準(zhǔn)好氧填埋場作業(yè)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(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所，北京 100012

2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

人類活動產(chǎn)生的溫室氣體濃度不斷升高是導(dǎo)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(yuǎn)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(xù)增長［5］。因此，CH4對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約為20%，僅次于CO2［6］。據(jù)IPCC(政府間氣候變化專門委員會)估計(jì)，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(chǎn)生量約1.5億t，絕大部分采用厭氧型衛(wèi)生填埋方式進(jìn)行處置，但厭氧型衛(wèi)生填埋方式存在CH4產(chǎn)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(zhǔn)好氧填埋技術(shù)可改善滲濾液水質(zhì)、加速垃圾穩(wěn)定化、有效減少CH4氣體的產(chǎn)生［7-8］，并可通過設(shè)計(jì)填埋場生物覆蓋層進(jìn)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(shù)，已逐步在我國中小型城市推廣應(yīng)用。

準(zhǔn)好氧填埋場CH4氣體的釋放主要經(jīng)歷CH4氣體產(chǎn)生、遷移和CH4氧化等過程，這些過程受填埋工藝、環(huán)境溫度、大氣壓強(qiáng)、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(zhǔn)好氧填埋場屬于半開放系統(tǒng)，其產(chǎn)生的CH4氣體主要通過氣體導(dǎo)排系統(tǒng)和表層覆土層釋放到環(huán)境中。由于我國與國外城市生活垃圾的特點(diǎn)及填埋條件存在較大差異，導(dǎo)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(guān)研究。相關(guān)資料表明，靜態(tài)通量箱/氣相色譜法已廣泛用于對稻田、濕地及森林等系統(tǒng)中CH4氣體釋放通量的監(jiān)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(shí)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(guān)研究Table 1 Relative researches on methane emission flux in MSW landfills

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

1 材料與方法

研究地點(diǎn)為河北省某準(zhǔn)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(qū)及其配套輔助設(shè)施等。該填埋場采用準(zhǔn)好氧衛(wèi)生填埋工藝處理城市生活垃圾，設(shè)計(jì)服務(wù)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(tài)通量箱為有機(jī)玻璃材質(zhì)，厚度為8 mm，并進(jìn)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(tài)通量箱Fig.1 Schematics of static chamber for landfill gas methane emission flux sampling

于2010年5月用靜態(tài)通量箱現(xiàn)場采集準(zhǔn)好氧填埋場作業(yè)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(qū)設(shè)置采樣點(diǎn)，其填埋齡分別為 8，12，16 和 20 個月，標(biāo)記為 1#，2#，3#和 4#填埋區(qū)。每個填埋區(qū)按距導(dǎo)氣管距離為0，5，10和15 m設(shè)4個采樣點(diǎn)(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(diǎn)進(jìn)行采樣。采樣前先將靜態(tài)通量箱底座插入覆土中，水封以隔絕靜態(tài)通量箱內(nèi)外氣體交換，蓋上頂蓋。安裝好靜態(tài)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(tài)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(diǎn)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(guī)格為HP-PLOT/Q 30 m×0.530 mm×40 μm。監(jiān)測條件:進(jìn)樣口溫度為200℃，檢測器溫度為250℃，分離柱溫度為30℃，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)曲線外標(biāo)法［20］，對氣體樣品中的CH4濃度進(jìn)行定量分析。其中，CH4濃度測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線按照以下步驟繪制:1)用氣袋將標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)、峰面積為縱坐標(biāo)繪制CH4氣體濃度的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)工作曲線(圖3)。在進(jìn)行每批樣品測定前需用標(biāo)準(zhǔn)氣體對工作曲線進(jìn)行校正，并定期重新繪制CH4氣體濃度的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行3次CH4測定求其平均值。

圖3 不同CH4氣體濃度范圍的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線Fig.3 Standard curves for methane gas with different concentration

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及繪制圖表，SPSS 11.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理。CH4氣體的通量計(jì)算公式為:

F=Δm/(Δt·A)=ρ·V·ΔC/(Δt·A) (1)式中，F(xiàn)為 CH4氣體排放通量，g/(m2·d);ρ為 CH4氣體在相應(yīng)溫度下的密度，g/m3;Δm為Δt時間內(nèi)通量箱中CH4氣體質(zhì)量的變化量，g;ΔC為Δt時間內(nèi)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(jìn)行線性擬合，并獲得k值(即采樣期間靜態(tài)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(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)，即可計(jì)算出各采樣點(diǎn)不同時段的CH4氣體釋放通量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同填埋區(qū)CH4釋放通量的日變化特征研究

