收集率不到40%，没有被收集到的气体则通过不同渠道迁移至垃圾堆体以外，最后被排放到空气中。

三、垃圾填埋场填埋气体的产生规律

（一）有机物的厌氧分解过程

有机物的厌氧发酵包括有机酸发酵、甲烷发酵、氢发酵和甘醇发酵。在固体废弃物分解的过程中，主要是有机酸发酵和甲烷发酵，它们分阶段进行，发酵过程中产生甲烷和二氧化碳。

在第一阶段里，碳水化合物、脂肪、蛋白质等高分子有机物受到加水分解，进行低分子化，然后通过酶反应，利用这些有机单体中的氧生成甲酸、醋酸、酪酸之类的挥发性有机酸和乳酸、琥珀酸、a-katoyluaricacid酸之类的不挥发有机酸、乙醇等醇类、氨、氢、二氧化碳、硫化物等物质。参加这一发酵过程的菌群是共性厌氧细菌和绝对厌氧细菌，虽然会因菌种的不同，所产生的代谢产物也不同，但一般在偏性厌氧菌的有机酸发酵过程中，多数是生成挥发性脂肪酸。通常在此过程中，所产生的有机酸和二氧化碳被水溶解，使系统内的PH达到5-6，呈酸性，因此这一过程也称为酸性发酵过程。

当发酵进入第二阶段后，属于偏性厌氧菌的甲烷生成菌，代谢前一阶段生成的低分子有机物等，生成甲烷和二氧化碳。甲烷生成菌目前已被确认的有22菌株、菌的种类和可以利用的基质，种类比有机酸发酵过程要少得多，甲烷可利用的基质只有氧、二氧化碳、甲酸、醋酸、甲醇、甲基胺和三甲胺几种，其它的低级有机物一旦被可生成氢的醋酸盐转换成醋酸，就会被甲烷菌转化成甲烷。综上所述，甲烷菌可大致分为两类：一种是把二氧化碳还原，生成甲烷的；另一种是使醋酸酯羧化，生成二氧化碳和甲烷气体的。

（二）填埋气体产生的几个阶段

根据有机物的厌氧分解过程，填埋场内垃圾填埋气体的产生可分为四个阶段：

第一阶段为好氧阶段，该阶段发生于固体垃圾填埋的初期。该阶段的特点是：原存垃圾中氧气逐渐被耗尽，并伴随有CO2产生。当垃圾中无氧气存在时，垃圾发酵过程进入第二阶段，这一阶段是厌氧发酵，伴有H2和CO2产生并逐渐达到最大浓度，但无甲烷产生。在第二阶段之后，甲烷开始产生，并且浓度逐渐增大，甲烷菌活性有所提高，并耗尽垃圾中产生的H2，该阶段CO2的浓度逐渐下降，并逐渐趋于稳定值，这一阶段是第三阶段。随后，当甲烷和CO2趋于稳定后，垃圾发酵即进入了第四阶段，这一阶段中产气成分基本稳定。（图1）用气体成分的变化表示填埋气体产生的四个阶段。

实际上，以上所述的垃圾分解的四个过程，在填埋场内不是统一的按顺序进行的，而是基于垃圾所处周围环境条件相互交叉进行。例如，当有氧气侵入时，第Ⅲ、Ⅳ阶段的厌氧发酵就会停止，而第一阶段的好氧发酵就会重新进行，另外各个阶段所持续时间的长短也因填埋场环境状况、垃圾成分的不同而有所差异。一般来讲，前三个过程所用时间不大于一年，而第四个过程可持续十几年甚至几十年，因此通常所讲的垃圾填埋气体，指的是垃圾分解处在厌氧发酵甲烷产生稳定阶段时所产生的气体。

四、填埋气体产生的影响因素

（一）温度

一般填埋气体产生的最佳温度为30-40℃，虽然这一参数在垃圾填埋场不易被控制，但是由于土壤和垃圾周围产生隔热的条件，仍可以获得较适合的温度。

（二）湿度

填埋气体产生的垃圾最佳湿度为50-80%，湿度小于50%和大于80%时，填埋气体的产生速率均减小。

（三）碳氮比

垃圾的碳氮比代表着厌氧消化中两种元素的比例，碳元素（碳水化合物的形式）和氮元素（为蛋白质、硝酸盐、铵等）是厌氧菌的两种主要营养成分。实验表明，在其它条件都适合的条件下，20-30：1的碳氮比率对厌氧发酵过程是最适合的比率，若此比率大则二氧化碳产生量增加。据计算，我国城市生活垃圾C/N比值多在25/1左右，发达国家城市垃圾C/N比典型值为49/1，显然我国以食品垃圾含量较高的城市生活垃圾的C/N比值比较接近填埋气体产生的最佳值，因此有利于填埋气体的产生。

