西北地區(qū)某填埋場覆蓋層的甲烷排放量及其影響因素研究

文_葛鵬 江蘇省地質礦產(chǎn)局第三地質大隊

甲烷是引起全球變暖的主要溫室氣體之一，其全球變暖潛勢是二氧化碳的20到30倍。

垃圾填埋場產(chǎn)生的甲烷氣體可以通過覆蓋層中天然存在的甲烷氧化菌的甲烷氧化作用消耗，減少填埋場的甲烷排放量。填埋場覆蓋層的甲烷氧化能力是多個影響因素共同作用的結果，其主要影響因素有溫度、含水量、覆蓋土特性、甲烷和氧氣濃度以及有機質含量等。岳波等通過室內培養(yǎng)瓶試驗對覆蓋土的甲烷氧化能力及影響因素進行了研究，指出覆蓋土的最適宜溫度和最適宜含水率分別為25℃和25%。楊益彪等的室內培養(yǎng)瓶試驗結果表明，覆蓋時間影響了覆蓋土暴露于甲烷存在環(huán)境中的時間以及有機質含量，進而影響覆蓋土的甲烷氧化能力，并指出覆蓋土的甲烷氧化能力與有機質含量呈正相關關系。邱清文指出覆蓋層的水氣傳導特性受氣象條件影響，進而改變覆蓋層的甲烷排放量。然而，目前國內缺少關于填埋場覆蓋層甲烷排放量及甲烷氧化能力的現(xiàn)場試驗研究。

本文在西北地區(qū)某填埋場覆蓋層布置甲烷排放量測試點，分別在冬季（2015年12月）和夏季（2016年7月）對覆蓋層的甲烷排放量和甲烷氧化速率進行原位測試，同時監(jiān)測環(huán)境大氣壓力以及覆蓋土的溫度和含水量，分析討論覆蓋層的甲烷排放量變化規(guī)律以及其影響因素，為城市生活垃圾填埋場的甲烷排放控制提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 場地介紹

該垃圾填埋場是西北地區(qū)某市唯一的城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場，自1994年開始運行，總占地面積約為7.34×105m2。根據(jù)填埋場附近國家氣象站近50a的監(jiān)測數(shù)據(jù)，該地區(qū)的年平均相對濕度和年平均降水量分別為69.6%和572mm，降水主要發(fā)生在七月到九月期間。為了確保垃圾堆體的穩(wěn)定與安全，該填埋場以約10m為一層逐層堆填城市生活垃圾，每層邊坡的坡度設置為1:3，并在層頂保留約八米寬的平臺做緩沖。該填埋場的填埋高度已經(jīng)超過110m，成為國內最大的填埋場之一。

為了研究該填埋場覆蓋層的甲烷排放情況，在填埋場第8平臺的邊坡中部布置了一個甲烷排放量測試點。該邊坡覆蓋層主要由壓實黃土構成，覆蓋層厚度約為0.6m，試驗期間覆蓋層下方填埋的生活垃圾齡期約為3～5a，覆蓋層已建成約2a。在測試點地表布置靜態(tài)箱測試填埋氣體排放量；在測試點地表下0.3m處（即覆蓋層中部深度）布置一個土壤溫濕度傳感器測試該深度處的溫度和含水量；利用2mm直徑的PVC管在覆蓋層底部布置一個填埋氣成分監(jiān)測點，通過便攜式沼氣分析儀（GA5000）測試填埋氣成分（即甲烷、氧氣、二氧化碳和氮氣）。

1.2 試驗方法

現(xiàn)場覆蓋層的填埋氣排放量通過靜態(tài)箱法進行測試。該測試系統(tǒng)主要包括透明有機玻璃制成的靜態(tài)箱（高度和直徑均為0.5m）和不銹鋼底座，為了保證氣密性，不銹鋼底座打入覆蓋層5～10cm，并且通過U型水槽連接靜態(tài)箱和底座。靜態(tài)箱內布置一個促進氣體混合均勻的風扇，以及一個測試靜態(tài)箱內氣體溫度的溫度計；利用激光甲烷檢測儀（TGESA3C32A）在靜態(tài)箱外壁測試靜態(tài)箱內甲烷濃度變化，利用便攜式沼氣分析儀（GA5000）可從靜態(tài)箱頂部閥門測試靜態(tài)箱內氣體組分。

每次填埋氣排放量測試需要約20min，在20min內每隔5min利用激光甲烷檢測儀測試并記錄靜態(tài)箱內的甲烷濃度，然后在第20min利用便攜式沼氣分析儀測試記錄此時的環(huán)境大氣壓力以及靜態(tài)箱內的氣體組分。根據(jù)甲烷濃度累積曲線可以得到甲烷排放通量：

結合甲烷排放通量以及第20min靜態(tài)箱內的甲烷和二氧化碳體積分數(shù)，可以得到二氧化碳的排放通量：

為了確定現(xiàn)場覆蓋層的甲烷氧化速率，假定進入覆蓋層的填埋氣通量與排出覆蓋層的填埋氣通量相等（即CH4和CO2通量），即理論上單位體積的甲烷被氧化時會產(chǎn)生單位體積的二氧化碳，則進入覆蓋層的甲烷通量：

1.3 試驗方案

為了獲得不同季節(jié)下覆蓋層的甲烷排放量數(shù)據(jù)，現(xiàn)場覆蓋層的甲烷排放量測試分別在2015年12月（冬季）和2016年7月（夏季）進行。每七天測試一次甲烷排放量以及覆蓋層0.3m深度處的溫度和含水量，即在2015年12月和2016年7月各測試4次。

