提高填埋氣體收集率的方法探討

郭祥信

填埋氣體是生活垃圾填埋場的主要氣體污染源。填埋氣體既是一種可以利用的能源，又是填埋場主要的臭味源和大氣溫室氣體的排放源。提高填埋氣體收集率和利用率對于節(jié)約能源、控制填埋場臭味、減小溫室氣體排放具有重要意義。本文通過對填埋氣體產(chǎn)生規(guī)律和影響因素的論述以及對氣體收集率影響因素的分析，提出了提高填埋氣體收集率的方法。

一、概述

填埋氣體是生活垃圾填埋場的主要氣體污染源。填埋氣體的主要成分是甲烷（體積濃度約55%-65%）、二氧化碳（體積濃度約35%-45%CO2），另外還有一些少量的氣體，如氮氣、氫氣、一氧化碳、硫化氫、氨和硫醇等，其中硫化氫、氨和硫醇等氣體具有很強的臭味。因此填埋氣體既是一種可以利用的能源，又是填埋場主要的臭味源和大氣溫室氣體的排放源。提高填埋氣體收集率和利用率對節(jié)約能源、控制填埋場臭味、減小溫室氣體排放具有重要意義。

填埋氣體是垃圾中有機物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體，其產(chǎn)氣周期比較長，且產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量隨時間變化較大，另外垃圾填埋場內(nèi)的情況比較復雜，管理難度大，因此填埋氣體的收集和利用難度也非常大，因此如何提高填埋氣體的收集率是一個值得探討的問題。以下，本文從幾個方面對填埋氣體收集率的提高方法進行了探討和論證。

二、國內(nèi)垃圾填埋場氣體收集現(xiàn)狀分析

填埋是我國生活垃圾處理的主要方式。上世紀90年代以前，國內(nèi)大部分城市采用簡易填埋方式，填埋氣體均是自然排放，基本沒有什么控制措施。90年代以來，國內(nèi)逐步建設了一些衛(wèi)生填埋場，簡易的填埋場逐步被封場。這些衛(wèi)生填埋場均設有填埋氣體導排設施，大部分填埋場是將導出的填埋氣體直接排空，只有少數(shù)填埋場在運行幾年后建設了填埋氣體利用設施或火炬燃燒系統(tǒng)。對于建設填埋氣體利用或燃燒設施的填埋場，填埋氣體的收集率和利用率（燃燒率）非常小，據(jù)估計氣體收集率不到40%，沒有被收集到的氣體則通過不同渠道遷移至垃圾堆體以外，最后被排放到空氣中。

三、垃圾填埋場填埋氣體的產(chǎn)生規(guī)律

（一）有機物的厭氧分解過程

有機物的厭氧發(fā)酵包括有機酸發(fā)酵、甲烷發(fā)酵、氫發(fā)酵和甘醇發(fā)酵。在固體廢棄物分解的過程中，主要是有機酸發(fā)酵和甲烷發(fā)酵，它們分階段進行，發(fā)酵過程中產(chǎn)生甲烷和二氧化碳。

在第一階段里，碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等高分子有機物受到加水分解，進行低分子化，然后通過酶反應，利用這些有機單體中的氧生成甲酸、醋酸、酪酸之類的揮發(fā)性有機酸和乳酸、琥珀酸、a-katoyluaricacid酸之類的不揮發(fā)有機酸、乙醇等醇類、氨、氫、二氧化碳、硫化物等物質(zhì)。參加這一發(fā)酵過程的菌群是共性厭氧細菌和絕對厭氧細菌，雖然會因菌種的不同，所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物也不同，但一般在偏性厭氧菌的有機酸發(fā)酵過程中，多數(shù)是生成揮發(fā)性脂肪酸。通常在此過程中，所產(chǎn)生的有機酸和二氧化碳被水溶解，使系統(tǒng)內(nèi)的PH達到5-6，呈酸性，因此這一過程也稱為酸性發(fā)酵過程。

當發(fā)酵進入第二階段后，屬于偏性厭氧菌的甲烷生成菌，代謝前一階段生成的低分子有機物等，生成甲烷和二氧化碳。甲烷生成菌目前已被確認的有22菌株、菌的種類和可以利用的基質(zhì)，種類比有機酸發(fā)酵過程要少得多，甲烷可利用的基質(zhì)只有氧、二氧化碳、甲酸、醋酸、甲醇、甲基胺和三甲胺幾種，其它的低級有機物一旦被可生成氫的醋酸鹽轉(zhuǎn)換成醋酸，就會被甲烷菌轉(zhuǎn)化成甲烷。綜上所述，甲烷菌可大致分為兩類：一種是把二氧化碳還原，生成甲烷的；另一種是使醋酸酯羧化，生成二氧化碳和甲烷氣體的。