（四）pH值

一般填埋气体产生的最佳pH值为6.7-7，pH值过高和过低都不利于填埋气体的产生。

（五）填埋条件

由于甲烷菌为厌氧菌，厌氧状态保持的好坏是影响填埋气体产生的重要因素。一般厌氧状态取决于覆盖土透气性、压实密度和填埋深度。为了提高填埋气体的产气量，填埋覆盖土一般用透气性差的优质粘土，垃圾压实密度应大于0.8t/m3。填埋深度对填埋气体的产生量也有影响。填埋深度大的填埋场厌氧环境容易保持，且垃圾体内温度较稳定，因此有利于填埋气体的产生。

（六）垃圾成分

填埋气体的产生量和产生速率与垃圾成分也有很大关系，如垃圾中易腐垃圾（菜叶、果皮、食品等）多，则垃圾产气速度快，产气量大；若垃圾中含有有毒物质，这些有毒物质会抑制甲烷产生菌从而阻碍厌氧分解，则产气速度慢，产气量小。

五、影响填埋气体收集的因素

影响填埋气体收集的因素主要有：

（一）每天的垃圾都有不同的产气历程

由于垃圾填埋场内的垃圾是一天一天填进去的，因此垃圾堆体内的垃圾产气历程对每天的垃圾都是不同的。填埋场垃圾堆体内同时存在处于各种不同厌氧产气阶段的垃圾，使得填埋气体产气速率随时间的变化规律很难预测，进而加大了根据此变化规律调节抽气量的难度。

（二）垃圾填埋作业

垃圾填埋作业每天都在进行，作业面始终处于敞开状态，最多是在夜晚停止作业后临时覆盖一段时间，因此填埋作业面对于稳定垃圾堆体内的厌氧环境不利。另外，填埋作业对填埋作业面及其周围导气设施的正常工作也有较大影响。

（三）气体导排设施的设计

气体导排设施包括垂直导排井和水平导排盲沟，两种气体导排设施均有一定的作用范围，如果气体导排设施的布置使所有导排设施的作用范围覆盖垃圾堆体的全部面积，则可获得较高的气体收集率；如果气体导排设施的布置不能覆盖垃圾堆体的全部面积，则将影响气体收集率。

（四）垃圾堆体覆盖层的气密性

垃圾堆体覆盖层的气密性对填埋气体的收集率也有较大影响。气密性好，气体不易穿过覆盖层跑掉，因此可有利于提高气体收集率，反之则不利于提高气体收集率。

六、提高气体收集率的方法

提高气体收集率不应只从填埋场运行管理角度考虑，应综合考虑填埋场设计、建设和运行管理的多个方面，通过以上对气体收集率的影响因素分析，本文提出以下提高气体收集率的方法。

（一）做好垃圾填埋区的分区分单元设计

由于垃圾填埋场一般都有很长的使用年限，而不同的填埋时间，垃圾的气体产生速率不同。填埋区实行分区分单元设计，可以实现将同一时期的垃圾集中填入一个区域，那么该区域就可以根据垃圾填埋时间，比较准确地预测气体产生速率，进而根据气体产生速率，调整气体收集系统的抽气速度，最大限度地做到“产多少气抽多少气”，也就有利于提高气体收集率。

垃圾填埋区的分区分单元设计可以根据填埋场的地形选择不同的做法。（图2）是针对平地型填埋场的做法，图中的1 - 6是单元编号和单元填埋的顺序。

（二）按分单元设计，做好垃圾分单元填埋规划，并按规划进行填埋作业

垃圾填埋场启用前应先做好垃圾的填埋规划，规划应按照填埋区分区分单元设计进行，要尽可能做到垃圾从一边的填埋单元填起，并在这个单元尽可能堆高，当垃圾堆至一定高度即对该单元及时实施抽气，随后采用同样方法进行第二单元的填埋，并对第二填埋单元设立独立的抽气系统，填埋结束后及时实施抽气。对于每一个填埋单元均设置独立的抽气系统，在抽气时可以对各填埋单元进行单独调节，以使每一个单元的抽气量最接近该单元的气体产生量。

