生活垃圾填埋場(chǎng)覆蓋膜破損及其環(huán)境影響

劉彥君，楊惠媛，劉 宏，劉玉強(qiáng)，徐 亞

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 2.天津市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)保惡臭污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 4.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215163 5.昆明市政科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，云南 昆明 650100

中國(guó)生活垃圾具有含水率高(40%～60%)和有機(jī)質(zhì)含量高(50%～70%)等特點(diǎn)[1-2]，導(dǎo)致填埋場(chǎng)甲烷的產(chǎn)生和排放量較大[3-5]。據(jù)估算，截至2012年中國(guó)已有1 955座生活垃圾填埋場(chǎng)，甲烷年排放量約為1.48萬(wàn)t[6]；到2030年，生活垃圾填埋場(chǎng)將達(dá)到2 450座，預(yù)計(jì)甲烷年排放量將達(dá)到1.79萬(wàn)t。習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出“中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。而隨著生活垃圾填埋量的持續(xù)增長(zhǎng)，填埋場(chǎng)甲烷的產(chǎn)生與排放將加劇中國(guó)溫室氣體減排的壓力。

填埋場(chǎng)產(chǎn)生的甲烷主要通過(guò)垃圾堆體表面釋放進(jìn)入大氣環(huán)境[7]。中國(guó)的填埋場(chǎng)目前多采用高密度聚乙烯膜(HDPE)取代覆土的方式進(jìn)行覆蓋。由于填埋場(chǎng)在建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和后期管理過(guò)程中缺乏針對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋膜完整性的監(jiān)管，導(dǎo)致覆蓋膜破損情況較為嚴(yán)重[8-10]。填埋場(chǎng)覆蓋膜的破損會(huì)造成填埋氣泄漏，向大氣環(huán)境持續(xù)釋放甲烷和惡臭氣體，導(dǎo)致填埋場(chǎng)爆炸隱患、能源損失、溫室效應(yīng)、惡臭擾民等問(wèn)題突出[11]。與此同時(shí)，中國(guó)未來(lái)將有大量填埋場(chǎng)面臨封場(chǎng)，封場(chǎng)后的填埋場(chǎng)仍將不斷產(chǎn)生填埋氣，一般需要30～50年才能達(dá)到穩(wěn)定，而封場(chǎng)覆蓋是控制填埋氣無(wú)組織釋放的關(guān)鍵。當(dāng)前，眾多填埋場(chǎng)面臨著運(yùn)行、封場(chǎng)和治理等工作，而填埋氣污染控制的相關(guān)規(guī)范、導(dǎo)則、技術(shù)指南等并不完善，填埋場(chǎng)的覆蓋膜破損問(wèn)題尚缺乏相關(guān)規(guī)范和指南等技術(shù)文件的支撐。

針對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋膜破損檢測(cè)的技術(shù)主要包括火焰離子化檢測(cè)器(FID)分析技術(shù)、移動(dòng)激光技術(shù)和甲烷敏感紅外攝像頭技術(shù)。其中，火焰離子化檢測(cè)器分析技術(shù)精確度較高，但無(wú)法完全覆蓋整個(gè)檢測(cè)范圍[12]；移動(dòng)激光技術(shù)可測(cè)量垃圾填埋場(chǎng)的釋放量，但無(wú)法識(shí)別破損點(diǎn)位置[13]。填埋氣泄漏可視化檢測(cè)技術(shù)基于光子探測(cè)器的工作原理，利用紅外線攝像機(jī)和內(nèi)置甲烷檢測(cè)器，可在識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)破損點(diǎn)位的同時(shí)估測(cè)甲烷氣體釋放速率。筆者以生活垃圾填埋場(chǎng)覆蓋區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用填埋氣泄漏可視化檢測(cè)技術(shù)，對(duì)中國(guó)東部某大型生活垃圾填埋場(chǎng)覆蓋膜開(kāi)展完整性檢測(cè)，揭示覆蓋膜破損成因，評(píng)估破損點(diǎn)甲烷泄漏特征及其溫室效應(yīng)影響。為生活垃圾填埋場(chǎng)的監(jiān)管和填埋氣污染控制提供科學(xué)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 填埋場(chǎng)基本信息