（二）填埋氣體產(chǎn)生的幾個階段

根據(jù)有機物的厭氧分解過程，填埋場內(nèi)垃圾填埋氣體的產(chǎn)生可分為四個階段：

第一階段為好氧階段，該階段發(fā)生于固體垃圾填埋的初期。該階段的特點是：原存垃圾中氧氣逐漸被耗盡，并伴隨有CO2產(chǎn)生。當垃圾中無氧氣存在時，垃圾發(fā)酵過程進入第二階段，這一階段是厭氧發(fā)酵，伴有H2和CO2產(chǎn)生并逐漸達到最大濃度，但無甲烷產(chǎn)生。在第二階段之后，甲烷開始產(chǎn)生，并且濃度逐漸增大，甲烷菌活性有所提高，并耗盡垃圾中產(chǎn)生的H2，該階段CO2的濃度逐漸下降，并逐漸趨于穩(wěn)定值，這一階段是第三階段。隨后，當甲烷和CO2趨于穩(wěn)定后，垃圾發(fā)酵即進入了第四階段，這一階段中產(chǎn)氣成分基本穩(wěn)定。（圖1）用氣體成分的變化表示填埋氣體產(chǎn)生的四個階段。

實際上，以上所述的垃圾分解的四個過程，在填埋場內(nèi)不是統(tǒng)一的按順序進行的，而是基于垃圾所處周圍環(huán)境條件相互交叉進行。例如，當有氧氣侵入時，第Ⅲ、Ⅳ階段的厭氧發(fā)酵就會停止，而第一階段的好氧發(fā)酵就會重新進行，另外各個階段所持續(xù)時間的長短也因填埋場環(huán)境狀況、垃圾成分的不同而有所差異。一般來講，前三個過程所用時間不大于一年，而第四個過程可持續(xù)十幾年甚至幾十年，因此通常所講的垃圾填埋氣體，指的是垃圾分解處在厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)生穩(wěn)定階段時所產(chǎn)生的氣體。

四、填埋氣體產(chǎn)生的影響因素

（一）溫度

一般填埋氣體產(chǎn)生的最佳溫度為30-40℃，雖然這一參數(shù)在垃圾填埋場不易被控制，但是由于土壤和垃圾周圍產(chǎn)生隔熱的條件，仍可以獲得較適合的溫度。

（二）濕度

填埋氣體產(chǎn)生的垃圾最佳濕度為50-80%，濕度小于50%和大于80%時，填埋氣體的產(chǎn)生速率均減小。

（三）碳氮比

垃圾的碳氮比代表著厭氧消化中兩種元素的比例，碳元素（碳水化合物的形式）和氮元素（為蛋白質(zhì)、硝酸鹽、銨等）是厭氧菌的兩種主要營養(yǎng)成分。實驗表明，在其它條件都適合的條件下，20-30：1的碳氮比率對厭氧發(fā)酵過程是最適合的比率，若此比率大則二氧化碳產(chǎn)生量增加。據(jù)計算，我國城市生活垃圾C/N比值多在25/1左右，發(fā)達國家城市垃圾C/N比典型值為49/1，顯然我國以食品垃圾含量較高的城市生活垃圾的C/N比值比較接近填埋氣體產(chǎn)生的最佳值，因此有利于填埋氣體的產(chǎn)生。

（四）pH值

一般填埋氣體產(chǎn)生的最佳pH值為6.7-7，pH值過高和過低都不利于填埋氣體的產(chǎn)生。

（五）填埋條件

由于甲烷菌為厭氧菌，厭氧狀態(tài)保持的好壞是影響填埋氣體產(chǎn)生的重要因素。一般厭氧狀態(tài)取決于覆蓋土透氣性、壓實密度和填埋深度。為了提高填埋氣體的產(chǎn)氣量，填埋覆蓋土一般用透氣性差的優(yōu)質(zhì)粘土，垃圾壓實密度應大于0.8t/m3。填埋深度對填埋氣體的產(chǎn)生量也有影響。填埋深度大的填埋場厭氧環(huán)境容易保持，且垃圾體內(nèi)溫度較穩(wěn)定，因此有利于填埋氣體的產(chǎn)生。

（六）垃圾成分

填埋氣體的產(chǎn)生量和產(chǎn)生速率與垃圾成分也有很大關(guān)系，如垃圾中易腐垃圾（菜葉、果皮、食品等）多，則垃圾產(chǎn)氣速度快，產(chǎn)氣量大；若垃圾中含有有毒物質(zhì)，這些有毒物質(zhì)會抑制甲烷產(chǎn)生菌從而阻礙厭氧分解，則產(chǎn)氣速度慢，產(chǎn)氣量小。