（三）控制垃圾填埋作业面

垃圾填埋作业面敞开时间较长，作业机械影响气体导排设施工作，因此填埋作业面越大对气体的收集影响越大。为了提高气体收集率，应严格控制垃圾填埋作业面。垃圾填埋作业面的大小与填埋量有关，填埋量大，倾卸垃圾的车辆和填埋作业机械数量多，需要的填埋作业面就大；填埋量小，倾卸垃圾的车辆和填埋作业机械数量少，需要的填埋作业面就小。

（四）做好垃圾堆体覆盖，减少气体无序迁移

垃圾填埋堆体可分三种情况进行覆盖：最终覆盖、中间覆盖和临时覆盖（日覆盖）。垃圾堆体到达设计终场标高的区域及时实施最终覆盖，最终覆盖的材料可采用防渗透性强的GCL或LDPE等材料，既可以防水也可以防气。在完成一个填埋单元的填埋后，填埋作业要转入另一个单元的填埋，完成填埋的单元要等待较长的时间才能再进行填埋，因此该单元应进行中间覆盖，以减小雨水渗入垃圾体内。中间覆盖通常用土，为了节省填埋空间、减少雨水下渗，也可以临时采用覆盖膜，在重新填埋垃圾前将覆盖膜掀开。这种做法也是一种提高气体收集率的方法。

（五）合理设计和布置气体导排设施

合理布置气体导排设施，使全场的气体导排设施的作用范围覆盖全部垃圾堆体。对于垂直导排井，首先应确定每个导排井的作用半径，然后根据作用半径确定导排井的间距和布置方式。如果每个导排井的作用半径为R，则导排井的间距应为L=2R·COS30°=1.73R，其布置方式（图3）所示。

（图3）所示的情况是理想情况下的。在实际工程中，气体导排井的作用范围不是一个规则的圆柱，作用半径也不是一个固定的值。由于垃圾堆体内部空隙率是不均匀的，因此在各个方向上导排井的作用距离是不一样的，按照导排井作用范围经验数值或试验数值均匀布置的气体导排井的作用范围就不可能完全覆盖整个垃圾堆体，因此为了提高气体收集率，可采用以下方法：

1.减小气体导排井的间距。一般情况下，气体导排井的间距为50m，如果将气体导排井的间距缩小到30-35m，则可有效提高气体收集率。

2.在主导排井之间加设副导排井，将主导排井作用范围覆盖不到的区域用副导排井承担抽气。这种方法成本较高，需要多设很多导排井。

3.在导排井上设置放射状的碎石盲沟，每层垃圾设置一圈放射状碎石盲沟，碎石盲沟中心铺设塑料花管，两导排井之间由碎石盲沟联通（图4）所示。

（六）做好气体导排设施调节

一般的填埋场垃圾堆体内垃圾填埋时间、密度、垃圾成分、含水率、酸碱度等极不均匀，每个气体导排设施作用范围内垃圾的产气量均不相同，因此每个气体导排设施的抽气量也应不同。这就需要对每个气体导排设施具有不同的调节方案和规律，需要对每一个气体导排设施进行细致调节，才能最大限度做到“产多少气抽多少气”，进而做到最大限度地提高气体收集率。

（七）有效排除气体导排设施内积水

我国生活垃圾含水量高，特别是在雨季时节，如果做不好覆盖，雨水会大量进入垃圾堆体，造成垃圾堆体内含有大量雨水，在渗沥液导排系统不能及时将水导出时，垃圾堆体内就会形成很高的水位，导致垂直气体导排井大部分被雨水淹没，垃圾堆体下部的水平导排盲沟也被雨水淹没，造成气体导排设施无法收集气体。因此要提高气体收集率，需要对被雨水淹没的气体导排设施进行排水，为安全起见，排水只能采用压缩空气泵进行。

七、结论

对垃圾填埋场进行填埋气体导排、收集、利用或处理是非常重要的，应用提高气体收集率方法、有效提高填埋气体收集率，对于有效控制填埋场臭气污染、减少温室气体排放、节能非常重要。本文通过分析论证，提出如下提高气体收集率的方法：

做好垃圾填埋区的分区分单元设计；按分单元设计做好垃圾的分单元填埋规划并按规划进行填埋作业；控制垃圾填埋作业面；做好垃圾堆体的覆盖，减少气体的无序迁移；合理设计和布置气体导排设施；做好气体导排设施的调节；有效排除气体导排设施内积水。