該填埋場(chǎng)位于中國(guó)東部地區(qū)，是典型的山谷型厭氧生活垃圾填埋場(chǎng)，處理規(guī)模為2 500 t/d，累計(jì)填埋量已超過(guò)780萬(wàn)t。該填埋場(chǎng)于2006年開(kāi)始利用填埋氣發(fā)電，采用場(chǎng)區(qū)內(nèi)設(shè)置的導(dǎo)氣收集系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的填埋氣進(jìn)行收集和利用，沼氣年發(fā)電量約為1 100萬(wàn)kW·h。2015年開(kāi)始，該場(chǎng)實(shí)施全場(chǎng)HDPE膜覆蓋，現(xiàn)有覆蓋面積已達(dá)30萬(wàn)m2。

1.2 破損點(diǎn)檢測(cè)條件及方法

采用填埋氣泄漏可視化檢測(cè)技術(shù)(Esders Gascam SG)檢測(cè)覆蓋膜完整性，該設(shè)備由遠(yuǎn)紅外攝像機(jī)及內(nèi)置甲烷檢測(cè)器組成。檢測(cè)技術(shù)基于遠(yuǎn)紅外攝像原理，利用低溫運(yùn)行的高敏感檢測(cè)器，標(biāo)定已知釋放速率的甲烷氣體影像，分析內(nèi)置甲烷氣體影像與甲烷釋放速率的相關(guān)關(guān)系，評(píng)估甲烷釋放速率。Esders Gascam SG檢測(cè)圖像如圖1所示。

圖1 Esders Gascam SG可視化檢測(cè)圖像Fig.1 Visual image by using Esders Gascam SG

覆蓋膜完整性檢測(cè)采用路線穿越法設(shè)計(jì)檢測(cè)路線，該法能利用較少的點(diǎn)位對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行較全面的檢測(cè)。具體為每隔20～30 m設(shè)置一個(gè)攝像點(diǎn)，在攝像點(diǎn)上對(duì)覆蓋膜進(jìn)行360°水平掃描，利用Esders Gascam SG影像識(shí)別是否有甲烷排放。在有甲烷排放的位置檢查覆蓋膜，勘測(cè)破損情況。該次檢測(cè)共設(shè)置15個(gè)攝像點(diǎn)，具體點(diǎn)位如圖2所示，檢測(cè)面積約為4 700 m2。

圖2 典型填埋場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 The schematic view of landfill detection point

2 結(jié)果與討論

2.1 覆蓋膜破損特征及成因分析

檢測(cè)填埋場(chǎng)已覆蓋區(qū)域的完整性發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)共有35個(gè)破損點(diǎn)，約合每公頃覆蓋膜有73個(gè)破損點(diǎn)，破損點(diǎn)類(lèi)型及數(shù)量如表1所示。覆蓋膜破損類(lèi)型主要包括尖銳物體應(yīng)力損傷、覆蓋膜焊接點(diǎn)破損、覆蓋膜與填埋場(chǎng)其他構(gòu)件連接不完整。其中，尖銳物體應(yīng)力損傷和覆蓋膜焊接點(diǎn)破損是最主要的破損類(lèi)型。

表1 覆蓋膜破損類(lèi)型及其數(shù)量Table 1 The type and quantity of landfill film leakages

尖銳物體應(yīng)力損傷是造成填埋場(chǎng)覆蓋膜破損的重要類(lèi)型。膜下尖銳物與膜上壓膜重物會(huì)增加覆蓋膜的局部應(yīng)力，導(dǎo)致覆蓋膜破損。研究中共發(fā)現(xiàn)21個(gè)由尖銳物體應(yīng)力損傷導(dǎo)致的破損點(diǎn)，約占檢測(cè)破損點(diǎn)總量的60.0%，破損尺寸為1.0～12.0 cm。造成這類(lèi)破損的原因主要是操作過(guò)程中工人粗放施工(在膜上搬運(yùn)機(jī)械、使用水泥磚壓膜等)導(dǎo)致覆蓋膜上表面被刺穿或磨損。

覆蓋膜焊接點(diǎn)破損是由覆蓋膜焊接處焊接不完整或焊接操作不當(dāng)導(dǎo)致的，這類(lèi)破損點(diǎn)占檢出破損點(diǎn)總量的31.4%，破損尺寸較小(0.5～5.0 cm)。研究中發(fā)現(xiàn)，填埋場(chǎng)堆體斜坡區(qū)域由于坡度較大、現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，存在覆蓋膜焊接不完整的現(xiàn)象。填埋場(chǎng)覆蓋膜焊接對(duì)精密度要求較高，焊接處屬于整個(gè)覆蓋層的薄弱點(diǎn)，若施工和運(yùn)營(yíng)中監(jiān)管不到位，極易導(dǎo)致覆蓋膜出現(xiàn)此類(lèi)破損。