2 結果與討論

2.1 甲烷氧化量與排放量變化

不同日期測得的現(xiàn)場覆蓋層的甲烷排放量變化范圍為26.5～125.6 g m-2d-1，隨著測試時間的不同，覆蓋層的甲烷排放量產(chǎn)生明顯變化。這一方面是由于覆蓋層暴露于自然環(huán)境中，覆蓋層中水、氣分布受氣象條件（如降水、氣溫、大氣壓等）的影響，覆蓋土的導水、導氣性能隨著氣象條件的變化而改變，進而導致覆蓋層的甲烷排放量改變；另一方面，覆蓋層下堆填垃圾體的降解過程受環(huán)境條件和垃圾齡期影響，其產(chǎn)生填埋氣的能力隨著時間和環(huán)境條件發(fā)生變化，進而影響甲烷的產(chǎn)生量和排放量。此外，覆蓋層的甲烷排放量隨著季節(jié)不同而發(fā)生明顯變化，在冬季（十二月份）和夏季（七月份）測得的最大甲烷排放量分別為57.9g m-2d-1和125.6g m-2d-1，夏季的甲烷排放量明顯高于冬季。

不同日期測得的現(xiàn)場覆蓋層的甲烷氧化速率變化范圍為14.7～52.2 g m-2d-1，覆蓋層的甲烷氧化速率隨著時間發(fā)生明顯變化。這主要是由于氣象條件變化導致覆蓋土的含水量、溫度以及氣體組分發(fā)生變化，進而改變了覆蓋層的甲烷氧化速率?，F(xiàn)場覆蓋層在夏季測得的最大甲烷氧化速率（52.2g m-2d-1）明顯高于冬季（32.6 g m-2d-1），可能是由于覆蓋層在夏季具有更適宜的溫度和更高的甲烷通量。根據(jù)測得的覆蓋層甲烷氧化速率和甲烷排放量，試驗期間覆蓋層的甲烷去除效率變化范圍為24.0%～55.1%，平均甲烷去除效率為36.0%。

2.2 溫度對甲烷排放量的影響

溫度是影響覆蓋層甲烷氧化能力的關鍵因素，現(xiàn)場測得的0.3m深度處的溫度與覆蓋層的甲烷氧化速率和排放量隨著溫度的提高具有增加的趨勢。然而，該測試結果并沒有表現(xiàn)出溫度與甲烷氧化速率之間具有明顯的作用關系，現(xiàn)場測得的覆蓋層甲烷氧化速率隨溫度的變化規(guī)律與岳波等通過室內培養(yǎng)瓶試驗測得的結果不一致，這主要是由于現(xiàn)場覆蓋層復雜且難以控制的環(huán)境條件影響。從冬季到夏季，雖然隨著溫度的提高，覆蓋層具有更適宜的溫度，但是其土壤含水量降低，在溫度和含水量共同作用下，覆蓋層的甲烷氧化速率變化規(guī)律并不明顯。

2.3 含水量對甲烷排放量的影響

覆蓋層0.3m深度處體積含水量與覆蓋層甲烷氧化速率以及甲烷排放量的關系如圖1所示。從圖1可知，隨著覆蓋層體積含水量的增加，覆蓋層的甲烷排放量逐漸降低，兩者呈現(xiàn)出明顯的負相關關系。隨著覆蓋土的體積含水量的增加，覆蓋土中原本被氣體占據(jù)的孔隙體積被水分侵占，導致覆蓋層的導氣能力降低，致使覆蓋層的甲烷通量下降，進而減少了覆蓋層的甲烷排放量。然而，覆蓋層體積含水量的變化并沒有對其甲烷氧化速率產(chǎn)生明顯影響，這主要是由于覆蓋層的甲烷氧化速率受溫度和含水量的共同影響，現(xiàn)場復雜的環(huán)境條件導致覆蓋層的甲烷氧化速率的變化規(guī)律并不明顯。

圖1 體積含水量對覆蓋層甲烷氧化速率和甲烷排放量的影響

2.4 大氣壓力對甲烷排放量的影響

大氣壓力也是一個影響覆蓋層甲烷排放量的重要影響因素，現(xiàn)場測得的大氣壓力與覆蓋層甲烷排放量的關系如圖2所示。從圖2可知，十二月份和七月份測得的大氣壓力分布范圍分別為954.9～962.5mbar和937.1～943.9mbar，即冬季的大氣壓力比夏季大。隨著大氣壓力的增加，現(xiàn)場覆蓋層的甲烷排放量總體上呈現(xiàn)出降低的趨勢，即兩者呈負相關關系。

圖2 大氣壓力與覆蓋層甲烷排放量的關系

3 結語

根據(jù)現(xiàn)場覆蓋層的原位測試結果，試驗期間測得的覆蓋層的甲烷排放量變化范圍為26.5～125.6gm-2d-1，對應的甲烷去除效率變化范圍為24.0%～55.1%，平均甲烷去除效率為36.0%。經(jīng)過約2a的覆蓋，覆蓋土的甲烷氧化能力能夠有效消耗部分甲烷氣體，降低甲烷排放量。

由于覆蓋層暴露于自然環(huán)境中，其甲烷排放量受環(huán)境條件影響。覆蓋層在夏季具有更適宜的溫度，其最大甲烷氧化速率（52.2 g m-2d-1）明顯高于冬季（32.6 g m-2d-1）；但是由于夏季覆蓋層體積含水量低于冬季，覆蓋層具有更強的導氣性能，導致夏季進入覆蓋層的甲烷通量更高，最終使得夏季覆蓋層的甲烷排放量高于冬季。

覆蓋層的甲烷排放量隨著大氣壓力的增加而呈現(xiàn)出降低的趨勢，冬季的大氣壓力高于夏季，進一步促使冬季的甲烷排放量低于夏季。