五、影響填埋氣體收集的因素

影響填埋氣體收集的因素主要有：

（一）每天的垃圾都有不同的產(chǎn)氣歷程

由于垃圾填埋場內(nèi)的垃圾是一天一天填進去的，因此垃圾堆體內(nèi)的垃圾產(chǎn)氣歷程對每天的垃圾都是不同的。填埋場垃圾堆體內(nèi)同時存在處于各種不同厭氧產(chǎn)氣階段的垃圾，使得填埋氣體產(chǎn)氣速率隨時間的變化規(guī)律很難預測，進而加大了根據(jù)此變化規(guī)律調(diào)節(jié)抽氣量的難度。

（二）垃圾填埋作業(yè)

垃圾填埋作業(yè)每天都在進行，作業(yè)面始終處于敞開狀態(tài)，最多是在夜晚停止作業(yè)后臨時覆蓋一段時間，因此填埋作業(yè)面對于穩(wěn)定垃圾堆體內(nèi)的厭氧環(huán)境不利。另外，填埋作業(yè)對填埋作業(yè)面及其周圍導氣設施的正常工作也有較大影響。

（三）氣體導排設施的設計

氣體導排設施包括垂直導排井和水平導排盲溝，兩種氣體導排設施均有一定的作用范圍，如果氣體導排設施的布置使所有導排設施的作用范圍覆蓋垃圾堆體的全部面積，則可獲得較高的氣體收集率；如果氣體導排設施的布置不能覆蓋垃圾堆體的全部面積，則將影響氣體收集率。

（四）垃圾堆體覆蓋層的氣密性

垃圾堆體覆蓋層的氣密性對填埋氣體的收集率也有較大影響。氣密性好，氣體不易穿過覆蓋層跑掉，因此可有利于提高氣體收集率，反之則不利于提高氣體收集率。

六、提高氣體收集率的方法

提高氣體收集率不應只從填埋場運行管理角度考慮，應綜合考慮填埋場設計、建設和運行管理的多個方面，通過以上對氣體收集率的影響因素分析，本文提出以下提高氣體收集率的方法。

（一）做好垃圾填埋區(qū)的分區(qū)分單元設計

由于垃圾填埋場一般都有很長的使用年限，而不同的填埋時間，垃圾的氣體產(chǎn)生速率不同。填埋區(qū)實行分區(qū)分單元設計，可以實現(xiàn)將同一時期的垃圾集中填入一個區(qū)域，那么該區(qū)域就可以根據(jù)垃圾填埋時間，比較準確地預測氣體產(chǎn)生速率，進而根據(jù)氣體產(chǎn)生速率，調(diào)整氣體收集系統(tǒng)的抽氣速度，最大限度地做到“產(chǎn)多少氣抽多少氣”，也就有利于提高氣體收集率。

垃圾填埋區(qū)的分區(qū)分單元設計可以根據(jù)填埋場的地形選擇不同的做法。（圖2）是針對平地型填埋場的做法，圖中的1 - 6是單元編號和單元填埋的順序。

（二）按分單元設計，做好垃圾分單元填埋規(guī)劃，并按規(guī)劃進行填埋作業(yè)

垃圾填埋場啟用前應先做好垃圾的填埋規(guī)劃，規(guī)劃應按照填埋區(qū)分區(qū)分單元設計進行，要盡可能做到垃圾從一邊的填埋單元填起，并在這個單元盡可能堆高，當垃圾堆至一定高度即對該單元及時實施抽氣，隨后采用同樣方法進行第二單元的填埋，并對第二填埋單元設立獨立的抽氣系統(tǒng)，填埋結(jié)束后及時實施抽氣。對于每一個填埋單元均設置獨立的抽氣系統(tǒng)，在抽氣時可以對各填埋單元進行單獨調(diào)節(jié)，以使每一個單元的抽氣量最接近該單元的氣體產(chǎn)生量。

（三）控制垃圾填埋作業(yè)面

垃圾填埋作業(yè)面敞開時間較長，作業(yè)機械影響氣體導排設施工作，因此填埋作業(yè)面越大對氣體的收集影響越大。為了提高氣體收集率，應嚴格控制垃圾填埋作業(yè)面。垃圾填埋作業(yè)面的大小與填埋量有關(guān)，填埋量大，傾卸垃圾的車輛和填埋作業(yè)機械數(shù)量多，需要的填埋作業(yè)面就大；填埋量小，傾卸垃圾的車輛和填埋作業(yè)機械數(shù)量少，需要的填埋作業(yè)面就小。