覆蓋膜與填埋場(chǎng)其他構(gòu)件連接不完整主要包括膜與錨固壩連接處不密封，覆蓋膜與導(dǎo)氣管連接處不完整等。雖然此類(lèi)破損點(diǎn)數(shù)量較少(<10%)，但破損尺寸較大(1.0～15.0 cm)。尤其是錨固壩連接處不密封的破損點(diǎn)，由于其在填埋操作前已完成鋪設(shè)，很難被修補(bǔ)。

2.2 破損點(diǎn)甲烷泄漏特征

Esders Gascam SG可將甲烷泄漏速率按照小(小于100 L/h)、中(100～1 000 L/h)、大(大于1 000 L/h)3個(gè)等級(jí)梯度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。破損點(diǎn)的甲烷泄漏速率以大于1 000 L/h 為主，日泄漏量約為817.2 m3。其中，因尖銳物應(yīng)力損傷導(dǎo)致的破損點(diǎn)甲烷泄漏速率最高，單個(gè)破損點(diǎn)泄漏速率達(dá)26.9 m3/d；覆蓋膜焊接點(diǎn)破損的單個(gè)破損點(diǎn)甲烷泄漏速率相對(duì)較小(17.6 m3/d)，但由于破損點(diǎn)數(shù)量較多，其泄漏量達(dá)193.2 m3/d；因覆蓋膜與填埋場(chǎng)其他構(gòu)件連接不完整造成的單個(gè)破損點(diǎn)甲烷泄漏速率為19.7 m3/d，此類(lèi)破損點(diǎn)個(gè)數(shù)較少，甲烷日泄漏量?jī)H為35.0 m3。因此，在填埋場(chǎng)運(yùn)行和維護(hù)管理過(guò)程中，除了對(duì)尖銳物應(yīng)力損傷類(lèi)破損進(jìn)行檢查外，還應(yīng)加大對(duì)覆蓋膜焊接點(diǎn)破損和覆蓋膜與填埋場(chǎng)其他構(gòu)件連接不完整的關(guān)注。

表2 破損點(diǎn)甲烷泄漏速率及泄漏量估算Table 2 The release rate and quantity of methane from landfill film leakages

破損點(diǎn)甲烷泄漏不僅會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，也會(huì)造成大量能源損失。從溫室效應(yīng)角度分析，研究中填埋場(chǎng)覆蓋層破損點(diǎn)甲烷泄漏量約合向大氣釋放溫室氣體13.58 t CO2-eq/d，每年釋放的溫室氣體超過(guò)4 900 t CO2-eq。同時(shí)，甲烷作為清潔能源可用于發(fā)電，以每立方米甲烷發(fā)電3.59 kW·h，發(fā)電電價(jià)為0.45 元/(kW·h)計(jì)，該研究填埋場(chǎng)已檢測(cè)出的破損點(diǎn)每年泄漏甲烷的發(fā)電量約為1.07×106kW·h，折合損失發(fā)電金額約為48.18 萬(wàn)元?？刂铺盥駡?chǎng)覆蓋層的破損，不僅可以大大降低填埋場(chǎng)釋放甲烷對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)，還可以提高填埋場(chǎng)能源利用效率。

2.3 填埋場(chǎng)覆蓋膜完整性監(jiān)管分析

由于填埋區(qū)域較廣，常規(guī)的氣體檢測(cè)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋區(qū)域的全面檢測(cè)，技術(shù)手段不足導(dǎo)致了填埋場(chǎng)覆蓋膜完整性監(jiān)管和檢測(cè)的缺失。基于此，筆者在該研究實(shí)際調(diào)研的基礎(chǔ)上，梳理了國(guó)內(nèi)外填埋場(chǎng)覆蓋層監(jiān)管相關(guān)管理規(guī)定及措施。