不同填埋區(qū)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(qū)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(qū)中越靠近導(dǎo)氣管的采樣點(diǎn)CH4氣體釋放量越大，而同一采樣點(diǎn)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(qū)。CH4氣體釋放通量的最大值〔14.95 g/(m2·d)〕出現(xiàn)在中午距導(dǎo)氣管0 m點(diǎn)位，距導(dǎo)氣管10 m處降1個數(shù)量級，距導(dǎo)氣管 15 m處降 2個數(shù)量級;最小值〔0.13 g/(m2·d)〕出現(xiàn)在上午距導(dǎo)氣管15 m點(diǎn)位。2)2#填埋區(qū)。CH4氣體釋放通量的最大值〔61.64 g/(m2·d)〕出現(xiàn)在下午距導(dǎo)氣管0 m點(diǎn)位;最小值〔1.75 g/(m2·d)〕出現(xiàn)在上午距導(dǎo)氣管15 m點(diǎn)位，。3)3#填埋區(qū)。CH4氣體釋放通量的最大值〔215.51 g/(m2·d)〕同樣出現(xiàn)在下午距導(dǎo)氣管0 m點(diǎn)位，;最小值〔24.02 g/(m2·d)〕出現(xiàn)在中午距導(dǎo)氣管15 m點(diǎn)位，。4)4#填埋區(qū)。CH4氣體釋放通量的最大值〔18.53 g/(m2·d)〕也出現(xiàn)在下午距導(dǎo)氣管0 m點(diǎn)位，最小值〔1.77 g/(m2·d)〕出現(xiàn)在上午距導(dǎo)氣管15 m點(diǎn)位。綜合分析可知，準(zhǔn)好氧填埋場相同區(qū)域表面的CH4釋放通量差異主要體現(xiàn)在采樣點(diǎn)與導(dǎo)氣管距離不同上，原因可能是靠近導(dǎo)氣管的土壤較為疏松，土壤孔隙度較大，垃圾降解產(chǎn)生的CH4氣體向?qū)夤芨浇鼣U(kuò)散。

2.2 不同填埋齡作業(yè)區(qū)域表面的CH4釋放通量

準(zhǔn)好氧填埋場不同填埋齡作業(yè)區(qū)域表面的CH4氣體平均釋放通量如表2所示。其中，1#填埋區(qū)為4.79 g/(m2·d);2#填埋區(qū)為 21.15 g/(m2·d);3#填埋區(qū)為 81.04 g/(m2·d);4#填埋區(qū)為 7.44 g/(m2·d)。此外，準(zhǔn)好氧填埋場作業(yè)區(qū)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(zhǔn)好氧填埋場作業(yè)區(qū)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(dá)到釋放高峰。其釋放特征與準(zhǔn)好氧填埋場填埋氣產(chǎn)生的規(guī)律具有相似性，劉玉強(qiáng)等的研究結(jié)果表明，準(zhǔn)好氧填埋場一般在填埋齡為6～12個月達(dá)到填埋氣產(chǎn)生的高峰期［21］。但由于填埋場所處地理環(huán)境不同有所差異。Gunnar等的研究結(jié)果表明，典型厭氧型生活垃圾填埋單元在封閉30～36個月達(dá)到其CH4氣體產(chǎn)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(chǎn)氣高峰期可達(dá)1095 g/(m2·d)［22］。Mosher等對美國 9 個垃圾填埋場的監(jiān)測結(jié)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(dá)130 g/(m2·d)［23］。因此，與厭氧填埋方式相比，準(zhǔn)好氧填埋方式明顯加速了填埋垃圾CH4氣體的產(chǎn)生和釋放過程，并對減少CH4氣體排放效果顯著。

表2 準(zhǔn)好氧填埋場不同填埋齡作業(yè)區(qū)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(qū)CH4氣體釋放通量與導(dǎo)氣管距離的關(guān)系

不同填埋齡作業(yè)區(qū)域表面的CH4氣體釋放通量與導(dǎo)氣管距離的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同填埋齡作業(yè)區(qū)域表面的CH4氣體釋放通量與導(dǎo)氣管距離的關(guān)系Fig.5 Relationship between methane emission fluxes and distance to air pipe in the different active terrace areas

1#填埋區(qū)，距導(dǎo)氣管0，5，10和15 m填埋區(qū)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(dǎo)氣管距離之間滿足指數(shù)函數(shù)模型，F(xiàn)=15.744e-0.2786x(R2=0.9853);2#填埋區(qū)，距導(dǎo)氣管0，5，10和15 m填埋區(qū)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(dǎo)氣管距離之間滿足指數(shù)函數(shù)模型，F(xiàn)=53.421e-0.1956x(R2=0.9995);3#填埋區(qū)，距導(dǎo)氣管0，5，10和15 m填埋區(qū)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(dǎo)氣管距離之間滿足指數(shù)函數(shù)模型，F(xiàn)=157.93e-0.1285x(R2=0.9271);4#填埋區(qū)，距導(dǎo)氣管0，5，10和15 m填埋區(qū)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(dǎo)氣管距離之間滿足指數(shù)函數(shù)模型，F(xiàn)=12.355e-0.0981x(R2=0.7572)。因此，認(rèn)為準(zhǔn)好氧填埋場不同填埋齡作業(yè)區(qū)域表面的CH4氣體釋放通量隨距導(dǎo)氣管距離的增加呈指數(shù)函數(shù)遞減。