（四）做好垃圾堆體覆蓋，減少氣體無序遷移

垃圾填埋堆體可分三種情況進行覆蓋：最終覆蓋、中間覆蓋和臨時覆蓋（日覆蓋）。垃圾堆體到達設計終場標高的區(qū)域及時實施最終覆蓋，最終覆蓋的材料可采用防滲透性強的GCL或LDPE等材料，既可以防水也可以防氣。在完成一個填埋單元的填埋后，填埋作業(yè)要轉(zhuǎn)入另一個單元的填埋，完成填埋的單元要等待較長的時間才能再進行填埋，因此該單元應進行中間覆蓋，以減小雨水滲入垃圾體內(nèi)。中間覆蓋通常用土，為了節(jié)省填埋空間、減少雨水下滲，也可以臨時采用覆蓋膜，在重新填埋垃圾前將覆蓋膜掀開。這種做法也是一種提高氣體收集率的方法。

（五）合理設計和布置氣體導排設施

合理布置氣體導排設施，使全場的氣體導排設施的作用范圍覆蓋全部垃圾堆體。對于垂直導排井，首先應確定每個導排井的作用半徑，然后根據(jù)作用半徑確定導排井的間距和布置方式。如果每個導排井的作用半徑為R，則導排井的間距應為L=2R·COS30°=1.73R，其布置方式（圖3）所示。

（圖3）所示的情況是理想情況下的。在實際工程中，氣體導排井的作用范圍不是一個規(guī)則的圓柱，作用半徑也不是一個固定的值。由于垃圾堆體內(nèi)部空隙率是不均勻的，因此在各個方向上導排井的作用距離是不一樣的，按照導排井作用范圍經(jīng)驗數(shù)值或試驗數(shù)值均勻布置的氣體導排井的作用范圍就不可能完全覆蓋整個垃圾堆體，因此為了提高氣體收集率，可采用以下方法：

1.減小氣體導排井的間距。一般情況下，氣體導排井的間距為50m，如果將氣體導排井的間距縮小到30-35m，則可有效提高氣體收集率。

2.在主導排井之間加設副導排井，將主導排井作用范圍覆蓋不到的區(qū)域用副導排井承擔抽氣。這種方法成本較高，需要多設很多導排井。

3.在導排井上設置放射狀的碎石盲溝，每層垃圾設置一圈放射狀碎石盲溝，碎石盲溝中心鋪設塑料花管，兩導排井之間由碎石盲溝聯(lián)通（圖4）所示。

（六）做好氣體導排設施調(diào)節(jié)

一般的填埋場垃圾堆體內(nèi)垃圾填埋時間、密度、垃圾成分、含水率、酸堿度等極不均勻，每個氣體導排設施作用范圍內(nèi)垃圾的產(chǎn)氣量均不相同，因此每個氣體導排設施的抽氣量也應不同。這就需要對每個氣體導排設施具有不同的調(diào)節(jié)方案和規(guī)律，需要對每一個氣體導排設施進行細致調(diào)節(jié)，才能最大限度做到“產(chǎn)多少氣抽多少氣”，進而做到最大限度地提高氣體收集率。

（七）有效排除氣體導排設施內(nèi)積水

我國生活垃圾含水量高，特別是在雨季時節(jié)，如果做不好覆蓋，雨水會大量進入垃圾堆體，造成垃圾堆體內(nèi)含有大量雨水，在滲瀝液導排系統(tǒng)不能及時將水導出時，垃圾堆體內(nèi)就會形成很高的水位，導致垂直氣體導排井大部分被雨水淹沒，垃圾堆體下部的水平導排盲溝也被雨水淹沒，造成氣體導排設施無法收集氣體。因此要提高氣體收集率，需要對被雨水淹沒的氣體導排設施進行排水，為安全起見，排水只能采用壓縮空氣泵進行。

七、結(jié)論

對垃圾填埋場進行填埋氣體導排、收集、利用或處理是非常重要的，應用提高氣體收集率方法、有效提高填埋氣體收集率，對于有效控制填埋場臭氣污染、減少溫室氣體排放、節(jié)能非常重要。本文通過分析論證，提出如下提高氣體收集率的方法：

做好垃圾填埋區(qū)的分區(qū)分單元設計；按分單元設計做好垃圾的分單元填埋規(guī)劃并按規(guī)劃進行填埋作業(yè)；控制垃圾填埋作業(yè)面；做好垃圾堆體的覆蓋，減少氣體的無序遷移；合理設計和布置氣體導排設施；做好氣體導排設施的調(diào)節(jié)；有效排除氣體導排設施內(nèi)積水。