準好氧填埋場作業臺階表面CH4氣體的釋放通量研究

楊雪，岳波 ，黃澤春，尹胤，黃啟飛，王琪

1.中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所，北京 100012

2.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083

人類活動產生的溫室氣體濃度不斷升高是導致全球氣候變暖的主要原因，其中CO2和CH4是最重要的溫室氣體［1-3］。目前，大氣中CO2平均濃度約為3.55×10-4，CH4平均濃度為 1.7×10-6。雖然大氣中的CH4濃度遠小于CO2濃度，但單分子CH4的增值潛勢是 CO2的15～30倍［4］，且大氣中 CH4濃度以0.9%的年平均速度持續增長［5］。因此，CH4對全球溫室效應的貢獻率約為20%，僅次于CO2［6］。據IPCC(政府間氣候變化專門委員會)估計，全世界每年CH4排放量約5億t，其中5%～10%來自垃圾填埋場［5］。目前，我國城市生活垃圾年產生量約1.5億t，絕大部分采用厭氧型衛生填埋方式進行處置，但厭氧型衛生填埋方式存在CH4產生量大，處理和回收利用困難等問題。近年來，大量研究已證明，準好氧填埋技術可改善滲濾液水質、加速垃圾穩定化、有效減少CH4氣體的產生［7-8］，并可通過設計填埋場生物覆蓋層進一步降低CH4的釋放量［9-10］，是一種適合我國中小型填埋場CH4減排的填埋技術，已逐步在我國中小型城市推廣應用。

準好氧填埋場CH4氣體的釋放主要經歷CH4氣體產生、遷移和CH4氧化等過程，這些過程受填埋工藝、環境溫度、大氣壓強、濕度、填埋時限、覆土特性和滲濾液回灌等因素影響［4］。與厭氧填埋場相比，準好氧填埋場屬于半開放系統，其產生的CH4氣體主要通過氣體導排系統和表層覆土層釋放到環境中。由于我國與國外城市生活垃圾的特點及填埋條件存在較大差異，導致城市生活垃圾填埋場的CH4氣體釋放特征存在較大的差異，因此急需在我國開展相關研究。相關資料表明，靜態通量箱/氣相色譜法已廣泛用于對稻田、濕地及森林等系統中CH4氣體釋放通量的監測［11-13］。已對城市生活垃圾厭氧型填埋場的CH4釋放通量開展了許多研究［14-19］，由于研究條件和填埋工藝的差異，城市生活垃圾填埋場CH4氣體釋放通量實測值為-0.006 ～1000 g/(m2·d)(表 1)。

表1 城市生活垃圾填埋場CH4氣體釋放通量的相關研究Table 1 Relative researches on methane emission flux in MSW landfills

由于準好氧填埋場的穩定化時間一般在2～3年，而填埋操作的作業臺階存在時間則可能在3～5年，甚至更長，即部分準好氧填埋堆體在填埋場未封場期間已經歷了CH4氣體釋放高峰并達到穩定化。筆者采用靜態通量箱/氣相色譜法針對準好氧填埋場作業臺階上的CH4氣體釋放通量進行了研究，以期為填埋作業期間制定有效的CH4氣體減排措施提供理論依據和數據支持。

1 材料與方法

研究地點為河北省某準好氧填埋場，該填埋場始建于2007年6月，并于2008年正式投入使用，總投資3800余萬元，占地面積9.47×104m2，包括垃圾填埋場、滲濾液處理站、管理區及其配套輔助設施等。該填埋場采用準好氧衛生填埋工藝處理城市生活垃圾，設計服務年限為15年，垃圾處理總量為130萬t，日垃圾處理量為250 t。

1.1 采樣方法

自制的靜態通量箱為有機玻璃材質，厚度為8 mm，并進行遮光處理;頂蓋尺寸為50 cm×50 cm×10 cm;水封槽為寬2 cm，高3 cm;底座尺寸為50 cm×50 cm ×5 cm(圖1)。

圖1 填埋場CH4氣體釋放通量采樣靜態通量箱Fig.1 Schematics of static chamber for landfill gas methane emission flux sampling

于2010年5月用靜態通量箱現場采集準好氧填埋場作業臺階表層釋放的CH4氣體用于分析。在4個不同填埋齡的填埋區設置采樣點，其填埋齡分別為 8，12，16 和 20 個月，標記為 1#，2#，3#和 4#填埋區。每個填埋區按距導氣管距離為0，5，10和15 m設4個采樣點(圖2)，于上午(10:00—11:00)，中午(13:00—14:00)和下午(16:00—17:00)3個時段對每個采樣點進行采樣。采樣前先將靜態通量箱底座插入覆土中，水封以隔絕靜態通量箱內外氣體交換，蓋上頂蓋。安裝好靜態通量箱后，分別在各時段的0，10，20，40 和 60 min 用 100 mL 注射器抽取填埋氣樣品，注入用99.99%的高純N2清洗并抽真空的氣袋中，編號，記錄靜態通量箱溫度，并在陰涼處儲存。

