西北地区某填埋场覆盖层的甲烷排放量及其影响因素研究

文_葛鹏 江苏省地质矿产局第三地质大队

甲烷是引起全球变暖的主要温室气体之一，其全球变暖潜势是二氧化碳的20到30倍。

垃圾填埋场产生的甲烷气体可以通过覆盖层中天然存在的甲烷氧化菌的甲烷氧化作用消耗，减少填埋场的甲烷排放量。填埋场覆盖层的甲烷氧化能力是多个影响因素共同作用的结果，其主要影响因素有温度、含水量、覆盖土特性、甲烷和氧气浓度以及有机质含量等。岳波等通过室内培养瓶试验对覆盖土的甲烷氧化能力及影响因素进行了研究，指出覆盖土的最适宜温度和最适宜含水率分别为25℃和25%。杨益彪等的室内培养瓶试验结果表明，覆盖时间影响了覆盖土暴露于甲烷存在环境中的时间以及有机质含量，进而影响覆盖土的甲烷氧化能力，并指出覆盖土的甲烷氧化能力与有机质含量呈正相关关系。邱清文指出覆盖层的水气传导特性受气象条件影响，进而改变覆盖层的甲烷排放量。然而，目前国内缺少关于填埋场覆盖层甲烷排放量及甲烷氧化能力的现场试验研究。

本文在西北地区某填埋场覆盖层布置甲烷排放量测试点，分别在冬季（2015年12月）和夏季（2016年7月）对覆盖层的甲烷排放量和甲烷氧化速率进行原位测试，同时监测环境大气压力以及覆盖土的温度和含水量，分析讨论覆盖层的甲烷排放量变化规律以及其影响因素，为城市生活垃圾填埋场的甲烷排放控制提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 场地介绍

该垃圾填埋场是西北地区某市唯一的城市生活垃圾卫生填埋场，自1994年开始运行，总占地面积约为7.34×105m2。根据填埋场附近国家气象站近50a的监测数据，该地区的年平均相对湿度和年平均降水量分别为69.6%和572mm，降水主要发生在七月到九月期间。为了确保垃圾堆体的稳定与安全，该填埋场以约10m为一层逐层堆填城市生活垃圾，每层边坡的坡度设置为1:3，并在层顶保留约八米宽的平台做缓冲。该填埋场的填埋高度已经超过110m，成为国内最大的填埋场之一。

为了研究该填埋场覆盖层的甲烷排放情况，在填埋场第8平台的边坡中部布置了一个甲烷排放量测试点。该边坡覆盖层主要由压实黄土构成，覆盖层厚度约为0.6m，试验期间覆盖层下方填埋的生活垃圾龄期约为3～5a，覆盖层已建成约2a。在测试点地表布置静态箱测试填埋气体排放量；在测试点地表下0.3m处（即覆盖层中部深度）布置一个土壤温湿度传感器测试该深度处的温度和含水量；利用2mm直径的PVC管在覆盖层底部布置一个填埋气成分监测点，通过便携式沼气分析仪（GA5000）测试填埋气成分（即甲烷、氧气、二氧化碳和氮气）。

1.2 试验方法

现场覆盖层的填埋气排放量通过静态箱法进行测试。该测试系统主要包括透明有机玻璃制成的静态箱（高度和直径均为0.5m）和不锈钢底座，为了保证气密性，不锈钢底座打入覆盖层5～10cm，并且通过U型水槽连接静态箱和底座。静态箱内布置一个促进气体混合均匀的风扇，以及一个测试静态箱内气体温度的温度计；利用激光甲烷检测仪（TGESA3C32A）在静态箱外壁测试静态箱内甲烷浓度变化，利用便携式沼气分析仪（GA5000）可从静态箱顶部阀门测试静态箱内气体组分。

每次填埋气排放量测试需要约20min，在20min内每隔5min利用激光甲烷检测仪测试并记录静态箱内的甲烷浓度，然后在第20min利用便携式沼气分析仪测试记录此时的环境大气压力以及静态箱内的气体组分。根据甲烷浓度累积曲线可以得到甲烷排放通量：

结合甲烷排放通量以及第20min静态箱内的甲烷和二氧化碳体积分数，可以得到二氧化碳的排放通量：

为了确定现场覆盖层的甲烷氧化速率，假定进入覆盖层的填埋气通量与排出覆盖层的填埋气通量相等（即CH4和CO2通量），即理论上单位体积的甲烷被氧化时会产生单位体积的二氧化碳，则进入覆盖层的甲烷通量：

1.3 试验方案

为了获得不同季节下覆盖层的甲烷排放量数据，现场覆盖层的甲烷排放量测试分别在2015年12月（冬季）和2016年7月（夏季）进行。每七天测试一次甲烷排放量以及覆盖层0.3m深度处的温度和含水量，即在2015年12月和2016年7月各测试4次。