在法律層面，為從源頭控制填埋場(chǎng)甲烷的產(chǎn)生，歐盟制定了《歐盟垃圾填埋指令》，確定了將生物可降解垃圾從填埋場(chǎng)中清除的目標(biāo)，旨在盡可能防止或減少垃圾填埋場(chǎng)帶來(lái)的負(fù)面環(huán)境影響及其對(duì)人類(lèi)健康造成的潛在危害。同時(shí)，歐洲各國(guó)也通過(guò)立法推進(jìn)填埋場(chǎng)甲烷減排，如英國(guó)的《廢棄物與碳排放交易法案 (2008)》和德國(guó)的《可再生能源法 (2017)》。目前，中國(guó)尚未形成針對(duì)垃圾填埋場(chǎng)甲烷控制和減排的相應(yīng)法律規(guī)定。

在管理體系方面，國(guó)際上通常借助完善的管理制度全面控制填埋場(chǎng)的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行。對(duì)于填埋場(chǎng)覆蓋層，美國(guó)環(huán)保署對(duì)其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、厚度及覆蓋材料的性能明確提出要求，并出臺(tái)了《最終覆蓋技術(shù)指南》。盡管中國(guó)已有《生活垃圾填埋場(chǎng)處理技術(shù)規(guī)范》(GB 50869—2013)和《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)，但尚缺乏關(guān)于填埋場(chǎng)覆蓋層監(jiān)管方面詳細(xì)的規(guī)定和要求。填埋氣污染控制的相關(guān)規(guī)范、導(dǎo)則和技術(shù)指南等文件還不完善。

在檢測(cè)維護(hù)方面，填埋場(chǎng)覆蓋層破損點(diǎn)往往較為隱蔽，僅依靠人力進(jìn)行泄漏排查難度較大。德國(guó)采用FID進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率為1年2次，并規(guī)定如檢測(cè)區(qū)域10年內(nèi)未超標(biāo)則可停止檢測(cè)。英國(guó)則針對(duì)臨時(shí)覆蓋區(qū)及最終覆蓋區(qū)實(shí)施2個(gè)階段為期3個(gè)月以上的檢測(cè)，其中第一階段使用FID進(jìn)行場(chǎng)調(diào)，第二階段在代表性區(qū)域測(cè)量氣體泄漏量，如泄漏量超出限制，則進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)救并再次檢測(cè)泄漏情況，若未超相應(yīng)限制則只進(jìn)行場(chǎng)調(diào)。當(dāng)前，中國(guó)僅有部分城市自行開(kāi)展了生活垃圾填埋場(chǎng)覆蓋膜完整性檢測(cè)及排查工作，關(guān)于修復(fù)環(huán)節(jié)的監(jiān)管要求尚不明晰。

綜上，針對(duì)中國(guó)填埋場(chǎng)覆蓋膜破損、填埋氣泄漏的現(xiàn)狀，應(yīng)盡快形成切實(shí)可行的填埋場(chǎng)覆蓋膜完整性檢測(cè)指導(dǎo)方法，建立覆蓋膜填埋氣泄漏環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，完善填埋場(chǎng)污染控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，保證覆蓋膜鋪設(shè)和填埋場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中覆蓋膜功能完好，開(kāi)展填埋場(chǎng)覆蓋層完整性定期檢測(cè)工作，降低覆蓋膜破損機(jī)率，這樣才能更好地限制填埋場(chǎng)污染物排放，助力實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)。

3 結(jié)論

1)填埋場(chǎng)覆蓋膜破損點(diǎn)類(lèi)型主要包括尖銳物體應(yīng)力損傷、覆蓋膜焊接點(diǎn)破損及覆蓋膜與填埋場(chǎng)其他構(gòu)件連接不完整等，粗放施工、監(jiān)管機(jī)制不足、維護(hù)管理不到位是造成填埋場(chǎng)覆蓋膜破損的主要原因。

2)該研究覆蓋膜破損點(diǎn)甲烷的泄漏量約為817.2 m3/d，其中尖銳物應(yīng)力損傷導(dǎo)致的破損點(diǎn)甲烷泄漏速率最高，單個(gè)破損點(diǎn)的泄漏速率達(dá)到26.9 m3/d。

3)該研究填埋場(chǎng)由于覆蓋膜破損向大氣釋放的溫室氣體達(dá)13.58 t CO2-eq/d，約合每年釋放4 900 t CO2-eq。

4)針對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋膜破損導(dǎo)致填埋氣泄漏的問(wèn)題，應(yīng)完善填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，加強(qiáng)填埋場(chǎng)覆蓋膜完整性的監(jiān)管，定期開(kāi)展覆蓋膜完整性檢測(cè)，保證覆蓋膜在鋪設(shè)和運(yùn)行中功能完好。