圖2 填埋場CH4氣體釋放通量采樣點的分布Fig.2 Distribution schematics of landfill gas methane emission flux sampling points

1.2 分析方法

用安捷倫7890A型氣相色譜儀(安捷倫科技有限公司，配TCD檢測器)測定CH4氣體的濃度，其中色譜柱規格為HP-PLOT/Q 30 m×0.530 mm×40 μm。監測條件:進樣口溫度為200℃，檢測器溫度為250℃，分離柱溫度為30℃，進樣量為250 μL，停留時間為4.5 min，分流比為0.5。采用峰面積-濃度標準曲線外標法［20］，對氣體樣品中的CH4濃度進行定量分析。其中，CH4濃度測定的標準曲線按照以下步驟繪制:1)用氣袋將標準CH4氣體稀釋至不同濃度;2)測定不同CH4氣體濃度的峰面積大小;3)以待測氣體濃度為橫坐標、峰面積為縱坐標繪制CH4氣體濃度的標準工作曲線。由于待測樣品CH4濃度差別較大，因此需繪制4條不同CH4濃度范圍的標準工作曲線(圖3)。在進行每批樣品測定前需用標準氣體對工作曲線進行校正，并定期重新繪制CH4氣體濃度的標準工作曲線，采用上述方法檢測CH4濃度的精度約為0.01%。此外，每個氣體樣品分別進行3次CH4測定求其平均值。

圖3 不同CH4氣體濃度范圍的標準工作曲線Fig.3 Standard curves for methane gas with different concentration

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007對試驗數據進行分析及繪制圖表，SPSS 11.0軟件對試驗數據進行統計分析和處理。CH4氣體的通量計算公式為:

F=Δm/(Δt·A)=ρ·V·ΔC/(Δt·A) (1)式中，F為 CH4氣體排放通量，g/(m2·d);ρ為 CH4氣體在相應溫度下的密度，g/m3;Δm為Δt時間內通量箱中CH4氣體質量的變化量，g;ΔC為Δt時間內通量箱中CH4氣體濃度的變化量，%;Δt為采樣時間，min;A為通量箱的底面積，m2;V為通量箱的體積，m3。

采用線性擬合模型C=kt+a0將測得各組樣品的CH4濃度C和采樣時間t進行線性擬合，并獲得k值(即采樣期間靜態通量箱中CH4濃度的變化量，且k=ΔC/Δt)。然后，將斜率k和其他相關數據代入式(1)，即可計算出各采樣點不同時段的CH4氣體釋放通量。

2 結果與討論

2.1 不同填埋區CH4釋放通量的日變化特征研究

不同填埋區CH4氣體釋放通量的日變化特征如圖4所示。

圖4 不同填埋區CH4氣體釋放通量的日變化特征Fig.4 Daily variation characteristics of methane gas emission fluxes in different landfill areas

各填埋區中越靠近導氣管的采樣點CH4氣體釋放量越大，而同一采樣點在上午、中午和下午釋放的CH4氣體通量差異相對較小。1)1#填埋區。CH4氣體釋放通量的最大值〔14.95 g/(m2·d)〕出現在中午距導氣管0 m點位，距導氣管10 m處降1個數量級，距導氣管 15 m處降 2個數量級;最小值〔0.13 g/(m2·d)〕出現在上午距導氣管15 m點位。2)2#填埋區。CH4氣體釋放通量的最大值〔61.64 g/(m2·d)〕出現在下午距導氣管0 m點位;最小值〔1.75 g/(m2·d)〕出現在上午距導氣管15 m點位，。3)3#填埋區。CH4氣體釋放通量的最大值〔215.51 g/(m2·d)〕同樣出現在下午距導氣管0 m點位，;最小值〔24.02 g/(m2·d)〕出現在中午距導氣管15 m點位，。4)4#填埋區。CH4氣體釋放通量的最大值〔18.53 g/(m2·d)〕也出現在下午距導氣管0 m點位，最小值〔1.77 g/(m2·d)〕出現在上午距導氣管15 m點位。綜合分析可知，準好氧填埋場相同區域表面的CH4釋放通量差異主要體現在采樣點與導氣管距離不同上，原因可能是靠近導氣管的土壤較為疏松，土壤孔隙度較大，垃圾降解產生的CH4氣體向導氣管附近擴散。