3 結(jié)論

(1)準(zhǔn)好氧填埋場作業(yè)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(yè)區(qū)域中越靠近導(dǎo)氣管的區(qū)域CH4氣體釋放量越大，而相同填埋作業(yè)區(qū)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(yè)區(qū)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(dá)到其釋放高峰。從整個準(zhǔn)好氧填埋場作業(yè)區(qū)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(zhǔn)好氧填埋場不同填埋齡作業(yè)區(qū)域表面的CH4氣體釋放通量(F)隨著距離導(dǎo)氣管距離(x)的增加呈指數(shù)函數(shù)遞減。1#～4#填埋區(qū)指數(shù)函數(shù)模型分別為 F=15.744e-0.2786x(R2=0.9853)，F(xiàn)=53.421e-0.1956x(R2=0.9995)，F(xiàn)=157.93e-0.1285x(R2=0.9271)，F(xiàn)=12.355e-0.0981x(R2=0.7572)。

［1］秦小光，蔡炳貴，吳金水，等.北京靈山草地土壤CO2源匯和排放通量與溫度濕度晝夜變化的關(guān)系［J］.生態(tài)環(huán)境，2004，13(4):470-475.

［2］曾從盛，王維奇，張林海，等.閩江河口短葉茳芏潮汐濕地甲烷排放通量［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2010，21(2):500-504.

［3］仝川，曾從盛，王維奇，等.閩江河口蘆葦潮汐濕地甲烷通量及主要影響因子［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，29(1):207-216.

［4］陳槐，周舜，吳寧，等.濕地甲烷的產(chǎn)生、氧化及排放通量研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2006，12(5):726-733.

［5］IPCC.Climate change 2001:a scientific basis［M］.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2001.

［6］高新星，趙立欣.規(guī)模化豬場甲烷排放通量測量與分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006(增刊1):248-252.

［7］蘇俊，葉小蘭，曹利軍.準(zhǔn)好氧填埋技術(shù)在城市垃圾處理中的應(yīng)用［J］.新疆環(huán)境保護(hù)，2005，27(2):33-35.

［8］王琪，楊玉飛，黃啟飛，等.填埋結(jié)構(gòu)對滲濾液水質(zhì)變化影響研究［J］.環(huán)境工程，2005，23(4):69-71.

［9］ADAMS BL，BESNARD F，BOGNER J，etal.Bio-tarp alternative daily cover prototypes for methane oxidation atop open landfill cells［J］.Waste Manag，2011，31(5):1065-1073.

［10］SCHEUTZ C，PEDICONEA A，PEDERSEN G B，et al.Evaluation of respiration in compost landfill biocovers intended for methane oxidation［J］.Waste Manag，2011，31(5):895-902.

［11］李明峰，董云社，齊玉春，等.農(nóng)墾對溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)CO2、CH4、N2O通量的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，37(12):1960-1965.

［12］王玲，謝德體，劉海隆，等.稻田溫度與甲烷排放通量關(guān)系的研究［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2003，11(4):29-31.

［13］宋長春，閻百興，王躍思，等.三江平原沼澤濕地CO2和CH4通量及影響因子［J］.科學(xué)通報，2003，48(23):2473-2477.

［14］GUNNAR B，BO H S.Seasonal and diurnal methane emissions from a landfill and their regulation by methane oxidation［J］.Waste Manag Res，1997，15(1):33-54.

［15］BOGNER J，SPOKASK，BURTON E，etal.Landfills as atmospheric methane sources and sinks［J］.Chemosphere，1995，31(9):4119-4130.

［16］PASCAL B，OSWALD V C，VILLARALVO I D A，et al.Methane emission from a landfill and the methane oxidizing capacity of its covering soil［J］.Soil Biological Biochem，1996，28(10/11):1397-1405.

［17］GUNNAR B，INGVAR S，ANDERS T，et al.Methane oxidation in landfill covers oils，asrevealed by potential oxidation measurements and phospholipids fatty acid analyses［J］.Soil Biological Biochem，1998，30(10/11):1423-1433.

［18］向靚，向武.城市垃圾填埋場甲烷釋放通量的研究［J］.中國沼氣，2006，24(2):21-24.

［19］MOSHER B W，CZEPIEL P C，SHORTER J，et al.Mitigation of methane emissions at landfill sites in New England，USA［J］.Energy Conversion and Manage，1996，37(6/7/8):1093-1098.

［20］朱明華.儀器分析［M］.3版.北京:高等教育出版社，2000.

［21］劉玉強(qiáng)，王琪，黃啟飛，等.不同填埋工藝對填埋氣產(chǎn)生動態(tài)變化的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16(12):2409-2412.

［22］BOGNER J，SPOKAS K.Landfill CH4:rates，fates，and role in global carbon cycle［J］.Chemosphere，1993，26(1/2/3/4):366-386.

［23］MOSHER B W，CZEPIEL P M，HARRISS R C，et al.Methane emissions at nine landfill sites in the Northeastern United States［J］.Environ Sci＆ Technol，1999，33(12):2088-2094. ○