2 结果与讨论

2.1 甲烷氧化量与排放量变化

不同日期测得的现场覆盖层的甲烷排放量变化范围为26.5～125.6 g m-2d-1，随着测试时间的不同，覆盖层的甲烷排放量产生明显变化。这一方面是由于覆盖层暴露于自然环境中，覆盖层中水、气分布受气象条件（如降水、气温、大气压等）的影响，覆盖土的导水、导气性能随着气象条件的变化而改变，进而导致覆盖层的甲烷排放量改变；另一方面，覆盖层下堆填垃圾体的降解过程受环境条件和垃圾龄期影响，其产生填埋气的能力随着时间和环境条件发生变化，进而影响甲烷的产生量和排放量。此外，覆盖层的甲烷排放量随着季节不同而发生明显变化，在冬季（十二月份）和夏季（七月份）测得的最大甲烷排放量分别为57.9g m-2d-1和125.6g m-2d-1，夏季的甲烷排放量明显高于冬季。

不同日期测得的现场覆盖层的甲烷氧化速率变化范围为14.7～52.2 g m-2d-1，覆盖层的甲烷氧化速率随着时间发生明显变化。这主要是由于气象条件变化导致覆盖土的含水量、温度以及气体组分发生变化，进而改变了覆盖层的甲烷氧化速率。现场覆盖层在夏季测得的最大甲烷氧化速率（52.2g m-2d-1）明显高于冬季（32.6 g m-2d-1），可能是由于覆盖层在夏季具有更适宜的温度和更高的甲烷通量。根据测得的覆盖层甲烷氧化速率和甲烷排放量，试验期间覆盖层的甲烷去除效率变化范围为24.0%～55.1%，平均甲烷去除效率为36.0%。

2.2 温度对甲烷排放量的影响

温度是影响覆盖层甲烷氧化能力的关键因素，现场测得的0.3m深度处的温度与覆盖层的甲烷氧化速率和排放量随着温度的提高具有增加的趋势。然而，该测试结果并没有表现出温度与甲烷氧化速率之间具有明显的作用关系，现场测得的覆盖层甲烷氧化速率随温度的变化规律与岳波等通过室内培养瓶试验测得的结果不一致，这主要是由于现场覆盖层复杂且难以控制的环境条件影响。从冬季到夏季，虽然随着温度的提高，覆盖层具有更适宜的温度，但是其土壤含水量降低，在温度和含水量共同作用下，覆盖层的甲烷氧化速率变化规律并不明显。

2.3 含水量对甲烷排放量的影响

覆盖层0.3m深度处体积含水量与覆盖层甲烷氧化速率以及甲烷排放量的关系如图1所示。从图1可知，随着覆盖层体积含水量的增加，覆盖层的甲烷排放量逐渐降低，两者呈现出明显的负相关关系。随着覆盖土的体积含水量的增加，覆盖土中原本被气体占据的孔隙体积被水分侵占，导致覆盖层的导气能力降低，致使覆盖层的甲烷通量下降，进而减少了覆盖层的甲烷排放量。然而，覆盖层体积含水量的变化并没有对其甲烷氧化速率产生明显影响，这主要是由于覆盖层的甲烷氧化速率受温度和含水量的共同影响，现场复杂的环境条件导致覆盖层的甲烷氧化速率的变化规律并不明显。

图1 体积含水量对覆盖层甲烷氧化速率和甲烷排放量的影响

2.4 大气压力对甲烷排放量的影响

大气压力也是一个影响覆盖层甲烷排放量的重要影响因素，现场测得的大气压力与覆盖层甲烷排放量的关系如图2所示。从图2可知，十二月份和七月份测得的大气压力分布范围分别为954.9～962.5mbar和937.1～943.9mbar，即冬季的大气压力比夏季大。随着大气压力的增加，现场覆盖层的甲烷排放量总体上呈现出降低的趋势，即两者呈负相关关系。

图2 大气压力与覆盖层甲烷排放量的关系

3 结语

根据现场覆盖层的原位测试结果，试验期间测得的覆盖层的甲烷排放量变化范围为26.5～125.6gm-2d-1，对应的甲烷去除效率变化范围为24.0%～55.1%，平均甲烷去除效率为36.0%。经过约2a的覆盖，覆盖土的甲烷氧化能力能够有效消耗部分甲烷气体，降低甲烷排放量。

由于覆盖层暴露于自然环境中，其甲烷排放量受环境条件影响。覆盖层在夏季具有更适宜的温度，其最大甲烷氧化速率（52.2 g m-2d-1）明显高于冬季（32.6 g m-2d-1）；但是由于夏季覆盖层体积含水量低于冬季，覆盖层具有更强的导气性能，导致夏季进入覆盖层的甲烷通量更高，最终使得夏季覆盖层的甲烷排放量高于冬季。

覆盖层的甲烷排放量随着大气压力的增加而呈现出降低的趋势，冬季的大气压力高于夏季，进一步促使冬季的甲烷排放量低于夏季。