2.2 不同填埋齡作業區域表面的CH4釋放通量

準好氧填埋場不同填埋齡作業區域表面的CH4氣體平均釋放通量如表2所示。其中，1#填埋區為4.79 g/(m2·d);2#填埋區為 21.15 g/(m2·d);3#填埋區為 81.04 g/(m2·d);4#填埋區為 7.44 g/(m2·d)。此外，準好氧填埋場作業區域表面的日平均CH4釋放通量為28.61 g/(m2·d)，其中上午、中午和下午的平均CH4釋放通量分別為26.80，28.14和30.88 g/(m2·d)。由此可見，準好氧填埋場作業區域表面的CH4氣體釋放通量隨著填埋齡的增加呈先增加后降低的趨勢，并在填埋16個月左右時達到釋放高峰。其釋放特征與準好氧填埋場填埋氣產生的規律具有相似性，劉玉強等的研究結果表明，準好氧填埋場一般在填埋齡為6～12個月達到填埋氣產生的高峰期［21］。但由于填埋場所處地理環境不同有所差異。Gunnar等的研究結果表明，典型厭氧型生活垃圾填埋單元在封閉30～36個月達到其CH4氣體產生高峰［17］。有研究顯示，厭氧填埋場CH4釋放通量平均值為8.6～864 g/(m2·d)，在產氣高峰期可達1095 g/(m2·d)［22］。Mosher等對美國 9 個垃圾填埋場的監測結果表明，沒有填埋氣回收裝置的厭氧填埋場的 CH4釋放通量高達130 g/(m2·d)［23］。因此，與厭氧填埋方式相比，準好氧填埋方式明顯加速了填埋垃圾CH4氣體的產生和釋放過程，并對減少CH4氣體排放效果顯著。

表2 準好氧填埋場不同填埋齡作業區域表面的CH4氣體平均釋放通量Table 2 Mean methane emission flux from the different active terrace areas in semi-anaerobic landfills g/(m2·d)

2.3 不同填埋區CH4氣體釋放通量與導氣管距離的關系

不同填埋齡作業區域表面的CH4氣體釋放通量與導氣管距離的關系如圖5所示。

圖5 不同填埋齡作業區域表面的CH4氣體釋放通量與導氣管距離的關系Fig.5 Relationship between methane emission fluxes and distance to air pipe in the different active terrace areas

1#填埋區，距導氣管0，5，10和15 m填埋區的CH4日平均釋放量分別為12.80，5.07，1.07和0.21 g/(m2·d)，且釋放通量與導氣管距離之間滿足指數函數模型，F=15.744e-0.2786x(R2=0.9853);2#填埋區，距導氣管0，5，10和15 m填埋區的CH4日平均釋放量分別為 54.86，19.35，7.52和 2.89 g/(m2·d)，且釋放通量與導氣管距離之間滿足指數函數模型，F=53.421e-0.1956x(R2=0.9995);3#填埋區，距導氣管0，5，10和15 m填埋區的CH4日平均釋放量分別為193.81，59.45，46.14和24.77 g/(m2·d)，且釋放通量與導氣管距離之間滿足指數函數模型，F=157.93e-0.1285x(R2=0.9271);4#填埋區，距導氣管0，5，10和15 m填埋區的CH4日平均釋放量分別為 17.10，4.55，4.83 和3.27 g/(m2·d)，且釋放通量與導氣管距離之間滿足指數函數模型，F=12.355e-0.0981x(R2=0.7572)。因此，認為準好氧填埋場不同填埋齡作業區域表面的CH4氣體釋放通量隨距導氣管距離的增加呈指數函數遞減。

3 結論

(1)準好氧填埋場作業臺階表面CH4的釋放通量存在較大差異，其最大值和最小值分別為215.51和 0.13 g/(m2·d)。

(2)在各填埋作業區域中越靠近導氣管的區域CH4氣體釋放量越大，而相同填埋作業區域在上午、中午和下午釋放的CH4氣體通量差異相對較小，但呈下午＞中午＞上午的趨勢。填埋齡為8，12，16和20個月的填埋作業區域中CH4平均釋放通量分別為 4.79，21.15，81.04 和 7.44 g/(m2·d)，且隨著填埋齡的增加呈先增加后降低的趨勢，并在填埋16個月左右達到其釋放高峰。從整個準好氧填埋場作業區域表面來看，其日平均CH4釋放通量約為28.61 g/(m2·d)，其中上午、中午和下午的平均CH4釋放通量分別為26.80，28.14 和30.88 g/(m2·d)。

(3)準好氧填埋場不同填埋齡作業區域表面的CH4氣體釋放通量(F)隨著距離導氣管距離(x)的增加呈指數函數遞減。1#～4#填埋區指數函數模型分別為 F=15.744e-0.2786x(R2=0.9853)，F=53.421e-0.1956x(R2=0.9995)，F=157.93e-0.1285x(R2=0.9271)，F=12.355e-0.0981x(R2=0.7572)。

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